JP7251946B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

本開示は、固体撮像装置に関する。
ＣＭＯＳなどのイメージセンサを構成する固体撮像装置においては、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域に感度を有するものがある。紫外領域に感度を有する固体撮像装置では、紫外光による素子の劣化を抑制するため、ＢＰＳＧ（Boro-phospho silicate glass）膜といった絶縁膜が光感応領域に保護膜として形成されている。絶縁膜に保護膜としての機能を十分に発揮させるためには、例えば１μｍ程度の厚さが必要となる。この場合、絶縁膜の上面と、半導体基板の主面との間で入射光の干渉が生じ、分光感度が入射光の波長に対して周期的にばらついてしまうことが考えられる。このような分光感度のばらつきを抑えるため、例えば特許文献１に記載の固体撮像装置では、半導体基板の主面に設けられた光感応領域において、当該主面を凹形状と凸形状とが連続する波型状に形成すると共に、絶縁膜の上面を平坦なものとしている。
特開２０１４－３１４０号公報
上述した従来の固体撮像装置では、絶縁膜の膜厚が半導体基板の主面の凹凸形状に対応して変化する。これにより、絶縁膜全体での膜厚変化の影響が抑制され、特に紫外領域における感度ばらつきの低減及び感度の安定化が図られている。しかしながら、絶縁膜を保護膜として比較的厚く形成した固体撮像装置において、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを低減させるためには、更なる工夫が必要となっている。
本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを低減できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
本開示の一側面に係る固体撮像装置は、複数の光感応領域が設けられた主面を有する半導体基板と、半導体基板の主面に設けられた絶縁膜と、を備え、半導体基板の主面を基準面とした場合に、基準面からの絶縁膜の厚さが０．５μｍ以上であり、絶縁膜における主面と反対側の面は、平坦性を有する面となっており、光感応領域において、半導体基板の主面には、基準面からの深さが互いに異なる複数種の底面が設けられている。
この固体撮像装置では、基準面からの絶縁膜の厚さが０．５μｍ以上となっている。厚さが十分な絶縁膜を設けることで、当該絶縁膜を紫外光に対する保護膜として十分に機能させることができる。また、この固体撮像装置では、絶縁膜における主面と反対側の面が平坦性を有する面となっており、基準面からの深さが互いに異なる複数種の底面が半導体基板の主面に設けられている。これにより、入射光が光感応領域に入射した場合に、絶縁膜における主面と反対側の面と、半導体基板の主面における各底面との間で光路長が互い異なる複数の干渉が生じる。このため、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合い、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを低減することが可能となる。
また、複数種の底面において、基準面からの深さが相対的に浅い底面と、基準面からの深さが相対的に深い底面とが交互に隣り合っていてもよい。この場合、底面の深さが階段状に変化する場合と比べて、半導体基板の主面に対する絶縁膜の形状の追従性を低減できる。したがって、絶縁膜における主面と反対側の面の平坦性を十分に高めることができる。
また、固体撮像装置は、複数種の底面のそれぞれを画成する複数種の凹部を有し、主面の平面視において、第１の方向には深さが異なる凹部が連続し、第１の方向に直交する第２の方向には深さが同じ凹部が互いに離間して並んでいてもよい。この場合、第１の方向に連続する各凹部によって入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期を効果的に打ち消すことができる。また、第２の方向に並ぶ凹部間に基準面が位置するので、絶縁膜における主面と反対側の面の平坦性も十分に担保される。
また、複数種の底面のそれぞれを画成する単一の凹部を有し、主面の平面視において、第１の方向には深さが異なる底面が連続し、第１の方向に直交する第２の方向には深さが同じ底面が連続していてもよい。この場合、単一の凹部を構成する各底面を十分な面積で形成できるので、これらの底面によって半導体基板の主面に対する絶縁膜の形状の追従性を低減できる。したがって、絶縁膜における主面と反対側の面の平坦性を十分に高めることができる。
また、複数種の底面のそれぞれを画成する複数種の凹部を有し、主面の平面視において、第１の方向には深さが異なる凹部が互いに離間して並んでおり、第１の方向に直交する第２の方向には深さが同じ凹部が互いに離間して並んでいてもよい。この場合、各凹部の周りに基準面が位置するので、絶縁膜における主面と反対側の面の平坦性が十分に担保される。
また、複数種の底面のそれぞれを画成する複数種の凹部を有し、主面の平面視において、第１の方向には各凹部がそれぞれ延在し、第１の方向に直交する第２の方向には深さの異なる凹部が互いに離間して並んでいる。このような構成においても、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合い、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを十分に低減できる。また、各凹部の形状の簡単化が図られる。
また、凹部のうちの少なくとも一つは、複数種の底面の２種以上を画成する単一の凹部を有していてもよい。この場合、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期をより効果的に打ち消すことができる。
また、凹部の開口幅は、絶縁膜の厚さの２倍以下となっていてもよい。絶縁膜を凹部に成膜する際、凹部の側面における成膜速度は、凹部の底面における成膜速度よりも遅い傾向がある。このため、凹部の開口幅を上記のように規定することで、凹部の側面に成長する絶縁膜と、凹部の底面に成長する絶縁膜とによって凹部内を十分に充填することができる。これにより、絶縁膜における主面と反対側の面の平坦性を十分に高めることができる。
また、凹部の少なくとも一つの開口幅は、絶縁膜の厚さ以下となっていてもよい。この場合、凹部の側面に成長する絶縁膜と、凹部の底面に成長する絶縁膜とによって凹部内を一層十分に充填することができる。これにより、絶縁膜における主面と反対側の面の平坦性を一層十分に高めることができる。
また、複数種の底面は、５種以下であってもよい。深さ位置の異なる底面の種類が過剰となると、底面の平坦性を維持することが困難となる。複数種の底面を５種以下とすることで、底面の平坦性を維持できる。
また、絶縁膜における主面と反対側の面の凹凸高さは、複数種の底面のうちの最大深さよりも小さくなっていてもよい。絶縁膜における主面と反対側の面の平坦性を十分に確保することで、複数の干渉による分光感度のばらつきの周期の打ち消し合い効果を十分に生じさせることができる。
本開示によれば、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを低減できる。
固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。 図１におけるＩＩ－ＩＩ線断面図である。 第１実施形態に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大平面図である。 図３における所定位置での断面図である。 感度ばらつきの低減効果を示す図である。 凹部の幅と絶縁膜の成膜状態との関係を示す概略図である。 凹部の開口幅と絶縁膜の上面の平坦性との関係の検証結果を示す写真である。 第１実施形態の変形例に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大断面図である。 第１実施形態の別の変形例に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大断面図である。 第２実施形態に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大平面図である。 図１０における所定位置での断面図である。 第３実施形態に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大平面図である。 図１２における所定位置での断面図である。 第４実施形態に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大平面図である。 図１４における所定位置での断面図である。 第４実施形態の変形例に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大平面図である。 図１６における所定位置での断面図である。
以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る固体撮像装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
［固体撮像装置の概略構成］
始めに、各実施形態に共通する固体撮像装置の概略構成について説明する。図１は、固体撮像装置の概略構成を示す平面図である。また、図２は、図１におけるＩＩ－ＩＩ線断面図である。固体撮像装置１は、図１に示すように、複数の光感応領域３と、複数の転送ゲート部５と、複数のアンチブルーミングゲート部７と、複数のアンチブルーミングドレイン部９と、シフトレジスタ部１１とを備えている。これらの構成は、半導体基板２０の主面２０ａ上に形成されている。本実施形態の固体撮像装置１は、例えば表面入射型のイメージセンサであり、一の光感応領域３が一の画素を構成している。
各光感応領域３は、光の入射に感応して、入射光強度に応じた電荷を発生させる。すなわち、光感応領域３は、光電変換部として機能する。本実施形態では、光感応領域３の平面形状は、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる長方形状をなしている。複数の光感応領域３は、光感応領域３の長辺方向に沿う第１の方向に直交する第２の方向（光感応領域３の短辺方向に沿う方向）に沿って並び、一次元方向にアレイ状に配置されている。光感応領域３の形状は、上述した略矩形状に限られず、種々の形状を採り得る。
各転送ゲート部５は、光感応領域３にそれぞれ対応し、且つ光感応領域３の平面形状をなす一方の短辺側に配置されている。すなわち、複数の転送ゲート部５は、光感応領域３の平面形状をなす一方の短辺側において、第２の方向に並んでいる。転送ゲート部５は、光感応領域３にて発生した電荷を取得し、取得した電荷を信号電荷として第１の方向に転送する。隣り合う転送ゲート部５の間には、アイソレーション領域１３が配置されている。アイソレーション領域１３は、転送ゲート部５間の電気的な分離を実現している。
各アンチブルーミングゲート部７は、光感応領域３にそれぞれ対応し、且つ光感応領域３の平面形状をなす他方の短辺側に配置されている。すなわち、複数のアンチブルーミングゲート部７は、光感応領域３の平面形状をなす他方の短辺側において、上記第２の方向に並んでいる。アンチブルーミングゲート部７は、光感応領域３にて発生した電荷を取得し、取得した電荷を不要電荷として第１の方向に転送する。隣り合うアンチブルーミングゲート部７の間には、上記アイソレーション領域１３が配置されている。アイソレーション領域１３は、アンチブルーミングゲート部７間の電気的な分離を実現している。
各アンチブルーミングドレイン部９は、複数のアンチブルーミングゲート部７にそれぞれ対応し、アンチブルーミングゲート部７と第１の方向に隣接して配置されている。すなわち、複数のアンチブルーミングドレイン部９は、光感応領域３の平面形状をなす他方の短辺側において、上記第２の方向に並んでいる。アンチブルーミングドレイン部９は、所定の固定電位に接続されており、対応するアンチブルーミングゲート部７から転送された不要電荷を排出する。
シフトレジスタ部１１は、複数の転送ゲート部５にそれぞれ対応し、転送ゲート部５と第１の方向に隣接して配置されている。すなわち、複数のシフトレジスタ部１１は、光感応領域３の平面形状をなす他方の短辺側において、上記第２の方向に並んでいる。シフトレジスタ部１１は、転送ゲート部５からそれぞれ転送された信号電荷を受け取り、上記第２の方向に転送して読出アンプ部１５に順次出力する。シフトレジスタ部１１から出力された信号電荷は、読出アンプ部１５によって電圧に変換され、第２の方向に配置された光感応領域３毎の電圧として固体撮像装置１の外部に出力される。
複数の光感応領域３を除いた領域には、遮光膜ＬＳが配置されている。本実施形態では、転送ゲート部５と、アンチブルーミングゲート部７、アンチブルーミングドレイン部９、シフトレジスタ部１１を覆うように遮光膜ＬＳが配置されている。遮光膜ＬＳは、これらの領域に光が入射するのを防止し、これらの領域に入射した光による不要電荷の発生を防止することができる。
光感応領域３においては、図２に示すように、半導体基板２０の主面２０ａに後述の凹凸形状が画素毎に設けられている。また、半導体基板２０の主面２０ａ上には、絶縁膜３０が設けられている。半導体基板２０は、互いに対向する主面２０ａと主面２０ｂとを有している。本実施形態では、主面２０ａが半導体基板２０における光入射面となっている。半導体基板２０は、主面２０ｂ側から、ｐ型の半導体領域２１と、ｐ－型の半導体領域２２と、ｎ＋型の半導体領域２３と、ｐ＋型の半導体領域２４と、酸化膜２５とを含んで構成されている。本実施形態では、半導体基板２０は、Ｓｉからなる。半導体基板２０がＳｉからなる場合、ｐ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、ｎ型不純物としては、Ｎ、Ｐ、Ａｓなどの５族元素が用いられる。
酸化膜２５は、例えばシリコン酸化膜である。この酸化膜２５は、転送ゲート部５においてＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜として機能する。また、酸化膜２５は、光感応領域３において、絶縁膜３０からの成分が半導体基板２０に侵入することを防止する役割を有している。例えば後述のように絶縁膜３０がＢＰＳＧ膜である場合、酸化膜２５は、当該ＢＰＳＧ膜からのＢ（ボロン）やＰ（リン）が半導体基板２０に侵入することを防止する。なお、半導体基板２０に酸化膜２５を設ける場合には、当該酸化膜２５の表面を半導体基板２０の主面２０ａと見做すことができる。半導体基板２０に酸化膜２５を設けない場合には、ｐ＋型の半導体領域２４の表面が半導体基板２０の主面２０ａとなる。半導体基板２０を構成する半導体領域は、図２の構成に限られない。例えばｐ＋型の半導体領域２４を設けず、ｐ－型の半導体領域２２上にｎ＋型の半導体領域２３が位置し、ｎ＋型の半導体領域２３の上に酸化膜２５が直接形成されていてもよい。
絶縁膜３０は、互いに対向する主面３０ａと主面３０ｂとを有している。主面３０ａは、半導体基板２０の主面２０ａ側を向く面であり、主面３０ｂは、半導体基板２０の主面２０ａと反対側を向く面である。絶縁膜３０は、例えば蒸着などによって形成され得る。主面３０ａは、半導体基板２０の主面２０ａに設けられた凹凸形状に追従した形状の面となっている。主面３０ｂは、リフロー又はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等により、凹凸形状に対して十分な平坦性を有する面となっている。絶縁膜３０は、たとえばＢＰＳＧ（Boro-phospho silicate glass）膜であり、反射防止膜（ＡＲ膜）としても機能する。また、半導体基板２０の主面２０ａを基準面Ｋとした場合に、基準面Ｋからの絶縁膜３０の厚さＴは、０．５μｍ以上となっている。これにより、絶縁膜３０は、紫外光による素子の劣化を抑制するための保護膜としても機能する。
絶縁膜３０の厚さＴは、例えば０．５μｍ～３μｍとなっており、好ましくは０．６μｍ～１．５μｍとなっている。絶縁膜３０の厚さＴの下限値は、保護膜としての機能、すなわち、十分な紫外光耐性を発揮させることを考慮した値である。また、絶縁膜３０の厚さＴの上限値は、赤外領域での感度のばらつきの発生や、プロセス上の制限（例えばコンタクトホールの形成の容易性）などを考慮した値である。１．０μｍを超える範囲では紫外光耐性の向上効果が小さくなってくるため、本実施形態では、絶縁膜３０の厚さＴは、１．０μｍとなっている。
［第１実施形態］
図３は、第１実施形態に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大平面図である。図３では、説明の便宜上、絶縁膜３０を省略する一方で、ＸＹＺ軸を示している。Ｘ軸は、図１中の第２の方向に対応する軸であり、Ｙ軸は、図１中の第１の方向に対応する軸である。Ｚ軸は、半導体基板２０の厚さ方向に対応する軸である。また、図４は、図３における所定位置での断面図である。図３（ａ）は、Ｘ１－Ｘ１線断面図、図３（ｂ）は、Ｘ２－Ｘ２線断面図、図３（ｃ）は、Ｘ３－Ｘ３線断面図、図３（ｄ）は、Ｘ４－Ｘ４線断面図、図３（ｅ）は、Ｙ－Ｙ線断面図である。
図３及び図４に示すように、光感応領域３において、半導体基板２０の主面２０ａには、基準面Ｋからの深さが互いに異なる複数種の底面Ｒが設けられている。本実施形態では、深さが異なる４種の底面ＲＡ～ＲＤが設けられており、底面ＲＡ～ＲＤのそれぞれは、例えば半導体基板２０の主面２０ａを選択的に熱酸化し、当該熱酸化した部分をウェットエッチングすることによって得られる４種の凹部ＰＡ～ＰＤによって画成されている。凹部ＰＡ～ＰＤ及び底面ＲＡ～ＲＤは、いずれも平面視において第１の方向を長辺とし、第２の方向を短辺とする長方形状をなしている。
凹部ＰＡ～ＰＤの内側壁面は、図４に示すように、開口面側からに底面側向かって裾狭まりとなるように傾斜している。本実施形態では、底面ＲＡの深さＺＡは５０ｎｍ、底面ＲＢの深さＺＢは９０ｎｍ、底面ＲＣの深さＺＣは１４０ｎｍ、底面ＲＤの深さＺＤは１８０ｎｍとなっている。凹部Ｐの開口幅Ｌは、絶縁膜３０の厚さＴの２倍以下となっている、また、凹部Ｐの少なくとも一つの開口幅Ｌは、絶縁膜３０の厚さＴ以下となっている。ここでは、凹部Ｐが長方形状をなしており、開口幅Ｌは、凹部Ｐの開口面における短辺方向の幅で規定される。本実施形態では、凹部ＰＡの開口幅ＬＡは２．０μｍ、凹部ＰＢの開口幅ＬＢは１．５μｍ、凹部ＰＣの開口幅ＬＣは１．０μｍ、凹部ＰＤの開口幅ＬＤは１．０μｍとなっている。
本実施形態では、図３及び図４に示すように、主面２０ａの平面視において、第１の方向には深さが異なる凹部Ｐが連続している。より詳細には、第１の方向については、凹部ＰＡ、凹部ＰＣ、凹部ＰＢ、凹部ＰＤの順で一つの配置パターンが形成されており、当該配置パターンが第１の方向に沿って繰り返し並んだ状態となっている。かかる配置パターンにより、本実施形態では、第１の方向について見た場合に、基準面Ｋからの深さが相対的に浅い底面Ｒと、基準面Ｋからの深さが相対的に深い底面Ｒとが隣り合うこととなる（図４（ｅ）参照）。すなわち、これらの底面Ｒは、第１の方向について階段状に深くなる形状或いは階段状に浅くなる形状を画成しておらず、隣り合う底面Ｒとの間で山谷形状をなしている。
また、本実施形態では、図３及び図４に示すように、主面２０ａの平面視において、第２の方向には深さが同じ凹部Ｐが互いに離間して並んでいる。凹部ＰＡ～凹部ＰＤのそれぞれにおいて、第２の方向の離間幅Ｆは、いずれも０．２μｍとなっている。すなわち、第２の方向について、凹部ＰＡ間、凹部ＰＢ間、凹部ＰＣ間、凹部ＰＤ間には、０．２μｍの幅で基準面Ｋが介在した状態となっている（図４（ａ）～（ｄ）参照）。
以上説明したように、固体撮像装置１では、基準面Ｋからの絶縁膜３０の厚さＴが０．５μｍ以上となっている。厚さＴが十分な絶縁膜３０を設けることで、当該絶縁膜３０を紫外光に対する保護膜として十分に機能させることができる。したがって、紫外光によって固体撮像装置１が劣化してしまうことを抑制でき、劣化による検出精度の低下といった不具合の発生を抑えることができる。
また、固体撮像装置１では、絶縁膜３０における主面３０ｂが平坦性を有する面となっており、基準面Ｋからの深さが互いに異なる複数種の底面Ｒが半導体基板２０の主面２０ａに設けられている。これにより、入射光が光感応領域３に入射した場合に、絶縁膜３０の主面３０ｂと、半導体基板２０の主面２０ａにおける底面ＲＡ～ＲＤとの間で光路長が互い異なる複数の干渉が生じる。このため、図５（ａ）に示すように、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合うこととなる。このため、図５（ｂ）に示すように、半導体基板２０の主面２０ａと絶縁膜３０の主面３０ｂとの間で単一の光路長の干渉が生じる場合と比較すると、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを低減することが可能となる。
また、本実施形態では、複数種の底面Ｒにおいて、基準面Ｋからの深さが相対的に浅い底面Ｒと、基準面Ｋからの深さが相対的に深い底面Ｒとが交互に隣り合っている。この場合、底面Ｒの深さが階段状に変化する場合と比べて、半導体基板２０の主面２０ａに対する絶縁膜３０の形状の追従性を低減できる。したがって、絶縁膜３０の主面３０ｂの平坦性を十分に高めることができる。絶縁膜３０の主面３０ｂの平坦性を十分に高めることで、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期の打ち消し合い効果を狙い通りに生じさせることが可能となる。
また、本実施形態では、複数種の底面ＲＡ～ＲＤのそれぞれが複数種の凹部ＰＡ～ＰＤによって画成されている。そして、主面２０ａの平面視において、第１の方向には深さが異なる凹部Ｐが連続し、第２の方向には深さが同じ凹部が互いに離間して並んでいる。このような構成によれば、第１の方向に連続する各凹部Ｐによって入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期を効果的に打ち消すことができる。また、第２の方向に並ぶ凹部Ｐ間に基準面Ｋが位置するので、絶縁膜３０の主面３０ｂの平坦性も十分に担保される。
なお、本実施形態では、第２の方向について凹部Ｐ間に基準面Ｋが介在しており、この基準面Ｋと絶縁膜３０の主面３０ｂとの間でも光路長が異なる干渉の一つが生じ得る。このことも、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期の打ち消し合いに寄与し、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきの低減効果を高めるように作用する。
また、本実施形態では、凹部Ｐの開口幅Ｌは、絶縁膜３０の厚さＴの２倍以下となっており、凹部Ｐの少なくとも一つの開口幅Ｌは、絶縁膜３０の厚さＴ以下となっている。絶縁膜３０を凹部Ｐに成膜する際、凹部Ｐの側面（内側壁面）における成膜速度は、凹部Ｐの底面における成膜速度よりも遅い傾向がある。例えば凹部Ｐの底面には縦方向及び横方向に成膜が進行するのに対し、凹部の側面には主に横方向の成膜のみが進行するため、凹部Ｐの側面における成膜速度は、凹部Ｐの底面における成膜速度の半分程度となる。このため、凹部Ｐの開口幅Ｌが絶縁膜３０の厚さＴの２倍を超えるような場合、図６（ａ）に示すように、凹部Ｐ内に絶縁膜３０が充填されきらず、このことが絶縁膜３０の主面３０ｂに凹凸を生じさせる要因となる。これに対し、凹部Ｐの開口幅Ｌが絶縁膜３０の厚さＴの２倍以下である場合、図６（ｂ）に示すように、凹部Ｐの側面に成長する絶縁膜３０と、凹部Ｐの底面に成長する絶縁膜３０とによって凹部Ｐ内を十分に充填することができる。これにより、絶縁膜３０の主面３０ｂの平坦性を十分に高めることができる。
図７は、凹部の開口幅と絶縁膜の上面の平坦性との関係の検証結果を示す写真である。いずれも基準面からの絶縁膜（ＢＰＳＧ膜）の厚さを０．６μｍとしている。図７（ａ）は、凹部のライン／スペースが３．０μｍ／３．０μｍである場合の結果であり、図７（ｂ）は、凹部のライン／スペースが１．２μｍ／１．２μｍである場合の結果である。また、図７（ｃ）は、凹部のライン／スペースが０．６μｍ／０．６μｍである場合の結果である。図７（ａ）では、凹部の開口幅が絶縁膜の厚さの５倍であり、凹部の形状に追従して絶縁膜の上面に凹凸が現れている。一方、図７（ｂ）では、凹部の開口幅が絶縁膜の厚さの２倍であり、絶縁膜の上面の平坦性が改善している。また、図７（ｃ）では、凹部の開口幅が絶縁膜の厚さと同じであり、絶縁膜の上面の平坦性が更に改善している。
絶縁膜３０としてＢＰＳＧ膜を用いる場合、ＢＰＳＧ膜はガラスであるため、一般には流動性が低い。この流動性は、リフロー時間、リフロー温度、Ｂ（ボロン）及びＰ（リン）の濃度といった条件で変化するが、微細プロセスであるほど高温・長時間のリフローは困難であり、リフローによるＢＰＳＧ膜の平坦化は制限される。これに対し、絶縁膜３０の厚さＴに基づいて凹部Ｐの開口幅Ｌを規定し、主面２０ａの局所的な凹凸を密にすることで、リフロー条件に依らずに絶縁膜３０の主面３０ｂの平坦化を実現できる。
絶縁膜３０の主面３０ｂの平坦性に関し、複数の干渉による分光感度のばらつきの周期の打ち消し合い効果を十分に生じさせる観点から、絶縁膜３０の主面３０ｂにおける凹凸高さ（主面３０ｂにおいて最も高い凸部と最も低い凹部との高さの差）は、複数種の底面Ｒのうちの最大深さよりも小さくなっていることが好ましい。また、絶縁膜３０の主面３０ｂにおける凹凸高さは、複数種の底面Ｒのうちの最大深さの０．５倍以下となっていることがより好ましく、０．１倍以下となっていることが特に好ましい。本実施形態では、基準面Ｋからの深さが最大であるのは底面ＲＤであり、底面ＲＤの深さＺＤは１８０ｎｍとなっている。したがって、絶縁膜３０の主面３０ｂにおける凹凸高さは、１８０ｎｍよりも小さくなっていることが好ましく、９０ｎｍ以下となっていることがより好ましく、１８ｎｍ以下となっていることが特に好ましい。
また、同様の観点から、絶縁膜３０の主面３０ｂにおける凹凸高さは、複数種の底面Ｒのうちの最大深さと最小深さの差よりも小さくなっていてもよい。この場合、絶縁膜３０の主面３０ｂにおける凹凸高さは、複数種の底面Ｒのうちの最大深さと最小深さの差の０．５倍以下となっていることが好ましい。本実施形態では、基準面Ｋからの深さが最大であるのは底面ＲＤ（深さＺＤ＝１８０ｎｍ）であり、深さが最小であるのは底面ＲＡ（深さＺＡ＝５０ｎｍ）であるため、その差は１３０ｎｍである。したがって、絶縁膜３０の主面３０ｂにおける凹凸高さは、１３０ｎｍよりも小さくなっていてもよく、６５ｎｍ以下となっていることがより好ましい。
さらに、同様の観点から、絶縁膜３０の主面３０ｂにおける凹凸高さは、絶縁膜３０の厚さＴの１０％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましい。主面３０ｂの凹凸を考慮する場合、基準面Ｋから主面３０ｂの最も高い凸部の頂部までの長さを絶縁膜３０の厚さＴとすればよい。
また、本実施形態では、複数種の底面Ｒが５種以下となっている。深さ位置の異なる底面Ｒの種類が過剰となると、底面Ｒの平坦性を維持することが困難となる。複数種の底面Ｒを５種以下とすることで、底面Ｒの平坦性を維持できる。
図８は、第１実施形態の変形例に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大断面図である。同図では、図３におけるＹ－Ｙ線断面図に相当する部分の断面図を示す。この変形例では、深さが異なる５種の底面ＲＡ～ＲＥが５種の凹部ＰＡ～ＰＥによって画成されている点で上記実施形態と相違する。底面ＲＡの深さＺＡは５０ｎｍ、底面ＲＢの深さＺＢは７０ｎｍ、底面ＲＣの深さＺＣは９０ｎｍ、底面ＲＤの深さＺＤは１４０ｎｍ、底面ＲＥの深さＺＤは１８０ｎｍとなっている。また、第１の方向について、凹部ＰＡ、凹部ＰＤ、凹部ＰＣ、凹部ＰＥ、凹部ＰＢの順で一つの配置パターンが形成されており、当該配置パターンが第１の方向に沿って繰り返し並んだ状態となっている。この形態では、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期の打ち消し合いが更に効果的に生じ得る。したがって、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを一層十分に低減できる。
図９は、第１実施形態の別の変形例に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大断面図である。同図に示すように、この変形例では、５種の凹部ＰＡ～ＰＥの第１の方向に対する長さが図８に示した形態の半分となっている。この形態では、第１の方向について、凹部ＰＡ、凹部ＰＤ、凹部ＰＣ、凹部ＰＥ、凹部ＰＢ、凹部ＰＥ、凹部ＰＣ、凹部ＰＤ、凹部ＰＡ、凹部ＰＢの順で一つの配置パターンが形成されており、当該配置パターンが第１の方向に沿って繰り返し並んだ状態となっている。この形態では、主面２０ａにおいて隣り合う底面Ｒとの間で形成される山谷形状がより密なものとなり、絶縁膜３０の主面３０ｂの平坦性の向上が図られる。
［第２実施形態］
図１０は、第２実施形態に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大平面図である。また、図１１は、図１０における所定位置での断面図である。図１０及び図１１に示すように、第２実施形態では、複数種の底面ＲＡ～ＲＤのそれぞれが単一の凹部Ｐによって画成されている。つまり、この形態では、凹部Ｐ同士が分離しておらず、一つの凹部Ｐに複数の深さの底面Ｒが含まれている。また、主面２０ａの平面視において、第１の方向には深さが異なる底面Ｒが連続し、第２の方向には深さが同じ底面Ｒが連続している。
より詳細には、この形態では、第１の方向について、底面ＲＡ、底面ＲＣ、底面ＲＢ、底面ＲＤの順で一つの配置パターンが形成されており、当該配置パターンが第１の方向に沿って繰り返し並んだ状態となっている。各底面Ｒの深さは、第１実施形態と同様である。すなわち、底面ＲＡの深さＺＡは５０ｎｍ、底面ＲＢの深さＺＢは９０ｎｍ、底面ＲＣの深さＺＣは１４０ｎｍ、底面ＲＤの深さＺＤは１８０ｎｍとなっている。底面ＲＡ～ＲＤの開口幅（ここでは第１の方向の幅）Ｌは、絶縁膜３０の厚さＴには寄らず、厚さＴよりも十分に大きくなっている。ここでは、底面ＲＡの幅ＬＡは１０．５μｍ、底面ＲＢの幅ＬＢは８．３μｍ、底面ＲＣの幅ＬＣは８．０μｍ、底面ＲＢの幅ＬＤは７．８μｍとなっている。
本実施形態では、単一の凹部Ｐを構成する底面ＲＡ～ＲＤが十分な面積で形成される。このため、凹部Ｐを全体的に見た場合に、底面ＲＡ～ＲＤが一定の平坦性を有する面となるため、半導体基板２０の主面２０ａに絶縁膜３０を形成する際の絶縁膜３０の形状の追従性を低減できる。したがって、絶縁膜３０における主面３０ｂの平坦性を十分に高めることができる。
［第３実施形態］
図１２は、第３実施形態に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大平面図である。また、図１３は、図１２における所定位置での断面図である。図１２及び図１３に示すように、第３実施形態では、第１実施形態と同様に、複数種の底面ＲＡ～ＲＤのそれぞれが複数種の凹部ＰＡ～ＰＤによって画成されている。また、主面２０ａの平面視において、第１の方向には深さが異なる凹部Ｐが互いに離間して並んでおり、第２の方向には深さが同じ凹部Ｐが互いに離間して並んでいる。
第１の方向についての凹部ＰＡ～ＰＤの配置パターン、底面ＲＡ～ＲＤの深さＺＡ～ＺＤ、及び凹部ＰＡ～ＰＤの開口幅ＬＡ～ＬＤは、いずれも第１実施形態と同じである。また、凹部ＰＡ～凹部ＰＤのそれぞれにおいて、第１の方向及び第２の方向の離間幅Ｆは、いずれも１．０μｍとなっている。したがって、本実施形態では、凹部ＰＡ～凹部ＰＤを囲むように、１．０μｍの幅で基準面Ｋが介在した状態となっている（図１３（ａ）～（ｅ）参照）。
本実施形態では、凹部ＰＡ～ＰＤの周りに基準面Ｋが位置するので、絶縁膜３０の主面３０ｂの平坦性が十分に担保される。また、凹部ＰＡ～ＰＤの周りに位置する基準面Ｋと絶縁膜３０の主面３０ｂとの間でも光路長が異なる干渉の一つが生じ得る。このことも、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期の打ち消し合いに寄与し、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきの低減効果を高めるように作用する。
［第４実施形態］
図１４は、第４実施形態に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大平面図である。また、図１５は、図１４における所定位置での断面図である。図１４及び図１５に示すように、第４実施形態では、第１実施形態と同様に、複数種の底面ＲＡ～ＲＤのそれぞれが複数種の凹部ＰＡ～ＰＤによって画成されている。また、主面２０ａの平面視において、第１の方向には各凹部ＰＡ～ＰＤがそれぞれ延在し、第２の方向には深さの異なる凹部ＰＡ～ＰＤが互いに離間して並んでいる。
本実施形態では、第２の方向について、凹部ＰＤ、凹部ＰＢ、凹部ＰＣ、凹部ＰＡの順での順で一つの配置パターンが形成されており、当該配置パターンが第２の方向に沿って繰り返し並んだ状態となっている。底面ＲＡ～ＲＤの深さＺＡ～ＺＤ、凹部ＰＡ～ＰＤの開口幅（ここでは第２の方向の幅）ＬＡ～ＬＤは、いずれも第１実施形態と同じである。凹部ＰＡ～凹部ＰＤのそれぞれにおいて、第２の方向の離間幅Ｆは、０．２μｍとなっている。
本実施形態においても、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期が互いに打ち消し合い、紫外領域から近赤外域を含む広い波長領域での感度ばらつきを十分に低減できる。また、本実施形態では、凹部ＰＡ～ＰＤのそれぞれが第１の方向に沿って帯状に設けられた構成となるので、凹部ＰＡ～ＰＤの形状の簡単化が図られる。
図１６は、第４実施形態の変形例に係る固体撮像装置の光感応領域の一部を示す要部拡大平面図である。また、図１７は、図１６における所定位置での断面図である。この変形例は、凹部Ｐのうちの少なくとも一つが複数種の底面Ｒの２種以上を画成する単一の凹部Ｐを有している点で上記第４実施形態と相違している。
この形態では、３種の底面ＲＡ～ＲＣが２種の凹部ＰＡ，ＰＥによって画成されている。凹部ＰＡ，ＰＥは、第４実施形態と同様に、第１の方向に延在しており、第２の方向には互いに離間して並んでいる。この形態では、第２の方向について、凹部ＰＡ、凹部ＰＥの順での順で一つの配置パターンが形成されており、当該配置パターンが第２の方向に沿って繰り返し並んだ状態となっている。
底面ＲＡは、凹部ＰＡによって画成されており、底面ＲＢ及び底面ＲＣは、凹部ＰＥによって画成されている。凹部ＰＥでは、中央に底面ＲＣが画成され、底面ＲＣの両脇に底面ＲＢがそれぞれ画成されている。底面ＲＡの深さＺＡは５０ｎｍ、底面ＲＢの深さＺＢは９０ｎｍ、底面ＲＣの深さＺＣは１４０ｎｍである。凹部ＰＡの開口幅（ここでは第２の方向の幅）ＬＡは２．０μｍ、凹部ＰＥの開口幅ＬＥは２．５μｍである。凹部ＰＥにおいて、底面ＲＣの幅（第２の方向の幅）は、底面ＲＢの幅よりも大きくてもよい。凹部ＰＡと凹部ＰＥとの間の第２の方向の離間幅Ｆは、０．５μｍとなっている。このような形態においても、凹部ＰＡ、ＰＥの形状の簡単化を図りつつ、入射光の波長に対する分光感度のばらつきの周期をより効果的に打ち消すことができる。
［他の変形例］
本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記各実施形態では、複数の光感応領域３が一次元方向にアレイ状に配置された構成を例示したが、複数の光感応領域が２次元方向にアレイ状に配置された構成を採用してもよい。また、上記各実施形態では、長方形状の底面Ｒ及び凹部Ｐを例示したが、これらの形状は、正方形状などの他の矩形状であってもよく、円形状、楕円形状、長円形状などであってもよい。凹部Ｐの開口幅Ｌは、矩形状の場合では短辺の幅で規定され、楕円形状であれば短軸方向の径で規定される。
凹部Ｐ及び底面Ｒの寸法は、適宜設計変更が可能である。上述した各実施形態で例示した値は、特に紫外領域での分光感度のばらつきを抑える観点で設計されているが、例えば可視域や近赤外域での分光感度のばらつきを抑える目的で凹部Ｐ及び底面Ｒの寸法を調整してもよい。また、上述した各形態では、絶縁膜３０の主面３０ｂと底面Ｒとが互いに平行に図示されているが、分光感度のばらつきの周期の打ち消し合い効果が損なわれない範囲において絶縁膜３０の主面３０ｂと底面Ｒとが非平行となっていてもよい。
１…固体撮像装置、３…光感応領域、２０…半導体基板、２０ａ…主面、３０…絶縁膜、３０ｂ…主面、Ｋ…基準面、Ｌ（ＬＡ～ＬＥ）…開口幅、Ｐ（ＰＡ～ＰＥ）…凹部、Ｒ（ＲＡ～ＲＥ）…底面、Ｔ…絶縁膜の厚さ。

Claims (11)

  1. 複数の光感応領域が設けられた主面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記主面に設けられた絶縁膜と、を備え、
    前記半導体基板の前記主面を基準面とした場合に、前記基準面からの前記絶縁膜の厚さが０．５μｍ以上であり、
    前記絶縁膜における前記主面と反対側の面は、平坦性を有する面となっており、
    前記光感応領域において、前記半導体基板の前記主面には、前記基準面からの深さが互いに異なる複数種の底面が設けられている固体撮像装置。
  2. 前記複数種の底面において、前記基準面からの深さが相対的に浅い底面と、前記基準面からの深さが相対的に深い底面とが交互に隣り合っている請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記複数種の底面のそれぞれを画成する複数種の凹部を有し、
    前記主面の平面視において、第１の方向には深さが異なる前記凹部が連続し、前記第１の方向に直交する第２の方向には深さが同じ前記凹部が互いに離間して並んでいる請求項１記載の固体撮像装置。
  4. 前記複数種の底面のそれぞれを画成する単一の凹部を有し、
    前記主面の平面視において、第１の方向には深さが異なる前記底面が連続し、前記第１の方向に直交する第２の方向には深さが同じ前記底面が連続している請求項１記載の固体撮像装置。
  5. 前記複数種の底面のそれぞれを画成する複数種の凹部を有し、
    前記主面の平面視において、第１の方向には深さが異なる前記凹部が互いに離間して並んでおり、前記第１の方向に直交する第２の方向には深さが同じ前記凹部が互いに離間して並んでいる請求項１記載の固体撮像装置。
  6. 前記複数種の底面のそれぞれを画成する複数種の凹部を有し、
    前記主面の平面視において、第１の方向には各凹部がそれぞれ延在し、前記第１の方向に直交する第２の方向には深さの異なる凹部が互いに離間して並んでいる請求項１記載の固体撮像装置。
  7. 前記凹部のうちの少なくとも一つは、前記複数種の底面の２種以上を画成する単一の凹部を有している請求項６記載の固体撮像装置。
  8. 前記凹部の開口幅は、前記絶縁膜の厚さの２倍以下となっている請求項３～７のいずれか一項記載の固体撮像装置。
  9. 前記凹部の少なくとも一つの開口幅は、前記絶縁膜の厚さ以下となっている請求項３～８のいずれか一項記載の固体撮像装置。
  10. 前記複数種の底面は、５種以下である請求項１～９のいずれか一項記載の固体撮像装置。
  11. 前記絶縁膜における前記主面と反対側の面の凹凸高さは、前記複数種の底面のうちの最大深さよりも小さくなっている請求項１～１０のいずれか一項記載の固体撮像装置。
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