JP2012114143A - 固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体撮像装置の感度の低下を抑制しつつ、ゲッタリング効率を向上させる。
【解決手段】N型半導体層4には、N型不純物導入層11上にP型不純物導入層12が形成されることでフォトダイオードが光電変換部として形成され、光電変換部の裏面側に光入射面Pを設けるとともに、光電変換部の表面側にゲッタリング層13aを設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法に関する。
固体撮像装置では、製造プロセス中にCu、Fe、Niなどの重金属で基板が汚染されると、ディープレベルが禁制帯に形成され、暗電流が流れることから、白キズが発生する。重金属汚染を防止するためにゲッタリングという手法があるが、ゲッタリング効率を上げるために、ゲッタリング層を感光面に形成すると、感度が低下するという問題があった。
特開平6−13387号公報
本発明の一つの実施形態の目的は、感度の低下を抑制しつつ、ゲッタリング効率を向上させることが可能な固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法を提供することである。
実施形態の固体撮像装置によれば、半導体層と、読み出し回路と、光入射面と、ゲッタリング層と、絶縁膜と、層間絶縁膜とが設けられている。半導体層は、光電変換部が形成されている。読み出し回路は、前記半導体層の表面側に形成され、前記光電変換部から信号を読み出す。光入射面は、前記光電変換部の裏面側に設けられている。ゲッタリング層は、前記光電変換部の表面側に設けられている。絶縁膜は、前記ゲッタリング層上に設けられている。層間絶縁膜は、前記絶縁膜上に形成される。
第1実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図。 第2実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図。 第2実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図。 第2実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図。 第2実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図。 第2実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図。 第3実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図。 第4実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図。
以下、実施形態に係る固体撮像装置および固体撮像装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す断面図である。なお、以下の説明では、固体撮像装置として裏面照射型CMOSイメージセンサを用いた場合を例にとる。
図1において、N型半導体層4には画素領域R1および周辺領域R2が設けられている。そして、画素領域R1のN型半導体層4には、N型不純物導入層11が画素ごとに形成されている。そして、N型不純物導入層11上にP型不純物導入層12が形成されることで、フォトダイオードが光電変換部として画素ごとに形成されている。なお、図1の例では、PNダイオードを光電変換部として形成する方法について説明したが、光電変換部はPNダイオードに限定されることなく、例えば、PINダイオードなどであってもよい。
ここで、N型半導体層4の裏面には光電変換部を画素ごとに分離するP型半導体層3が形成され、光電変換部の裏面側に光入射面Pが設けられている。なお、P型半導体層3およびN型半導体層4は単結晶半導体を用いることができる。
また、画素領域R1において、光電変換部の裏面側には、反射防止膜31、32を介してカラーフィルタ34が画素ごとに形成され、カラーフィルタ34上にはオンチップレンズ35が画素ごとに形成されている。
また、画素領域R1において、光電変換部の表面側にはゲッタリング層13aが形成されている。ここで、ゲッタリング層13aはP型不純物導入層12の表層に形成されている。また、光入射面Pとゲッタリング層13aとは、光電変換部を間にして互いに対向するように配置することができる。また、ゲッタリング層13aがゲート電極10と接触するのを防止するために、ゲッタリング層13aはゲート電極10から0.1μm〜0.2μm程度離すことが好ましい。
また、画素領域R1において、N型半導体層4の表面側には、画素を分離する素子分離絶縁層8が埋め込まれるとともに、ゲート電極10が形成されている。ここで、ゲート電極10を適宜配線することにより、光電変換部から信号を読み出す読み出し回路を形成することができる。なお、読み出し回路として、例えば、行選択トランジスタ、増幅トランジスタ、リセットトランジスタ、読み出しトランジスタおよびフローティングディフュージョンを画素ごとに設けるようにしてもよい。
一方、周辺領域R2では、貫通孔6がP型半導体層3およびN型半導体層4に形成され、貫通孔6には、貫通孔絶縁層7を介して貫通電極25が埋め込まれている。そして、N型半導体層4の裏面側において、P型半導体層3上には絶縁層26が形成され、絶縁層26上にはパッド電極28が形成されている。ここで、絶縁層26には貫通電極25を露出させる開口部27が形成され、パッド電極28は開口部27を介して貫通電極25に接続されている。
さらに、絶縁層26上には絶縁層29が形成され、絶縁層26、29には画素領域R1の裏面側を露出させる開口部30が形成されている。さらに、絶縁層29上には反射防止膜31、32が形成され、絶縁層29および反射防止膜31、32にはパッド電極28を露出させる開口部33が形成されている。
また、周辺領域R2において、N型半導体層4の表面側には、ゲッタリング層13bが形成されている。なお、ゲッタリング層13bはN型半導体層4の表層に形成することができる。また、ゲッタリング層13a、13bとしては、アモルファス半導体または多結晶半導体を用いることができる。なお、P型半導体層3、N型半導体層4およびゲッタリング層13a、13bとしては、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、InP、GaP、GaN、SiCまたはGaInAsPなどを用いることができる。
また、画素領域R1および周辺領域R2において、N型半導体層4の表面側には層間絶縁層14が形成されている。そして、層間絶縁層14には、貫通電極25を露出させる開口部15が形成され、開口部15には埋め込み電極16が埋め込まれている。また、層間絶縁層14上には層間絶縁層17が積層され、層間絶縁層17には、配線18、20、22が各層ごとに埋め込まれている。ここで、配線18、20は埋め込み電極19を介して互いに接続され、配線20、22は埋め込み電極21を介して互いに接続されている。層間絶縁層17上には支持基板23が設けられている。
そして、N型半導体層4の裏面側に入射した光はオンチップレンズ35にて画素ごとに集光され、カラーフィルタ34を介してN型半導体層4の光電変換部に入射する。そして、光電変換部に光が入射すると、その光量に応じて光電変換部に電荷が発生し光電変換部に蓄積される。そして、N型半導体層4の表面側の読み出し回路において、光電変換部から信号が読み出されることで、画像信号が出力される。
ここで、光電変換部の裏面側に光入射面Pを設けるとともに、光電変換部の表面側にゲッタリング層13aを設けることにより、ゲッタリング層13aが光電変換部に入射する光の妨げになるのを防止しつつ、ゲッタリング層13aを光電変換部に近づけることができ、感度の低下を抑制しつつ、ゲッタリング効率を向上させることができる。
(第2実施形態)
図2〜図6は、第2実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。
図2(a)において、半導体基板1上にはBOX層2を介してP型半導体層3およびN型半導体層4が順次設けられている。なお、半導体基板1上にBOX層2を介してP型半導体層3およびN型半導体層4が順次設けられた基板としては、SOI基板を用いることができる。なお、例えば、半導体基板1の材料はSi、BOX層2の材料はシリコン酸化膜を用いることができる。
次に、図2(b)に示すように、CVDなどの方法にてN型半導体層4上の全面にストッパ層5を積層する。そして、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いることにより、ストッパ層5およびN型半導体層4に貫通孔6を形成する。なお、例えば、ストッパ層5の材料はシリコン窒化膜を用いることができる。
次に、図2(c)に示すように、CVDなどの方法にて貫通孔6が埋め込まれるようにしてストッパ層5上の全面に貫通孔絶縁層7を積層する。そして、CMPなどの方法にて貫通孔絶縁層7を薄膜化することにより、ストッパ層5上の貫通孔絶縁層7を除去する。なお、貫通孔絶縁層7の材料はシリコン酸化膜を用いることができる。
次に、図2(d)に示すように、ストッパ層5のエッチングを行うことにより、N型半導体層4上からストッパ層5を除去する。なお、N型半導体層4上からストッパ層5を除去する時に、N型半導体層4の表面にダメージが及ぶのを防止するために、ウェットエッチングを用いることが好ましい。
次に、図3(a)に示すように、画素間に配置された素子分離絶縁層8をN型半導体層4の表面側に埋め込んだ後、N型半導体層4上にゲート電極10を画素ごとに形成する。なお、例えば、素子分離絶縁層8の材料はシリコン酸化膜、ゲート電極10の材料は多結晶シリコン膜を用いることができる。
そして、PまたはAsなどの不純物をN型半導体層4にイオン注入することにより、N型不純物導入層11をN型半導体層4の深い位置に形成する。また、Bなどの不純物をN型半導体層4にイオン注入することにより、P型不純物導入層12をN型半導体層4の浅い位置に形成する。
なお、N型半導体層4上にゲート電極10を形成する前に、N型不純物導入層11およびP型不純物導入層12をN型半導体層4に形成するようにしてもよい。
次に、図3(b)に示すように、熱酸化またはCVDにてN型半導体層4の表面に絶縁膜9を形成する。なお、絶縁膜9の膜厚は5〜6nm程度に設定することができる。そして、N型半導体層4およびN型不純物導入層11の表層に不純物を選択的にイオン注入することにより、N型半導体層4およびN型不純物導入層11の表層を選択的にアモルファス化し、N型半導体層4の表面側にゲッタリング層13a、13bを形成する。なお、この時のイオン注入に使われる不純物としては、例えば、Si、Ge、C、BまたはInなどを用いることができる。また、N型半導体層4およびN型不純物導入層11の表層にイオン注入する前にシリコン酸化膜9を形成することにより、イオン注入を均一に行うことができる。
また、N型半導体層4およびN型不純物導入層11の表層を選択的にアモルファス化した後、熱処理を行うことでゲッタリング層13a、13bを多結晶化してもよい。ここで、ゲッタリング層13a、13bを多結晶化する熱処理を行うことにより、イオン注入時に深い位置に入った欠陥を除去することができ、N型半導体層4に形成される光電変換部の結晶品質を向上させることができる。
次に、図3(c)に示すように、CVDなどの方法にてN型半導体層4上の全面に層間絶縁層14を積層する。そして、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いることにより、貫通孔絶縁層7を露出させる開口部15を絶縁膜9および層間絶縁層14に形成する。なお、例えば、層間絶縁層14の材料はシリコン酸化膜を用いることができる。また、絶縁膜9と層間絶縁層14が同一材料の場合、絶縁膜9と層間絶縁層14とは一体的に形成することができる。
次に、図3(d)に示すように、CVDなどの方法にて開口部15が埋め込まれるようにして層間絶縁層14上の全面に埋め込み電極16を形成する。そして、CMPなどの方法にて埋め込み電極16を薄膜化することにより、層間絶縁層14上の埋め込み電極16を除去する。なお、例えば、埋め込み電極16の材料はW、AlまたはCuなどを用いることができる。
次に、図4(a)に示すように、CVDなどの方法にて層間絶縁層14上の全面に層間絶縁層17を積層するとともに、層間絶縁層17に埋め込まれた配線18、20、22および埋め込み電極19、21を形成する。なお、例えば、層間絶縁層14の材料はシリコン酸化膜、配線18、20、22の材料はAlまたはCu、埋め込み電極19、21の材料はW、AlまたはCuなどを用いることができる。
次に、図4(b)に示すように、層間絶縁層17上に支持基板23を形成する。なお、支持基板23は層間絶縁層17に貼り付けることができる。また、例えば、支持基板23の材料はSiなどの半導体基板を用いるようにしてもよいし、ガラス、セラミックまたは樹脂などの絶縁性基板を用いるようにしてもよい。
次に、図4(c)に示すように、CVDなどの方法にて半導体基板1を薄膜化することにより、BOX層2の裏面から半導体基板1を除去する。なお、BOX層2は、半導体基板1を薄膜化する時のストップ層として用いることができる。
次に、図4(d)に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いることにより、埋め込み電極16を露出させる開口部24を貫通孔絶縁層7に形成する。この時、貫通孔6の側面に貫通孔絶縁層7を残すことができる。
次に、図5(a)に示すように、メッキまたはCVDなどの方法にて開口部24が埋め込まれるようにしてBOX層2の裏面上に貫通電極25を形成する。そして、CMPなどの方法にて貫通電極25を薄膜化することにより、BOX層2の裏面上の貫通電極25を除去する。なお、例えば、貫通電極25の材料はW、AlまたはCuなどを用いることができる。その後、BOX層2のエッチングを行うことにより、N型半導体層4の裏面からBOX層2を除去し、N型半導体層4の裏面に光入射面Pを設ける。
次に、図5(b)に示すように、CVDなどの方法にてN型半導体層4の裏面上に絶縁層26を成膜する。なお、例えば、絶縁層26の材料はシリコン酸化膜を用いることができる。
次に、図5(c)に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いることにより、貫通電極25を露出させる開口部27を絶縁層26に形成する。
次に、図5(d)に示すように、開口部27を介して貫通電極25に接続されたパッド電極28を絶縁層26上に形成する。その後、CVDなどの方法にて絶縁層26上の全面に絶縁層29を成膜する。なお、例えば、絶縁層29の材料はシリコン酸化膜を用いることができる。
次に、図6(a)に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いることにより、N型半導体層4の裏面の画素領域R1を露出させる開口部30を絶縁層26、29に形成する。
次に、図6(b)に示すように、CVDまたはスパッタなどの方法にてN型半導体層4の裏面側に反射防止膜31、32を順次成膜する。なお、例えば、反射防止膜31、32の材料はシリコン酸化膜を用いることができる。この時、反射防止膜31、32の屈折率を互いに異ならせることができる。
次に、図6(c)に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いることにより、パッド電極28を露出させる開口部33を反射防止膜31、32に形成する。
次に、図1に示すように、反射防止膜32上にカラーフィルタ34を画素ごとに形成した後、カラーフィルタ34上にオンチップレンズ35を画素ごとに形成する。なお、例えば、カラーフィルタ34およびオンチップレンズ35の材料は透明な有機化合物を用いることができる。この時、カラーフィルタ34は、例えば、赤、緑または青に着色することができる。
ここで、イオン注入にてゲッタリング層13aを形成することにより、ゲッタリング層13aをパターニングするためのエッチングを行うことなく、光電変換部の表面側にゲッタリング層13aを選択的に配置することができ、ゲッタリング層13aを光電変換部に近づけることが可能となるとともに、ゲッタリング層13aのエッチングによる光電変換部のダメージを防止することができる。
なお、上述した実施形態では、SOI基板を用いることにより裏面照射型CMOSイメージセンサを形成する方法について説明したが、バルクエピ基板を用いて裏面照射型CMOSイメージセンサを形成する方法に適用してもよい。
(第3実施形態)
図7は、第3実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図7において、この固体撮像装置では、図1のゲッタリング層13a、13bの代わりにゲッタリング層52a、52bが光電変換部の表面側に設けられている。ここで、層間絶縁層14には、N型半導体層4およびN型不純物導入層11の表面をそれぞれ露出させる開口部51a、51bが形成されている。そして、ゲッタリング層52a、52bは、N型半導体層4およびN型不純物導入層11にそれぞれ接触するようにして開口部51a、51bにそれぞれ埋め込まれている。
なお、ゲッタリング層52aがゲート電極10に接触しないようにするため、ゲッタリング層52aとゲート電極10との間に間隔を設けることができる。また、ゲッタリング層52a、52bとしては、アモルファス半導体または多結晶半導体を用いることができる。また、ゲッタリング層52a、52bとしては、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、InP、GaP、GaN、SiCまたはGaInAsPなどを用いることができる。
ここで、光電変換部の裏面側に光入射面Pを設けるとともに、光電変換部の表面側にゲッタリング層52aを設けることにより、ゲッタリング層52aが光電変換部に入射する光の妨げになるのを防止しつつ、ゲッタリング層52aを光電変換部に近づけることができ、感度の低下を抑制しつつ、ゲッタリング効率を向上させることができる。
(第4実施形態)
図8は、第4実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を示す断面図である。
図8(a)において、図3(b)の工程が終了した後、CVDなどの方法にてN型半導体層4上の全面に層間絶縁層14を積層する。そして、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いることにより、N型不純物導入層11およびN型半導体層4の表面をそれぞれ露出させる開口部51a、51bを層間絶縁層14に形成する。
次に、図8(b)に示すように、CVDなどの方法にて開口部51a、51bがそれぞれ埋め込まれるようにして層間絶縁層14上の全面にゲッタリング層52a、52bを形成する。そして、CMPなどの方法にてゲッタリング層52a、52bを薄膜化することにより、層間絶縁層14上のゲッタリング層52a、52bを除去する。その後、図3(c)以降の工程に進む。
ここで、CVDにてゲッタリング層52aを形成することにより、ゲッタリング層52aを容易に厚膜化することを可能としつつ、ゲッタリング層52aを光電変換部に近づけることが可能となり、ゲッタリング効率を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
P 光入射面、1 半導体基板、2 BOX層、3 P型半導体層、4 N型半導体層、5 ストッパ層、6 貫通孔、7 貫通孔絶縁層、8 素子分離絶縁層、9 絶縁膜、10 ゲート電極、11 N型不純物導入層、12 P型不純物導入層、13a、13b、52a、52b ゲッタリング層、14、17 層間絶縁層、15、24、27、30、33、51a、51b 開口部、16、19、21 埋め込み電極、18、20、22 配線、23 支持基板、25 貫通電極、26、29 絶縁層、28 パッド電極、31、32 反射防止膜、34 カラーフィルタ、35 オンチップレンズ、R1 画素領域、R2 周辺領域

Claims (5)

  1. 光電変換部が形成された半導体層と、
    前記半導体層の表面側に形成され、前記光電変換部から信号を読み出す読み出し回路と、
    前記光電変換部の裏面側に設けられた光入射面と、
    前記光電変換部の表面側に設けられたゲッタリング層と、
    前記ゲッタリング層上に設けられた絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に形成される層間絶縁膜とを備えることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記光入射面と前記ゲッタリング層とは、前記光電変換部を間にして互いに対向するように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記半導体層は単結晶半導体、前記ゲッタリング層はアモルファス半導体または多結晶半導体であることを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像装置。
  4. 光電変換部が形成された半導体層と、
    前記半導体層の表面側に形成され、前記光電変換部から信号を読み出す読み出し回路と、
    前記光電変換部の裏面側に設けられた光入射面と、
    前記光電変換部の表面側及び前記読み出し回路上に形成される層間絶縁膜と
    前記層間絶縁膜に設けられたゲッタリング層と、
    を備えることを特徴とする固体撮像装置。
  5. 半導体層の表面側に光電変換部を形成する工程と、
    前記光電変換部から信号を読み出す読み出し回路を前記半導体層の表面側に形成する工程と、
    前記光電変換部の表面側に絶縁層を形成する工程と、
    前記光電変換部の表層にイオン注入を行うことで前記ゲッタリング層を形成する工程と、
    前記絶縁層上に層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記光電変換部の裏面側に光入射面を設ける工程とを備えることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
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