JP7040907B2

JP7040907B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法

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Inventors: 寛柴田
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Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

ＣＭＯＳ（Complementary MOS（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor））イメージセンサ等の固体撮像装置の構造として、表面照射型（FSI: Front Side Illumination）が知られている。表面照射型の固体撮像装置は、フォトダイオードを有する半導体層の上に、配線が設けられた配線層、及び入射された光を集光するマイクロレンズをこの順で積層した構造を有する。表面照射型の固体撮像装置においては、マイクロレンズを透過した撮像対象物からの光は、配線の合間を通過してフォトダイオードに到達する。

表面照射型の固体撮像装置に関する技術として、フォトダイオードとの間に、所望の特性を得るために、フォトダイオードの光入射面に比較的屈折率が高い膜を設ける技術が知られている。例えば、特許文献１には、絶縁膜として用いられるシリコン酸化膜の屈折率よりも高い屈折率を有する炭化シリコンの反射防止膜をフォトダイオードの光入射面に設けた表面照射型の固体撮像装置が開示されている。

特開２００８－２９４２４２号公報

表面照射型の固体撮像装置では、フォトダイオードの光入射面に比較的屈折率が高い膜を設ける技術として、例えば上記特許文献１に記載の技術のようにフォトダイオードの光入射面における光の反射を防止するために、フォトダイオードの光入射面に空気の屈折率よりも高い屈折率、かつ半導体層の屈折率よりも低い屈折率の反射防止膜を設けることが行われている。半導体層が例えばシリコン（Ｓｉ）で構成される場合、反射防止膜として例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ）や炭化シリコン膜（ＳｉＣ）等を用いることできる。しかしながら、このような反射防止膜は、フォトダイオードとの界面付近に比較的大きな応力を生じさせ、この応力によって半導体基板内部に結晶欠陥が生じ、フォトダイオードから出力される信号にノイズを生じさせる結果となる。そこで、このような応力に起因する結晶欠陥の発生を防止するために、フォトダイオードと反射防止膜との間に例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）で構成される緩衝層を設けて応力を緩和させる対策が考えられる。しかしながら、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）の屈折率は、反射防止膜を構成するシリコン窒化膜（ＳｉＮ）等の屈折率よりも低いため、反射防止膜による反射防止効果が低下する。

フォトダイオードの光入射面に比較的屈折率が高い膜を設ける技術として、また例えば、フォトダイオードの光入射面側に、光の利用効率を向上するために、高屈折率の材料により構成される導波路や層内レンズ等の集光部を設けることが行われている。この場合の高屈折率の材料としては、シリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）等を用いることができる。しかしながら、このような集光部は、高屈折率の材料により構成されるため、上記反射防止膜と同様に、フォトダイオードとの界面付近に比較的大きな応力を生じさせ、この応力によって半導体基板内部に結晶欠陥が生じ、フォトダイオードから出力される信号にノイズを生じさせる結果となる。そこで、このような応力に起因する結晶欠陥の発生を防止するために、フォトダイオードと集光部との間に例えばシリコン酸化膜で構成される緩衝層を設けて応力を緩和させる対策が考えられる。しかしながら、集光部とフォトダイオードとの間に集光部よりも屈折率が低い緩衝層を設けることになるため、集光効率が低下する。

本開示は、上記した点に鑑みてなされたものであり、表面照射型の固体撮像装置を構成する半導体装置において、所望の特性を損なうことなく、受光部内部における結晶欠陥の発生を抑制することができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本開示の半導体装置は、第１の導電型を有する半導体層の内部に設けられ、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する受光部と、前記受光部の光入射側に、前記受光部と接して設けられ、アモルファスシリコンで構成された緩衝層と、前記半導体層及び前記緩衝層の光入射側に設けられた絶縁膜と、前記緩衝層と前記絶縁膜との間に設けられ、前記絶縁膜の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、を含む。

また、本開示の半導体装置の製造方法は、第１の導電型を有する半導体層の内部に前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する受光部を形成する工程と、前記受光部の光入射側に、前記受光部と接して、アモルファスシリコンで構成された緩衝層を形成する工程と、前記緩衝層の光入射側に反射防止膜を形成する工程と、前記半導体層及び前記反射防止膜の光入射側に、前記反射防止膜の屈折率よりも低い屈折率を有する絶縁膜を形成する工程と、を含む。

本開示によれば、表面照射型の固体撮像装置を構成する半導体装置において、所望の特性を損なうことなく、受光部内部における結晶欠陥の発生を抑制することが可能となる。

第１実施形態の半導体装置の構成の一例を示す断面図である。第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第１実施形態の半導体装置の構成の他の例を示す断面図である。第２実施形態の半導体装置の構成の一例を示す断面図である。第２実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第２実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である第２実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第２実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第２実施形態の半導体装置の製造方法の他の例を示す図である。第２実施形態の半導体装置の製造方法の他の例を示す図である。第２実施形態の半導体装置の製造方法の他の例を示す図である。第３実施形態の半導体装置の構成の一例を示す断面図である。第３実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である。第３実施形態の半導体装置の製造方法の一例を示す図である

以下、開示の技術の実施形態の一例を図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素及び部分には同一の参照符号を付与し、重複する説明は適宜省略する。

[第１実施形態]
図１は、本実施形態の表面照射型の固体撮像装置を構成する半導体装置１００の構成の一例を示す断面図である。

半導体装置１００は、基板層１２、埋め込み酸化膜１１、及び半導体層１０が積層されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１を有しており、例えば、ｎ型の単結晶シリコンで構成される半導体層１０の内部にフォトダイオードを構成するｐ型の受光部３０を有する。本実施形態における導電型においてｎ型が本開示の第１の導電型の一例であり、本実施形態における導電型においてｐ型が本開示の第２の導電型の一例である。本実施形態において、受光部３０の光入射側の表面は、半導体層１０の光入射側の表面Ｓ１と同一（いわゆる面一）とされている。なお、半導体層１０には、図１に示す構成と同様の構成の複数のフォトダイオードが設けられている。これら複数のフォトダイオードの各々は、固体撮像装置における複数の画素を構成する。

受光部３０は、半導体層１０の表面Ｓ１側から入射する光の量に応じた電荷を発生させる。受光部３０の光入射側の表面は、緩衝層４０で覆われている。本実施形態において、緩衝層４０は、受光部３０の導電型とは反対の導電型であるｎ型のアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）で構成されている。緩衝層４０は、受光部３０と接している。

緩衝層４０の光入射側の表面は、後述する酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の絶縁体で構成される絶縁膜２９の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層４２で覆われている。ここで、絶縁膜２９を構成する酸化シリコンの屈折率は１．５程度である。高屈折率層４２として例えば、屈折率が２程度のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を用いることができる。高屈折率層４２を絶縁膜２９の屈折率よりも高い屈折率を有する材料で構成することで、高屈折率層４２は、受光部３０の光入射側の表面に照射される光の反射を防止する反射防止膜として機能する。

また半導体層１０の内部には、受光部３０との間に間隙を隔てて、ｐ型のフローティングディフュージョン２４が設けられている。また、半導体層１０の内部には、ＳｉＯ_２等の絶縁体によって構成される素子分離領域２１が設けられている。素子分離領域２１により、半導体層１０内部に設けられた複数のフォトダイオードが電気的に分離される。

受光部３０の光入射側の表面とフローティングディフュージョン２４との間に対応する領域には、ゲート絶縁膜２２を介してゲート電極２３が設けられている。ゲート電極２３は、導電体で構成されるコンタクトプラグ２５を介して配線２７に接続されている。また、フローティングディフュージョン２４は、導電体で構成されるコンタクトプラグ２６を介して配線２８に接続されている。半導体層１０の光入射側の表面Ｓ１側は、ＳｉＯ_２等の絶縁体で構成される絶縁膜２９で覆われており、ゲート電極２３、コンタクトプラグ２５、２６、及び配線２７、２８は、絶縁膜２９の内部に埋設されている。

以下に、半導体装置１００の製造方法の一例について図２Ａ～図２Ｇを参照しつつ説明する。

はじめに、基板層１２、埋め込み酸化膜１１及び半導体層１０が積層されたＳＯＩ基板１を用意する（図２Ａ）。

次に、例えば、公知のＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法を用いて、半導体層１０の内部にＳｉＯ_２等の絶縁体で構成される素子分離領域２１を形成する（図２Ｂ）。

次に、例えば、公知の熱酸化法を用いて半導体層１０の表面にＳｉＯ_２等の絶縁体で構成されるゲート絶縁膜２２を形成する。続いて、例えば公知のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法を用いて、ゲート絶縁膜２２の表面にポリシリコン膜を堆積し、このポリシリコン膜を公知のフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングすることで、ゲート電極２３を形成する（図２Ｃ）。なお、ポリシリコン膜の形成後に、ゲート電極２３を低抵抗化するためのイオン注入処理を行ってもよい。

次に、公知のイオン注入法により、例えばボロン（Ｂ）等の３属元素からなる不純物イオンを半導体層１０のゲート電極２３の近傍に注入する。その後、熱処理により不純物イオンを活性化させる。これにより、半導体層１０の内部にフォトダイオードを構成するｐ型の受光部３０が形成される。続いて、ボロン等の３属元素からなる不純物イオンを半導体層１０の、ゲート電極２３を間に挟んで受光部３０と対向する位置に注入する。その後、熱処理により不純物イオンを活性化させる。これにより、半導体層１０内部のゲート電極２３を間に挟んで受光部３０と対向する位置にｐ型のフローティングディフュージョン２４が形成される（図２Ｄ）。

次に、公知のプラズマＣＶＤ法または触媒ＣＶＤ（Cat-CVD）法を用いて、受光部３０の光入射側の表面上にアモルファスシリコンで構成される厚さ１０ｎｍ～５０ｎｍ程度の緩衝層４０を形成する。このＣＶＤでは、例えば、シランガス（ＳｉＨ_４）及び水素ガス（Ｈ_２）を材料ガスとして使用することができる（図２Ｅ）。

次に、公知のプラズマＣＶＤ法を用いて、緩衝層４０の表面に例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ）で構成される高屈折率層４２を形成する。このＣＶＤでは、例えば、シランガス（ＳｉＨ_４）、アンモニアガス（ＮＨ_３）、及び窒素ガス（Ｎ_２）を材料ガスとして使用することができる（図２Ｆ）。高屈折率層４２の層厚は、固体撮像装置としての半導体装置１００がセンシングする光の波長域に応じて設定される。例えば、半導体装置１００がセンシングする光の波長域が赤外線の波長域である場合、高屈折率層４２の層厚は、例えば１２０ｎｍ程度とすることができる。

次に、例えば、公知のＣＶＤ法を用いて半導体層１０の表面にＳｉＯ_２等の絶縁体で構成される絶縁膜２９を形成する。続いて、絶縁膜２９にゲート電極２３に達するコンタクトホール、及びフローティングディフュージョン２４に達するコンタクトホールを形成し、これらのコンタクトホールにタングステン（Ｗ）等の導電体を埋め込むことで、コンタクトプラグ２５、２６を形成する。続いて、絶縁膜２９の表面にアルミニウム等の導電体で構成される導体膜を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術を用いてこの導体膜をパターニングすることで、コンタクトプラグ２５、２６にそれぞれ接続された配線２７、２８を形成する。その後、配線２７、２８を覆うように、更に絶縁膜２９を形成する（図２Ｇ）。

以上のように、本実施形態の半導体装置１００は、ｎ型の半導体層１０の内部に設けられたフォトダイオードを構成する受光部３０と、受光部３０の光入射側に設けられ、ｎ型のアモルファスシリコンで構成された緩衝層４０と、半導体層１０及び緩衝層４０の光入射側に設けられた絶縁膜２９と、緩衝層４０と絶縁膜２９との間に設けられ、絶縁膜２９の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層４２と、を含む。

高屈折率層４２は、絶縁膜２９の屈折率よりも高い屈折率を有するため、高屈折率層４２は、反射防止膜として機能する。緩衝層４０は、半導体層１０と高屈折率層４２との間に介在することで、高屈折率層４２による応力の受光部３０への影響が緩和され、受光部３０内における結晶欠陥の発生が抑制される。緩衝層４０は、アモルファスシリコンで構成されており、その屈折率は、受光部３０の屈折率と同程度であり、高屈折率層４２の屈折率よりも高い。従って、緩衝層４０は、高屈折率層４２による反射防止効果を低減させることなく応力緩和機能を発揮する。

なお、緩衝層４０の導電型を受光部３０と反対の導電型としてもよい。緩衝層４０の導電型を受光部３０と反対の導電型とする方法としては、例えば、以下の方法でもよい。受光部３０の光入射側の表面上に緩衝層４０を形成した（図２Ｅ参照）後、高屈折率層４２を形成する前に、公知のイオン注入法により、リン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）等の５属元素からなる不純物イオンを緩衝層４０に注入（ドープ）する。続いて、緩衝層４０の表面に、Ｎｄ：ＹＬＦレーザを照射することにより緩衝層４０に注入された不純物イオンを活性化させる。これにより、緩衝層４０にｎ型の導電性が付与される（図２Ｈ）。このようなレーザアニール処理によれば、デバイス全体の加熱処理が不要となる。また、本工程におけるイオン注入処理及びレーザアニール処理は、緩衝層４０に対する処理であり、イオン注入時の加速電圧やレーザパワーを適切に設定することで、これらの処理による受光部３０へのダメージを抑制することができる。また例えば、プラズマＣＶＤ法または触媒ＣＶＤ（Cat-CVD）法によって緩衝層４０を形成する際（図２Ｅ参照）に、シランガス（ＳｉＨ_４）及び水素ガス（Ｈ_２）を含む材料ガスと、リン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）等の５属元素を含む不純物ガスとを混合した混合ガスを用いてもよい。これにより、緩衝層４０の成膜の段階で緩衝層４０に導電性を付与できる。

このように、受光部３０と接する緩衝層４０の導電型を、受光部３０と反対の導電型とすることにより、緩衝層４０は、受光部３０の表面の界面準位に起因するノイズの発生を抑制するピンニング層としても機能する。これにより、ノイズの少ない固体撮像装置が構成される。従って、受光部３０と接する緩衝層４０の導電型を受光部３０と反対の導電型とすることにより、緩衝層４０は、高屈折率層４２による応力の受光部３０への影響を緩和する機能と、ノイズの発生を抑制するピニング層としての機能とを両立する。

また、図３に示した半導体装置１００のように、緩衝層４０に電気的に接続された配線４８を設け、緩衝層４０に電圧を印加できるように構成してもよい。緩衝層４０に電圧を印加することで、受光部３０の表面電位を制御することが可能となる。緩衝層４０に電気的に接続された配線４８を設ける場合は、例えば、緩衝層４０の表面に高屈折率層４２を形成した（図２Ｆ参照）後、高屈折率層４２を貫通し、緩衝層４０に達するコンタクトホールを形成する。そして、図２Ｇを参照して説明したように、コンタクトプラグ２５、２６にそれぞれ接続された配線２７、２８を形成する際に、同様に公知のフォトリソグラフィー技術を用いて絶縁膜２９の表面に形成された導体膜をパターニングすることでコンタクトプラグ４６及び配線４８を形成する。その後、配線２７、２８、４８を覆うように、更に絶縁膜２９を形成する。

また、本実施形態では、緩衝層４０の材料として、アモルファスシリコンを用いたが、アモルファスシリコンに代えてポリシリコンを用いることも可能である。このように、緩衝層４０をポリシリコンで構成する場合でも、緩衝層４０をアモルファスシリコンで構成する場合と同様の効果を得ることができる。ポリシリコンで構成される緩衝層４０の成膜は、アモルファスシリコンの場合と同様、公知のＣＶＤ法を用いて行うことができる。また、ポリシリコンで構成される緩衝層４０に対しで導電性を付与する場合、アモルファスシリコンの場合と同様、公知のイオン注入法によって行うことができる。若しくは、ＣＶＤ法による緩衝層４０の成膜時に不純物ガスを導入することにより緩衝層４０に導電性を付与してもよい。

［第２実施形態］
図４は、本実施形態の表面照射型の固体撮像装置を構成する半導体装置１００の構成の一例を示す断面図である。半導体装置１００は、第１実施形態の半導体装置１００と同様、ｎ型の半導体層１０の内部に設けられたフォトダイオードを構成するｐ型の受光部３０と、受光部３０の光入射側に設けられ、アモルファスシリコンで構成された緩衝層４０と、を含む。

本実施形態の半導体装置１００は、以下の点において第１実施形態の半導体装置１００と異なる。すなわち、図４に示すように本実施形態の半導体装置１００は、第１実施形態の半導体装置１００が備えていた高屈折率層４２に代わり、緩衝層４０上に形成された集光部５０を備える。集光部５０は、緩衝層４０光入射側の表面に達する導波路５４を構成する高屈折率層５１と、高屈折率層５１の光入射側の表面を覆うレンズ部５２とを含む。

高屈折率層５１は、絶縁膜２９の屈折率よりも高い屈折率を有する。絶縁膜２９がＳｉＯ_２で構成される場合、高屈折率層５１として例えば、ＳｉＮや、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）を用いることができる。ＳｉＯＮの屈折率は、組成を変えることでＳｉＯ_２の屈折率とＳｉＮの屈折率との間で調整が可能である。

レンズ部５２は、高屈折率層５１の光入射側の表面（導波路５４の開口部）を少なくとも覆い、一例として本実施形態では導波路５４の開口部周辺の絶縁膜２９の光入射側の表面に亘る領域も覆っている。なお、導波路５４の開口部の大きさが受光部３０の光入射側の表面の大きさよりも小さい場合、換言すると受光部３０の光入射側の表面の一部が導波路５４と接していない場合、受光部３０の光入射側の表面に対応する領域をレンズ部５２が覆っていてもよい。レンズ部５２は、高い屈折率を有しており、一例として絶縁膜２９の屈折率よりも高い屈折率を有する。レンズ部５２を構成する材料として例えば、上記高屈折率層５１と同様に、ＳｉＮや、ＳｉＯＮを用いることができる。なお、レンズ部５２を構成する材料と高屈折率層５１を構成する材料とは同一であってもよいし、異なっていてもよいが、レンズ部５２の屈折率が高屈折率層５１の屈折率よりも低いことが好ましい。

レンズ部５２により集光された光は、導波路５４を介して受光部３０の光入射側の表面に達する。なお、本実施形態のレンズ部５２は、集光を高めるための層内レンズとして機能し、レンズ部５２よりも光の入射側に、レンズ部５２から近い方から順に図示を省略したカラーフィルタ及びマイクロレンズが設けられる。

以下に、本実施形態の半導体装置１００の製造方法の一例について図５Ａ～図５Ｄを参照しつつ説明する。本実施形態の半導体装置１００の製造方法は、緩衝層４０を形成する工程(図２Ｅ)までは、第１実施形態の半導体装置１００の製造方法と同じである。

その後、高屈折率層４２を形成せずに、第１実施形態（図２Ｇ参照）と同様に、絶縁膜２９、コンタクトホール２５、２６、及び配線２７、２８を形成する（図５Ａ）。

次に、公知のフォトエッチング技術を用いて緩衝層４０の光入射側の表面に対応する領域の絶縁膜２９を除去して開口部６０を形成する（図５Ｂ）。

次に、公知の高密度プラズマＣＶＤ（HIgh Density Plasma-CVD）法を用いて、開口部６０に絶縁膜２９の屈折率よりも屈折率が高い材料（ここではＳｉＮ）を充填する（図５Ｃ）。なお、開口部６０以外の部分に形成されたＳｉＮを例えば化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing）またはプラズマエッチングによって除去することにより、高屈折率層５１の光入射側の表面が平坦化される。

次に、絶縁膜２９及び高屈折率層５１の光入射側の表面に、絶縁膜２９の屈折率よりも屈折率が高い材料（ここではＳｉＮ)により構成される絶縁膜を形成する。そして、この絶縁膜上にレンズ形状のフォトレジストパターンを形成し、それをマスクとして当該絶縁層膜をエッチングすることにより、レンズ部５２を形成する（図５Ｄ）。これにより、導波路５４となる高屈折率層５１と、レンズ部５２とを含む集光部５０が形成される。

以上のように、本実施形態の半導体装置１００は、ｎ型の半導体層１０の内部に設けられたフォトダイオードを構成するｐ型の受光部３０と、受光部３０の光入射側に設けられ、アモルファスシリコンで構成された緩衝層４０と、半導体層１０の受光部３０の形成領域以外の領域の光入射側に設けられた絶縁膜２９と、緩衝層４０の光入射側に設けられ、絶縁膜２９の屈折率よりも高い屈折率を有する集光部５０と、を含む。

高屈折率層５１は、絶縁膜２９の屈折率よりも高い屈折率を有しており光の利用効率を高める機能を有する。緩衝層４０は、受光部３０の光入射側の表面と高屈折率層５１との間に介在することで、高屈折率層５１による応力の受光部３０への影響が緩和され、受光部３０内における結晶欠陥の発生が抑制される。緩衝層４０は、アモルファスシリコンで構成されており、その屈折率は、受光部３０の屈折率と同程度であり、高屈折率層５１の屈折率よりも高い。従って、緩衝層４０は、高屈折率層５１による光の利用効率を低減させることなく応力緩和機能を発揮する。

なお、集光部５０の形成方法は、上述した方法に限定されず、例えば、図５Ｅ～図５Ｇを参照しつつ以下に説明するように、絶縁膜２９よりも先に高屈折率層５１を形成する方法としてもよい。上述したように緩衝層４０を形成した（図２Ｅ参照）後、公知のＣＶＤ法を用いて半導体層１０の光入射側の表面Ｓ１全体に高屈折率層５１を形成する（図５Ｅ）。次に、公知のフォトエッチング技術を用いて緩衝層４０の光入射側の表面以外に対応する領域の高屈折率層５１を除去して開口部６２を形成する（図５Ｆ）。次に、図２Ｇを参照して説明したように、開口部６２に、絶縁膜２９、コンタクトプラグ２５、２６、及び配線２７、２８を形成する（図５Ｇ）。その後、図５Ｄを参照して説明したように、絶縁膜２９及び高屈折率層５１の光入射側の表面に、レンズ部５２を形成する。

また、本実施形態の半導体装置１００は、第１実施形態の半導体装置１００と同様に、受光部３０と接する緩衝層４０の導電型を、受光部３０と反対の導電型とすることも可能である。また、本実施形態の半導体装置１００は、第１実施形態の半導体装置１００と同様に、緩衝層４０に電気的に接続された配線４８を設け、緩衝層４０に電圧を印加できるように構成してもよい。さらに、本実施形態の半導体装置１００は、第１実施形態の半導体装置１００と同様に、緩衝層４０の材料として、アモルファスシリコンに代えてポリシリコンを用いることも可能である。

［第３実施形態］
図６は、本実施形態の表面照射型の固体撮像装置を構成する半導体装置１００の構成の一例を示す断面図である。半導体装置１００は、第１実施形態の半導体装置１００と同様、ｎ型の半導体層１０の内部に設けられたフォトダイオードを構成するｐ型の受光部３０と、受光部３０の光入射側に設けられ、アモルファスシリコンで構成された緩衝層４０と、を含む。

本実施形態の半導体装置１００は、以下の点において第１実施形態の半導体装置１００と異なる。すなわち、図６に示すように本実施形態の半導体装置１００は、第１実施形態の半導体装置１００が備えていた絶縁膜２９及び高屈折率層４２に代わり、高屈折率層５５及びレンズ部５２を備えている。なお、本実施形態ではレンズ部５２が本開示の集光部の一例に対応する。

高屈折率層５５は、比較的高い屈折率を有し、具体的にはＳｉＯ_２よりも高い屈折率を有する。高屈折率層５５としては例えば、ＳｉＮや、ＳｉＯＮを用いることができる。

レンズ部５２も比較的屈折率を有しており、具体的にはＳｉＯ_２よりも高い屈折率を有する。レンズ部５２を構成する材料として例えば、上記高屈折率層５５と同様に、ＳｉＮや、ＳｉＯＮを用いることができる。なお、レンズ部５２を構成する材料と高屈折率層５５を構成する材料とは同一であってもよいし、異なっていてもよいが、レンズ部５２の屈折率が高屈折率層５５の屈折率よりも低いことが好ましい。

レンズ部５２により集光された光は、高屈折率層５５を介して受光部３０の光入射側の表面に達する。なお、本実施形態のレンズ部５２は、集光を高めるための層内レンズとして機能し、レンズ部５２よりも光の入射側に、レンズ部５２から近い方から順に図示を省略したカラーフィルタ及びマイクロレンズが設けられる。

以下に、本実施形態の半導体装置１００の製造方法の一例について図７Ａ及び図７Ｂを参照しつつ説明する。本実施形態の半導体装置１００の製造方法は、緩衝層４０を形成する工程(図２Ｅ)までは、第１実施形態の半導体装置１００の製造方法と同じである。

その後、高屈折率層４２を形成せずに、例えば、公知のＣＶＤ法を用いて半導体層１０の表面に比較的屈折率が高い材料（ここではＳｉＮ）の絶縁体で構成される高屈折率層５５を形成する。続いて、高屈折率層５５にゲート電極２３に達するコンタクトホール、及びフローティングディフュージョン２４に達するコンタクトホールを形成し、これらのコンタクトホールにタングステン（Ｗ）等の導電体を埋め込むことで、コンタクトプラグ２５、２６を形成する。続いて、高屈折率層５５の表面にアルミニウム等の導電体で構成される導体膜を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術を用いてこの導体膜をパターニングすることで、コンタクトプラグ２５、２６にそれぞれ接続された配線２７、２８を形成する。その後、配線２７、２８を覆うように、更に高屈折率層５５を形成する（図７Ａ）。

その後、上記第２実施形態において図５Ｄを参照して説明したように、高屈折率層５５の光入射側の表面に、レンズ部５２を形成する。

以上のように、本実施形態の半導体装置１００は、ｎ型の半導体層１０の内部に設けられたフォトダイオードを構成するｐ型の受光部３０と、受光部３０の光入射側に設けられ、アモルファスシリコンで構成された緩衝層４０と、半導体層１０及び緩衝層４０の光入射側に設けられ、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）及びシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）の少なくとも一方により構成される高屈折率層５５と、高屈折率層５５の光入射側に設けられたレンズ部５２と、を含む。

高屈折率層５５は、比較的高い屈折率、具体的にはＳｉＯ_２よりも高い屈折率を有しており光の利用効率を高める機能を有する。緩衝層４０は、受光部３０の光入射側の表面と高屈折率層５５との間に介在することで、高屈折率層５５による応力の受光部３０への影響が緩和され、受光部３０内における結晶欠陥の発生が抑制される。緩衝層４０は、アモルファスシリコンで構成されており、その屈折率は、受光部３０の屈折率と同程度であり、高屈折率層５５の屈折率よりも高い。従って、緩衝層４０は、レンズ部５２及び高屈折率層５５による光の利用効率を低減させることなく応力緩和機能を発揮する。

なお、本実施形態の半導体装置１００は、第１実施形態の半導体装置１００と同様に、受光部３０と接する緩衝層４０の導電型を、受光部３０と反対の導電型とすることも可能である。また、本実施形態の半導体装置１００は、第１実施形態の半導体装置１００と同様に、緩衝層４０に電気的に接続された配線４８を設け、緩衝層４０に電圧を印加できるように構成してもよい。さらに、本実施形態の半導体装置１００は、第１実施形態の半導体装置１００と同様に、緩衝層４０の材料として、アモルファスシリコンに代えてポリシリコンを用いることも可能である。

以上説明したように、上記各実施形態の半導体装置１００は、受光部３０と高屈折率層（４２、５１、５５）との間に、緩衝層４０が設けられているため、表面照射型の固体撮像装置を構成する半導体装置１００において、所望の特性を損なうことなく、受光部３０内部における結晶欠陥の発生を抑制することができる。

なお、上記各実施形態においては、半導体層１０及び緩衝層４０の導電型をｎ型とし、受光部３０及びフローティングディフュージョン２４をｐ型で構成する場合を例示したが、これらの各構成要素の導電型を反転させてもよい。

１０半導体層
２９絶縁膜
３０受光部
４０緩衝層
４２、５１、５５高屈折率層
５０集光部
５２レンズ部
１００半導体装置

Claims

第１の導電型を有する半導体層の内部に設けられ、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する受光部と、
前記受光部の光入射側に、前記受光部と接して設けられ、アモルファスシリコンで構成された緩衝層と、
前記半導体層及び前記緩衝層の光入射側に設けられた絶縁膜と、
前記緩衝層と前記絶縁膜との間に設けられ、前記絶縁膜の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、
を含む半導体装置。
前記緩衝層は、前記第２の導電型である、
請求項１に記載の半導体装置。
前記緩衝層を、前記アモルファスシリコンに代えてポリシリコンで構成した
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
第１の導電型を有する半導体層の内部に前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する受光部を形成する工程と、
前記受光部の光入射側に、前記受光部と接して、アモルファスシリコンで構成された緩衝層を形成する工程と、
前記緩衝層の光入射側に反射防止膜を形成する工程と、
前記半導体層及び前記反射防止膜の光入射側に、前記反射防止膜の屈折率よりも低い屈折率を有する絶縁膜を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
前記緩衝層を、前記アモルファスシリコンに代えてポリシリコンで構成する
請求項４に記載の製造方法。