JP5875053B2 - 裏面照射型画像センサの反射防止層 - Google Patents

裏面照射型画像センサの反射防止層 Download PDF

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Description

本発明は、半導体材料とその製造方法に関するものであって、特に、画像センサの材料とその製造方法に関するものである。
集積回路（ＩＣ）技術は絶え間なく改善されている。このような改善は、頻繁に、装置形状を小型化して、低製造コスト、高装置集積密度、高速およびより良いパフォーマンスを達成することを含む。外形サイズの減少により実現される長所に加え、直接ＩＣ装置にも改良が行なわれる。このようなＩＣ装置の一つは画像センサ装置である。画像センサ装置は光を検出し、そして検出光の強度（輝度）を記録するための画素アレイ（または格子）を含む。画素アレイは、電荷を蓄積することにより、光に応答する。例えば、光の強度が高くなればなるほどより多くの電荷が画素アレイ中に蓄積される。蓄積された電荷が、適切な用途、例えばデジタルカメラなどで用いるための色および輝度を提供するために（例えば、別の回路により）使用される。
画像センサ装置の一つは裏面照射型（ＢＳＩ）画像センサ装置である。ＢＳＩ画像センサ装置は、ＢＳＩ画像センサ装置の画像センサ回路を支持している基板の裏面側から照射される光量を感知するために使用されるものである。画素格子は基板表面に配置されており、基板は十分に薄く、基板の裏面側から照射される光を画素格子に到達させることができる。表面照射型（ＦＳＩ）画像センサ装置と比較して、ＢＳＩ画像センサ装置は、高い曲線因子と低い相殺的干渉を提供する。デバイススケーリングのため、ＢＳＩ技術の改良が、ＢＳＩ画像センサ装置の画像品質をさらに改良するために絶えず行われている。既存のＢＳＩ画像センサ装置およびＢＳＩ画像センサ装置の製造方法は、一般的には所望の目的に十分であったが、デバイススケーリングが進むにつれて、従来技術では全ての点で要求を完全に満たすことはできない。
本発明は、裏面照射型画像センサの反射防止層を提供することを目的とするものである。
画像センサ装置の形成方法は、光センサ領域をシリコン基板の表面に形成し、パターン化された金属層をその上に形成する工程を含む。続いて、本方法は、金属酸化物反射防止積層体を、基板の第一表面に堆積する工程を含む。金属酸化物反射防止積層体は、フォトダイオード上に積層された薄い金属酸化物の一つまたはそれ以上の複合層を含む。各複合層は二つまたはそれ以上の金属酸化物層を含む。一つの金属酸化物は、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物であり、そして、もう一つの金属酸化物は、高い屈折率を有する金属酸化物である。
画像センサ設計が改善されて、量子効率を最大化し、漏れ電流を最小化すると同時に、より良好な構造的完全性および製造性を提供する。
図１は本発明の各種態様による画像センサ装置の上視図である。 図２は本発明の各種態様による画像センサ装置のセンサ素子を含む集積回路装置の側断面図である。 図３は本発明の各種態様による画像センサ装置上に反射防止膜を含む集積回路装置の部分断面図である。 図４Ａは本発明の各種態様による画像センサ装置を含む集積回路装置の製造方法のフローチャートである。 図４Ｂは本発明の各種態様による画像センサ装置を含む集積回路装置の製造方法のフローチャートである。
本明細書中の以下の開示は本発明の種々の特徴を実施するための多数の態様または実施例を提供する。特定の成分および配列の具体例は、本開示を簡潔に記載するためのものであって、単なる例示であり、本発明を限定するものではない。たとえば、第一の機構を第二の機構上方に（over）または上に（on）形成するという以下の記載は、両者が直接接触する実施態様、および、両者の間に追加の機構が形成されており、従って両者が直接接触していない実施態様を含む。また、本開示において、個々の実施例中、重複した参照番号および／または参照記号で類似の素子を表示しているが、これは説明を簡潔かつ明確にすることを目的とするものであり、個々の実施例および／または構成において同じ符号を有する素子が、同じ対応関係を有する必要はない。
さらに、空間性に関わる相対用語、例えば、「下方（beneath）」、「その下（below）」、「下側（lower）」、「上方（above）」、「上部（upper）」などは、本明細書中において、ある素子または機構と別の素子または機構との図中での相対関係を簡潔に記載するために用いられる。空間性に関わる相対用語は、図中に示されている方向に加えて、使用または操作する装置の種々の方向を包含することを意図している。例えば、図中の装置が反転される場合、ある素子が他の素子または機構の下または下方に位置するという元の記述は、ある素子が他の素子または機構の上方に配置されていることに転換される。よって、用語「下」は上方および下方の両方の方向を包含すると定義される。また、装置は９０度またはその他の角度で回転されてもよく、よって、本明細書中の空間性に関わる相対的記載は、図示されている方向を説明することだけに用いられる。
画像センサ設計は、良好な構造的完全性および製造性を維持しながら、量子効率を最大に、そして漏れ電流を最小にするよう改良されてきた。本発明の種々の実施態様によると、金属酸化物反射防止積層体である新規の反射防止（ＡＲ）フィルムが、画像センサ中の光検出器と光源との間で用いられる。ある実施態様においては、金属酸化物反射防止積層体は、画像センサ装置のアクティブ領域に入射した光子の数に対する生成したキャリアの数の比として定義される量子効率を改良するが、これは金属酸化物反射防止積層体が、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ケイ素、オキシ窒化ケイ素またはこれらの膜の組み合わせである従来技術のＡＲ膜とは異なり、調節可能な屈折率を有する多層膜を有するためである。ある実施態様において、金属酸化物反射防止積層体は、固有の圧縮応力で堆積され、その結果、層の構造的完全性が改善されているため、隣接する層からの離層または剥離がおこりにくい。ある実施態様において、金属酸化物反射防止積層体はまた、従来技術のＡＲ膜と比較して高いエネルギーバンドギャップを有する。高いエネルギーバンドギャップは漏れ電流を減少させ、且つ、続く処理におけるプラズマ損傷の可能性も低下させる。ある実施態様によると、金属酸化物反射防止積層体の別の特徴は、全体で負の電荷をもっていることである。負の電荷は、界面でまたは界面近傍で、空乏層を形成し、暗電流（画像センサ装置に入射する光がない時に画像センサ装置に流れる電流）およびそれによって生じ得る白色画素（過量の漏れ電流は、画素からの異常に高い信号を生じさせる）等の問題を減少させる。
金属酸化物反射防止積層体は、一つまたはそれ以上のフォトダイオード上に積層される薄い金属酸化物の複合層を含む。金属酸化物反射防止積層体は、装置の効率を低下させ得る反射を最小にしつつ、レンズからフォトダイオードへ光を通過させる。各複合層は二つまたはそれ以上の金属酸化物層を含む。２つの金属酸化物層を有する複合層の場合、複合層は金属酸化物層の対である。１つの金属酸化物層は高エネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層であり、そしてもう一つの金属酸化物層は高い屈折率を有する金属酸化物層である。三つまたはそれ以上の金属酸化物層を有する複合層の場合、少なくとも一つの金属酸化物層が高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物を有し、そして、少なくとも一つの金属酸化物層が高い屈折率を有する金属酸化物を有する。ある実施態様において、フォトダイオードに最も近接する複合層中の金属酸化物層は、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層である。フォトダイオードからより離れた複合層においては、金属酸化物層は任意の順序であってよい。
金属酸化物層を有する金属酸化物反射防止積層体の詳細な説明のため、本発明の様々な実施態様による裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳ画像センサ（ＣＩＳ）装置が図１および図２に関連して説明される。図１は、本発明の様々な局面における画像センサ装置１００の上視図である。図示される実施態様において、画像センサ装置は、裏面照射型（ＢＳＩ）画像センサ装置である。画像センサ装置１００は画素１１０のアレイを含む。各画素１１０は、列（たとえば、Ｃ１からＣｘ）および行（たとえば、Ｒ１からＲｙ）に配列される。用語「画素（pixel）」は、電磁放射線を電気信号に転換するための構造（たとえば、各種半導体装置を含む光検出器および様々な回路）を含むユニットセルを指す。
画素１１０としては例えば、フォトダイオード、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサ、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ、能動センサ、受動センサ、その他のセンサまたはそれらの組み合わせが挙げられる。よって、画素１１０は、従来の画像センサ装置を含んでいてもよい。画素１１０は様々な型のセンサを有するように設計されてもよい。たとえば、画素１１０の一群がＣＭＯＳ画像センサであり、そして、画素１１０の別の群が受動センサであってもよい。さらに、画素１１０は、カラー画像センサおよび／または単色の画像センサを含んでいてもよい。一実施例において、各画素１１０は、例えば相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサなどの能動画素センサである。図示される実施態様において、各画素１１０は、光（放射線）の強度または輝度を記録するための、例えばフォトゲート型光検出器などの光検出器を含んでいてもよい。画素１１０はそれぞれまた、たとえば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロアートランジスタ、選択トランジスタ、他の適切なトランジスタまたはそれらの組み合わせを含む様々なトランジスタなどの、様々な半導体装置を含んでいてもよい。追加の回路、入力端および／または出力端が、画素１１０に動作環境を提供し、そして画素１１０との外部コミュニケーションをサポートするために画素アレイに連結されてもよい。たとえば、画素アレイは、読み出し回路および／または制御回路と連結されてもよい。簡単化のため、単一画素を含む画像センサ装置が本開示において記載されているが、通常、このような画素のアレイは、図１に示されるように、画像センサ装置１００を形成する。
図２は、本発明の様々な局面における集積回路装置２００の側断面図である。図示される実施態様において、集積回路装置２００は裏面照射型（ＢＳＩ）画像センサ装置を含む。集積回路装置２００は、たとえばレジスタ、キャパシタ、インダクタ、ダイオード、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴｓ）、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）トランジスタ、バイポーラジャンクショントランジスタ（ＢＪＴｓ）、横方向拡散したＭＯＳ（ＬＤＭＯＳ）トランジスタ、高出力ＭＯＳトランジスタ、立体構造トランジスタ（ＦｉｎＦＥＴｓ）、その他の適切なコンポーネントまたはそれらの組み合わせなどの様々な受動および能動マイクロ電子部品を含む、集積回路（ＩＣ）チップ、システムオンチップ（ＳＯＣ）またはそれらの部分であってもよい。図２は、本発明の概念を分かりやすくするため簡潔化されている。追加の構造が集積回路装置２００に加えられてもよく、そして、以下で記載されるいくつかの構造は、集積回路装置２００のその他の実施態様において代替または省略され得る。
図２において、集積回路装置２００は、前面２０４および裏面２０６を有する基板２０２を含む。図示される実施態様において、基板２０２はシリコンを含む半導体基板である。代わりにまたは追加で、基板２０２は、例えばゲルマニウムおよび／またはダイアモンドなどの別の元素半導体、炭化ケイ素、砒化ガリウム、リン化ガリウム、リン化インジウム、砒化インジウムおよび／またはアンチモン化インジウムを含む化合物半導体、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰおよび／またはＧａＩｎＡｓＰを含む合金半導体またはそれらの組み合わせを含む。基板２０２は半導体オンインシュレータ（ＳＯＩ）であってもよい。基板２０２は、ドープエピ層、傾斜半導体層、および／または、例えば、シリコンゲルマニウム層上のシリコン層などの異なるタイプの別の半導体層を覆う半導体層を含む。図示される実施態様において、基板２０２はｐ型基板である。基板２０２にドーピングされるｐ型ドーパントとしては、ボロン、ガリウム、インジウム、その他の適切なｐ型ドーパントまたはそれらの組み合わせが挙げられる。図示されている集積回路装置２００はｐ型ドープ基板を含むので、以下で記述されるドーピング構造とはｐ型ドープ基板と一致するものであると理解されるべきである。あるいは、基板２０２はｎ型ドープ基板であって、この場合、以下で記述されるドーピング構造とはｎ型ドープ基板と一致するものであると理解される（たとえば、反対の導電型を有するドーピング構造と読み取られる）べきである。基板２０２にドープされ得るｎ型ドーパントとしては、リン、砒素、その他の適切なｎ型ドーパントまたはそれらの組み合わせが挙げられる。基板２０２は、様々なｐ型ドープ領域および／またはｎ型ドープ領域を含み得る。ドーピングは、例えばイオン注入または拡散等のプロセスを使用して様々な工程と技術で実施され得る。
基板２０２は、基板２０２上または内に形成される様々な領域および／または装置を離間（または分離）するための、たとえばロコス（ＬＯＣＯＳ）および／またはシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）などの分離構造２０８を含む。たとえば、分離構造２０８は、隣接するセンサ素子からセンサ素子２１０を分離する。図示される実施態様において、分離構造２０８はＳＴＩである。分離構造２０８は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、その他の絶縁材料またはそれらの組み合わせを含む。分離構造２０８は任意の適切な製造方法により形成される。一実施例として、ＳＴＩの形成は、フォトリソグラフィプロセス、（たとえば、ドライエッチング、ウェットエッチング、または、それらの組み合わせを用いることによる）トレンチを基板にエッチングする工程、および、一つまたはそれ以上の誘電材料を用いて（例えば、化学気相成長法を用いることにより）トレンチを埋める工程を含む。一実施例において、埋められたトレンチは、たとえば、窒化ケイ素または酸化ケイ素で埋められた熱酸化物ライナー層などの多層構造を有していてもよい。別の実施例において、ＳＴＩ構造は以下の工程で形成されてもよい。すなわち、パッド酸化物を成長させる工程、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）窒化物層をパッド酸化物上に形成する工程、フォトレジストおよびマスキングを用いて、パッド酸化物および窒化物層中にＳＴＩ開口をパターン化する工程、ＳＴＩ開口中の基板中にトレンチをエッチングする工程、任意には、熱酸化物トレンチライナーを成長させて、トレンチ界面を改善する工程、トレンチを酸化物で埋める工程、化学機械平坦化（ＣＭＰ）を用いてエッチバックおよび平坦化を行う工程、窒素物ストリッピングを用いて、窒化物層を除去する工程、である。
上述したように、集積回路装置２００は、センサ素子（またはセンサ画素）２１０を含む。センサ素子２１０は、基板２０２の裏面２０６に入射する放射線、たとえば、入射放射線（光線）２１２の強度（輝度）を検出する。入射放射線は可視光である。あるいは、放射線２１２は、赤外線（ＩＲ）、紫外線（ＵＶ）、Ｘ線、マイクロ波、その他の適切な種類の放射線またはそれらの組み合わせである。センサ素子２１０は、例えば、赤、緑または青色の光波長などの特定の光波長に応答するように配置される。換言すれば、センサ素子２１０は、光の特定の波長の強度（輝度）を検出するように配置されてもよい。図示される実施態様において、センサ素子２１０は、例えば図１に示される画素アレイなどの、画素アレイ中に存在し得る画素である。図示される実施態様において、センサ素子２１０は、例えばフォトダイオードなどの、光感知領域（または光電検出領域）２１４およびピン層２１６を含む光検出器を含む。光感知領域（または光電検出領域）２１４は、基板２０２に、特には基板２０２の前面２０４に沿って形成される、ｎ型および／またはｐ型ドーパントを有するドープ領域である。図示される実施態様において、光感知領域２１４はｎ型ドープ領域である。光感知領域２１４は、たとえば、拡散および／またはイオン注入等の方法により形成される。ピン層２１６は、基板２０２の前面２０４に配置されるドープ層である。たとえば、図示される実施態様において、ピン層２１６は、光センサ領域と導電型が異なるｐ型注入層である。センサ素子２１０は、さらに、各種トランジスタ、たとえば、転送ゲート２２０に関連する転送トランジスタ、リセットゲート２２２に関連するリセットトランジスタ、ソースフォロアートランジスタ（図示されない）、選択トランジスタ（図示されない）、その他の適切なトランジスタまたはそれらの組み合わせを含む。光感知領域２１４および各種トランジスタ（画素回路と総称される）は、センサ素子２１０が特定の光の波長の強度を検出することを可能にする。追加の回路、入力端および／または出力端が、センサ素子２１０に対して、センサ素子２１０に動作環境を提供するおよび／またはセンサ素子２１０とのコミュニケーションをサポートするために提供されてもよい。
転送ゲート２２０およびリセットゲート２２２が、基板２０２の前面２０４上に配置される。転送ゲート２２０が、チャネルがソース／ドレイン領域２２４と光感知領域２１４との間に規定されるように、基板２０２のソース／ドレイン領域２２４および光感知領域２１４の間に配置される。リセットゲート２２２は、チャネルが二個のソース／ドレイン領域２２４の間に規定されるように、基板２０２の２個のソース／ドレイン領域２２４の間に配置される。図示される実施態様において、ソース／ドレイン領域２２４は、Ｎ+ソース／ドレイン拡散領域である。ソース／ドレイン領域２２４は浮遊拡散領域と称され得る。転送ゲート２２０およびリセットゲート２２２は、ゲート誘電層およびゲート電極を有するゲートスタックを含む。ゲート誘電層は、たとえば、酸化ケイ素、高誘電（Ｈｉｇｈ−ｋ）材料、その他の誘電材料またはそれらの組み合わせなどの誘電材料を含む。高誘電材料の例としては例えば、ＨｆＯ2、ＨｆＳｉＯ、ＨｆＳｉＯＮ、ＨｆＴａＯ、ＨｆＴｉＯ、ＨｆＺｒＯ、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウムアルミナ（ＨｆＯ2−Ａｌ2Ｏ3）合金、その他の高誘電材料またはそれらの組み合わせが挙げられる。ゲート電極は、ポリシリコンおよび／またはＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、ＴａＮ、ＮｉＳｉ、ＣｏＳｉ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌＮ、ＴａＣＮ、ＴａＣ、ＴａＳｉＮを含む金属、その他の導電性材料またはそれらの組み合わせを含む。ゲートスタックは、多数のその他の層、たとえば、キャッピング層、インターフェース層、拡散層、バリア層またはそれらの組み合わせを含む。転送ゲート２２０およびリセットゲート２２２は、ゲートスタックの側壁上に配置されるスペーサを含んでいてもよい。スペーサは、たとえば、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、その他の適切な材料またはそれらの組み合わせなどの誘電材料を含む。スペーサは、たとえば、窒化ケイ素層および酸化ケイ素層を含む多層構造などの多層構造を含む。転送ゲート２２０およびリセットゲート２２２は、堆積、リソグラフィパターニングおよびエッチングプロセスを含む適切なプロセスにより形成される。
集積回路装置２００は、さらに、センサ素子２１０上を含む、基板２０２の前面２０４上に配置される多層相互接続（ＭＬＩ）２３０を含む。ＭＬＩ ２３０は、ＢＳＩ画像センサ装置の様々なコンポーネントが照射光（放射線イメージング）に適切に応答するように機能するように、ＢＳＩ画像センサ装置の様々なコンポーネント、たとえばセンサ素子２１０と結合される。ＭＬＩ ２３０は、例えばコンタクト２３２および／またはバイアス２３４などの垂直相互接続、および／または、たとえばライン２３６などの水平相互接続であり得る様々な導電性構造を含む。種々の導電性構造２３２、２３４および２３６は、たとえば金属などの導電性材料を含む。一実施例において、アルミニウム、アルミニウム−シリコン−銅合金、チタニウム、窒化チタン、タングステン、ポリシリコン、金属シリサイドまたはそれらの組み合わせを含む金属が用いられる。いくつかの実施例においては、様々な導電性構造２３２、２３４および２３６はアルミニウム相互接続と称され得る。アルミニウム相互接続は、物理気相成長法（ＰＶＤ）、化学気相成長法（ＣＶＤ）またはそれらの組み合わせを含む製造方法により形成され得る。種々の導電性構造２３２、２３４および２３６を形成するために用いられるその他の製造技術としては、垂直および水平の接続を形成するための、フォトリソグラフィ処理および導電性材料をパターン化するためのエッチングが挙げられる。さらに、例えば金属シリサイドを形成するための熱アニーリングなどのその他の製造方法が、ＭＬＩ ２３０を形成するために実行されてもよい。多層相互接続に用いられる金属シリサイドとしては、ニッケルシリサイド、コバルトシリサイド、タングステンシリサイド、タンタルシリサイド、チタンシリサイド、プラチナシリサイド、エルビウムシリサイド、パラジウムシリサイドまたはそれらの組み合わせが挙げられる。あるいは、様々な導電性構造２３２、２３４および２３６は、銅、銅合金、チタニウム、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、タングステン、ポリシリコン、金属シリサイドまたはそれらの組み合わせを含む銅多層相互接続であってもよい。銅相互接続は、ＰＶＤ、ＣＶＤまたはそれらの組み合わせを含む製造方法により形成されてもよい。ＭＬＩ ２３０は、図示される導電性構造２３２、２３４、２３６の数、材料、大きさおよび／または容積によって制限されるものではなく、よって、ＭＬＩ ２３０は、集積回路装置２００の設計要求に応じて、任意の数、材料、大きさおよび／または容積の導電性構造を含んでよい。
ＭＬＩ ２３０の様々な導電性構造２３２、２３４および２３６は、中間層（または層間）絶縁（ＩＬＤ）層２４０中に配置される。ＩＬＤ層２４０は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）酸化物、ホスホケイ酸ガラス（ＰＳＧ）、ほうりんけい酸ガラス（ＢＰＳＧ）、フッ素化シリカガラス（ＦＳＧ）、カーボンドープ酸化ケイ素、ブラックダイアモンド（Black Diamond）（登録商標）（Applied Materials of Santa Clara, California）、キセロゲル、エーロゲル、フッ素化アモルファスカーボン、パリレン、ＢＣＢ（bis-benzocyclobutenes）、シルク（SiLK）（登録商標）（Dow Chemical, Midland, Michigan）、ポリイミド、その他の適切な材料、または、それらの組み合わせを含んでいてもよい。ＩＬＤ層２４０は多層構造を有していてもよい。ＩＬＤ層２４０は、スピンオンコーティング、ＣＶＤ、スパッタリングまたはその他の適切な製造方法を含む技術により形成され得る。一実施例において、ＭＬＩ ２３０およびＩＬＤ ２４０は、例えばデュアルダマシンプロセスまたはシングルダマシンプロセスなどのダマシンプロセスを含む統合プロセスで形成されてもよい。
キャリアウェハ２５０は、基板２０２の前面２０４上に配置される。図示される実施態様において、キャリアウェハ２５０は、ＭＬＩ ２３０に接合される。キャリアウェハ２５０はシリコンを含む。あるいは、キャリアウェハ２５０は、例えばガラスなどの別の適切な材料を含む。キャリアウェハ２５０は、基板２０２の前面２０４上に形成される様々な構造（たとえば、センサ素子２１０）を保護し、そしてまた機械的強度を提供して基板２０２の裏面２０６の処理を支持することができる。
任意のドープ層（不純物層）２６０が基板２０２の裏面２０６に形成される。ドープ層２６０は、注入プロセス、拡散プロセス、アニーリングプロセス、その他の適切なプロセス、または、それらの組み合わせにより形成される。図示される実施態様において、ドープ層２６０は例えばボロンなどのｐ型ドーパントを含み、そしてＰ+ドープ層であってもよい。ドープ層２６０は、例えばガリウム、インジウム、その他のｐ型ドーパントまたはそれらの組み合わせなどのその他のｐ型ドーパントを含んでいてもよい。あるいは、ドープ層２６０は、例えばリン、砒素、その他のｎ型ドーパントまたはそれらの組み合わせなどのｎ型ドーパントを含む。ドープ層２６０は、基板２０２の裏面２０６から基板２０２内に延伸するドーパント深さｄを有する。ドープ層２６０のドーパント深さ、ドーパント濃度、ドーパント分布またはそれらの組み合わせは、集積回路装置２００の画像センサ装置により提供される画質を向上するように選択され得る。
集積回路装置２００は、さらに、基板２０２の裏面２０６上に配置される構造を含む。反射防止膜２７０、カラーフィルター２９０およびレンズ２９５が、基板２０２の裏面２０６に配置される。図示される実施態様において、反射防止膜２７０は金属酸化物反射防止積層体を含み、そして、基板２０２の裏面２０６とカラーフィルター２９０との間に配置される。
反射防止膜２７０は、基板２０２の裏面２０６上のフォトダイオード上に積層される薄い金属酸化物層の一つまたはそれ以上の複合層を含む。図３は、本発明の様々な局面による金属酸化物反射防止積層体３００の部分断面図である。各複合層（３０２、３０３および３０４）はそれぞれ二つまたはそれ以上の金属酸化物層を含んでおり、たとえば、金属酸化物層３０５および３０６は複合層３０２を形成し、金属酸化物層３０７および３０８は複合層３０３を形成し、金属酸化物層３１１、３１２および３１３は複合層３０４を形成する。複合層中の少なくとも一つの金属酸化物層は、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層である。複合層中の少なくとも一つの金属酸化物層は、高い屈折率を有する金属酸化物層である。たとえば、複合層３０２において、金属酸化物層３０５は、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層であり、そして、金属酸化物層３０６は、高い屈折率を有する金属酸化物層である。２個より多い数の金属酸化物層を有する複合層において、追加の金属酸化物層は、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層または高い屈折率を有する金属酸化物層またはエネルギーバンドギャップおよび屈折率に関して中間の性質を有する金属酸化物層であってもよい。
種々の実施例によると、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層は、約１〜２０オングストロームの間、好ましくは約５〜１０オングストロームの間、さらに好ましくは約１０オングストロームの厚さを有する。種々の実施例によると、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウムであり、そして、非晶質であってもよい。種々の実施例によると、高い屈折率を有する金属酸化物層は、約５〜２００オングストロームの間、好ましくは約２０〜１００オングストロームの間、さらに好ましくは約５０オングストロームの厚さを有する。いくつかの実施例において、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層は、高い屈折率を有する金属酸化物層の厚さの半分未満の厚さを有する。種々の実施例によると、高い屈折率を有する金属酸化物は、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、タンタル酸化物、酸化ストロンチウム、酸化チタン、酸化ランタンまたは酸化バリウムであり、そして、非晶質であってもよい。例えば酸化ジルコニウムなどのいくつかの金属酸化物が高いエネルギーバンドギャップおよび高い屈折率を示しており、そして、複合層中のどちらかのタイプとして使用可能である場合、単一複合層内での金属酸化物層には、種々の屈折率を有する異なる材料を採用する。一般的に、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物は、バンドギャップが少なくとも６電子ボルトである金属酸化物である。高い屈折率を有する金属酸化物は、少なくとも２．０の屈折率を有する金属酸化物である。バンドギャップエネルギーおよび屈折率の特性に加え、形成された金属酸化物層は圧縮応力を有する。圧縮応力は、その後の装置の処理および使用の間の接着力を改良する。さらに、金属酸化物層は、隣接する層との界面に、および、金属酸化物反射防止積層体３００全体に負の電荷を生じる。負の電荷は、金属酸化物層界面にまたは界面近傍に、白色画素（過量の漏れ電流が画素からの異常に高い信号を生じさせる）を生じ得る暗電流（画像センサ装置に入射する光線がないとき、画像センサ装置中を流れる電流）減少させる空乏層を形成する。
各複合層は、基板の裏面に最も近接している複合層を除いては、任意の順序で金属酸化物層を含んでよい。基板の裏面に最も近接している複合層、例えば複合層３０２は、基板の裏面に最も近接する高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層を有し、そして、高い屈折率を有する金属酸化物層は、基板の裏面からより離れている。その他の複合層は、基板の裏面からより離れている、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層および基板の裏面に近接している高い屈折率を有する金属酸化物層を有していてもよい。いくつかの実施例において、複合層は、基板の裏面に最も近接している金属酸化物層が高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層であり、隣接する層の間の屈折率の差異が最大となるような方法で積層される。
複合層は、総厚が、少なくとも１００オングストロームから約１０００オングストロームまでになるまで、何層も積層される。いくつかの実施例において、複合層の総厚は約３００から約８００オングストロームの間である。積層は、同一または異なる複合層を含んでいてもよい。たとえば、複合層３０２および３０３は同一であるが、複合層３０４は複合層３０２および３０３と異なっている。異なる複合層中の金属酸化物層は、異なる厚さおよび組成を有していてもよい。金属酸化物反射防止積層体は、各層の厚さおよび金属酸化物反射防止積層体の全厚に応じて、何十または何百もの複合層を含み得る。図３は、ごくわずかの複合層のみが図中に示されていることを説明するための、金属酸化物反射防止積層体３００中の破断線を含んでいる。
接着性酸化物層３０１が基板の裏面に接着される。接着性酸化物層３０１は、例えば堆積された酸化ケイ素からなり、その堆積方法は、プラズマ処理または例えば加熱炉を用いるなどの熱処理を使用した成長である。接着性酸化物層３０１は５０オングストロームかそれより小さい。バッファ層３１４が、金属酸化物反射防止積層体３００および／または続いて金属酸化物反射防止積層体上に形成される層の間に使用されてもよい。バッファ層は酸化ケイ素層であってもよい。
図２に戻ると、カラーフィルター２９０は反射防止膜２７０上に配置され、そしてセンサ素子２１０の光感知領域２１４に整列される。カラーフィルター２９０は、所定の波長の光を伝送するように設計されている。たとえば、カラーフィルター２９０は、赤色波長、緑色波長または青色波長の可視光をセンサ素子２１０に伝送し得る。カラーフィルター２９０は任意の適接な材料を含む。一実施例において、カラーフィルター２９０は、特定の周波数バンド（例えば、所望の光の波長）を取り除くための色素ベース（または顔料ベース）のポリマーを含む。あるいは、カラーフィルター２９０は、着色顔料を有する樹脂またはその他の有機材料を含む。
基板２０２の裏面２０６上に、特にカラーフィルター２９０上に配置されるレンズ２９５もまた、センサ素子２１０の光感知領域２１４と整列される。レンズ２９５がセンサ素子２１０の光センサ領域２１４に入射放射線２１２の焦点を合わせるように、レンズ２９５は、センサ素子２１０およびカラーフィルター２９０に関して様々な位置配置をとり得る。レンズ２９５は任意の適切な材料を含み、そして、レンズとして使用される材料の屈折率、および／または、レンズとセンサ素子２１０と間の距離に応じて、様々な形状および大きさを取り得る。あるいは、カラーフィルター層２９０およびレンズ層２９５の位置が反転して、レンズ２９５が反射防止膜２７０とカラーフィルター２９０との間に配置されてもよい。いくつかの実施例において、集積回路装置２００は、レンズ層間に配置されるカラーフィルター層を有する。
実際の操作において、集積回路装置２００は、基板２０２の裏面２０６を通過する放射線２１２を受信するように設計される。レンズ２９５は、入射放射線２１２をカラーフィルター２９０に誘導する。光は、その後、カラーフィルター２９０から、反射防止膜２７０を通り、基板２０２および対応するセンサ素子２１０、特には光センサ領域２１４に到達する。光は、基板２０２の前面２０４を覆っている様々な装置構造（たとえば、ゲート電極）および／または金属構造（たとえば、ＭＬＩ ２３０の導電性構造２３２、２３４および２３６）により遮断されないので、カラーフィルター２９０およびセンサ素子２１０を通過する光は最大化され得る。よって、所望の光の波長（たとえば、赤、緑、青色光）がセンサ素子２１０の光感知領域２１４に入射する。光に暴露された場合、センサ素子２１０の光感知領域２１４は、転送ゲート２２０に関連する転送トランジスタが「オフ（off）」状態である限り、電子を生成および蓄積（収集）する。転送ゲート２２０が「オン（on）」状態の場合、累積した電子（電荷）が、ソース／ドレイン領域（浮遊拡散領域）２２４へと伝達され得る。ソースフォロアートランジスタ（図示されない）は、電荷を電圧信号に転換し得る。電荷伝達に先立ち、リセットゲート２２２に関連するリセットトランジスタをオンにすることにより、ソース／ドレイン領域２２４が所定の電圧に設定されてもよい。一実施例において、光感知領域２１４が完全に空乏化したとき、光感知領域２１４がピン止め電圧（Ｖｐｉｎ）で完全に空乏化し、そして、センサ素子２１０の電位が一定値、Ｖｐｉｎに固定されるように、ピン層２１６およびドープ層２６０は同じ電位、たとえば、基板２０２の電位を有していてもよい。
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の様々な局面による画像センサ装置を含む集積回路装置を製造するための方法４００のフローチャートである。図４Ａにおいて、方法４００は工程４１０から開始され、ここで前面および裏面を有する、または第一表面および第二表面を有する基板が提供される。様々な実施態様において、前面は第二表面であり、そして裏面は第一表面である。基板は、たとえばシリコンなどの半導体基板であり、そして、ドープエピ層、傾斜半導体層、および／または、例えばシリコンゲルマニウム層上のシリコン層などの別の半導体層に被覆されている半導体層を含んでもよい。いくつかの実施態様において、基板は、ボロン、ガリウム、インジウム、その他の適切なｐ型ドーパントまたはそれらの組み合わせをドープしたｐ型基板である。
工程４２０において、光感知領域が、基板の表面の一つ、通常大部分の半導体処理が行われる前面に形成される。例えば金属相互接続構造などの画像センサ装置の様々な部分および例えばトランジスタなどのその他の装置が、光感知領域に加え、前面に形成される。基板は、画像センサ装置の形成後、裏面から薄膜化される。
任意的な工程４３０において、ドープ層が基板の裏面に形成される。一実施例において、ドープ層の形成は、基板の裏面でのドーパントを注入するためのイオン注入プロセスの実行、注入ドーパントを活性化するための、例えばレーザーアニーリングプロセスなどのアニーリングプロセスの実行、および、裏面を研磨する工程、を含む。
工程４４０において、金属酸化物反射防止積層体が基板の裏面に堆積される。
図４Ｂは、様々な実施態様による図４Ａ中の工程４４０の操作の詳細な流れを示す図である。金属酸化物反射防止積層体は、各複合層および各複合層中の各金属酸化物層のための複数の操作の間に堆積される。各金属酸化物層の堆積は、従来技術の様々な化学気相成長法（ＣＶＤ）プロセスを用いて実行され、そして、金属酸化物層および複合層が所望の総厚および層数に達するまで複数回繰り返される。ＣＶＤプロセスとしては例えば、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）が挙げられる。
いくつかの実施態様において、金属酸化物反射防止積層体の金属酸化物層はＡＬＤ法により形成される。ＡＬＤ法は気相化学プロセスの逐次使用に基づくものである。ＡＬＤ反応の大部分は、通常前駆体と称される二種の化学薬品を使用する。これらの前駆体は、逐次的方法において一つづつ、表面と反応する。第一の操作において、表面が第一前駆体に暴露され、第一前駆体が表面に吸着する。その後、第一前駆体のガスが、通常真空吸引により反応チャンバから取り除かれ、そして、任意で、例えば窒素などのパージガスが添加される。表面がその後、第二前駆体に暴露され、第二前駆体は表面に吸着されている第一前駆体と反応する。反応は、反応生成物の単分子層または擬似単分子層を生成する。反応チャンバから第二前駆体が除去され、表面上には、約１〜約５オングストロームのあいだの厚さの、反応生成物である金属酸化物の薄層が形成される。前駆体を基板表面に繰り返し暴露することにより、金属酸化物層が堆積される。ＡＬＤ法は、高品質な均一の厚さの金属酸化物層を提供する。少なくとも一つの前駆体ガスを変化させることにより、基板を別の反応チャンバに移動させることなく次の金属酸化物層が基板上に堆積され得る。よって、金属酸化物反射防止積層体全体が、一つのＡＬＤチャンバ内で堆積され得る。
前駆体間の反応を活性化するための無線周波数（ＲＦ）プラズマの使用を含むＡＬＤ法の変形が、プラズマ増強ＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ）である。前駆体が気相中では反応しないので、パージ操作を省略することができ、その結果、各単分子層または擬似単分子層に対するより速いサイクル時間およびより良好な全体の処理能力が得られる。熱的に活性化される反応を用いるＡＬＤ法と比較して、ＰＥＡＬＤ中の基板温度はより低い。金属酸化物反射防止積層体の堆積が装置製造の終盤で起こるので、熱量が低い場合、熱的に活性化される反応の使用は熱量により制限され得る。様々な前駆体ガスが市販されており、そして、ＡＬＤ法を用いた金属酸化物の堆積に用いられる。
図４Ｂの工程４４１において、第一の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物の単分子層または擬似単分子層が、基板の裏面上に堆積される。第一複合層の第一金属酸化物層用に規定される総厚に応じ、工程４４１は、規定の厚さを得るのに必要なだけ繰り返され得る。単分子層または擬似単分子層は、プラズマにより活性化される反応または熱的に活性化される反応を含むＡＬＤを用いて堆積されてもよい。
任意的な工程４４２において、金属酸化物の単分子層または擬似単分子層が、工程４４１の、第一の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層上に堆積される。工程４４２で堆積される金属酸化物は、工程４４１の第一の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物とは異なる材料である。工程４４２は所望の厚さの金属酸化物層を得るために必要なだけ繰り返され得る。
工程４４３において、第一の高い屈折率を有する金属酸化物の単分子層または擬似単分子層が堆積される。工程４４３で堆積される単分子層または擬似単分子層は、所望の厚さが得られるまで、ループ４５１を用いて工程４４３を繰り返すことにより積層される。いくつかの実施態様において、何十または何百もの堆積サイクルが用いられる。
工程４４１、４４２および４４３は、２つの金属酸化物層（工程４４１および４４３）または３つの金属酸化物層（工程４４１、４４２および４４３）を有する第一複合層を形成する。３つより多い数の金属酸化物層が一つの複合層に用いられる場合、さらに多くの堆積工程が挿入される。ループ４５２に続いて工程４４１に戻ることにより全体の複合層が繰り返されて、複合層が繰り返し積層され得る。いくつかの実施態様において、複合層の堆積は同一の操作で繰り返される。他の実施態様においては、複合層の堆積で形成される独立した金属層は異なる厚さを有する。
工程４４４において、第二の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物の単分子層または擬似単分子層が、基板の裏面に堆積される。工程４４４は所望の厚さを得るために必要なだけ繰り返され得る。
任意的な工程４４５において、金属酸化物の単分子層または擬似単分子層が、工程４４４の、第二の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層上に堆積される。工程４４５で堆積される金属酸化物は、工程４４４の第二の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物とは異なる材料である。工程４４５はまた、規定厚さの金属酸化物層を得るために必要に応じて繰り返され得る。
工程４４６において、第二の高い屈折率を有する金属酸化物の単分子層または擬似単分子層が堆積される。工程４４６で堆積される単分子層または擬似単分子層は、規定の厚さが得られるまで、ループ４５３を用いて工程４４６を繰り返すことにより積層される。いくつかの実施態様において、何十または何百もの堆積サイクルが用いられる。図４Ｂは、第二の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物が、第二の高屈折率を有する金属酸化物の前に堆積されていることを示すが、工程４４４、４４５および４４６は、特定の順序で実行されなくてもよい。
工程４４４、４４５および４４６は、２つの金属酸化物層（工程４４４および４４６）または３つの金属酸化物層（工程４４４、４４５および４４６）を有する第二複合層を形成する。第二複合層は、工程４４１、４４２および４４３の複合層とは異なる。いくつかの実施態様において、第二複合層は、第一複合層とは異なる材料を含む。いくつかの実施態様において、第二複合層は、第一複合層とは異なる少なくとも一つの厚さを有する。いくつかの実施態様において、第二複合層中の層の順序は、第一複合層とは異なる。ループ４５４に続いて工程４４４に戻ることにより全体の第二複合層が繰り返されて、第二複合層が繰り返し積層され得る。また、第一複合層および第二複合層の両方を繰り返し形成するためにループ４５５が用いられてもよい。
本発明は、複数の方法と装置のさまざまな実施態様を提供する。たとえば、画像センサ装置の形成方法は、光センサ領域をシリコン基板の表面に形成する工程、および、その上にパターン化された金属層を形成する工程を含む。また、本方法は、基板の第一表面上に金属酸化物反射防止積層体を堆積する工程を含む。
半導体装置の実施態様は、第一表面および第一表面に対向する第二表面を有する半導体基板と、半導体基板の第一表面上の金属酸化物反射防止積層体と、半導体の第二表面上の相互接続構造と、金属酸化物反射防止積層体および相互接続構造の間の半導体基板中の複数のフォトダイオードと、および、一つまたはそれ以上の複数のフォトダイオードに対応する金属酸化物反射防止積層体上のレンズと、を含む。金属酸化物反射防止積層体は、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層および高い屈折率を有する金属酸化物層を含む、少なくとも一つの金属酸化物層の対を有する。
本明細書では好ましい実施態様を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と範囲を脱しない範囲内で本開示に各種の変更や改変を加えることができることは明らかであろう。従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃｘ 列
ｄ ドーパント深さ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒｙ 行
１００ 画像センサ装置
１１０ 画素
２００ 集積回路装置
２０２ 基板
２０４ 前面表面
２０６ 裏面表面
２０８ 分離構造
２１０ センサ素子
２１２ 入射放射線
２１４ 光感知領域
２１６ ピン層
２２０ 転送ゲート
２２２ リセットゲート
２２４ ソース／ドレイン領域
２３０ ＭＬＩ
２３２ コンタクト
２３４ バイアス
２３６ ライン
２４０ 絶縁（ＩＬＤ）層
２５０ キャリアウェハ
２６０ ドープ層
２７０ 反射防止膜
２９０ カラーフィルター
２９５ レンズ
３００ 金属酸化物反射防止積層体
３０１ 接着性酸化物層
３０２、３０３、３０４ 複合層
３０５、３０６、３０７、３０８、３１１、３１２、３１３ 金属酸化物層
３１４ バッファ層
４００ 方法
４１０、４２０、４３０、４４０、４４１、４４２、４４３、４４４、４４５、４４６ 工程
４５１、４５２、４５３、４５４、４５５ ループ

Claims (7)

  1. 半導体装置であって、
    第一表面および前記第一表面に対向する第二表面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記第一表面上に設けられる金属酸化物反射防止積層体と、
    前記半導体基板の前記第二表面上に形成される相互接続構造と、
    前記金属酸化物反射防止積層体および前記相互接続構造の間の前記半導体基板中に形成される複数のフォトダイオードと、
    前記金属酸化物反射防止積層体上に位置し、前記複数のフォトダイオードの一つまたはそれ以上に対応して設けられるレンズと、
    を含み、
    前記金属酸化物反射防止積層体が、高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層および高い屈折率を有する金属酸化物層を含む、少なくとも一つの金属酸化物層の対を含み、前記高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層が、前記高い屈折率を有する金属酸化物層の厚さの半分より小さい厚さを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記少なくとも一つの金属酸化物層の対中の前記高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層が、前記半導体基板の前記第一表面に最も近接していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 半導体装置がさらに、
    前記複数のフォトダイオードおよび前記金属酸化物反射防止積層体との間に設けられる不純物層と、
    前記不純物層および前記金属酸化物反射防止積層体との間に設けられる接着性酸化物層と、
    前記金属酸化物反射防止積層体上に設けられるバッファ層と、
    を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記少なくとも一つの金属酸化物層の対が、異なる高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層の対または異なる高い屈折率を有する金属酸化物層の対を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  5. 第一表面と前記第一表面に対向する第二表面を有する基板を提供する工程と、
    前記基板の前記第二表面側に、光センサ領域を形成する工程と、
    金属酸化物反射防止積層体を前記基板の前記第一表面上に堆積する工程と、
    を含む方法であって、
    前記金属酸化物反射防止積層体の堆積が、
    高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物の単分子層または擬似単分子層を堆積する工程と、
    高い屈折率を有する金属酸化物の単分子層または擬似単分子層を堆積する工程と
    を含み、
    前記金属酸化物反射防止積層体中の前記高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層が、前記半導体基板の前記第一表面に最も近接していることを特徴とする方法。
  6. 前記金属酸化物反射防止積層体の堆積が、
    第一の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物の単分子層または擬似単分子層を繰り返し堆積して、第一の厚さを達成する工程と、
    第一の高い屈折率を有する金属酸化物の単分子層または擬似単分子層を繰り返し堆積して、第二の厚さを達成する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
  7. 第二の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物の単分子層または擬似単分子層を繰り返し堆積して、第三の厚さを達成する工程と、
    第二の高い屈折率を有する金属酸化物の単分子層または擬似単分子層を繰り返し堆積して、第四の厚さを達成する工程と、
    をさらに含み、
    前記第一の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層と前記第二の高いエネルギーバンドギャップを有する金属酸化物層とが異なる、または、前記第一の高い屈折率を有する金属酸化物層と前記第二の高い屈折率を有する金属酸化物層とが異なることを特徴とする請求項６記載の方法。
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