JP5899519B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板にｐｎフォトダイオード等からなる受光部が複数個配置された固体撮像装置に関し、特に、半導体基板の一方の面側に形成された配線層と、半導体基板の他方の面から入射される光を光電変換する受光部とを有する裏面照射型の固体撮像装置に関する。
近年、固体撮像装置は高画質化や小型化が要望され、画素サイズの微細化が盛んに行われている。しかし、画素サイズの微細化には物理的な限界があり、画素サイズが小さくなればなるほど、光を電気信号に変換するためのフォトダイオードの面積も小さくせざるを得ず、光に対する感度が小さくなるという問題が生じている。
一般的な固体撮像装置では、複数個のフォトダイオードが形成された半導体基板上に、各フォトダイオードで変換された信号を外部に出力するための配線が形成されている。光は固体撮像装置の配線が形成された面側から入射されるため、入射される光が配線間を通るようにマイクロレンズなどを用いて集光する。しかし、配線が複雑となり、多層配線となると、マイクロレンズで光を集光したとしても、配線などの障害物により入射光のケラレが生じ、十分な感度を得ることが出来なくなる。
そこで、最近では、配線が形成される面とは反対側の面から光を入射させる裏面照射型の固体撮像装置が提案されている。裏面照射型の構造であれば、各画素の開口率を理想的には１００％にすることが可能であり、画素サイズを微細化しても、感度を確保することが出来る。しかし、裏面照射型の固体撮像装置は、配線が形成される面とは反対側の面から光を入射させるように構成されているので、裏面照射型の固体撮像装置を製造するためには、受光部を形成する半導体基板の厚みを薄くするための特異な製造プロセスが必要となる。
裏面照射型の固体撮像装置の製造方法としては、一般的には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて、ＳＯＩ基板上に受光部や配線等の各層を形成した後、支持基板を貼り合せて、支持基板の裏面側のシリコン基板を除去する方法が知られている。ただし、シリコン基板を除去する際、受光部に対してダメージが加わり、このダメージによって受光部に基板界面の欠陥準位が生じてしまう。この場合、固体撮像装置が暗時状態（受光部で光電変換される信号電荷がない状態）でも、受光部の基板界面の欠陥準位によって電荷が検知され、暗電流（ノイズ電流）が発生してしまうという問題があった。このため、たとえ裏面照射型の固体撮像装置を採用して入射光に対する感度を高くすることができたとしても、一方で暗電流が増えてしまうと、実用上固体撮像装置として用いることができなくなる。
従来、この暗電流を防止するための技術が提案されている（特許文献１，特許文献２及び特許文献３参照）。以下、暗電流を防止するための２つの従来技術について図面を用いて説明する。
図８は、特許文献１に開示された第１の従来技術に係る固体撮像装置の断面図である。
図８に示すように、第１の従来技術に係る固体撮像装置８００は、ｐ型半導体基板８０１と、ｐ型半導体基板８０１上に形成された第１のｎ型半導体層８０２及び第２のｎ型半導体層８０３と、ｐ型半導体基板８０１上に形成されたｐ型半導体層８０４と、第１及び第２のｎ型半導体層８０２，８０３とｐ型半導体層８０４の上に形成されたシリコン酸化膜８０５と、第２のｎ型半導体層８０３とｐ型半導体層８０４の上方のシリコン酸化膜８０５上に形成されたゲート電極８０６とを備える。
さらに、第１の従来技術に係る固体撮像装置８００では、シリコン酸化膜８０５中にアルミイオンを注入することによって負の固定電荷を埋め込み、負電荷領域８０７が形成されている。すなわち、ｐ型半導体基板８０１の表面のポテンシャルを持ち上げることによってホール蓄積層としての負電荷領域８０７を形成している。このように、第１の従来技術に係る固体撮像装置は、ホール蓄積層を形成することによって、ｐ型半導体基板８０１とシリコン酸化膜８０５との間における絶縁膜界面を非空乏化し、これにより、界面準位で発生する電子を抑制して暗電流の発生を防止している。
次に、特許文献２，３に開示される第２の従来技術に係る固体撮像装置について説明する。
図９は、第２の従来技術に係る固体撮像装置９００の断面図である。
第２の従来技術に係る固体撮像装置９００は、裏面照射型の固体撮像装置であり、図９に示すように、半導体基板９０１と、半導体基板９０１に形成された受光部９０２と周辺回路部９０３とを備え、受光部９０２上に界面準位を下げる膜９０４と負の固定電荷を有する膜９０５が形成されている。負の固定電荷を有する膜９０５の上には絶縁膜９０６が形成されており、周辺回路部９０３上の当該絶縁膜９０６上には遮光膜９０７が形成されている。さらに、受光部９０２上の負の固定電荷を有する膜９０５の上には入射光に対して透過性を有する絶縁膜９０８が形成されている。さらに、絶縁膜９０８上にはカラーフィルター層９０９及び集光レンズ９１０が形成されている。
第２の従来技術に係る固体撮像装置９００では、界面準位を下げる膜９０４上に負の固定電荷を有する膜９０５が形成されているので、負の固定電荷に起因した電界により、受光部９０２の受光面側にホール蓄積層９１１が形成される。これにより、界面からの電荷の発生が抑制され、界面準位起因の暗電流を抑制することができる。
このように、第１及び第２の従来技術に係る固体撮像装置８００，９００は、負の固定電荷を用いることによってホール蓄積層を形成し、これにより界面準位に起因した暗電流を抑制するものである。
しかしながら、第１の従来技術に係る固体撮像装置８００は、アルミイオンの注入によって絶縁膜中に負の固定電荷を埋め込むものであるので、アルミイオンを注入するための追加の製造プロセスが必要となる。しかも、この追加の製造プロセスでは、高エネルギーでアルミイオンを注入する必要があり、この製造プロセスによってフォトダイオードに対してダメージを与えてしまうという問題がある。
また、第２の従来技術に係る固体撮像装置９００は、負の固定電荷を有する膜９０５を形成するものであるため、第１の従来技術のようなイオン注入によるフォトダイオードへのダメージはないものの、ホール蓄積層を負の固定電荷に起因した電界で形成している。負の固定電荷量は、絶縁膜中及び絶縁膜と受光部との界面に起因した準位によって大きく変化するため、ホール蓄積層を十分に形成するための電界を負の固定電荷を有する膜で制御することは非常に困難である。
さらに、負の固定電荷は、水分や熱処理などの製造プロセスによって消滅しやすいため、十分なホール蓄積層を形成するための負の固定電荷量を制御することも困難である。
このように、負の固定電荷を有する膜には困難な制御が伴うため、仮に、ある画素領域でホール蓄積層を十分に形成することができたとしても、別の画素領域ではホール蓄積層が十分に形成できないということがある。このため、画素間の特性ばらつきが大きくなり、固体撮像装置としては十分な特性を得ることが出来ないという問題がある。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、受光部の受光面に、画素間のばらつきなく均一にホール蓄積層を形成して、界面準位に起因した暗電流を抑制することが可能な裏面照射型の固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明に係る固体撮像装置の一態様は、半導体基板の第１面側に形成された配線層と、前記第１面側とは反対側の第２面側から入射される光を光電変換する受光部とを有する裏面照射型の固体撮像装置であって、前記受光部の受光面上に自発分極を有する材料からなる自発分極膜が形成されているものである。
この構成により、自発分極膜の自発分極によって受光部の受光面に画素間のばらつきなく均一にホール蓄積層を容易に形成することができる。従って、受光部の界面準位に起因した電荷による暗電流を撮像領域全域において均一に抑制することができる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記自発分極膜の分極の向きが、前記第１面から前記第２面に向かう向きであることが好ましい。
この構成により、自発分極膜の受光面側に負の電荷を存在させることができるので、受光部の受光面の界面に画素間のばらつきなく均一にホール蓄積層を形成することができる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記自発分極膜は、結晶が配向している材料であることが好ましい。
この構成により、自発分極膜の結晶配向によって分極を発生させることができるので、水分や熱処理などの製造プロセスによる影響をなくすことができる。従って、負の固定電荷の製造プロセスによる変化をほぼなくすことができるので、さらに画素間のばらつきなく均一にホール蓄積層を形成することができる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記結晶が配向している材料は、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｒＴｉＯ3、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9、（Ｂｉ，Ｌａ）4Ｔｉ3Ｏ12、ＢａＴｉＯ3、ＢｉＦｅＯ3、ＢａxＳｒ(1-x)ＴｉＯ3の中から選ばれるいずれか１つであることが好ましい。
この構成により、自発分極膜の自発分極量を大きくすることができるので、さらに、受光面に十分なホール蓄積層を形成することができ、効果的に暗電流を抑制することができる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記結晶が配向している材料が、４００℃以下の成膜温度で形成されることが好ましい。
これにより、配線形成後でも自発分極膜の成膜が可能であり、製造プロセスを簡易化することができる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記結晶が配向している材料がＺｎＯであり、前記ＺｎＯの導電型がｐ型であることが好ましい。
これにより、ＺｎＯ膜と当該ＺｎＯ膜が形成される半導体基板とのバンド構造によってホール蓄積層を形成しやすくなり、効果的に暗電流を抑制することができる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記結晶が配向している材料がＺｎＯであり、前記ＺｎＯの酸素欠陥濃度が１×１０17（／ｃｍ3）以下であることが好ましい。
これにより、ＺｎＯ膜と当該ＺｎＯ膜が形成される半導体基板とのバンド構造によってホール蓄積層を形成しやすくなり、効果的に暗電流を抑制することができる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記自発分極膜は、分極を有する有機材料からなり、当該有機材料の配向によって、当該有機材料の分極電荷が当該有機材料の膜の成長方向に発生していることが好ましい。
この構成により、自発分極膜を低温の製造プロセスで形成することができるので、自発分極の量を大きくすることができる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記自発分極膜は、フッ素重合体であることが好ましい。
この構成により、自発分極膜を低分子量体からなる低分子材料で構成することができるので、膜厚や配向性の制御が比較的容易に行える真空蒸着法等を用いた成膜が可能となる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記自発分極膜は、水素バリア膜によって覆われていることが好ましい。
この構成により、自発分極膜の自発分極特性を劣化させる水素の侵入を抑制することができる。従って、水分や水素アニールなどの製造プロセスにおいて、自発分極膜の自発分極特性の劣化を抑制することができ、受光面に十分なホール蓄積層を形成することができる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記自発分極膜は、水素バリア膜によって挟まれていることが好ましい。
これにより、さらに、自発分極膜の自発分極特性の劣化を防止することができる。
さらに、上記の本発明に係る固体撮像装置において、前記自発分極膜は、２層以上の自発分極膜が積層して形成されたものであることが好ましい。
この構成により、単層で形成する場合と比べて、自発分極膜に形成されるグレインの境界によりホール蓄積層が十分に形成できない領域を低減することができるので、さらに画素間のばらつきがなく均一にホール蓄積層を形成することができる。
本発明に係る固体撮像装置は、受光部の受光面に対して画素間のばらつきなく均一にホール蓄積層を形成することができる。従って、効率的に界面準位に起因した暗電流を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像装置について図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の回路構成を示す図である。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の回路構成を示す図である。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００は、複数個の画素１０１がマトリクス状に配置された撮像領域１０２と、画素１０１を選択するための垂直シフトレジスタ１０３と、出力信号線１０４を介して画素１０１から出力された信号を伝達する水平シフトレジスタ１０５とを備えている。
画素１０１は、例えばフォトダイオードである光電変換素子１０６と、光電変換素子１０６で生じた電荷をフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）に転送する転送トランジスタ１０７と、ＦＤ部に蓄積された電荷信号を増幅して出力信号線１０４に出力する増幅トランジスタ１０８と、一端が電源電圧供給部１０９に接続され、ＦＤ部の状態をリセットするリセットトランジスタ１１０と、増幅トランジスタ１０８によって増幅された信号を出力信号線１０４に出力するか否かを制御する選択トランジスタ１１１とで構成されている。転送トランジスタ１０７のゲート電極、リセットトランジスタ１１０のゲート電極、および選択トランジスタ１１１のゲート電極は、各々垂直シフトレジスタ１０３により制御される出力パルス線１１２，１１３，１１４に接続されている。
なお、上記の画素１０１の構成は一例であり、少なくとも画素１０１内に１つ以上の光電変換素子１０６が配置された回路構成であれば本発明に係る固体撮像装置に適用することができる。また、本実施形態の光電変換素子１０６の構造をＭＯＳ型固体撮像装置に適用することにより、周辺回路（垂直シフトレジスタ１０３、水平シフトレジスタ１０５、信号出力回路、カラムアンプ等）を撮像領域１０２と同一チップ上に設けることもできる。この場合、小面積化や信号処理時間の短縮等を図ることができる。また、本実施形態の光電変換素子１０６の構造をＣＣＤ型固体撮像装置に適用することも可能である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００における画素１０１の断面を模式的に表した図である。本実施形態に係る固体撮像装置は、裏面照射型の固体撮像装置であり、配線層が形成されている面とは反対側の面から光が入射される構造を有する。
図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００は、半導体基板２０１と、半導体基板２０１に形成されたｐｎフォトダイオード等からなる受光部２０２と、半導体基板２０１の第１面２０１ａ（表面）に形成された配線層２０３と、半導体基板２０１上の少なくとも受光部２０２の受光面側に形成された自発分極膜２０４とを有する。また、半導体基板２０１内には受光部２０２を分離する素子分離部２０５が形成されている。配線層２０３の光が入射する側の反対側には、シリコン基板またはガラス基板からなる支持基板２０６が設けられている。
本実施形態において、受光部２０２は、図１に示す撮像領域１０２の各画素１０１に対応して形成されるものであり、半導体基板２０１の第１面２０１ａとは反対側の面である第２面２０１ｂ（裏面）から入射される光（入射光）を光電変換する。受光部２０２は、入射光の受光量に応じて生成された電荷に基づく画素信号を出力する。受光部２０２は、例えば、半導体基板にｐｎ接合を形成することにより構成することができる。具体的には、半導体基板２０１としてｎ型シリコン基板を用い、ｎ型シリコン基板にｐ型の半導体ウェル領域を形成するとともに当該ｐ型の半導体ウェル領域内にｎ型の半導体領域を形成することにより、ｐｎフォトダイオードを形成することができる。
配線層２０３は、受光部２０２で生成された画素信号を外部に出力等するための複数の配線２０７ａ，２０７ｂと、複数の配線２０７ａ，２０７ｂを絶縁するための層間絶縁膜２０８とで構成される。配線２０７ａ、２０７ｂは、例えば、アルミニウムからなるアルミニウム配線で構成される。なお、図２に示す固体撮像装置においては、配線２０７ａ，２０７ｂは２層構造にしたが、これに限らず、３つ以上の複数種類の配線を２層以上の多層配線構造として形成しても構わない。例えば、図１に示す出力信号線１０４又は出力パルス線１１２，１１３，１１４を多層配線構造として配線を形成しても構わない。
自発分極膜２０４は、受光部２０２の受光面上に形成されており、本実施形態では、受光部２０２の受光面側である半導体基板２０１の第２面２０１ｂ側に形成されている。この自発分極膜２０４は、自発分極を有する膜のことであり、自発的に正と負の電荷の重心が分かれる電気双極子を有する材料で構成される。受光部がｎ型シリコン基板を用いたｐｎフォトダイオードである場合、自発分極膜２０４は、自発分極膜２０４の光入射側がプラスに、受光部２０２側がマイナスになるように分極されている。これにより、受光部２０２の受光面側（ｎ型半導体領域）の界面に正孔が誘起されてホール蓄積層が形成される。
本実施形態において、裏面照射型の固体撮像装置１００は、基板上の絶縁膜上にシリコン基板を形成してなるＳＯＩ基板を用いて製造した。この場合、ＳＯＩ基板の絶縁膜上のシリコン基板上に、受光部２０２と配線層２０３を形成し、配線層２０３上にシリコン基板からなる支持基板２０６を貼り合せた後に、ＳＯＩ基板の他方の基板を除去した。他方の基板の除去は、ＳＯＩ基板の絶縁膜をエッチングストップ層としてドライエッチングやウェットエッチングを行う方法や物理研磨を行う方法を用いて行うことができる。なお、一例としてＳＯＩ基板を用いた方法を説明したが、ＳＯＩ基板を用いない従来の基板を用いた方法でも製造することが可能である。
また、本実施形態において、支持基板２０６としてはシリコン基板を用いたが、ガラス基板を支持基板２０６として用いることもできる。なお、支持基板２０６は、シリコン基板またはガラス基板に限るものではない。支持基板２０６は、受光部等のデバイスが形成される基板が薄くなった場合に、ハンドリングに対する基板の強度を保つことが出来る材料であれば代用することができる。
このように、裏面照射型の固体撮像装置を製造するためには、ＳＯＩ基板等を用いるために基板除去の工程が必要となる。この基板除去の工程では、物理研磨、ドライエッチング、ウェットエッチングなどを行うため、受光部の光が入射する面は、表面照射型の固体撮像装置では生じないようなダメージを受ける。これにより、受光部には、この基板除去工程のダメージによる界面準位が存在し、暗電流が生じることになる。
これに対し、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００は、受光部２０２の光が入射する面側に自発分極膜２０４が形成されているので、自発分極膜２０４が有する自発分極によって、受光部２０２の光が入射する面側にホール蓄積層を形成することができる。これにより、界面準位に発生するノイズ電荷を低減することができるので、暗電流を抑制することができる。しかも、自発分極膜２０４は、各画素に対して容易に均一に成膜することができるので、各画素の受光部に対して同一の分極を有する自発分極膜を形成することができる。従って、画素間のばらつきがなく均一に受光部にホール蓄積層を形成することができるので、撮像領域全域の暗電流を効率的に抑制することができる。
なお、図２は、本実施形態に係る固体撮像装置の特徴的な構成のみを例示して描かれたものであり、カラーフィルターやマイクロレンズなどの他の構成は省略している。また、図２に図示された構成についての形状はこれに限定されるものではなく、基板が除去され、配線層が形成されている面とは反対側から入射する光を受光する構成である裏面照射型の固体撮像装置であれば、上述した効果と同じ効果を奏する。
また、図２に示す固体撮像装置１００では、自発分極膜２０４は、半導体基板２０１の受光部２０２上に直接形成したが、図３に示すように、自発分極膜２０４は受光部２０２上に形成されていれば、絶縁膜３０１を介して形成してもよい。すなわち、図３に示すように、受光部２０２上の半導体基板２０１上に絶縁膜３０１を形成し、絶縁膜３０１上に自発分極膜２０４を形成してもよい。絶縁膜３０１は、例えば、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜などで形成することができる。
図３に示す固体撮像装置１５０では、分極を有する自発分極膜２０４によって、受光部２０２の絶縁膜３０１との界面に正孔が誘起される。これにより、受光部２０２の受光面側にホール蓄積層が誘起される。従って、図２に示す固体撮像装置１００と同様に、界面準位に発生するノイズ電荷を低減し、暗電流を抑制することができる。また、同様に、自発分極膜２０４は各画素に対して容易に均一に成膜することができるので、画素間のばらつきがなく暗電流を抑制することもできる。
以上説明した図２及び図３に示す固体撮像装置１００，１５０においては、自発分極膜２０４は、その分極の向きが、半導体基板２０１の第１面２０１ａから第２面２０１ｂに向かう向きと同じであることが好ましい。すなわち、半導体基板２０１の主面に対して垂直方向であって、半導体基板２０１の配線層２０３が形成される側から光が入射する側に向かう方向とすることが好ましい。
このように、自発分極膜２０４の分極の向きを、第１面２０１ａから第２面２０１ｂに向かう向きとすることにより、分極の向きは分極のベクトルで負電荷側から正電荷側に示される。これにより、自発分極膜２０４の受光部２０２側に負の電荷を形成することができるとともに、自発分極膜２０４の光入射側には正の電荷を集めることができる。よって、受光部２０２の受光面の界面に画素間のばらつきなく均一にホール蓄積層を形成することができ、効率的に暗電流を抑制することができる。
また、図２及び図３に示す固体撮像装置１００，１５０において、自発分極膜２０４は、結晶が配向している材料であることが好ましい。
このように、自発分極膜２０４の材料を結晶が配向している材料とすることによって、配向している結晶によって分極を維持することができる。これにより、水分や熱処理などの製造プロセスによって受ける自発分極膜の分極量の変化をほぼなくすことができる。従って、受光部２０２の界面に、画素間のばらつきなく均一に、なおかつ外部の影響を受けにくい安定したホール蓄積層を形成することができるので、効率的に暗電流を抑制することができる。
ここで、結晶が配向している材料としては、例えば、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＳｒＴｉＯ3（チタン酸ストロンチウム）、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9（タンタル酸ビスマスストロンチウム）、（Ｂｉ，Ｌａ）4Ｔｉ3Ｏ12（チタン酸ビスマスランタン）、ＢａＴｉＯ3（チタン酸バリウム）、ＢｉＦｅＯ3（鉄酸ビスマス）、ＢａXＳｒ(1-X)ＴｉＯ3ＢＳＴ（チタン酸バリウムとチタン酸ストロンチウムの固溶体）の中から選ばれるいずれか１つとすることができる。
上記の材料で形成された自発分極膜２０４は、自発分極の量が大きいので、より安定したホール蓄積層を形成することができ、一層効果的に暗電流を抑制することができる。
なお、上記の材料で形成される自発分極膜２０４は、上記材料を、スパッタリング、ゾル・ゲル法、電子ビーム蒸着法等によって成膜することにより、形成することができる。さらに、自発分極膜２０４の形成中又は自発分極膜２０４の形成後に、高温処理等の結晶性を高くする処理を施すことによって、自発分極膜２０４の分極量を大きくすることができる。
また、上記の材料の中から選ばれた材料は、４００℃以下で成膜されることが望ましい。これにより、配線形成後に、上記の結晶が配向している材料を成膜することができるので、製造プロセスを簡易化することができる。
一例として、自発分極膜２０４をＺｎＯによって形成した場合について説明する。図４は、ＺｎＯの結晶構造を模式的に表した図である。図４に示すように、ＺｎＯは、ウルツ型構造であり、Ｚｎ原子とＯ原子との配向によって、上向き（矢印Ａ方向）の自発分極ベクトルを示す。ＺｎＯの自発分極の電荷量密度は約５（μＣ／ｃｍ2）であるので、このＺｎＯの自発分極によって受光部２０２に誘起されるホール数は約３×１０13（個／ｃｍ2）となる。従って、安定した十分なホール蓄積層を受光部２０２に形成することができ、所望に暗電流を抑制することができる。
なお、結晶が配向している材料がＺｎＯの場合、ＺｎＯの導電型はｐ型であることが望ましい。これにより、ＺｎＯと半導体基板２０１のＳｉとの接合部におけるポテンシャルが、ホールを蓄積しやすい構造となり、効果的に暗電流を抑制することができる。また、結晶が配向している材料がＺｎＯの場合、ＺｎＯの酸素欠損濃度が１×１０17（／ｃｍ3）以下であることが望ましい。これにより、ＺｎＯと半導体基板２０１のＳｉとの接合部におけるポテンシャルが、ホールを蓄積しやすい構造となり、効果的に暗電流を抑制することができる。
また、図２及び図３に示す固体撮像装置１００，１５０において、自発分極膜２０４を、分極を有する有機材料で構成するとともに、当該有機材料の配向によって有機材料の分極電荷が有機材料の膜の成長方向に発生するように形成してもかまわない。
自発分極膜２０４をこのように構成することにより、自発分極膜２０４を低温で形成することができるので、自発分極の量を大きくすることができる。従って、暗電流を抑制するに足りる十分なホール蓄積層を形成することができる。
このような自発分極膜２０４は、フッ素重合体を用いて形成することができる。
一例として、自発分極膜２０４をフッ素重合体であるＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）によって形成した場合について説明する。図５は、ＰＶＤＦの分子鎖構造を模式的に表した図である。図５に示すように、ＰＶＤＦは、（−ＣＨ2ＣＦ2−）をモノマー単位とする低分子量体からなる低分子材料であるため、分子鎖の熱分解などが起きにくく、なおかつ不純物の混入が少ない。このため、膜厚や配向性の制御が比較的容易に行える方法、例えば真空蒸着法等を用いた成膜が可能となる。従って、本実施形態に係る固体撮像装置のように、配線層形成後に自発分極膜の形成を行うような裏面照射型の固体撮像装置の製造に特に適している。また、ＰＶＤＦの自発分極の電荷量密度は約１３（μＣ／ｃｍ2）であるので、このＰＶＤＦの自発分極によって受光部に誘起されるホール数は約１×１０14（個／ｃｍ2）となる。従って、十分なホール蓄積層を形成することができ、暗電流を所望に抑制することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置２００について図６を参照して説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置２００における画素の断面を模式的に表した図である。
次に、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置２００について図６を参照して説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置２００における画素の断面を模式的に表した図である。
なお、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置２００の全体的な構成は、図１に示す本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と同様であるため、その説明は省略する。また、図６に示す本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置２００の基本的な構成は、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と同様であるので、同じ符号の構成については説明を簡略化または省略し、特徴部分の構成について詳述する。
図６に示すように、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置２００は、自発分極膜２０４がＳｉＮからなる水素バリア膜６０１，６０２で挟まれた構成となっている。すなわち、図６に示すように、半導体基板２０１の少なくとも受光部２０２上に水素バリア膜６０１を形成し、この水素バリア膜６０１上に自発分極膜２０４を形成し、さらに、自発分極膜２０４上に水素バリア膜６０２を形成した構成である。
このように、自発分極膜２０４を水素バリア膜６０１，６０２で挟んだ構成とすることにより、水分や水素アニールなどの製造プロセスにおいて自発分極膜２０４の自発分極量が低下することを抑制することができる。
従って、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置２００は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００よりも、受光部２０２の光が入射する面側に、より安定したホール蓄積層を撮像領域全域に均一に形成することができる。これにより、界面準位に発生するノイズ電荷を画素間のばらつきなく一様に低減することができるので、撮像領域全域において均一に暗電流を抑制することができる。
なお、本実施形態では、水素バリア膜６０１，６０２をＳｉＮ膜で形成したが、ＴｉＮ膜、Ａｌ2Ｏ3膜、ＴｉＡｌＯ膜、ＴａＡｌＯ膜、ＴｉＳｉＯ膜、ＴａＳｉＯ膜の中から選ばれるいずれか１つで形成してもよい。
また、上記の材料の中から選ばれた材料は、４００℃以下で成膜されることが望ましい。これにより、配線形成後に、結晶が配向している材料を成膜することができるので、製造プロセスを簡易化することができる。
また、本実施形態では、自発分極膜２０４を挟むように、自発分極膜２０４の上下に水素バリア膜６０１，６０２を形成したが、自発分極膜２０４を上側から覆うように、自発分極膜２０４の上側にのみ水素バリア膜６０２を形成してもかまわない。なお、自発分極膜２０４の上側にのみ水素バリア膜６０２を形成した場合、半導体基板２０１の受光部２０２と自発分極膜２０４との間には、ＳｉＮ膜等からなる絶縁膜（図示せず）を形成することが好ましい。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置３００について、図７を参照して説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置３００における画素の断面を模式的に表した図である。
次に、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置３００について、図７を参照して説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置３００における画素の断面を模式的に表した図である。
なお、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置３００の全体的な構成は、図１に示す本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と同様であるため、その説明は省略する。また、図７に示す本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置３００の基本的な構成は、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１００と同様であるので、同じ符号の構成については説明を簡略化または省略し、特徴部分の構成について詳述する。
図７に示すように、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置３００は、自発分極膜２０４が２層の自発分極膜を積層して形成した構成となっている。すなわち、図７に示すように、本実施形態において、自発分極膜２０４は、半導体基板２０１の少なくとも受光部２０２上に第１の自発分極膜２０４ａを形成し、さらに、当該第１の自発分極膜２０４ａ上に第２の自発分極膜２０４ｂを形成したものである。なお、図７に示す固体撮像装置においては、自発分極膜２０４は２層構造としたが、２層以上の複数層で自発分極膜２０４を構成してもかまわない。
このように、自発分極膜２０４を複数層で構成することにより、１層で形成する場合と比べて、撮像領域全域の画素の受光部に対して均一にかつ十分なホール蓄積層を形成することができるので、画素間のばらつきがなく、効果的に暗電流を抑制することができる。
これは、自発分極膜２０４を複数層とすることにより、自発分極膜２０４にグレインの境界によりホール蓄積層が十分に形成できない領域を低減することができるからである。この点について、以下詳述する。
グレイン（粒界）は結晶が不連続に形成されている領域であり、自発分極膜のグレインの境界では、自発分極の効果が小さく、十分にホール蓄積層を形成することが出来ない。このため、受光部の上にグレインの境界が形成された場合、自発分極によって形成されるホール蓄積層の濃度が画素間でばらつき、暗電流を均一に抑制することが出来なくなる。しかし、本実施形態のように、自発分極膜を２層以上の積層構造にすると、仮に１層目の自発分極膜にグレインの境界が形成されたとしても、この１層目の自発分極膜のグレインの境界上には２層目の自発分極膜が形成され、２層目の自発分極膜によりホール蓄積層が形成されるので、自発分極膜が１層の場合と比べて、２層の場合は、グレインの境界によりホール蓄積層が十分に形成できない領域が存在する可能性は低くなる。従って、自発分極膜の層数が多くなればなるほど、十分なホール蓄積層が形成できる。
このように本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置３００は、自発分極膜２０４を複数層の積層構造とすることにより、自発分極膜２０４に形成されるグレインの境界によりホール蓄積層が十分に形成できない領域を低減でき、自発分極膜２０４によって誘起されるホール蓄積層の濃度は撮像領域全域の画素間で均一にすることができる。従って、画素間のばらつきがなく均一に暗電流を抑制することが出来る。なお、自発分極膜２０４は、積層する自発分極膜の数が多くなればなるほど、画素間のばらつきをなくすことができ、撮像領域全域におけるホール蓄積層形成の均一性を高めることができる。
以上、本実施形態において、複数層の自発分極膜を構成する膜は同一の材料で構成したが、異なる材料で構成しても同様の効果を奏することができる。複数層の自発分極膜２０４を構成する膜の材料としては、例えば、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｒＴｉＯ3、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9、（Ｂｉ，Ｌａ）4Ｔｉ3Ｏ12、ＢａＴｉＯ3、ＢｉＦｅＯ3、ＢａxＳｒ(1-x)ＴｉＯ3があり、この中から１つ選んで構成しても構わないし、複数種類を組み合わせて構成しても構わない。
以上、本発明の３つの実施形態に係る固体撮像装置について説明したが、本発明に係る固体撮像装置は、これに限るものではない。また、各実施形態に係る固体撮像装置で説明した特徴構成を互いに適用することもできる。例えば、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置における水素バリア膜を本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置に適用しても構わない。
また、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換する受光部周辺の構成に特徴を有しており、回路構成としては、一般的なＭＯＳ型固体撮像装置の回路構成を適用することができる。また、支持基板の貼り合せや基板除去の製造プロセスについては、一般的な裏面照射型の固体撮像装置における製造プロセスを適用することができる。
なお、本明細書中において「固体撮像装置」とは、半導体チップ上に設けられた光電変換素子を備え、画像信号を外部に出力するための装置を指すものとし、「撮像装置」とはデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話用カメラ、監視カメラ等、固体撮像装置を備えた撮像機器のことを指すものとする。
本発明に係る固体撮像装置は、画像撮影機能を有するデジタルカメラや携帯電話、ビデオカメラ、監視カメラ等の種々の撮像装置に有用である。
１００，１５０，２００，３００ 固体撮像装置
１０１ 画素
１０２ 撮像領域
１０３ 垂直シフトレジスタ
１０４ 出力信号線
１０５ 水平シフトレジスタ
１０６ 光電変換素子
１０７ 転送トランジスタ
１０８ 増幅トランジスタ
１０９ 電源電圧供給部
１１０ リセットトランジスタ
１１１ 選択トランジスタ
１１２，１１３，１１４ 出力パルス線
２０１ 半導体基板
２０１ａ 第１面
２０１ｂ 第２面
２０２ 受光部
２０３ 配線層
２０４ 自発分極膜
２０５ 素子分離部
２０６ 支持基板
２０７ａ，２０７ｂ 配線
２０８ 層間絶縁膜
３０１ 絶縁膜
６０１，６０２ 水素バリア膜
２０４ａ 第１の自発分極膜
２０４ｂ 第２の自発分極膜
８００，９００ 固体撮像装置
８０１ ｐ型半導体基板
８０２ 第１のｎ型半導体層
８０３ 第２のｎ型半導体層
８０４ ｐ型半導体層
８０５ シリコン酸化膜
８０６ ゲート電極
８０７ 負電荷領域
９０１ 半導体基板
９０２ 受光部
９０３ 周辺回路部
９０４ 界面準位を下げる膜
９０５ 負の固定電荷を有する膜
９０６，９０８ 絶縁膜
９０７ 遮光膜
９０９ カラーフィルター層
９１０ 集光レンズ
９１１ ホール蓄積層
１０１ 画素
１０２ 撮像領域
１０３ 垂直シフトレジスタ
１０４ 出力信号線
１０５ 水平シフトレジスタ
１０６ 光電変換素子
１０７ 転送トランジスタ
１０８ 増幅トランジスタ
１０９ 電源電圧供給部
１１０ リセットトランジスタ
１１１ 選択トランジスタ
１１２，１１３，１１４ 出力パルス線
２０１ 半導体基板
２０１ａ 第１面
２０１ｂ 第２面
２０２ 受光部
２０３ 配線層
２０４ 自発分極膜
２０５ 素子分離部
２０６ 支持基板
２０７ａ，２０７ｂ 配線
２０８ 層間絶縁膜
３０１ 絶縁膜
６０１，６０２ 水素バリア膜
２０４ａ 第１の自発分極膜
２０４ｂ 第２の自発分極膜
８００，９００ 固体撮像装置
８０１ ｐ型半導体基板
８０２ 第１のｎ型半導体層
８０３ 第２のｎ型半導体層
８０４ ｐ型半導体層
８０５ シリコン酸化膜
８０６ ゲート電極
８０７ 負電荷領域
９０１ 半導体基板
９０２ 受光部
９０３ 周辺回路部
９０４ 界面準位を下げる膜
９０５ 負の固定電荷を有する膜
９０６，９０８ 絶縁膜
９０７ 遮光膜
９０９ カラーフィルター層
９１０ 集光レンズ
９１１ ホール蓄積層
Claims (9)
- 半導体基板の第１面側に形成された配線層と、前記第１面側とは反対側の第２面側から入射される光を光電変換する受光部とを有する裏面照射型の固体撮像装置であって、
前記受光部の受光面上に自発分極を有する材料からなる第１の自発分極膜が形成され、
前記第１の自発分極膜の上に自発分極を有する材料からなる第２の自発分極膜が形成され、
前記第１の自発分極膜及び前記第２の自発分極膜はそれぞれ、第１の領域及び前記第１の領域よりも分極の強い第２の領域を有し、
前記第１の自発分極膜及び前記第２の自発分極膜の分極の向きが、前記第１面から前記第２面に向かう向きであること
を特徴とする固体撮像装置。 - 前記第１の自発分極膜及び前記第２の自発分極膜は、結晶が配向している材料であること
を特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記結晶が配向している材料は、
ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｒＴｉＯ3、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9、（Ｂｉ，Ｌａ）4Ｔｉ3Ｏ12、ＢａＴｉＯ3、ＢｉＦｅＯ3、ＢａxＳｒ(1-x)ＴｉＯ3の中
から選ばれるいずれか１つであること
を特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。 - 前記結晶が配向している材料がＺｎＯであり、
前記ＺｎＯの導電型がｐ型であること
を特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。 - 前記結晶が配向している材料がＺｎＯであり、
前記ＺｎＯの酸素欠陥濃度が１×１０17（／ｃｍ3）以下であること
を特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。 - 前記第１の自発分極膜及び前記第２の自発分極膜は、分極を有する有機材料からなり、
当該有機材料の配向によって、当該有機材料の分極電荷が当該有機材料の膜の成長方向に発生していること
を特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記第１の自発分極膜及び前記第２の自発分極膜は、フッ素重合体であること
を特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。 - 前記第１の自発分極膜及び前記第２の自発分極膜は、水素バリア膜によって覆われていること
を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。 - 前記第１の自発分極膜及び前記第２の自発分極膜は、水素バリア膜によって挟まれていること
を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
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