JP5369441B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
本発明は、フォトダイオードの上方に、入射光をフォトダイオードに導くための光導波路を有する固体撮像素子に係わる。
ＣＣＤ固体撮像素子やＣＭＯＳ固体撮像素子では、フォトダイオードにおける結晶欠陥や、シリコン基板に形成された受光部とその上の絶縁層との界面における界面準位が、暗電流の原因となることが知られている。
即ち、図１０Ａに模式的断面図を示し、図１０Ｂにポテンシャル図を示すように、フォトダイオードＰＤが形成されたシリコン層５１と、その上の絶縁層５２との界面において、×印で示す界面準位が発生している。この界面準位が暗電流の発生源となり、界面に起源する電子が、暗電流となってフォトダイオードＰＤに流れ込む。
様々な暗電流の発生要因のうち、界面準位に起因する暗電流の発生を制御する技術として、いわゆるＨＡＤ（Hole Accumulation Diode）構造が採用されている（例えば、特許文献１を参照。）。
具体的には、図１１Ａに模式的断面図を示し、図１１Ｂにポテンシャル図を示すように、シリコン層５１の表面付近にｐ型の不純物を導入して、ｐ＋の半導体領域を形成して、このｐ＋の半導体領域を、正電荷（ホール）を蓄積するための正電荷蓄積領域５３とする。
このように、界面に正電荷蓄積領域５３を形成したＨＡＤ構造とすることにより、フォトダイオードＰＤを界面から離して、界面準位を発生源とする暗電流を抑制することが可能になる。
具体的には、図１１Ａに模式的断面図を示し、図１１Ｂにポテンシャル図を示すように、シリコン層５１の表面付近にｐ型の不純物を導入して、ｐ＋の半導体領域を形成して、このｐ＋の半導体領域を、正電荷（ホール）を蓄積するための正電荷蓄積領域５３とする。
このように、界面に正電荷蓄積領域５３を形成したＨＡＤ構造とすることにより、フォトダイオードＰＤを界面から離して、界面準位を発生源とする暗電流を抑制することが可能になる。
一般に、ＨＡＤ構造を形成する際には、Ｂ，ＢＦ２のようなイオンをアニール温度でイオン注入することにより、界面付近に正電荷蓄積領域５３となるｐ＋の半導体領域を形成している。
また、従来の固体撮像素子において、光電変換部（フォトダイオード）の受光領域上の配線層に、井戸構造で光導波路を設けて、受光領域への集光効率を高めるようにした構成が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。
この構成では、光導波路の内部の透明性のコア材が、層間絶縁層（ＳｉＯ２）に比べて屈折率が高いことを利用している。そして、この構成では、透明性のコア材と層間絶縁層との界面で定まる臨界角よりも大きい入射角を持つ入射光を全反射させること（スネルの法則）により、フォトダイオードへの集光効率を高めることができる。
この構成では、光導波路の内部の透明性のコア材が、層間絶縁層（ＳｉＯ２）に比べて屈折率が高いことを利用している。そして、この構成では、透明性のコア材と層間絶縁層との界面で定まる臨界角よりも大きい入射角を持つ入射光を全反射させること（スネルの法則）により、フォトダイオードへの集光効率を高めることができる。
しかしながら、上述したＨＡＤ構造を有する固体撮像素子を製造する際に、ＨＡＤ構造による効果を高めることを目的として、高濃度のイオン注入を行った場合には、イオン注入によるダメージによる欠陥の発生が問題となる。
そこで、図１２Ａに模式的断面図を示し、図１２Ｂにポテンシャル図を示すように、フォトダイオードＰＤが形成されたシリコン層５１の上に形成する絶縁層として、通常の絶縁層５２の代わりに、負の固定電荷５４を有する絶縁層５５を形成することが考えられる。
これにより、図１２Ｂに示すように、バンドを曲げて、特に界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにすることができる。
これにより、図１２Ｂに示すように、バンドを曲げて、特に界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにすることができる。
ところで、前述した光導波路を有する構成の固体撮像素子においては、光導波路となる溝をエッチング等により形成する必要がある。
このため、図１２Ａ及び図１２Ｂに示した、負の固定電荷５４を有する絶縁膜５５を、光導波路を有する構成の固体撮像素子にそのまま適用した場合には、光導波路となる溝を形成する際に、先に形成した負の固定電荷５４を有する絶縁膜５５が削られて、薄くなってしまうことになる。
このように負の固定電荷５４を有する絶縁膜５５が薄くなると、負の固定電荷によるホールの蓄積効果が小さくなる。
このため、図１２Ａ及び図１２Ｂに示した、負の固定電荷５４を有する絶縁膜５５を、光導波路を有する構成の固体撮像素子にそのまま適用した場合には、光導波路となる溝を形成する際に、先に形成した負の固定電荷５４を有する絶縁膜５５が削られて、薄くなってしまうことになる。
このように負の固定電荷５４を有する絶縁膜５５が薄くなると、負の固定電荷によるホールの蓄積効果が小さくなる。
従って、負の固定電荷を有する絶縁膜を、光導波路を有する構成の固体撮像素子に適用する場合には、充分にホールの蓄積効果が得られるように工夫する必要がある。
上述した問題の解決のために、本発明においては、光導波路を有する構成において、充分にホールの蓄積効果を得ることを可能にする固体撮像素子を提供するものである。
本発明の固体撮像素子は、フォトダイオードが形成され、このフォトダイオードの表面に正電荷蓄積領域が形成されたシリコン層と、フォトダイオードの上方に形成され、入射光をフォトダイオードに導くための光導波路とを有し、この光導波路の内部に、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を有する絶縁層が形成されているものである。
そして、正電荷蓄積領域がｐ型であり、光導波路がシリコン層に接触して形成され、負の固定電荷を有する絶縁層による負のバイアス効果によりシリコン層の表面に正電荷が蓄積される構成としたものである。
そして、正電荷蓄積領域がｐ型であり、光導波路がシリコン層に接触して形成され、負の固定電荷を有する絶縁層による負のバイアス効果によりシリコン層の表面に正電荷が蓄積される構成としたものである。
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、光導波路の内部に、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を有する絶縁層が形成されていることにより、フォトダイオードが形成されたシリコン層の界面付近に、正電荷（ホール）が蓄積されるようにすることができる。そして、シリコン層の正電荷蓄積領域と合わせて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
また、光導波路の内部に負の固定電荷を有する絶縁層が形成されているので、負の固定電荷を有する絶縁層が比較的大きい体積で形成されており、充分なホールの蓄積効果（負バイアス効果）を得ることが可能になる。
また、光導波路の内部に負の固定電荷を有する絶縁層が形成されているので、負の固定電荷を有する絶縁層が比較的大きい体積で形成されており、充分なホールの蓄積効果（負バイアス効果）を得ることが可能になる。
本発明の固体撮像素子は、フォトダイオードが形成され、このフォトダイオードの表面に正電荷蓄積領域が形成されたシリコン層と、フォトダイオードの上方に形成され、入射光をフォトダイオードに導くための光導波路とを有し、フォトダイオードの上に、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を有する絶縁膜が形成され、この絶縁膜上に光導波路が形成されているものである。
そして、正電荷蓄積領域がｐ型であり、光導波路が絶縁膜上に接触して形成され、光導波路の内部に比誘電率が５以上であり負の固定電荷を有する絶縁層が形成され、負の固定電荷を有する絶縁膜及び光導波路の内部の負の固定電荷を有する絶縁層による負のバイアス効果によりシリコン層の表面に正電荷が蓄積される構成としたものである。
そして、正電荷蓄積領域がｐ型であり、光導波路が絶縁膜上に接触して形成され、光導波路の内部に比誘電率が５以上であり負の固定電荷を有する絶縁層が形成され、負の固定電荷を有する絶縁膜及び光導波路の内部の負の固定電荷を有する絶縁層による負のバイアス効果によりシリコン層の表面に正電荷が蓄積される構成としたものである。
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、フォトダイオードの上に、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を有する絶縁膜が形成され、この絶縁膜上に光導波路が形成されていることにより、フォトダイオードが形成されたシリコン層の界面付近に、正電荷（ホール）が蓄積されるようにすることができる。そして、シリコン層の正電荷蓄積領域と合わせて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
また、負の固定電荷を有する絶縁膜が、光導波路よりもフォトダイオードの近くに形成されているので、充分なホールの蓄積効果（負バイアス効果）を得ることが可能になる。
また、負の固定電荷を有する絶縁膜が、光導波路よりもフォトダイオードの近くに形成されているので、充分なホールの蓄積効果（負バイアス効果）を得ることが可能になる。
上述の本発明によれば、充分なホールの蓄積効果（負バイアス効果）を得ることが可能になるので、光導波路を有する構成において、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
従って、本発明により、暗電流を生じることなく安定して動作する、高い信頼性を有する固体撮像素子を実現することができる。
従って、本発明により、暗電流を生じることなく安定して動作する、高い信頼性を有する固体撮像素子を実現することができる。
本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（断面図）を、図１に示す。
本実施の形態は、本発明を、ＣＭＯＳ固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）に適用した場合である。
本実施の形態は、本発明を、ＣＭＯＳ固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）に適用した場合である。
この固体撮像素子１は、フォトダイオード部４１のシリコン基板２に、フォトダイオードＰＤとなる電荷蓄積領域３が形成されている。
また、この電荷蓄積領域３の表面には、ｐ＋の正電荷蓄積領域１３が形成されている。
そして、これら電荷蓄積領域３及び正電荷蓄積領域１３によって、前述したＨＡＤ構造が構成されている。
また、この電荷蓄積領域３の表面には、ｐ＋の正電荷蓄積領域１３が形成されている。
そして、これら電荷蓄積領域３及び正電荷蓄積領域１３によって、前述したＨＡＤ構造が構成されている。
フォトダイオード部４１においては、シリコン基板２の上に、図示しない薄いゲート絶縁膜を介して、ＭＯＳトランジスタのゲート電極４が形成されている。
周辺回路部４２においては、シリコン基板２の上に、図示しない薄いゲート絶縁膜を介して、ＭＯＳトランジスタのゲート電極４が形成されている。図示していないが、この周辺回路部４２のシリコン基板２内には、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域やチャネルとなる半導体ウエル領域が形成されている。
また、それぞれのＭＯＳトランジスタのゲート電極４の側壁には、絶縁層から成るサイドウォール５が形成されている。
周辺回路部４２においては、シリコン基板２の上に、図示しない薄いゲート絶縁膜を介して、ＭＯＳトランジスタのゲート電極４が形成されている。図示していないが、この周辺回路部４２のシリコン基板２内には、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域やチャネルとなる半導体ウエル領域が形成されている。
また、それぞれのＭＯＳトランジスタのゲート電極４の側壁には、絶縁層から成るサイドウォール５が形成されている。
ゲート電極４のさらに上方には、金属配線による配線層８が形成されている。ゲート電極４と各層の配線層８との間は、層間絶縁層６によって絶縁されている。
フォトダイオード部４１において、第１層目の配線層８と、ＭＯＳトランジスタのゲート電極４とが、層間絶縁層６を貫通する導電性プラグ層７によって電気的に接続されている。
また、周辺回路部４２において、第１層目の配線層８は、層間絶縁層６を貫通する導電性プラグ層７によって、シリコン基板２に形成されたＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域（図示せず）等と、電気的に接続されている。
フォトダイオード部４１において、第１層目の配線層８と、ＭＯＳトランジスタのゲート電極４とが、層間絶縁層６を貫通する導電性プラグ層７によって電気的に接続されている。
また、周辺回路部４２において、第１層目の配線層８は、層間絶縁層６を貫通する導電性プラグ層７によって、シリコン基板２に形成されたＭＯＳトランジスタのソース・ドレイン領域（図示せず）等と、電気的に接続されている。
フォトダイオードＰＤによって、それぞれの画素が構成される。
各画素には、図示のゲート電極４から成るＭＯＳトランジスタを含む、１個以上のＭＯＳトランジスタを有して構成される。
各画素には、図示のゲート電極４から成るＭＯＳトランジスタを含む、１個以上のＭＯＳトランジスタを有して構成される。
フォトダイオードＰＤが形成されたシリコン基板２の上方には、層間絶縁層６を貫いて、光導波路２１が形成されている。光導波路２１の内部は、層間絶縁層６よりも屈折率が高く、かつ透明な材料によって、構成されている。
層間絶縁層６及び光導波路２１のさらに上方には、保護用の膜としてのパッシベーション膜９と、平坦化膜１０とが、積層形成されている。
なお、周辺回路部４２においては、図示しない遮光膜を設けることにより、光の入射によるＭＯＳトランジスタ等の特性の変動を抑制することができる。
なお、周辺回路部４２においては、図示しない遮光膜を設けることにより、光の入射によるＭＯＳトランジスタ等の特性の変動を抑制することができる。
平坦化膜１０の上には、カラーフィルター１１が形成されている。
このカラーフィルター１１としては、画素毎に、対応する色（例えば、赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂ）のフィルターを設ける。
カラーフィルター１１の上には、集光のために、球面状のオンチップレンズ１２が設けられている。
このカラーフィルター１１としては、画素毎に、対応する色（例えば、赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂ）のフィルターを設ける。
カラーフィルター１１の上には、集光のために、球面状のオンチップレンズ１２が設けられている。
このような構成となっていることにより、本実施の形態の固体撮像素子１は、図１の上方から入射した光が、層間絶縁層６との界面である光導波路２１の側壁において、臨界角よりも大きい角度で界面に入射すると、界面で全反射される。
これにより、入射した光を、光導波路２１の下方のフォトダイオードＰＤへ集めて、効率よく受光・検出することができる。
これにより、入射した光を、光導波路２１の下方のフォトダイオードＰＤへ集めて、効率よく受光・検出することができる。
さらに、本実施の形態の固体撮像素子１においては、特に、光導波路２１の内部を、負の固定電荷を有する絶縁層２２で構成している。
この絶縁層２２としては、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を充分に有する絶縁材料を用いる。このような材料としては、例えば、ハフニウム酸化物や、ハフニウム、ジルコニウム、アルミニウム、タンタル、チタン、イットリウム、ランタノイド元素のうち、少なくとも１つの元素を含む、絶縁材料が挙げられる。
例えば、上述の元素を含有する、酸化物、酸窒化物のうち負の固定電荷を有するもの、その他の材料で負の固定電荷を有するもの、等が挙げられる。
ちなみに、ハフニウム酸化物は、２０以上の比誘電率を有している。
この絶縁層２２としては、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を充分に有する絶縁材料を用いる。このような材料としては、例えば、ハフニウム酸化物や、ハフニウム、ジルコニウム、アルミニウム、タンタル、チタン、イットリウム、ランタノイド元素のうち、少なくとも１つの元素を含む、絶縁材料が挙げられる。
例えば、上述の元素を含有する、酸化物、酸窒化物のうち負の固定電荷を有するもの、その他の材料で負の固定電荷を有するもの、等が挙げられる。
ちなみに、ハフニウム酸化物は、２０以上の比誘電率を有している。
ただし、光導波路２１として作用させるために、この絶縁層２２には、層間絶縁層６の材料よりは、屈折率の高い材料を選択する必要がある。
例えば、ハフニウム酸化物は、屈折率が２程度であり、層間絶縁層６に用いられるＳｉＯ２（屈折率１．４６）と比較して、高い屈折率を有する。
例えば、ハフニウム酸化物は、屈折率が２程度であり、層間絶縁層６に用いられるＳｉＯ２（屈折率１．４６）と比較して、高い屈折率を有する。
シリコン基板２の上層に、負の固定電荷を有する絶縁層２２から成る光導波路２１を設けたことにより、図１２Ａ及び図１２Ｂに示したと同様に、バンドを曲げて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにすることができる。
なお、ハフニウム酸化物は、屈折率が２程度であり、厚さを調整することにより、反射防止効果を得ることも可能になる。
なお、ハフニウム酸化物は、屈折率が２程度であり、厚さを調整することにより、反射防止効果を得ることも可能になる。
本実施の形態の固体撮像素子１は、例えば、次のようにして、製造することができる。
図２に示すように、シリコン基板２上に、フォトダイオード部４１のフォトダイオードＰＤ及びトランジスタ、周辺回路部４２のトランジスタを、それぞれ形成する。
また、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積領域３の表面に、ｐ＋の正電荷蓄積領域１３を形成する。
また、フォトダイオードＰＤの電荷蓄積領域３の表面に、ｐ＋の正電荷蓄積領域１３を形成する。
次に、図３に示すように、フォトダイオードＰＤを形成したシリコン基板２上に、層間絶縁層６、導電性プラグ層７、配線層８を形成する。
即ち、シリコン基板２の全面に、所定の膜厚のＳｉＯ２膜等の層間絶縁層６を堆積し、この層間絶縁層６を選択的に開口して、シリコン基板２に達するコンタクトホールを形成する。その後、このコンタクトホールの内部に、タングステン等の金属材料から成る導電材を埋め込むことにより、導電性プラグ層７を形成する。さらに、導電性プラグ層７の上に、導電材により配線層８を形成する。
即ち、シリコン基板２の全面に、所定の膜厚のＳｉＯ２膜等の層間絶縁層６を堆積し、この層間絶縁層６を選択的に開口して、シリコン基板２に達するコンタクトホールを形成する。その後、このコンタクトホールの内部に、タングステン等の金属材料から成る導電材を埋め込むことにより、導電性プラグ層７を形成する。さらに、導電性プラグ層７の上に、導電材により配線層８を形成する。
次に、図４に示すように、各層間絶縁層６に対して、ドライエッチングを行うことにより、光導波路２１となる溝３１を形成する。
このとき、できるだけシリコン基板２に近い部分までエッチングを行っておくことにより、負の固定電荷によるホール蓄積効果を大きくすることができる。
このとき、できるだけシリコン基板２に近い部分までエッチングを行っておくことにより、負の固定電荷によるホール蓄積効果を大きくすることができる。
次に、溝３１の内部に、前述したハフニウム酸化物等の絶縁材料により、負の固定電荷を有する絶縁層２２を形成する。
その後、ＣＭＰ法やエッチバック法により、表面に対してグローバル平坦化処理を施す。
そして、平坦化処理後の表面に、パッシベーション膜９、平坦化膜１０を、順次積層形成する。
その後、ＣＭＰ法やエッチバック法により、表面に対してグローバル平坦化処理を施す。
そして、平坦化処理後の表面に、パッシベーション膜９、平坦化膜１０を、順次積層形成する。
続いて、画素毎に対応する色のカラーフィルター１１を形成する。
その後、カラーフィルター１１上に、オンチップレンズ１２を形成する（以上、図５参照）。
このようにして、図１に示した固体撮像素子１を製造することができる。
その後、カラーフィルター１１上に、オンチップレンズ１２を形成する（以上、図５参照）。
このようにして、図１に示した固体撮像素子１を製造することができる。
上述の本実施の形態の固体撮像素子１の構成によれば、光導波路２１の内部を、負の固定電荷を有する絶縁層２２で構成していることにより、図１２Ａ及び図１２Ｂに示したと同様に、バンドを曲げて、界面（シリコン基板２の表面）付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにすることができる。
そして、シリコン基板２の正電荷蓄積領域１３と合わせて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
そして、シリコン基板２の正電荷蓄積領域１３と合わせて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
また、本実施の形態によれば、光導波路２１の内部全体が、負の固定電荷を有する絶縁層２２で形成されているので、負の固定電荷の量が多くなっており、ホールを蓄積させる効果（負バイアス効果）を充分に大きくすることができる。
従って、本実施の形態により、暗電流を生じることなく安定して動作する、高い信頼性を有する固体撮像素子を実現することができる。
従って、本実施の形態により、暗電流を生じることなく安定して動作する、高い信頼性を有する固体撮像素子を実現することができる。
ここで、図１に示した実施の形態の固体撮像素子１を変形した形態を、図６の断面図に示す。
図１に示した固体撮像素子１では、光導波路２１の内部全体が、負の固定電荷を有する絶縁層２２で形成されていた。
これに対して、図６に示す形態の固体撮像素子２０では、光導波路２１の内部の一部分、即ち側壁に沿った部分を、負の固定電荷を有する絶縁層２２で形成し、残りの部分を従来の光導波路の材料と同様の材料（屈折率の高い材料）から成る絶縁層２３で形成している。
図１に示した固体撮像素子１では、光導波路２１の内部全体が、負の固定電荷を有する絶縁層２２で形成されていた。
これに対して、図６に示す形態の固体撮像素子２０では、光導波路２１の内部の一部分、即ち側壁に沿った部分を、負の固定電荷を有する絶縁層２２で形成し、残りの部分を従来の光導波路の材料と同様の材料（屈折率の高い材料）から成る絶縁層２３で形成している。
この残りの部分の絶縁層２３の材料としては、プラズマＣＶＤ法により形成したシリコン窒化物や、塗布により形成したポリイミド樹脂等を、使用することができる。
このような構成としても、光導波路２１内の側壁に形成され、比較的大きい体積で形成された、負の固定電荷を有する絶縁層２２によって、ホールを蓄積させる効果（負バイアス効果）が充分に得られるので、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
続いて、本発明の他の実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（断面図）を、図７に示す。
本実施の形態の固体撮像素子３０では、光導波路２１を形成する際のエッチング用のストッパー膜２４を、光導波路２１の下に設けている。
また、導波路２１の内部は、図１に示した固体撮像素子１と同様に、負の固定電荷を有する絶縁層２２によって形成されている。
本実施の形態の固体撮像素子３０では、光導波路２１を形成する際のエッチング用のストッパー膜２４を、光導波路２１の下に設けている。
また、導波路２１の内部は、図１に示した固体撮像素子１と同様に、負の固定電荷を有する絶縁層２２によって形成されている。
ストッパー膜２４の材料としては、層間絶縁層６の材料（ＳｉＯ２等）に対してエッチングの選択性を有する絶縁材料が好ましい。例えば、ＳｉＮ等を使用することができる。
ストッパー膜２４の膜厚は、エッチングの条件も考慮して、エッチング後の残膜の厚さが１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲となるように、選定することが好ましい。
なお、ストッパー膜２４の膜厚を厚くし過ぎると、光導波路２１の内部の負の固定電荷を有する絶縁層２２による、ホールを蓄積させる効果が弱くなる。
ストッパー膜２４の膜厚は、エッチングの条件も考慮して、エッチング後の残膜の厚さが１ｎｍ〜２０ｎｍの範囲となるように、選定することが好ましい。
なお、ストッパー膜２４の膜厚を厚くし過ぎると、光導波路２１の内部の負の固定電荷を有する絶縁層２２による、ホールを蓄積させる効果が弱くなる。
上述の本実施の形態の固体撮像素子３０の構成によれば、光導波路２１の内部を、負の固定電荷を有する絶縁層２２で構成していることにより、図１に示した先の実施の形態の固体撮像素子１と同様に、界面（シリコン基板２の表面）付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにすることができる。
そして、シリコン基板２の正電荷蓄積領域１３と合わせて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
そして、シリコン基板２の正電荷蓄積領域１３と合わせて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
また、本実施の形態によれば、光導波路２１の内部全体が、負の固定電荷を有する絶縁層２２で形成されているので、負の固定電荷の量が多くなっており、ホールを蓄積させる効果（負バイアス効果）を充分に大きくすることができる。
ただし、ストッパー膜２４が負の固定電荷を持っていないので、図１の固体撮像素子１と比較すると、負の固定電荷を有する絶縁層２２が、ストッパー膜２４の分界面から離れ、ホールを蓄積させる効果（負バイアス効果）が少し弱くなる。
ただし、ストッパー膜２４が負の固定電荷を持っていないので、図１の固体撮像素子１と比較すると、負の固定電荷を有する絶縁層２２が、ストッパー膜２４の分界面から離れ、ホールを蓄積させる効果（負バイアス効果）が少し弱くなる。
続いて、本発明のさらに他の実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（断面図）を、図８に示す。
本実施の形態は、光導波路２１を形成する際のエッチング用のストッパー膜を、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を有する膜とした場合である。
即ち、図８に示すように、本実施の形態の固体撮像素子４０においては、シリコン基板２上に、負の固定電荷を有するストッパー膜２５が形成されている。
一方、光導波路２１の内部は、従来の導波路の材料と同様の材料（屈折率の高い材料）から成る絶縁層２３で形成している。
その他の構成は、図７に示した固体撮像素子３０と同様である。
本実施の形態は、光導波路２１を形成する際のエッチング用のストッパー膜を、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を有する膜とした場合である。
即ち、図８に示すように、本実施の形態の固体撮像素子４０においては、シリコン基板２上に、負の固定電荷を有するストッパー膜２５が形成されている。
一方、光導波路２１の内部は、従来の導波路の材料と同様の材料（屈折率の高い材料）から成る絶縁層２３で形成している。
その他の構成は、図７に示した固体撮像素子３０と同様である。
本実施の形態において、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を有するストッパー膜２５の材料としては、ハフニウム酸化物や、ハフニウム、ジルコニウム、アルミニウム、タンタル、チタン、イットリウム、ランタノイド元素のうち、少なくとも１つの元素を含む絶縁材料を使用することが可能である。また、ハフニウムシリケート（ハフニウムシリコン酸化物）を使用することも可能である。
ただし、ストッパー膜２５として作用させるために、層間絶縁層６の材料とはエッチングの選択性を有する材料を選択する必要がある。
なお、ハフニウム酸化物は、屈折率が２程度であり、厚さを調整することにより、反射防止効果を得ることも可能になる。
ただし、ストッパー膜２５として作用させるために、層間絶縁層６の材料とはエッチングの選択性を有する材料を選択する必要がある。
なお、ハフニウム酸化物は、屈折率が２程度であり、厚さを調整することにより、反射防止効果を得ることも可能になる。
また、光導波路２１の内部の絶縁層２３の材料としては、プラズマＣＶＤ法により形成したシリコン窒化物や、塗布により形成したポリイミド樹脂等を、使用することができる。
上述の本実施の形態の固体撮像素子４０の構成によれば、光導波路２１の下に、負の固定電荷を有するストッパー膜２５を形成していることにより、図１に示した先の実施の形態の固体撮像素子１と同様に、界面（シリコン基板２の表面）付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにすることができる。
そして、シリコン基板２の正電荷蓄積領域１３と合わせて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
また、負の固定電荷を有する絶縁膜が、光導波路２１よりもフォトダイオードＰＤの近くに形成されているので、充分なホールの蓄積効果（負バイアス効果）を得ることが可能になる。
そして、シリコン基板２の正電荷蓄積領域１３と合わせて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
また、負の固定電荷を有する絶縁膜が、光導波路２１よりもフォトダイオードＰＤの近くに形成されているので、充分なホールの蓄積効果（負バイアス効果）を得ることが可能になる。
なお、本実施の形態では、ストッパー膜２５が、負の固定電荷を有する絶縁材料で形成されているので、図７に示した固体撮像素子３０とは逆に、ストッパー膜２５を厚く形成すると、負の固定電荷の量が多くなる。
従って、ストッパー膜２５をある程度厚く形成して、ホールを蓄積させる効果（負バイアス効果）を充分に大きくすることも可能になる。
従って、ストッパー膜２５をある程度厚く形成して、ホールを蓄積させる効果（負バイアス効果）を充分に大きくすることも可能になる。
続いて、本発明のさらに別の実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図（断面図）を、図９に示す。
本実施の形態は、光導波路２１を形成する際のエッチング用のストッパー膜と、光導波路２１の内部の絶縁層とを、いずれも、負の固定電荷を有する絶縁材料とした場合である。
即ち、図９に示すように、本実施の形態の固体撮像素子５０においては、シリコン基板２上に、負の固定電荷を有するストッパー膜２５が形成されており、さらに、光導波路２１の内部全体が、負の固定電荷を有する絶縁層２２によって形成されている。
その他の構成は、図７に示した固体撮像素子３０と同様である。
本実施の形態は、光導波路２１を形成する際のエッチング用のストッパー膜と、光導波路２１の内部の絶縁層とを、いずれも、負の固定電荷を有する絶縁材料とした場合である。
即ち、図９に示すように、本実施の形態の固体撮像素子５０においては、シリコン基板２上に、負の固定電荷を有するストッパー膜２５が形成されており、さらに、光導波路２１の内部全体が、負の固定電荷を有する絶縁層２２によって形成されている。
その他の構成は、図７に示した固体撮像素子３０と同様である。
上述の本実施の形態の固体撮像素子５０の構成によれば、光導波路２１の下に、負の固定電荷を有するストッパー膜２５を形成し、さらに光導波路２１の内部を、負の固定電荷を有する絶縁層２２で構成していることにより、界面（シリコン基板２の表面）付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにすることができる。
そして、シリコン基板２の正電荷蓄積領域１３と合わせて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
そして、シリコン基板２の正電荷蓄積領域１３と合わせて、界面付近に正電荷（ホール）が蓄積されるようにして、界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
また、本実施の形態によれば、光導波路２１の下に、負の固定電荷を有するストッパー膜２５が形成され、光導波路２１の内部全体が、負の固定電荷を有する絶縁層２２で形成されているので、負の固定電荷の量が多くなっており、ホールを蓄積させる効果（負バイアス効果）を充分に大きくすることができる。
上述の各実施の形態では、ＣＭＯＳ固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）に本発明を適用したが、ＣＣＤ固体撮像素子（ＣＣＤイメージセンサ）等、その他の構成の固体撮像素子にも、同様に本発明を適用することができる。
また、上述の各実施の形態では、フォトダイオードＰＤをシリコン基板２に形成していたが、フォトダイオードを形成するシリコン層を、シリコン基板上のシリコンエピタキシャル層とした場合にも、同様に本発明を適用することができる。
さらに、図６に示した、光導波路２１の内部を２層にした構成を、図７又は図９に示した実施の形態の構成に適用することや、光導波路の内部を３層以上（負の固定電荷を有する絶縁層を含む）により形成することも、可能である。
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
１，２０，３０，４０，５０ 固体撮像素子、２ シリコン基板、３ フォトダイオード（ＰＤ）、４ ゲート電極、５ サイドウォール、６ 層間絶縁層、７ 導電性プラグ層、８ 配線層、９ パッシベーション膜、１０ 平坦化膜、１１ カラーフィルター、１２ オンチップレンズ、１３ 正電荷蓄積領域、２１ 光導波路、２２ 負の固定電荷を有する絶縁層、２３ 絶縁層、２４ ストッパー膜、２５ 負の固定電荷を有するストッパー膜
Claims (2)
- フォトダイオードが形成され、前記フォトダイオードの表面にｐ型の正電荷蓄積領域が形成されたシリコン層と、
前記フォトダイオードの上方に形成され、入射光を前記フォトダイオードに導くための光導波路とを有し、
前記光導波路が前記シリコン層に接触して形成され、
前記光導波路の内部に、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を有する絶縁層が形成され、前記絶縁層による負のバイアス効果により前記シリコン層の表面に正電荷が蓄積される
固体撮像素子。 - フォトダイオードが形成され、前記フォトダイオードの表面にｐ型の正電荷蓄積領域が形成されたシリコン層と、
前記フォトダイオードの上方に形成され、入射光を前記フォトダイオードに導くための光導波路とを有し、
前記フォトダイオードの上に、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を有する絶縁膜が形成され、
前記絶縁膜上に接触して前記光導波路が形成され、前記光導波路の内部に、比誘電率が５以上であり、負の固定電荷を有する絶縁層が形成され、前記絶縁膜及び前記絶縁層による負のバイアス効果により前記シリコン層の表面に正電荷が蓄積される
固体撮像素子。
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