JPH11214664A - 固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体撮像素子において反射防止膜として用い
られるシリコン窒化膜は、膜の内部応力が高く画質を低
下させる「白傷」発生の原因となる。また、結晶構造が
緻密に過ぎ、暗電流抑制のための基板への水素添加を十
分に実施できない。そこで、反射防止膜を適切に選択す
ることにより、出力画像の画質を良好に保持しつつ感度
を向上させた固体撮像素子を提供する。 【解決手段】 半導体基板２１内に形成された受光部２
２の上方に、屈折率が１．９以上の酸化物からなる反射
防止膜２５を形成する。酸化物としては、チタン、ジル
コニウム、タンタル、インジウム、ニオブなどの金属酸
化物を適用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子に関
するものであり、さらに詳しくは、出力画像の画質が良
好な高感度の固体撮像素子およびその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、固体撮像素子としては信号電荷の
読み出しにＣＣＤ（電荷結合素子）を使用したものが主
流となっている。そして、高解像度化と光学システム系
の小型化を図るため固体撮像素子の高画素化・小型化が
進むに伴い、感度の向上が課題となっている。固体撮像
素子は、フォトダイオードが受光部として形成された半
導体基板上に絶縁膜を介して転送電極が形成され、その
上にさらに、層間絶縁膜、受光部上方に開口を有する遮
光膜、および表面保護膜が順に積層した構造を有してい
る。このような固体撮像素子においては、遮光膜の開口
部より入射した光がフォトダイオードで光電変換されて
信号電荷として集積され、この信号電荷がＣＣＤで読み
出され、出力アンプ部に転送される。

【０００３】このような固体撮像素子においては、絶縁
膜として使用されるシリコン酸化膜と基板を構成するシ
リコンとの屈折率の差により、基板表面において入射光
が反射するためにフォトダイオードまで到達する光が低
減し、感度の低下を招くという問題があった。この問題
を解決するため、基板と層間絶縁膜との間にシリコン窒
化膜からなる反射防止膜を設けることにより、多重干渉
効果を利用して入射光の損失を低減し、感度の向上を図
ることが提案されている（特開昭６３−１４４６６号公
報、特開平４−１５２６７４号公報）。

【０００４】また、このような固体撮像素子において
は、フォトダイオードに光が入射しない場合にも熱的に
発生する電荷、いわゆる暗電流が集積される。暗電流
は、入射光に応答した信号電荷と混合し、入射画像に正
確に応答した信号の伝達を阻害するため、出力画像にざ
らつき感を生じる原因となる。この暗電流は、基板表面
に水素を供給することによって低減できることが知られ
ている。このような水素の供給は、表面保護層としての
シリコン窒化膜を形成する際に発生する水素によって行
われるほか、より確実には固体撮像素子の製造工程にお
いて基板を水素雰囲気中で熱処理する方法によって行わ
れる（特開昭６０−６６８２６号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の固体撮
像素子において反射防止膜として使用されるシリコン窒
化膜は、結晶構造が緻密であるために水素の透過性が悪
く、暗電流を低減するために必要な基板への水素の供給
が阻害されて、画質の向上を十分に図ることが困難であ
るという問題があった。またシリコン窒化膜は、内在す
る応力が大きいため、段差部分などにおける集中応力の
影響により、画質上の欠陥である「白傷」が発生し易い
という問題があった。

【０００６】本発明は、上記従来の問題を解決するべ
く、出力画像の画質が良好で高感度の固体撮像素子およ
びその製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の固体撮像素子は、半導体基板と、この半導
体基板内に形成された受光部と、この受光部の上方に形
成された反射防止膜とを備え、この反射防止膜が、屈折
率が１．９以上の酸化物からなることを特徴とする。

【０００８】上記反射防止膜の構成材料は、従来使用さ
れていたシリコン窒化膜に比べて内部応力が小さいの
で、膜に生じた段差部分などにおける集中応力も小さ
く、よって、白傷などの画質上の欠陥を低減することが
できる。また、水素の透過性が良好であるため、暗電流
低減のために必要な基板への水素の供給を十分に行うこ
とができる。しかも、屈折率が高いために反射防止効果
により感度の向上を図ることもできる。

【０００９】また、反射防止膜としてシリコン窒化膜を
使用した場合においては、水素の透過性確保のためその
形状について制限があったが、本発明においてはそのよ
うな制限を必要としない。よって、反射防止膜の形状を
様々に設計することができ、その形状の工夫により、さ
らなる高感度化や製造プロセスの簡素化などを図ること
ができるという利点も有する。

【００１０】上記固体撮像素子においては、反射防止膜
が、チタン、ジルコニウム、タンタル、インジウムおよ
びニオブから選ばれる少なくとも１つの金属の酸化物か
らなることが好ましい。また、反射防止膜の好ましい膜
厚は、１０ｎｍ〜７０ｎｍである。このように反射防止
膜を構成すれば、出力画像の質を維持しながら固体撮像
素子の高感度化を図ることができる。反射防止膜の屈折
率は、２．１以上であることが好ましく、２．３以上で
あることが特に好ましい。

【００１１】また、上記固体撮像素子においては、受光
部に蓄積された電荷を転送するための電極と、受光部の
上方が開口部となるように上記電極の上方に形成された
遮光膜との間に層間絶縁膜が介在し、この層間絶縁膜
が、受光部の上方においては反射防止膜上に形成され、
反射防止膜よりも低い屈折率を有することが好ましい。
また、層間絶縁膜の膜厚は、３０ｎｍ〜６００ｎｍが好
ましく、３０ｎｍ〜１００ｎｍが特に好ましい。これら
の好ましい例によれば、固体撮像素子をさらに高感度化
することができる。

【００１２】また、上記固体撮像素子においては、層間
絶縁膜上に、この層間絶縁膜よりも屈折率が高い表面保
護膜が形成されていることが好ましい。この表面保護膜
の膜厚は、１００ｎｍ〜３００ｎｍが好ましく、１００
ｎｍ〜１８０ｎｍが特に好ましい。また、上記固体撮像
素子においては、半導体基板と反射防止膜との間にシリ
コン酸化膜が介在していることが好ましい。これらの形
態は、上記と同様、固体撮像素子をさらに高感度化でき
る点で有利である。

【００１３】また、上記固体撮像素子においては、反射
防止膜が、少なくとも受光部が形成されている領域全体
を覆うように形成されていることが好ましく、電極が形
成されている領域の少なくとも一部を覆うように形成さ
れていることがさらに好ましい。これらの好ましい例に
よれば、より確実な反射防止効果を得ることができる。
このように、電極を形成した後に反射防止膜を形成する
と、反射防止膜が電極の汚染源となることを回避するこ
とができるため、良質の固体撮像素子とすることができ
る。

【００１４】また、上記目的を達成するため、本発明の
固体撮像素子の製造方法は、半導体基板内に受光部を形
成する工程と、この受光部の上方に反射防止膜を形成す
る工程とを含み、反射防止膜を屈折率が１．９以上の酸
化物により形成することを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】まず、本発明の固体撮像素子の構
造について、図１〜図３を用いて説明する。図１は平面
図、図２は図１のＸ−Ｘ´方向の断面図、図３は図１の
Ｙ−Ｙ´方向の断面図である。なお、図１においては遮
光膜１７など上部構造の図示を省略している。半導体基
板１１には、フォトダイオードである受光部１２が形成
されており、この受光部１２は、受光部が複数配列して
なる列が図示していないＣＣＤ部と交互に並ぶように、
基板面において二次元的に配置されている。この基板１
１上に、絶縁膜１３を介して図１に示すような櫛形の転
送電極１４ａ、１４ｂが受光部１２上を避けるように形
成され、さらに層間絶縁膜１６が形成される。その上に
は、ＣＣＤ部などの受光部以外の領域に光が入射するこ
とを防止するために金属遮光膜１７が形成される。この
金属遮光膜には、受光部への入射光を確保するため、受
光部領域上方に相当する部分には開口が形成されてい
る。さらに、その上には表面保護膜１８が形成される。
以上の各部材の形成には、従来から使用されてきた材料
および方法を適用することができる。

【００１６】さらに本発明の固体撮像素子においては、
受光部１２が形成された領域における受光部と層間絶縁
膜との間に反射防止膜１５が形成される。この反射防止
膜の存在により、基板表面で生じていた入射光の反射を
大幅に低減することができ、感度特性を向上させること
ができる。

【００１７】反射防止膜１５を構成する材料としては、
水素を十分に透過することができ、かつ、屈折率が１．
９以上、例えば１．９〜２．７である金属酸化物を使用
する。金属酸化物としては、具体的には、チタン酸化物
（屈折率２．２〜２．７；以下括弧内に屈折率を表
示）、ジルコニウム酸化物（２．０〜２．１）、タンタ
ル酸化物（１．９〜２．２）、インジウム酸化物（１．
９〜２．１）、ニオブ酸化物（２．１〜２．３）などが
挙げられる。これらの酸化膜は水素の透過性に優れるた
め、前述の暗電流低減処理を有効に進めることができ
る。しかも、シリコン窒化膜に比べて内部応力が小さい
ため、出力画像に発生する白傷を低減することができ
る。

【００１８】特に、チタン酸化膜（屈折率２．２〜２．
７）は、シリコン窒化膜（屈折率２．０）に比べて屈折
率も十分に高く、より確実に反射防止効果を得ることが
できる。しかも、チタン酸化物は、可視光領域内の短波
長領域（例えば４００ｎｍ）で屈折率が長波長領域（例
えば７００ｎｍ）よりも高い屈折率を有している。シリ
コンの屈折率も可視光領域内において同様の傾向を有す
るため、チタン酸化物を反射防止膜として用いると、よ
り広い波長領域にわたって良好な反射防止効果を得るこ
とができる。

【００１９】なお、この反射防止膜１５は、例示したよ
うな酸化膜が複数積層した多層構造を有していてもよ
い。また、前述のように、反射防止膜は、その構成材料
が電極の汚染源となることを回避するために、電極を形
成した後に形成することが好ましい。

【００２０】以上に説明したような反射防止膜を含み、
受光部上において形成される多層干渉膜の好ましい形態
は、受光部側から順に、膜厚が０ｎｍ〜５０ｎｍのシリ
コン酸化膜、膜厚が１０ｎｍ〜７０ｎｍの上記反射防止
膜、膜厚が３０ｎｍ〜６００ｎｍの層間絶縁膜、膜厚が
１００ｎｍ〜３００ｎｍの表面保護膜である。層間絶縁
膜としては、特に限定するものではないが、例えばシリ
コン酸化膜を用いることができる。層間絶縁膜は、反射
防止膜および表面保護膜よりも屈折率が低い材料から構
成されることが好ましい。また、表面保護膜としては、
シリコン窒化膜、屈折率が１．９以上の酸化物膜（例え
ば上記に例示した反射防止膜に好適な各種金属酸化物）
などを用いることができる。

【００２１】反射防止膜は、受光部が形成された領域を
完全に被覆し、電極が形成された領域の少なくとも一部
をも被覆する形状であることが好ましい。このように反
射防止膜を形成すれば、受光部の端部においても反射防
止効果を得られるために、確実に高感度化を図ることが
できる。また、反射防止膜は形成される領域が広いほ
ど、マージン設定における厳密さを要求されず、また反
射防止膜のパターニングが容易または不要となるため、
固体撮像素子の設計および製造プロセスにおいて有利で
ある。

【００２２】このような好ましい形状の反射防止膜を有
する本発明の固体撮像素子の一例を図４〜図６に示す。
図４は平面図、図５は図４のＸ−Ｘ´での断面図、図６
は図４のＹ−Ｙ´での断面図である。なお、図４におい
ては、簡単のため、遮光膜２７などの図示を省略してい
る。この好ましい例は、反射防止膜の形状以外は前述の
実施形態（図１〜図３）と同様であり、受光部２２の形
成された半導体基板２１、絶縁膜２３、転送電極２４
ａ、２４ｂ、反射防止膜２５、層間絶縁膜２６、遮光膜
２７および表面保護膜２８が積層した構造を有する。反
射防止膜２５を構成する材料も前述したものと同様であ
る。この好ましい例においては、慣用の方法で成長させ
た反射防止膜を、パターン形成せずにそのままの形状で
使用しており、反射防止膜は、図４に示すように、電極
および受光部が形成された領域を含む基板面上に形成さ
れている。このような形状によれば、受光部の上方が完
全に反射防止膜によって被覆されているために確実な反
射防止効果が得られ、また、反射防止膜のパターニング
を必要としないため、製造プロセスの簡素化を図れると
いう利点がある。

【００２３】

【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに具体的に
説明する。なお、以下に説明する固体撮像素子は、先の
説明に用いた図４〜図６に示した構造と同様の構造を有
する。

【００２４】（実施例１）ｐ型シリコン基板２１にリン
などのｎ型不純物をイオン注入することによってフォト
ダイオード２２を形成し、この基板２１上に、熱酸化に
よって膜厚３０ｎｍのシリコン酸化膜からなる絶縁膜２
３を成長させた。次に、ＣＶＤ（気相成長法）によって
膜厚３００ｎｍのポリシリコン膜を成長させ、ドライエ
ッチングにより電極２４ａ、２４ｂを形成した。なお、
このポリシリコン電極２４ａ、２４ｂとシリコン酸化膜
からなる絶縁膜２３との間には、シリコン窒化膜からな
る絶縁膜２９を形成しておいた。さらに、熱酸化によっ
て電極をシリコン酸化膜２３で被覆した後、減圧ＣＶＤ
により膜厚２０ｎｍのチタン酸化膜からなる反射防止膜
２５を基板の全面に成長させた。続いて、減圧ＣＶＤに
よりシリコン酸化膜を成長させ、膜厚９０ｎｍの層間絶
縁膜２６とした後、スパッタリング法によりアルミニウ
ムからなる膜厚４００ｎｍの遮光膜２７を形成し、ドラ
イエッチングによりフォトダイオード２２の上方の遮光
膜２７に開口を形成した。さらに、プラズマＣＶＤによ
って基板全面を膜厚１２０ｎｍのシリコン窒化膜からな
る表面保護膜２８で被覆した。その後、４５０℃の水素
雰囲気下で３０分間の熱処理を行い、固体撮像素子を得
た。

【００２５】上記の固体撮像素子において、遮光膜の開
口部より入射した光の反射率を測定した結果を図７に示
す。また、反射防止膜としてシリコン窒化膜を使用した
点を除いては、本実施例と同様にして作製した固体撮像
素子における反射率を測定した結果を図８に示す。図７
と図８との比較から、本実施例の固体撮像素子によれ
ば、少なくとも視感度の高い波長領域において、より確
実に反射光の低減を図れることが確認できた。

【００２６】また、上記の固体撮像素子について発生す
る暗電流を測定したところ、６０℃の温度条件下で０．
５ｍＶであった。反射防止膜としてシリコン窒化膜を使
用した場合に発生する暗電流を、その他の条件を同一に
して測定したところ、１．０ｍＶであり、本実施例の固
体撮像素子によれば発生する暗電流を約半分にまで低減
できることが確認できた。また、シリコン窒化膜よりな
る反射防止膜を備えた従来の固体撮像素子を使用した撮
像装置の出力画面においては、４０万画素中の１０画素
に白傷不良が発生したのに対し、本実施例の固体撮像素
子を使用した撮像装置においては白傷不良は認められな
かった。以上のことから、本実施例の固体撮像素子によ
れば、従来よりも良好な画質を得られることが確認でき
た。

【００２７】（実施例２）フォトダイオード上方の膜構
成を、以下の表に示す構成とした点を除いては、実施例
１と同様にして固体撮像素子を得た。

【００２８】 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 膜構成（材料名） 屈折率 膜厚（ｎｍ） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 表面保護膜（シリコン窒化膜） ２．０ １１１ 層間絶縁膜（シリコン酸化膜） １．４６ ９０ 反射防止膜（タンタル酸化膜） ２．１ ３５ シリコン酸化膜 １．４６ ２１ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− この固体撮像素子について、実施例１と同様にして、分
光反射率を測定した。結果を図９に示す。

【００２９】さらに、上記表における反射防止膜を、タ
ンタル酸化膜と同じ膜厚を有するニオブ酸化膜（屈折率
２．１）に代えた点を除いては、上記と同様にして固体
撮像素子を作製した。この分光反射率も図９と同様とな
った。さらに、上記表における反射防止膜を、膜厚３５
ｎｍのチタン酸化膜（屈折率２．３）とした点を除いて
は、上記と同様にして固体撮像素子を作製した。この分
光反射率を図１０に示す。

【００３０】以上、本実施例において作製した各固体撮
像素子についても、暗電流および白傷不良を測定したと
ころ、実施例１で作製した固体撮像素子と同様に、シリ
コン窒化膜を用いた固体撮像素子よりも、暗電流、白傷
ともにその発生が抑制されていることが確認された。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体基板と、この半導体基板内に形成された受光部
と、この受光部の上方に形成された反射防止膜とを備
え、反射防止膜が、屈折率が１．９以上の酸化物からな
る固体撮像素子とすることにより、暗電流を低減するた
めの処理である基板への水素の供給を十分に進めること
ができる。また、反射防止膜の内部応力が小さいため、
応力集中に起因する白傷不良を低減することができる。
さらに、反射防止膜の形状について制限がないために、
基板の全面に反射防止膜を形成することも可能となって
製造プロセスの簡素化およびさらなる感度向上を図るこ
ともできる。しかも、少なくとも従来と同程度以上の反
射防止効果を得ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の固体撮像素子の構成の一例を示す平
面図である。

【図２】 図１のＸ−Ｘ´における断面図である。

【図３】 図１のＹ−Ｙ´における断面図である。

【図４】 本発明の固体撮像素子の構成の別の例を示す
平面図である。

【図５】 図４のＸ−Ｘ´における断面図である。

【図６】 図４のＹ−Ｙ´における断面図である。

【図７】 実施例１で作製した固体撮像素子における光
の反射率を測定した結果である。

【図８】 従来の固体撮像素子における光の反射率を測
定した結果である。

【図９】 実施例２で作製した固体撮像素子における光
の反射率を測定した結果である。

【図１０】 同じく実施例２で作製した別の固体撮像素
子における光の反射率を測定した結果である。

【符号の説明】

１１、２１ 半導体基板 １２、２２ フォトダイオード １３、１９、２３、２９ 絶縁膜 １４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ 電極 １５、２５ 反射防止膜 １６、２６ 層間絶縁膜 １７、２７ 金属遮光膜 １８、２８ 表面保護膜

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、前記半導体基板内に形成
   された受光部と、前記受光部の上方に形成された反射防
   止膜とを備え、前記反射防止膜が、屈折率が１．９以上
   の酸化物からなることを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 反射防止膜が、チタン、ジルコニウム、
   タンタル、インジウムおよびニオブから選ばれる少なく
   とも１つの金属の酸化物からなる請求項１に記載の固体
   撮像素子。
3. 【請求項３】 反射防止膜の膜厚が１０ｎｍ〜７０ｎｍ
   である請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 【請求項４】 反射防止膜の屈折率が２．１以上である
   請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. 【請求項５】 受光部に蓄積された電荷を転送するため
   の電極と、前記受光部の上方が開口部となるように前記
   電極の上方に形成された遮光膜との間に層間絶縁膜が介
   在し、前記層間絶縁膜が、前記受光部の上方においては
   反射防止膜上に形成され、前記反射防止膜よりも低い屈
   折率を有する請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像
   素子。
6. 【請求項６】 層間絶縁膜の膜厚が３０ｎｍ〜６００ｎ
   ｍである請求項５に記載の固体撮像素子。
7. 【請求項７】 層間絶縁膜上に、前記層間絶縁膜よりも
   屈折率が高い表面保護膜が形成された請求項５または６
   に記載の固体撮像素子。
8. 【請求項８】 表面保護膜の膜厚が１００ｎｍ〜３００
   ｎｍである請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 【請求項９】 半導体基板と反射防止膜との間にシリコ
   ン酸化膜が介在している請求項１〜８のいずれかに記載
   の固体撮像素子。
10. 【請求項１０】 反射防止膜が、少なくとも受光部が形
    成されている領域全体を覆うように形成されている請求
    項１〜９のいずれかに記載の固体撮像素子。
11. 【請求項１１】 反射防止膜が、受光部に蓄積された電
    荷を転送するための電極の少なくとも一部を覆うように
    形成されている請求項１０に記載の固体撮像素子。
12. 【請求項１２】 半導体基板と、前記半導体基板内に形
    成された受光部とを備え、前記受光部上に、膜厚が５０
    ｎｍ以下のシリコン酸化膜と、膜厚が１０ｎｍ〜７０ｎ
    ｍの反射防止膜と、膜厚が３０ｎｍ〜６００ｎｍの層間
    絶縁膜と、膜厚が１００ｎｍ〜３００ｎｍの表面保護膜
    とが、この順に積層され、前記反射防止膜が、屈折率が
    １．９以上の酸化物からなり、前記層間絶縁膜が、前記
    反射防止膜および前記表面保護膜よりも低い屈折率を有
    することを特徴とする固体撮像素子。
13. 【請求項１３】 半導体基板内に受光部を形成する工程
    と、前記受光部の上方に反射防止膜を形成する工程とを
    含み、前記反射防止膜を屈折率が１．９以上の酸化物に
    より形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方
    法。