JP2011199166A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードにおける量子効率を向上させることが可能な固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】半導体基板１１の表面に、一部がこの表面から突出するように形成された凸レンズ状のフォトダイオード１３と、半導体基板１１の表面において、フォトダイオード１３とは離間して形成された不純物層１４と、不純物層１４を含み、不純物層１４とフォトダイオード１３との半導体基板１１の表面上に、ゲート酸化膜１５を介して形成されたゲート電極１７と、ゲート電極１７を含むゲート酸化膜１５上に形成された層間絶縁膜１８と、層間絶縁膜１８の表面のうち、フォトダイオード１３の上方を除く領域に形成された配線１９と、配線１９を含む層間絶縁膜１８の表面上に形成されたパッシベーション膜２２と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に固体撮像素子の画素部に関する。

従来の固体撮像装置は、ｎ型のシリコン基板の表面にｐ型のウェル層が形成されており、このｐ型のウェル層の表面に、埋め込みフォトダイオードが形成されている。フォトダイオードが形成されたシリコン基板の表面は、絶縁膜および反射防止膜が形成されており、これらの膜上には、多層配線層、表面保護膜であるパッシベーション膜、カラーフィルタ層が積層されており、カラーフィルタ層上に、マイクロレンズが形成されている。なお、多層配線層は、絶縁膜上に形成された層間絶縁膜と、この層間絶縁膜の表面に形成された配線と、がこの順で多層に渡って積層された構造である（特許文献１等参照）。

ところで、シリコン基板の屈折率はおよそ３．５程度である。従って、この高い屈折率に伴って、シリコン基板表面に入射される光の反射率は高くなり、例えばおよそ３０％程度の光を反射してしまう。これにより、フォトダイオードに入射される光量は低下し、フォトダイオードにおける量子効率が低下する。なお、量子効率とは、固体撮像装置に入射される光子数と、フォトダイオードで発生する光電流キャリア数と、の比である。

また、シリコン基板上には互いに屈折率の異なる層が多層にわたって積層されている。例えばシリコン基板上の絶縁膜の屈折率は１．４〜１．５程度であり、この絶縁膜上の反射防止膜の屈折率は２．０程度である。この反射防止膜上にも、屈折率が異なる多層配線層が形成され、さらに多層配線層上には、この層とは屈折率が異なるパッシベーション膜が形成される。従って、固体撮像装置に入射される光は、これらの各層の界面にて反射と透過とを繰り返しながらシリコン基板の表面に到達する。

例えば、反射防止膜に入射された光は、反射防止膜と多層配線層との界面で屈折して透過し、シリコン基板に到達する。この光の一部はシリコン基板の表面で反射される。反射された光の一部は、絶縁膜と反射防止膜との界面で再び反射してシリコン基板の表面に到達し、他の一部は、絶縁膜と反射防止膜との界面で屈折して透過する。

このように、固体撮像装置に入射される光は、各層の界面にて反射または透過する際には、各層の層厚の製造ばらつきに起因して、光の一部が垂直方向とは異なる方向に反射または透過する。従って、フォトダイオードに到達する光の一部は、垂直方向とは異なる方向から到達する。（以下、この光を斜め光と称す）。

近年、固体撮像装置は微細化されており、これに伴って、フォトダイオードの受光面（フォトダイオードのうち、シリコン基板から露出する領域）も小さくなる。従って、斜め光に対する受光面も小さくなり、これが、フォトダイオードにおける量子効率のさらなる低下の要因となっていた。

特開２００８−２３５９３８号公報

本発明は、フォトダイオードにおける量子効率を向上させることが可能な固体撮像装置を提供することにある。

本発明による固体撮像装置は、半導体基板の表面に、一部がこの表面から突出するように形成されたレンズ状のフォトダイオードと、前記半導体基板の表面において、前記フォトダイオードとは離間して形成された不純物層と、この不純物層を含み、前記不純物層と前記フォトダイオードとの間の前記半導体基板の表面上に、絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、このゲート電極を含む前記絶縁膜上に形成された層間絶縁膜と、この層間絶縁膜の表面のうち、前記フォトダイオードの上方を除く領域に形成された配線と、を具備することを特徴とするものである。

本発明によれば、フォトダイオードにおける量子効率を向上させることが可能な固体撮像装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る固体撮像装置を示す断面図である。 図１の固体撮像装置のフォトダイオードの製造工程を説明するための図であって、図１に相当する図である。 同じく、図１の固体撮像装置のフォトダイオードの製造工程を説明するための図であって、図１に相当する図である。 同じく、図１の固体撮像装置のフォトダイオードの製造工程を説明するための図であって、図１に相当する図である。 同じく、図１の固体撮像装置のフォトダイオードの製造工程を説明するための図であって、図１に相当する図である。 図１の固体撮像装置の酸化膜、および反射防止膜の製造工程を説明するための図であって、図１に相当する図である。 図１の固体撮像装置のゲート電極の製造工程を説明するための図であって、図１に相当する図である。 図１の固体撮像装置の配線および層間絶縁膜の製造工程を説明するための図であって、図１に相当する図である。 フォトダイオードに入射される光が集光する様子を説明する説明図である。

以下に、本発明の実施形態に係る固体撮像装置について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置を示すための断面図である。同図は、固体撮像装置の１画素に相当する部分の断面図であり、実際の装置においては多数の画素が直線的あるいは平面的に配列されている。

この固体撮像装置において、例えばシリコンからなり、屈折率が３．５程度のＰ型の半導体基板１１の表面に形成されたＰ型のウェル１２には、Ｐ型のウェル１２の表面から一部が突出するようにフォトダイオード１３が埋め込み形成されている。フォトダイオード１３のうち、ウェル１２の表面から突出した箇所は、上に凸のレンズ状に形成されている。このようなフォトダイオード１３は、Ｎ＋型のフォトダイオード層１３−１と、この表面のＰ＋型のフォトダイオード層１３−２と、によって構成されている。

フォトダイオード１３を構成するＮ＋型のフォトダイオード層１３−１は、光電変換が行われる層であり、この層に光が入射されると、入射された光に応じて光電流が発生する。このＮ＋型のフォトダイオード層１３−１は、ウェル１２に埋め込まれているとともに、ウェル１２表面から一部が上に凸のレンズ状に突出するように形成されている。

また、フォトダイオード１３を構成するＰ＋型のフォトダイオード層１３−２は、外部からの結晶欠陥を抑制するためのバリア層である。この層を設けることにより、暗電流の発生が抑制される。このＰ＋型のフォトダイオード層１３−２は、フォトダイオード１３のうち、ウェル１２の表面から突出した上に凸のレンズ状の箇所に形成されている。すなわち、Ｎ＋型のフォトダイオード層１３−１のうち、ウェル１２表面から上に凸のレンズ状に突出した箇所の表面に形成されている。なお、このＰ＋型のフォトダイオード層１３−２は、形成されることが好ましいが、必ずしも形成されなければならないものではない。

また、ウェル１２の表面において、フォトダイオード１３とは離間した位置には、Ｎ＋型の不純物層１４が形成されている。この不純物層１４は、フォトダイオード１３によって生成された電荷を読み出すとともに、読み出された電荷を蓄積するトランスファーゲートトランジスタの一部を構成する。

フォトダイオード１３、Ｎ＋型の不純物層１４を含むウェル１２の表面には、例えばＳｉＯ_２からなる屈折率が１．４〜１．５程度のゲート酸化膜１５および、例えばＳｉＮからなる屈折率が２．０程度の反射防止膜１６が積層されて形成されている。これらのゲート酸化膜１５および反射防止膜１６は、それぞれ一定の膜厚で形成されており、また、これらの膜１５、１６のうち、フォトダイオード１３上に形成される箇所は、それぞれフォトダイオード１３のレンズ形状の曲率に対応した曲率で、上に凸のレンズ状に形成されている。

反射防止膜１６の表面上において、フォトダイオード１３の上部を除く領域には、例えばポリシリコンからなるゲート電極１７が形成されている。

ここで、このゲート電極１７、この下方のＮ＋型の不純物層１４、およびこの不純物層１４とフォトダイオード１３との間のウェル１２によって、トランスファーゲートトランジスタが構成される。

ゲート電極１７を含むゲート窒化膜１６の表面上には、例えばＳｉＯ_２からなる第１の層間絶縁膜１８が積層されている。

この第１の層間絶縁膜１８の表面上のうち、フォトダイオード１３の上部を除く領域には、第１のメタル配線１９が形成される。この第１のメタル配線１９は、例えば、Ａｌ層１９−１とその上面に積層されたＴｉ／ＴｉＮからなるバリアメタル層と、により構成されている。

この第１のメタル配線１９を含む第１の層間絶縁膜１８の表面上には、例えばＳｉＯ_２からなる第２の層間絶縁膜２０が積層されている。そして、この第２の層間絶縁膜２０の表面上のうち、フォトダイオード１３の上部を除く領域には、第２のメタル配線２１が形成される。この第２のメタル配線２１も、第１のメタル配線１９と同様に、例えば、Ａｌ層２１−１と、その上面に積層されたＴｉ／ＴｉＮからなるバリアメタル層２１−２と、により構成されている。

第２のメタル配線２１を含む第２の層間絶縁膜２０の表面上には、例えばＳｉＮからなるパッシベーション膜２２が形成されている。なお、このパッシベーション膜２２の表面には、透明なレジスト層（図示せず）が積層され、その表面上のうち、フォトダイオード１３の上方の位置には、例えば、ＲＧＢの一つの色光を透過するカラーフィルタ（図示せず）が形成されている。

次に、このような構造の固体撮像装置の製造方法について、図２乃至図８を参照して説明する。なお、図２乃至図８は、固体撮像装置の製造方法を説明するための、装置の断面図である。

まず図２に示すように、例えばシリコンからなるＰ型の半導体基板１１の表面に形成されたＰ型のウェル１２の表面上に、凸レンズ状のレジスト層２３を形成する。

凸レンズ状のレジスト層２３は、例えば以下のように形成される。すなわち、まず、ウェル１２の表面上にポジ型のレジスト材料を塗布する。次に、透過率が箇所によって異なる透過領域を有するグレーティングマスクを用いて、レジスト材料を露光する。このグレーティングマスクは、周囲よりも透過率が低い領域（低透過領域と称す）が略円形に形成されており、その中央に向かうほど透過率が低くなるように形成されている。従って、このグレーティングマスクを用いてレジスト材料を露光すると、レジスト材料には、低透過領域に対応した略円形状に光が照射されるが、そのうち、中央には最も光が照射されない。このように光が照射されたレジスト材料を現像すると、光が照射されない領域ほどレジスト材料が残る。このようにして、図２示すような凸レンズ状のレジスト層２３が形成される。

次に、図３に示すように、凸レンズ状のレジスト層２３が形成された半導体基板１１をドライエッチングする。この後、レジスト層２３をアッシング等の方法により除去する。これにより、半導体基板１１の表面には、凸レンズ状の領域２４が形成される。

次に、図４に示すように、半導体基板１１の表面のうち、凸レンズ状の領域２４以外の領域を覆うように、レジスト層２５を形成する。そして、このレジスト層２５をマスクとして用いて、半導体基板１１の表面（凸レンズ状の領域２４）に、Ｎ型の不純物をドーピングする。これにより、凸レンズ状の領域２４およびその下方には、Ｎ＋型のフォトダイオード層１３−１が形成される。

次に、図５に示すように、このレジスト層２５をさらにマスクとして用いて、半導体基板１１の表面（凸レンズ状の領域２４）に、Ｐ型の不純物をドーピングする。これにより、Ｎ＋型のフォトダイオード層１３−１の表面には、Ｐ＋型のフォトダイオード層１３−２が形成される。

この後、レジスト層２５を除去するとともに、各フォトダイオード層１３−１、１３−２を熱拡散させる。これにより、凸レンズ状のフォトダイオード１３が形成される。

なお、図５に示す不純物イオンの注入工程は、レジスト層２５を除去した後に、半導体基板１１の表面全面にＰ型の不純物をドーピングしてもよい。これにより、半導体基板１１の表面の外部からの結晶欠陥が拡散されることを抑制できる。この方法は、画素ピッチが広い場合には有効である。しかし、画素ピッチが狭い場合には、上述のようにレジスト層２５を介してＰ型の不純物をドーピングすることが好ましい。

次に、図６に示すように、半導体基板１１表面領域において、フォトダイオード１３とは離間した位置にＮ型の不純物をイオン注入した後、熱拡散処理することにより、Ｎ＋型の不純物層１４を形成する。さらに、このＮ＋型の不純物層１４を含む半導体基板１１表面領域に、ゲート酸化膜１５および反射防止膜１６をこの順で形成する。

次に、図７に示すように、反射防止膜１６の表面上に、ゲート電極１７を形成する。ゲート電極１７は、反射防止膜１６上に、例えばポリシリコンを５００ｎｍの厚さで形成した後、ＲＩＥエッチングによりパターニングすることにより形成される。

次に、図８に示すように、ゲート電極１７を含む反射防止膜１６上に、第１の層間絶縁膜１８を、例えば約１００ｎｍ以上の厚さで積層する。さらに、第１の層間絶縁膜１８の表面上のうち、フォトダイオード１３の上方を除く領域に、第１のメタル配線層１９を、例えば約１００ｎｍ以上の厚さで形成する。第１のメタル配線１９は、Ａｌと、Ｔｉ／ＴｉＮと、を、この順で例えば蒸着することにより形成される。

さらに、この工程を繰り返すことにより、第１のメタル配線１９を含む第１の層間絶縁膜１８上に、第２の層間絶縁膜２０を、例えば約１００ｎｍ以上の厚さで積層し、さらに、この第２の層間絶縁膜２０の表面上のうち、フォトダイオード１３の上方を除く領域に、第２のメタル配線２１を、例えば約１００ｎｍ以上の厚さで積層する。この第２のメタル配線２１の形成方法は、第１のメタル配線層１９の形成方法と同様である。

最後に、第２のメタル配線１９の上面に、パッシベーション膜２２を、例えば約１００ｎｍ以上の厚さで積層する。この後、透明レジスト層、カラーフィルタ、マイクロレンズを形成することにより、本実施形態に係る固体撮像装置が製造される。

以上に示すように、本実施形態の固体撮像装置においては、半導体基板１１の表面から一部が突出するようにフォトダイオード１３が形成される。従って、フォトダイオード１３の受光面が大きくなる。従って、従来はフォトダイオードで受光することができなかった斜め光を、フォトダイオード１３で受光することができる。

さらに、図９に、フォトダイオード１３に入射される光の様子を示す。図９に示されるように、フォトダイオード１３はレンズ状に形成される。従って、半導体基板１１に対して垂直方向から入射された垂直光２６のみならず、半導体基板１１に対して斜め方向から入射される斜め光２７も、フォトダイオード１３において集光される。また、これと同時に、受光面における光の反射率を低下させることができる。これにより、フォトダイオード１３に入射される光量が増す。

これらにより、フォトダイオード１３における量子効率を向上させることができる。

また、本実施形態の固体撮像装置においては、上述のように、フォトダイオード１３は、半導体基板１１の表面から突出するように形成されている。従って、フォトダイオード１３の受光面からパッシベーション膜２２の表面までの距離を、従来よりも短くすることができる。これにより、固体撮像装置に入射される光量に対する、フォトダイオード１３に到達する光量の割合が増すため、より量子効率を向上させることができる。

以上に、本発明の実施形態に係る固体撮像装置について説明した。しかし、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、様々に変形可能である。例えば、上述の固体撮像装置における各導電型は、限定されない。また、固体撮像装置を構成する各材料は限定されない。さらに、配線層の層数も、限定されない。

１１・・・半導体基板
１２・・・ウェル
１３・・・フォトダイオード
１３−１・・・Ｎ＋型のフォトダイオード層
１３−２・・・Ｐ＋型のフォトダイオード層
１４・・・Ｎ＋型の不純物層
１５・・・ゲート酸化膜
１６・・・反射防止膜
１７・・・ゲート電極
１８・・・第１の層間絶縁膜
１９・・・第１のメタル配線層
２０・・・第２の層間絶縁膜
２１・・・第２のメタル配線層
２２・・・パッシベーション膜
２３、２５・・・レジスト層
２４・・・凸レンズ状の領域
２６・・・垂直光
２７・・・斜め光

Claims (5)

1. 半導体基板の表面に、一部がこの表面から突出するように形成されたレンズ状のフォトダイオードと、
   前記半導体基板の表面において、前記フォトダイオードとは離間して形成された不純物層と、
   この不純物層を含み、前記不純物層と前記フォトダイオードとの間の前記半導体基板の表面上に、絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
   このゲート電極を含む前記絶縁膜上に形成された層間絶縁膜と、
   この層間絶縁膜の表面のうち、前記フォトダイオードの上方を除く領域に形成された配線と、
   を具備することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記フォトダイオードは、前記半導体基板に埋め込み形成されるとともに、一部は前記半導体基板の表面から凸レンズ状に突出するように形成された第１導電型の第１のフォトダイオード層と、
   この第１のフォトダイオード層の表面に形成された第２導電型の第２のフォトダイオード層と、
   を具備することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第２のフォトダイオード層は、前記半導体基板の表面および前記第１のフォトダイオード層の表面に形成されたことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記フォトダイオード上の前記絶縁膜は、レンズ状に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 前記ゲート電極は、前記不純物層を含み、前記不純物層と前記フォトダイオードとの間の前記半導体基板の表面上に、絶縁膜および反射防止膜を介して形成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置。

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