JP6020933B2 - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置及びその製造方法に関し、特に、光電変換部を含む画素部がアレイ状に配列されたＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置及びその製造方法に関する。
近年、固体撮像装置を高画質化及び小型化することが要望されているが、画素サイズの微細化には、物理的な限界があり、また、微細化に伴う感度の低下が大きな問題となっている。
このような問題を解決する従来の固体撮像装置が、例えば特許文献１及び特許文献２等に提示されている。以下、従来の第１の固体撮像装置及び第２の固体撮像装置について図１５及び図１６を参照しながら説明する。
図１５に示すように、従来の第１の固体撮像装置は、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板１００に光電変換部１０２が形成されている。具体的に、ＳＯＩ基板１００は、複数のシリコン層１０１ａ、１０１ｂを有し、シリコン層１０１ａと１０１ｂとの間には埋め込み絶縁膜１０３が形成されている。埋め込み絶縁膜１０３の上に位置するシリコン層１０１ｂには光電変換部１０２が形成されている。埋め込み絶縁膜１０３は、長波長の光を反射する構成であり、光電変換部１０２における長波長の光の吸収効率を改善することにより感度を向上している。従来の第１の固体撮像装置は、感度を向上する構造であるため、光電変換部１０２を浅く形成でき、隣接画素との混色を抑制できる。
図１６に示すように、従来の第２の固体撮像装置は、従来の第１の固体撮像装置と同様に、光電変換部２０１が設けられた半導体層２００の下に反射構造２０２が形成されている。具体的に、反射構造２０２は、単一の絶縁膜でなく、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜及び窒化シリコン（ＳｉＮ）膜が積層された構造であり、光電変換部２０１の長波長の光に対する感度を向上している。また、図示はしないが、光電変換部２０１の上に凸レンズ及び凹レンズが形成され、入射する光を半導体層２００の表面に対して垂直に入射させることにより、混色を抑制している。
特開２００６−５４２５２号公報 特開２００４−７１８１７号公報
しかしながら、従来の固体撮像装置は、反射構造の上に該反射構造と接するように、光電変換部が設けられるシリコン層又は半導体層が形成されているため、形成されたシリコン層又は半導体層は多くの結晶欠陥を含み、通常のバルク基板と比較して結晶品質が劣る。このため、従来の固体撮像装置には、光電変換部が形成されるシリコン層又は半導体層の良好でない結晶に起因する白きず等が生じるという問題がある。
本発明は前記の問題に鑑み、その目的は、白きず等の光電変換部の欠陥を防ぐことが可能な高感度の固体撮像装置を得られるようにすることにある。
前記の目的を達成するために、本発明は固体撮像装置を、絶縁体層の上に半導体層を介して形成されたシリコン層を有する構成とする。
具体的に、本発明に係る固体撮像装置は、基板と、基板の上に形成された絶縁体層と、絶縁体層の上に形成された半導体層と、半導体層の上に形成されたシリコン層とを備え、シリコン層は、それぞれが、光を信号電荷に変換する光電変換部と、信号電荷を読み出す回路とを含む複数の画素部を有し、絶縁体層の屈折率は、半導体層の屈折率よりも小さい。
本発明の固体撮像装置によると、絶縁体層の上に形成された半導体層と、半導体層の上に形成された光電変換部を有するシリコン層とを備えているため、光電変換部が形成されたシリコン層の結晶欠陥を低減できる。その結果、シリコン層の結晶欠陥に起因する白きず等を防ぐ固体撮像装置を得ることができる。その上、絶縁体層の屈折率は、半導体層の屈折率よりも小さく、絶縁体層と半導体層との界面で入射光を反射できるため、特に長波長の光の感度を高くすることができる。
本発明に係る固体撮像装置において、絶縁体層は、不純物を有するシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及び金属酸化膜のいずれかを含んでもよい。
本発明に係る固体撮像装置において、絶縁体層は、ｐ型不純物を含み、絶縁体層におけるｐ型不純物の濃度は、１×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であることが好ましい。
このようにすると、半導体層のホール濃度を安定に保つことが出来るため、シリコン層を形成する際にシリコン層に結晶欠陥等が生じることを防ぐ効果を増大できる。
本発明に係る固体撮像装置において、半導体層は、不純物を有するシリコンからなり、半導体層における不純物の濃度は、１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ３以上であることが好ましい。
このようにすると、シリコン層を形成する際にシリコン層に結晶欠陥等が生じることを防ぐ効果を増大できる。
本発明に係る固体撮像装置において、絶縁体層と半導体層との界面の局所的な平坦度であるＳＦＱＲは、０．１μｍ以下であることが好ましい。
このようにすると、絶縁体層と半導体層の界面における乱反射を防ぐことにより、隣接画素への混色を防止することができ、さらに、反射率の向上により、感度を向上することができる。
本発明に係る固体撮像装置において、シリコン層は、光が入射する撮像領域と、光が入射しないように遮光されたオプティカルブラック領域とを含み、撮像領域とオプティカルブラック領域との間に、シリコン層、半導体層及び絶縁体層を貫通し、基板を露出する溝部が形成されていることが好ましい。
このようにすると、溝部により絶縁体層と半導体層との界面で反射した光がオプティカルブラック領域に入射することを防止でき、基準画素となるオプティカルブラック領域の信号のノイズを低減することができる。
本発明に係る固体撮像装置において、互いに隣接する光電変換部同士の間に、シリコン層、半導体層及び絶縁体層を貫通し、基板を露出する溝部が形成されていることが好ましい。
このようにすると、互いに隣接する光電変換部同士の間の溝部により、斜めに入射した光が隣接画素に入射することを防ぐため、混色を防ぐことができる。
この場合、溝部には、ポリシリコン膜が埋め込まれ、半導体層は、ポリシリコン膜を介して接地電位に固定されていることが好ましい。
このようにすると、ノイズ電荷が光電変換部に漏れ込むことを防ぎ、高品質の画像を得ることができる。
また、この場合、基板は、ｎ型半導体基板であり、電源電位に固定されていることが好ましい。
このようにすると、過剰に発生した電荷を基板側に排除することができる。
本発明に係る固体撮像装置において、溝部の幅は、半導体層側から基板側に向かって大きくなっていることが好ましい。
このようにすると、入射光が光電変換部の中心に集まるように反射するため、混色を防止して、感度をより向上することができる。
本発明に係る固体撮像装置において、各画素部における前記絶縁体層の厚さは、それぞれ異なることが好ましい。
このようにすると、各画素に形成されるカラーフィルタの特性を考慮して、適当な反射特性に調整することができ、十分な感度の向上と混色の防止とを可能とする。
本発明に係る固体撮像装置において、複数の光電変換部は、第１の光電変換部及び該第１の光電変換部に隣接する第２の光電変換部を含み、第１の光電変換部及び第２の光電変換部の上にそれぞれ形成された第１のカラーフィルタ及び第２のカラーフィルタをさらに備え、第１のカラーフィルタは、第２のカラーフィルタよりも波長が大きい光を透過し、第１の光電変換部は、第２の光電変換部の下に入り込むように形成されていることが好ましい。
このようにすると、光電変換部に入射して、完全に吸収されない波長が大きい光が絶縁体層と半導体層との界面で反射し、隣接画素に漏れ込むことを防ぐため、混色を防止することができる。
この場合、第１のカラーフィルタは、緑色光を透過し、第２のカラーフィルタは、青色光を透過することが好ましい。
このようにすると、青色の画素の感度を低減することなく、緑色の画素からの混色を防止し、且つ、緑色の画素の感度を向上することができる。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、基板の上に絶縁体層を形成する工程と、絶縁体層の上に半導体層を形成する工程と、半導体層の上にシリコン層を形成する工程と、シリコン層に、光を信号電荷に変換する複数の光電変換部、及び信号電荷を読み出す複数の回路を形成する工程とを備え、絶縁体層の屈折率は、半導体層の屈折率よりも小さい。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法によると、絶縁体層の上に半導体層を形成する工程と、半導体層の上にシリコン層を形成する工程とを備えているため、光電変換部が形成されるシリコン層の結晶欠陥を低減できる。その結果、シリコン層の結晶欠陥に起因する白きず等を防ぐ固体撮像装置を得ることができる。その上、絶縁体層の屈折率は、半導体層の屈折率よりも小さく、絶縁体層と半導体層との界面で入射光を反射できるため、特に長波長の光の感度を高くすることができる。
本発明に係る固体撮像装置の製造方法は、シリコン層、半導体層及び絶縁体層を貫通し、基板を露出する溝部を形成する工程をさらに備えていることが好ましい。
本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法によると、白きず等の光電変換部の欠陥を防ぐことが可能な高感度の固体撮像装置を得ることができる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置を示す回路図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイ領域の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態の一変形例に係る固体撮像装置の画素アレイ領域の構成を示す断面図である。 図４は、シリコン層における深さ位置と光強度比との関係を示すグラフである。 図５は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイ領域の構成を示す断面図である。 図６は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイ領域の構成を示す断面図である。 図７は、本発明の第３の実施形態の第１変形例に係る固体撮像装置の画素アレイ領域の構成を示す断面図である。 図８は、本発明の第３の実施形態の第２変形例に係る固体撮像装置の画素アレイ領域の構成を示す断面図である。 図９は、本発明の第３の実施形態の第３変形例に係る固体撮像装置の画素アレイ領域の構成を示す断面図である。 図１０は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイ領域の構成を示す断面図である。 図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、本発明の第１の実施形態〜第４の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、本発明の第１の実施形態〜第４の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図１３は、本発明の第１の実施形態〜第４の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の一工程を示す断面図である。 図１４は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置の画素アレイ領域の構成を示す断面図である。 図１５は、従来の第１の固体撮像装置の構成を示す断面図である。 図１６は、従来の第２の固体撮像装置の構成を示す断面図である。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置について図１〜図４を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することは可能である。さらに、各実施形態を他の実施形態と組み合わせることも可能である。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０は、複数の画素部１１がアレイ状に配列されたＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサである。固体撮像装置１０は、アレイ状に配列された複数の画素部１１を含む画素アレイ領域１２、垂直シフトレジスタ１３、水平シフトレジスタ１４、出力回路１５及び出力端子１６を有する。
画素アレイ領域１２の複数の画素部１１は、それぞれ光電変換部であるフォトダイオード１７、フローティングディフュージョン部１８、転送トランジスタ１９、増幅トランジスタ２０、リセットトランジスタ２１及び選択トランジスタ２２を有する。出力回路１５と各選択トランジスタ２２とは、出力信号線２３によりそれぞれ接続されている。
フォトダイオード１７は、入射光を光電変換することにより、信号電荷を生成する。フォトダイオード１７により生成された信号電荷は、転送トランジスタ１９によって、フローティングディフュージョン部１８に転送される。フローティングディフュージョン部１８に転送された信号電荷は、増幅トランジスタ２０によって増幅され、垂直シフトレジスタ１３により制御された選択トランジスタ２２及び出力信号線２３を介して出力回路１５に伝達される。さらに、出力回路１５に伝達された信号電荷は、水平シフトレジスタ１４により出力端子１６から出力される。また、フローティングディフュージョン部１８に蓄積された余剰電荷は、ドレイン領域が電源線に接続されたリセットトランジスタ２１により外部に排出される。
なお、画素部１１毎に、各フォトダイオード１７の上に、緑色光を透過する緑色フィルタ、赤色光を透過する赤色フィルタ、及び青色光を透過する青色フィルタのいずれかが形成されてもよく、各フィルタの上にオンチップマイクロレンズが形成されてもよい。
次に、固体撮像装置１０が備える画素アレイ領域１２の断面構成の一例について説明する。図２に示すように、半導体基板３０の上に、絶縁体層３１、半導体層３２及びシリコン層３３が順次形成されている。シリコン層３３には、複数のフォトダイオード３４が形成されている。フォトダイオード３４は、受光部の一例であり、シリコン層３３の表面（上面）から裏面（下面）にまで拡がっている。複数のフォトダイオード３４同士の間には、分離部３５が形成されている。なお、フォトダイオード３４は、図１に示すフォトダイオード１７に相当する。
シリコン層３３における分離部３５の上部には、フォトダイオード３４に蓄積された電荷を読み出すトランジスタ３６が形成されている。なお、トランジスタ３６は、図１に示す画素部１１が備えるトランジスタであり、例えば転送トランジスタ１９、増幅トランジスタ２０又は選択トランジスタ２２である。図２には、一例として、転送トランジスタ１９をトランジスタ３６として示している。トランジスタ３６には、ＭＯＳ型構造が用いられており、拡散領域３６ａを取り囲んでＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）分離領域３６ｂが形成され、拡散領域３６ａの上にゲート酸化膜（図示せず）を介して、ゲート電極３６ｃが形成されている。ゲート電極３６ｃの上には、多層の絶縁膜（シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜）３７が形成され、絶縁膜３７には多層配線３８が形成され、多層配線３８を介してトランジスタ３６が制御される。
半導体基板３０は、例えばシリコンからなり、搬送が可能な強度を確保できれば、ガラス基板又は他の半導体材料からなる基板を用いてもよい。
半導体層３２は、例えばシリコンからなり、その厚さは１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。絶縁体層３１の上に形成された半導体層３２は、多くの結晶欠陥を有し、半導体層３２内に結晶欠陥を閉じ込めるため、半導体層３２の上に形成されたシリコン層３３は良好な結晶性を有することができる。
シリコン層３３の厚さは１μｍ〜５μｍ程度である。シリコン層３３に形成されたフォトダイオード３４において、例えば第１の導電型（ｎ型）の領域が第２の導電型（ｐ型）の領域に挟まれるように接合している。具体的に、シリコン層３３の表面側から、第２の導電型（ｐ型）領域、第１の導電型（ｎ型）領域及び第２の導電型（ｐ型）領域が順次形成されている。フォトダイオード３４の第１の導電型（ｎ型）領域の不純物濃度は、１×１０１５〜１×１０１８ｉｏｎｓ／ｃｍ３程度であり、第２の導電型（ｐ型）領域の不純物濃度は、１×１０１５〜１×１０２０ｉｏｎｓ／ｃｍ３程度である。また、複数のフォトダイオード３４同士の間に形成された分離部３５は、第２の導電型（ｐ型）であり、その不純物濃度は、１×１０１７〜１×１０２０ｉｏｎｓ／ｃｍ３程度である。
第１の導電型（ｎ型）領域を囲む第２の導電型（ｐ型）領域は、半導体基板３０の表面側に形成された配線を介して、接地電位（ＧＮＤ）に電気的に接続している。半導体層３２は第２の導電型（ｐ型）であり、不純物濃度が１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ３以上であり、好ましくは不純物濃度が１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ｉｏｎｓ／ｃｍ３程度のシリコンからなる層である。このため、シリコン層３３が形成される際に半導体層３２に閉じ込められた結晶欠陥に起因するノイズ電荷は、出力される信号電荷に寄与しない構造となっている。
絶縁体層３１は、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜又は金属酸化膜等である。また、絶縁体層３１は、例えばボロン等をｐ型不純物としてイオン注入することにより改質され、そのｐ型不純物濃度は１×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上、好ましくは１×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度である。絶縁体層３１のホールは、絶縁体層３１の上の半導体層３２に拡散され、閉じ込められた結晶欠陥に起因するノイズ電荷を取り除くことができる。
本実施形態において、半導体基板３０の上に、単層の絶縁体層３１を形成したが、図３に示すように、第１の実施形態の一変形例として、例えば７層の絶縁体層３１が形成されていてもよく、少なくとも１層以上の絶縁体層が形成されていればよい。絶縁体層３１を積層膜により構成する場合、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及び金属酸化膜等の異なる膜を組み合わせてもよい。
例えばシリコンからなる半導体層３２の屈折率は、可視光の波長領域では３．８〜５．６程度である。また、絶縁体層３１の屈折率は、例えばシリコン酸化膜からなる場合、可視光の波長領域では１．４〜１．５程度であり、シリコン窒化膜からなる場合、可視光の波長領域で１．９〜２．１程度であり、金属酸化膜である酸化チタンからなる場合、可視光の波長領域で２．７〜３．３程度であり、シリコンからなる半導体層３２の屈折率よりも小さい。ここで、上述の材料の他に、絶縁体層３１の屈折率が半導体層３２の屈折率よりも小さくなる材料の組み合わせを用いても構わない。
次に、各波長の光について、シリコン層３３の深さと、その深さ位置における光強度比との関係を説明する。ここで、光強度比は、（シリコン層３３の各深さ位置での光強度Ｉ）／（シリコン層３３の上面における光強度Ｉ０）により求められる値である。図４に示すように、波長が短い光は、シリコン層３３の浅い領域で光強度比が０に近づく。これは、波長が短い光に対するシリコン層３３の吸収係数が高く、シリコン層３３の浅い領域において波長が短い光がほぼ全て吸収されるためである。一方、波長が長い光に対するシリコン層３３の吸収係数は低く、シリコン層３３の深い領域にまで、波長が長い光が吸収されずに到達する。例えば、シリコン層３３の厚さが２．４μｍとすると、波長が約４５０ｎｍである青色光は、９９．８％がシリコン層３３に吸収され、波長が約５５０ｎｍである緑色光は７８．９％がシリコン層３３に吸収され、波長が約６５０ｎｍである赤色光は４７．９％がシリコン層３３に吸収される。吸収されない光は、信号出力（感度）として寄与することはない。
本実施形態の固体撮像装置において絶縁体層３１にまで到達した光は、絶縁体層３１と半導体層３２との界面において、それらの屈折率の差によって反射され、反射された光はフォトダイオード３４に吸収されるため、感度が向上する。例えば、図２に示す絶縁体層３１が単層である構造において、絶縁体層３１がシリコン酸化膜であり、その厚さが３００ｎｍである場合、絶縁体層３１と半導体層３２との界面における反射率は、緑色光では５８．７％であり、赤色光では４９．７％である。この反射により、シリコン層３３の厚さ及びその他の構造にもよるが、緑色光の感度は５％〜１０％向上し、赤色光の感度は１０％〜１５％向上する。また、絶縁体層３１にシリコン酸化膜及び金属酸化膜等を用いて積層構造とした場合も、同様に感度を向上することができる。例えば、絶縁体層３１は、酸化チタン膜（Ａ）、シリコン酸化膜（Ｂ）、酸化チタン膜（Ｃ）、シリコン酸化膜（Ｄ）、酸化チタン膜（Ｅ）、シリコン酸化膜（Ｆ）及び酸化チタン膜（Ｇ）が順次堆積された７層構造であり、（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）及び（Ｇ）の酸化チタン膜の厚さは４５ｎｍ〜５５ｎｍ程度であり、（Ｂ）及び（Ｆ）のシリコン酸化膜の厚さは８５ｎｍ〜９５ｎｍ程度であり、（Ｄ）のシリコン酸化膜の厚さは１３０ｎｍ〜１４０ｎｍ程度である場合、赤色光の反射率は８５％〜９５％となり、より感度を向上することができる。
一例として、７層の積層構造である絶縁体層３１を示したが、絶縁体層３１の膜構造と厚さを変えることにより、各波長の光に対して、所望の反射構造を形成することができる。このため、感度を向上するだけでなく、反射した光がレンズ面で再反射することによって生じるフレア（ゴースト）を防止することができる。
絶縁体層３１と半導体層３２との界面のＳＦＱＲ（Site Front least sQares Range）は０．１μｍ以下であることが好ましい。ＳＦＱＲは所定寸法の矩形状のサンプルを複数取得し、各サンプルにおいて、最小二乗法により求められた基準面からの最大変位量の絶対値の和によって算出され、ウェハの平坦度を示す一般的な指標である。絶縁体層３１と半導体層３２との界面のＳＦＱＲを０．１μｍ以下とすると、反射部での乱反射を防ぐことができるため、隣接する画素に光が漏れ込むことに起因する混色を防止することができると共に、感度を向上できる。
本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置によると、白きず等の光電変換部における欠陥を低減し、高感度で且つ低混色の固体撮像装置を得ることができる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置について図５を参照しながら説明する。本実施形態において、第１の実施形態と同一の構成については、その説明を簡略化又は省略し、第１の実施形態と異なる構成についてのみ詳細に説明する。
図５に示すように、画素アレイ領域１２には、光が入射する撮像領域４０と、光が入射しないように遮光されたオプティカルブラック領域４１とが設けられている。また、撮像領域４０とオプティカルブラック領域４１との間に、シリコン層３３、半導体層３２及び絶縁体層３１を貫通し、半導体基板３０の表面を露出する溝部４２ａが形成されている。溝部４２ａは中空構造か、又はシリコン酸化膜及びポリシリコン膜等により埋め込まれている。
光が入射する撮像領域４０において、絶縁体層３１と半導体層３２との界面で反射した光がオプティカルブラック領域４１に漏れ込むと、基準信号が変化し、ノイズとして画質が劣化する。溝部４２ａが形成されている場合、絶縁体層３１と半導体層３２との界面で反射された斜め光は、シリコン層３３と溝部４２ａとの屈折率の差により反射され、オプティカルブラック領域４１に漏れ込むことを防ぐことができる。また、絶縁体層３１と半導体基板３０との界面で反射した光が絶縁体層３１内を伝播して、オプティカルブラック領域４１に漏れ込むことも防ぐことができる。
本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置によると、白きず等の光電変換部における欠陥を低減し、高感度で且つ低混色の固体撮像装置を得ることができる。さらに、基準信号の変化に起因するノイズの発生を防止することができる。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置について図６を参照しながら説明する。本実施形態において、第１の実施形態と同一の構成については、その説明を簡略化又は省略し、第１の実施形態と異なる構成についてのみ詳細に説明する。
図６に示すように、画素アレイ領域１２には、複数のフォトダイオード３４が形成されており、隣接するフォトダイオード３４同士の間に、シリコン層３３、半導体層３２及び絶縁体層３１を貫通し、半導体基板３０の表面を露出する溝部４２ｂが形成されている。溝部４２ｂは中空構造か、又はシリコン酸化膜及びポリシリコン膜等により埋め込まれている。なお、図６に示すように、溝部４２ｂは、転送トランジスタ等の特性に影響を与えない位置に形成することが好ましい。
本実施形態では、隣接するフォトダイオード３４同士の間に溝部４２ｂが形成されているため、絶縁体層３１と半導体層３２との界面において反射された斜め光は、シリコン層３３と溝部４２ｂとの屈折率の差により反射され、光が入射した画素のフォトダイオード３４以外の隣接する画素に漏れ込むことを防ぐことができる。
本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置によると、白きず等の光電変換部における欠陥を低減し、高感度で且つ低混色の固体撮像装置を得ることができる。
（第３の実施形態の第１変形例）
本発明の第３の実施形態の第１変形例に係る固体撮像装置について図７を参照しながら説明する。本変形例において、第１の実施形態及び第３の実施形態と同一の構成については、その説明を簡略化又は省略し、第１の実施形態及び第３の実施形態と異なる構成についてのみ詳細に説明する。
図７に示すように、画素アレイ領域１２には、複数のフォトダイオード３４が形成されており、隣接するフォトダイオード３４同士の間に、シリコン層３３、半導体層３２及び絶縁体層３１を貫通し、半導体基板３０の表面を露出する溝部４２ｂが形成されている。溝部４２ｂはポリシリコン膜により埋め込まれている。半導体層３２及び分離部３５は、溝部４２ｂに埋め込まれたポリシリコン膜と、各画素内に形成されたウェルコンタクトとを介してＧＮＤに固定されている。なお、半導体層３２及び分離部３５は、画素内に形成されたウェルコンタクトによりＧＮＤに固定されているが、画素アレイ領域よりも外側の領域に形成されたウェルコンタクト又は半導体基板３０の裏面からＧＮＤに固定されてもよい。
半導体層３２及び分離部３５において発生したノイズとなる電荷は、ＧＮＤに固定された各領域で消滅し、フォトダイオード３４に漏れ込むことを防ぐことができる。
本発明の第３の実施形態の第１変形例に係る固体撮像装置によると、白きず等の光電変換部における欠陥を低減し、高感度で且つ低混色の固体撮像装置を得ることができる。さらに、半導体層等において発生するノイズ電荷を消失させることが可能である。
（第３の実施形態の第２変形例）
本発明の第３の実施形態の第２変形例に係る固体撮像装置について図８を参照しながら説明する。本変形例において、第１の実施形態及び第３の実施形態と同一の構成については、その説明を簡略化又は省略し、第１の実施形態及び第３の実施形態と異なる構成についてのみ詳細に説明する。
図８に示すように、画素アレイ領域１２には、複数のフォトダイオード３４が形成されており、隣接するフォトダイオード３４同士の間に、シリコン層３３、半導体層３２及び絶縁体層３１を貫通し、半導体基板３０の表面を露出する溝部４２ｂが形成されている。溝部４２ｂはポリシリコン膜により埋め込まれている。半導体基板３０はｎ型半導体基板であり、その電位は電源電位（Ｖｄｄ）に固定されている。本変形例では、半導体基板３０の電位は半導体基板３０の裏面からＶｄｄに固定されているが、画素アレイ領域１２よりも外側の領域における半導体基板３０の表面側に形成されたウェルコンタクトからＶｄｄに固定されてもよい。
このようにすると、各フォトダイオード３４は、発生した過剰電荷をポリシリコン膜を介して半導体基板３０側に排出するオーバーフロードレイン効果を有することができる。
本発明の第３の実施形態の第２変形例に係る固体撮像装置によると、白きず等の光電変換部における欠陥を低減し、高感度で且つ低混色の固体撮像装置を得ることができる。さらに、フォトダイオードにおける過剰電荷を外部に排出することができる。
（第３の実施形態の第３変形例）
本発明の第３の実施形態の第３変形例に係る固体撮像装置について図９を参照しながら説明する。本変形例において、第１の実施形態及び第３の実施形態と同一の構成については、その説明を簡略化又は省略し、第１の実施形態及び第３の実施形態と異なる構成についてのみ詳細に説明する。
図９に示すように、画素アレイ領域１２には、複数のフォトダイオード３４が形成されており、隣接するフォトダイオード３４同士の間に、シリコン層３３、半導体層３２及び絶縁体層３１を貫通し、半導体基板３０の表面を露出する溝部４２ｂが形成されている。溝部４２ｂの幅は、半導体層３２側から半導体基板３０側に向かって大きくなっている。
このようにすると、各フォトダイオード３４に入射した光は、隣接するフォトダイオード方向には反射せず、光が入射したフォトダイオード３４に集まるように反射するため、混色を防止し、感度を向上することができる。
本発明の第３の実施形態の第３変形例に係る固体撮像装置によると、白きず等の光電変換部における欠陥を低減し、高感度で且つ低混色の固体撮像装置を得ることができる。
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置について図１０を参照しながら説明する。本実施形態において、第１の実施形態と同一の構成については、その説明を簡略化又は省略し、第１の実施形態と異なる構成についてのみ詳細に説明する。
図１０に示すように、画素アレイ領域１２には、複数のフォトダイオード３４が形成されている。それぞれのフォトダイオード３４に入射する光は、それぞれの画素に形成されたカラーフィルタの特性によって決定される。本実施形態では、例えばベイヤー配列のカラーフィルタが用いられ、特定のライン上では、緑色光が入射する画素４３ａの隣の画素４３ｂには赤色光が入射し、その隣の画素４３ｃには緑色光が入射する。それぞれの画素に入射する光に対して、適当な反射特性を有する絶縁体層３１が形成されることにより、各波長の光に対する感度をより向上することができる。
赤色光が入射する画素４３ｂには、酸化チタン膜（Ａ）/シリコン酸化膜（Ｂ）/酸化チタン膜（Ｃ）/シリコン酸化膜（Ｄ）/酸化チタン膜（Ｅ）/シリコン酸化膜（Ｆ）/酸化チタン膜（Ｇ）の７層構造の絶縁体層３１ｂが形成されている。（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）及び（Ｇ）の酸化チタン膜の厚さは４５ｎｍ〜５５ｎｍであり、（Ｂ）及び（Ｆ）のシリコン酸化膜の厚さは８５ｎｍ〜９５ｎｍであり、（Ｄ）のシリコン酸化膜の厚さは１３０ｎｍ〜１４０ｎｍである。この場合、絶縁体層３１ｂと半導体層３２との界面において、波長が６３０ｎｍ〜６６０ｎｍの赤色光の反射率は８５％〜９５％となる。また、緑色光の画素４３ａ、４３ｃにも、酸化チタン膜（Ａ）/シリコン酸化膜（Ｂ）/酸化チタン膜（Ｃ）/シリコン酸化膜（Ｄ）/酸化チタン膜（Ｅ）/シリコン酸化膜（Ｆ）/酸化チタン膜（Ｇ）の７層構造の絶縁体層３１ａ、３１ｃが形成されている。（Ａ）、（Ｃ）、（Ｅ）及び（Ｇ）の酸化チタンの厚さは４５ｎｍ〜５５ｎｍであり、（Ｂ）及び（Ｆ）のシリコン酸化膜の厚さは、８５ｎｍ〜９５ｎｍであり、（Ｄ）のシリコン酸化膜の厚さは４０ｎｍ〜５０ｎｍである。この場合、絶縁体層３１ａ、３１ｃと半導体層との界面において、波長が５３０ｎｍ〜５５０ｎｍの緑色光の反射率は８０％〜９５％となる。
本発明の第４の実施形態に係る固体撮像装置によると、白きず等の光電変換部における欠陥を低減し、高感度で且つ低混色の固体撮像装置を得ることができる。
次に、本発明の第１の実施形態〜第４の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法について図１１〜図１３を参照しながら説明する。
まず、図１１（ａ）に示すように、例えば熱酸化法、化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法及びスパッタリング法等により、半導体基板３０の上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及び金属酸化膜のいずれかからなる絶縁体層３１を形成する。図１１（ａ）には単層の絶縁体層３１を示しているが、積層構造を有する絶縁体層を形成してもよい。また、絶縁体層３１に、例えばボロン等をｐ型不純物としてイオン注入することにより、絶縁体層３１を改質し、そのｐ型不純物濃度は１×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度とする。
次に、図１１（ｂ）に示すように、絶縁体層３１の上に半導体層３２を形成する。ここで、エピタキシャル法又はＣＶＤ法により、絶縁体層３１の上に半導体層３２を形成してもよく、他の半導体基板を絶縁体層３１の上に貼り合わせ、その後、他の半導体基板を薄く切削することにより、半導体層３２を形成してもよい。なお、絶縁体層３１と半導体層３２との界面のＳＦＱＲが０．１μｍ以下となるように、半導体層３２を形成する前に、絶縁体層３１における半導体層３２が形成される面を化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）法により研磨することが好ましい。また、高温アニール処理により、絶縁体層３１をリフローしてもよい。また、他の半導体基板を用いて半導体層３２を形成する場合、その半導体基板における絶縁体層３１と接する面をＣＭＰ法により研磨することが好ましい。第４の実施形態に係る固体撮像装置のように画素毎に絶縁体層３１の厚さが異なる場合は、半導体基板３０にアライメントマークを形成し、リソグラフィ法により、厚さの制御が必要な画素部にのみパターニングを行う。その後、ウェットエッチング法及びドライエッチング法を用いることによって、それぞれ所望の厚さの絶縁体層３１を形成できる。また、半導体層３２に、不純物としてイオンを注入することにより、半導体層３２を第２の導電型（ｐ型）とする。半導体層３２における不純物濃度は、１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ３〜１×１０２０ｉｏｎｓ／ｃｍ３程度とする。
次に、図１１（ｃ）に示すように、例えばエピタキシャル法により、半導体層３２の上にシリコン層３３を形成する。
次に、図１２（ａ）に示すように、シリコン層３３に、公知の方法によりフォトダイオード３４、分離部３５及びトランジスタ３６を形成する。その後に、シリコン層３３の上に多層の絶縁膜を形成し、多層の絶縁膜に多層配線を形成すると、第１の実施形態及び第４の実施形態に係る固体撮像装置を製造することができる。
第２の実施形態、第３の実施形態及びその各変形例に係る固体撮像装置を製造する場合は、図１２（ｂ）に示すように、それぞれ所望の位置に、シリコン層３３、半導体層３２及び絶縁体層３１を貫通し、半導体基板３０の表面を露出する溝部４２ｂを形成する。但し、溝部４２ｂは、トランジスタ３６の特性に影響を与えない位置に形成することが好ましい。図１２（ｂ）には、第３の実施形態及びその各変形例に係る固体撮像装置のように、溝部４２ｂがフォトダイオード３４同士の間に形成されているが、これに限定されない。第２の実施形態の固体撮像装置を製造する場合は、撮像領域とオプティカルブラック領域との間に溝部を形成する。溝部４２ｂは、例えば、リソグラフィ法により、フォトダイオード３４同士の間のみを開口するパターンを形成し、ドライエッチング法により、シリコン層３３、半導体層３２及び絶縁体層３１を除去することにより形成され得る。シリコン層３３及び半導体層３２の除去には、例えば六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスによるエッチング法を用いることができる。また、絶縁体層３１の除去には、例えば四フッ化炭素（ＣＦ４）ガスによりエッチングすることができる。第３の実施形態の第３変形例に示すような構造は、絶縁体層３１の各層のエッチングレートの差を用いることにより形成できる。例えば、絶縁体層３１が２層構造であり、半導体基板３０側の絶縁体層３１が熱シリコン酸化膜であり、半導体層３２側がシリコン窒化膜である場合、希フッ酸を用いることができる。希フッ酸（水：フッ酸＝１００：１）のエッチングレートは、シリコン窒化膜よりも熱シリコン酸化膜の方が約５倍大きいため、希フッ酸を用いて、それらをウェットエッチングした場合、溝部４２ｂの底部の幅は大きくなる。なお、溝部４２ｂは空洞のままでもよく、シリコン酸化膜又はポリシリコン膜等により埋め込んでもよい。また、第３の実施形態の第１変形例に係る固体撮像装置を製造する場合は、溝部４２ｂをポリシリコン膜により埋め込み、公知の方法を用いて、半導体層３２及び分離部３５を、前記ポリシリコン膜と各画素内に形成されたウェルコンタクトとを介してＧＮＤに固定する。第３の実施形態の第２変形例に係る固体撮像装置を製造する場合は、溝部４２ｂをポリシリコン膜により埋め込み、半導体基板３０はｎ型半導体基板を用いて、その電位をＶｄｄに固定する。
次に、図１３に示すように、例えばＣＶＤ法等により、シリコン層３３の上に多層の絶縁膜３７を形成し、多層の絶縁膜３７に多層配線３８を形成する。
本発明に係る第１の実施形態〜第４の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法によると、白きず等の光電変換部における欠陥を低減し、高感度で且つ低混色の固体撮像装置を得ることができる。
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置について図１４を参照しながら説明する。本実施形態において、第１の実施形態と同一の構成については、その説明を簡略化又は省略し、第１の実施形態と異なる構成についてのみ詳細に説明する。
図１４に示すように、画素アレイ領域１２において、シリコン層３３の上にカラーフィルタ４４が形成されている。カラーフィルタ４４を通って入射した光は、各画素に形成されたフォトダイオード３４に吸収される。本実施形態では、例えばベイヤー配列のカラーフィルタ４４が用いられており、緑色光を透過するフィルタ４４ａと青色光を透過するフィルタ４４ｂとが交互に形成されている。また、緑色光が入射する画素のフォトダイオード３４ａは、青色光が入射する画素のフォトダイオード３４ｂの下に入り込むように形成されている。前述のように、例えばシリコン層３３の厚さが２．４μｍとすると、波長４５０ｎｍの青色光は、９９．８％がシリコン層３３に吸収される。このため、青色光が入射する画素のフォトダイオード３４ｂの下に、隣接する緑色光が入射する画素のフォトダイオード３４ａが形成されていても、感度を低下させることはない。また、緑色の画素に入射した光が絶縁体層３１と半導体層３２との界面で反射し、隣接する青色の画素の領域に漏れ込んだ場合も、緑色の画素のフォトダイオード３４ａが形成されているため、混色を防止することができる。本実施形態において、例えば青色の画素のフォトダイオード３４ｂがシリコン層の表面から１．３μｍまでの深さに形成されている。青色の画素のフォトダイオード３４ｂの下には、シリコン層３３の表面から１．８μｍの深さから３μｍの深さまでに、緑色の画素のフォトダイオード３４ａが形成されている。このようにすると、青色の画素のフォトダイオード３４ｂがシリコン層３３の表面から３μｍまでの深さに形成された場合と比較して、青色の画素の感度は約２％低下するが、緑色の画素から青色の画素への混色が約４０％低減され、且つ、緑色の画素の感度は約２％向上する。本実施形態では、カラーフィルタ４４はベイヤー配列であり、緑色光を透過するフィルタ４４ａと青色光を透過するフィルタ４４ｂとが形成されているが、赤色光を透過するフィルタと緑色光を透過するフィルタとが形成されていても、同様の効果が生じる。さらに、異なるフィルタが用いられる場合、波長が長い光が入射する画素のフォトダイオードを波長が短い光が入射するフォトダイオードの下に形成されていれば、同様の効果が生じる。
本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置によると、白きず等の光電変換部における欠陥を低減し、高感度で且つ低混色の固体撮像装置を得ることができる。
以上、本発明に係る固体撮像装置及びその製造方法について、各実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が想到する各種の変形を上記の実施形態に施した構成、及びそれぞれ異なる実施形態における構成要素を組み合わせて構築される構成も本発明の範囲に含まれる。
本発明の固体撮像装置及びその製造方法は、白きず等の光電変換部の欠陥を防ぐことが可能であり、特に、光電変換部を含む画素部がアレイ状に配列されたＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像装置及びその製造方法等に有用である。
１０ 固体撮像装置
１１ 画素部
１２ 画素アレイ領域
１３ 垂直シフトレジスタ
１４ 水平シフトレジスタ
１５ 出力回路
１６ 出力端子
１７ フォトダイオード（光電変換部）
１８ フローティングディフュージョン部
１９ 転送トランジスタ
２０ 増幅トランジスタ
２１ リセットトランジスタ
２２ 選択トランジスタ
２３ 出力信号線
３０ 半導体基板
３１、３１ａ〜３１ｃ 絶縁体層
３２ 半導体層
３３ シリコン層
３４ フォトダイオード
３４ａ （緑色の画素の）フォトダイオード
３４ｂ （青色の画素の）フォトダイオード
３５ 分離部
３６ トランジスタ
３６ａ 拡散領域
３６ｂ ＳＴＩ分離領域
３６ｃ ゲート電極
３７ 絶縁膜
３８ 多層配線
４０ 撮像領域
４１ オプティカルブラック領域
４２ａ、４２ｂ 溝部
４３ａ、４３ｃ （緑色の）画素
４３ｂ （赤色の）画素
４４ カラーフィルタ
４４ａ 緑色光を透過するフィルタ
４４ｂ 青色光を透過するフィルタ

Claims (13)

  1. 基板と、
    前記基板の上に形成された絶縁体層と、
    前記絶縁体層の上に形成された半導体層と、
    前記半導体層の上に形成されたシリコン層とを備え、
    前記シリコン層は、それぞれが、光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を読み出す回路とを含む複数の画素部を有し、
    前記絶縁体層の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも小さく、
    前記絶縁体層と前記半導体層との界面の局所的な平坦度であるＳＦＱＲは、０．１μｍ以下である固体撮像装置。
  2. 請求項１において、
    前記絶縁体層は、不純物を有するシリコン酸化膜、シリコン窒化膜及び金属酸化膜のいずれかを含む固体撮像装置。
  3. 請求項１又は２において、
    前記絶縁体層は、ｐ型不純物を含み、
    前記絶縁体層におけるｐ型不純物の濃度は、１×１０１０ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上である固体撮像装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
    前記半導体層は、不純物を有するシリコンからなり、
    前記半導体層における不純物の濃度は、１×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ３以上である固体撮像装置。
  5. 基板と、
    前記基板の上に形成された絶縁体層と、
    前記絶縁体層の上に形成された半導体層と、
    前記半導体層の上に形成されたシリコン層とを備え、
    前記シリコン層は、それぞれが、光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を読み出す回路とを含む複数の画素部を有し、
    前記絶縁体層の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも小さく、
    前記シリコン層は、光が入射する撮像領域と、光が入射しないように遮光されたオプティカルブラック領域とを含み、
    前記撮像領域と前記オプティカルブラック領域との間に、前記シリコン層、半導体層及び絶縁体層を貫通し、前記基板を露出する溝部が形成されている固体撮像装置。
  6. 基板と、
    前記基板の上に形成された絶縁体層と、
    前記絶縁体層の上に形成された半導体層と、
    前記半導体層の上に形成されたシリコン層とを備え、
    前記シリコン層は、それぞれが、光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を読み出す回路とを含む複数の画素部を有し、
    前記絶縁体層の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも小さく、
    互いに隣接する前記光電変換部同士の間に、前記シリコン層、半導体層及び絶縁体層を貫通し、前記基板を露出する溝部が形成されている固体撮像装置。
  7. 請求項６において、
    前記溝部には、ポリシリコン膜が埋め込まれ、
    前記半導体層は、前記ポリシリコン膜を介して接地電位に固定されている固体撮像装置。
  8. 請求項６において、
    前記基板は、ｎ型半導体基板であり、電源電位に固定されている固体撮像装置。
  9. 請求項６〜８のいずれか１項において、
    前記溝部の幅は、前記半導体層側から前記基板側に向かって大きくなっている固体撮像装置。
  10. 基板と、
    前記基板の上に形成された絶縁体層と、
    前記絶縁体層の上に形成された半導体層と、
    前記半導体層の上に形成されたシリコン層とを備え、
    前記シリコン層は、それぞれが、光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を読み出す回路とを含む複数の画素部を有し、
    前記絶縁体層の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも小さく、
    前記各画素部における前記絶縁体層の厚さは、それぞれ異なる固体撮像装置。
  11. 基板と、
    前記基板の上に形成された絶縁体層と、
    前記絶縁体層の上に形成された半導体層と、
    前記半導体層の上に形成されたシリコン層とを備え、
    前記シリコン層は、それぞれが、光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を読み出す回路とを含む複数の画素部を有し、
    前記絶縁体層の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも小さく、
    前記複数の光電変換部は、第１の光電変換部及び該第１の光電変換部に隣接する第２の光電変換部を含み、
    前記第１の光電変換部及び第２の光電変換部の上にそれぞれ形成された第１のカラーフィルタ及び第２のカラーフィルタをさらに備え、
    前記第１のカラーフィルタは、前記第２のカラーフィルタよりも波長が大きい光を透過し、
    前記第１の光電変換部は、前記第２の光電変換部の下に入り込むように形成されている固体撮像装置。
  12. 請求項１１において、
    前記第１のカラーフィルタは、緑色光を透過し、
    前記第２のカラーフィルタは、青色光を透過する固体撮像装置。
  13. 基板の上に絶縁体層を形成する工程と、
    前記絶縁体層の上に半導体層を形成する工程と、
    前記半導体層の上にシリコン層を形成する工程と、
    前記シリコン層に、光を信号電荷に変換する複数の光電変換部、及び前記信号電荷を読み出す複数の回路を形成する工程とを備え、
    前記絶縁体層の屈折率は、前記半導体層の屈折率よりも小さく、
    前記シリコン層、半導体層及び絶縁体層を貫通し、前記基板を露出する溝部を形成する工程をさらに備えている固体撮像装置の製造方法。
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