(57)【要約】【課題】裏面照射型の固体撮像素子について、高画素化を実現しながら、長波長領域においても容易に感度の低下を抑制することを目的とする。【解決手段】半導体基板１００の表裏両面から光電変換領域（１３０，１４０）を形成することにより、高エネルギーのイオン注入装置や厚膜レジストを使用することなく、半導体基板１００の表面から深い位置に光電変換領域（１３０，１４０）を容易に形成することができる。このことにより、外部からの可視光領域から近赤外光領域に至るまでの長波長入力光を効率よく吸収できるので、固体撮像素子の受光感度を向上させることができ、単位画素での感度が低下することなく固体撮像装置の多画素化を行なうことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成される受光部にて入射光を光電変換することにより撮像する固体撮像素子であって、
前記受光部が、
前記半導体基板の前記入射光受光面と反対側に形成される第１の第１導電型半導体ウェルと、
前記半導体基板の前記入射光受光面側の表面に形成される第２の第１導電型半導体ウェルと、
前記第１の第１導電型半導体ウェルに隣接して前記第１の第１導電型半導体ウェルと前記第２の第１導電型半導体ウェルとの間に形成される第２導電型の電荷蓄積領域と、
前記第２の第１導電型半導体ウェルと前記第２導電型の電荷蓄積領域とに隣接して形成される光電変換領域と
を有し、前記光電変換領域が第１の第２導電型光電変換領域と第２の第２導電型光電変換領域とから成り、前記光電変換領域の前記第２の第１導電型半導体ウェルと前記第２導電型の電荷蓄積領域との間の距離である深さが、入射される可視光の中で最大波長の入射光を半分以上光電変換できる深さ以上であることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記光電変換領域の深さが、６μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１の第２導電型光電変換領域の不純物濃度が前記第２の第２導電型光電変換領域の不純物濃度よりも薄いことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第１の第２導電型光電変換領域の注入断面積よりも前記第２の第２導電型光電変換領域の注入断面積の方が広いことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１〜請求項４記載の固体撮像素子の受光部を形成するに際し、
前記入射光受光面側の表面からのイオン注入により前記第１導電型半導体基板内に前記第１の第１導電型半導体ウェル，前記第２導電型の電荷蓄積領域及び前記第１の第２導電型光電変換領域を形成する工程と、
前記入射光受光面に対する裏面側の表面からのイオン注入により前記第１導電型半導体基板内に前記第２の第２導電型光電変換領域及び前記第２の第１導電型半導体ウェルを形成する工程と
を有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を光電変換して画像を撮像する固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法に関し、特に信号の読み出し面と受光面とが反対側に位置する裏面照射型の固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラは広く普及しており、さらなる高精細な画質の向上が望まれている。この画質の向上などを目的として、デジタルカメラに搭載されている固体撮像素子の多画素化が進められており、この多画素化は、例えば固体撮像素子の単位画素の縮小を行なうことで実現することができるが、単位画素を縮小すると相対的に外部から受光する光量が減少するために単位画素での感度低下の問題が発生する。
【０００３】
そこで、受光部の感度向上を行ない単位画素での感度低下を防止するために、基板の裏面側で入射光を変換して生成したキャリアを表（おもて）面側まで誘導して信号を読み出す、裏面照射型の固体撮像素子の技術が提案されている。このように信号の読み出し面と受光面とが反対側に位置させることができるので受光面を広く取ることができ、単位画素での感度低下が防止できるとしている。
【０００４】
以下、図５を用いて従来の固体撮像素子について説明する。
図５は従来の固体撮像素子の構成を示す断面図である。
従来の、裏面照射型の固体撮像素子の一例として、例えば、図５に示すように、光電変換領域に不純物の濃度勾配を発生させて光電変換領域３３０を形成する方法が挙げられる。半導体基板の裏面側から光電変換領域の不純物濃度勾配をｎ−からｎ＋へと遷移させることで、深さ方向に電位勾配を発生させている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−０７３６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記で説明した従来の固体撮像素子においては、半導体基板３００の一方の側からイオン注入装置を用いて光電変換領域３３０を形成していた。
このような製造方法で製造された固体撮像素子では、光電変換領域を十分な深さまで形成できなかった。不純物の注入は深くなるに連れて広がってしまうため、不純物領域の精度を保った注入をするにはせいぜい深さ３μｍ程度でしか形成できなかった。そのため、主に深い領域で光電変換される長波長の光に対しての感度は著しく低下してしまう。
【０００６】
また、十分な深さになるように不純物を注入すると、深い領域で不純物が拡散し、不純物領域を精度よく形成できない。
さらに、十分な深さになるように不純物を注入するには、アスペクト比１０以上で加工可能な厚膜レジストと高エネルギーのイオン注入装置とが必要となる。
【０００７】
したがって、量産技術に対応できる上述の厚膜レジストとイオン注入装置とを開発するためには膨大な費用がかかり、製造プロセスのコストが高くなるという問題が生じる。
さらに、高エネルギーのイオン注入プロセスが入力光を受光する半導体基板３００の表面から行なわれるので、発生した結晶欠陥などを緩和する注入後のアニールなどのプロセスについての条件設定が難しくなる、あるいは高コストとなるなどの問題が生じる。
【０００８】
また、半導体基板３００の裏面側に位置する光電変換領域３３０においては、半導体基板３００の裏面側より表面側に光電変換領域３３０の濃度が高くなるように不純物濃度勾配が形成されるため、短波長側の感度が低下する問題が生じる。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するもので、このような高アスペクト比で加工可能な厚膜レジストおよび特別な高エネルギーのイオン注入装置を用いることなく、半導体基板の深い位置に電荷蓄積層を低コストで形成して、長波長領域においても感度の低下を抑制することができる裏面照射型の固体撮像素子を提供するものである。
【００１０】
すなわち、裏面照射型の固体撮像素子について、高画素化を実現しながら、長波長領域においても容易に感度の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子は、入射光を第１導電型半導体基板に形成される受光部にて光電変換することにより撮像する固体撮像素子であって、前記受光部が、前記第１導電型半導体基板の前記入射光受光面側の表面に形成される第１の第１導電型半導体ウェルと、前記第１導電型半導体基板の前記入射光受光面に対する裏面側の表面に形成される第２の第１導電型半導体ウェルと、前記第１の第１導電型半導体ウェルに隣接して前記第１の第１導電型半導体ウェルと前記第２の第１導電型半導体ウェルとの間に形成される第２導電型の電荷蓄積領域と、前記第２の第１導電型半導体ウェルと前記第２導電型の電荷蓄積領域とに隣接して形成される光電変換領域とを有し、前記光電変換領域が第１の第２導電型光電変換領域と第２の第２導電型光電変換領域とから成り、前記光電変換領域の前記第２の第１導電型半導体ウェルと前記第２導電型の電荷蓄積領域との間の距離である深さが、入射される可視光の中で最大波長の入射光を半分以上光電変換できる深さ以上であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記光電変換領域の深さが、６μｍ以上であることを特徴とする。
また、前記第１の第２導電型光電変換領域の不純物濃度が前記第２の第２導電型光電変換領域の不純物濃度よりも薄いことを特徴とする。
【００１３】
また、前記第１の第２導電型光電変換領域の注入断面積よりも前記第２の第２導電型光電変換領域の注入断面積の方が広いことを特徴とする。
さらに、本発明の固定撮像素子の製造方法は、前記固体撮像素子の受光部を形成するに際し、前記入射光受光面側の表面からのイオン注入により前記第１導電型半導体基板内に前記第１の第１導電型半導体ウェル，前記第２導電型の電荷蓄積領域及び前記第１の第２導電型光電変換領域を形成する工程と、前記入射光受光面に対する裏面側の表面からのイオン注入により前記第１導電型半導体基板内に前記第２の第２導電型光電変換領域及び前記第２の第１導電型半導体ウェルを形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
以上により、裏面照射型の固体撮像素子について、高画素化を実現しながら、長波長領域においても容易に感度の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、半導体基板の表裏両面から光電変換領域を形成することにより、高エネルギーのイオン注入装置や厚膜レジストを使用することなく、半導体基板の表面から深い位置に精度よく光電変換領域を容易に形成することができる。このことにより、外部からの可視光領域から近赤外光領域に至るまでの長波長入力光を効率よく吸収できるので、固体撮像素子の受光感度を向上させることができ、単位画素での感度が低下することなく固体撮像装置の多画素化を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施の形態１）
まず、図１，図２を用いて実施の形態１における固体撮像素子およびその製造方法について説明する。
【００１７】
図１は実施の形態１の固体撮像素子を説明する図であり、図１（Ａ）は実施の形態１における固体撮像素子の構成を示す断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＸ−Ｘ’断面におけるポテンシャルプロファイルを示す図である。図２は本発明の固体撮像素子の製造方法を示す工程断面図である。
【００１８】
図１（Ａ）に示すように、実施の形態１における裏面照射型の固体撮像素子１０は、ｐ型半導体基板１００内に受光部２６０が形成され、受光部２６０は電荷蓄積領域１２０及び、光電変換領域である第１のｎ型光電変換領域１３０と第２のｎ型光電変換領域１４０、暗電流の発生を抑制するための高濃度不純物濃度の第１のｐ型半導体ウェル１７０を含んで形成される。さらに、各単位画素領域を区画するｐ型の素子分離領域は、第１のｐ型素子分離領域１５０と第２のｐ型素子分離領域１６０にて形成され、第１のｐ型素子分離領域１５０と第２の素子分離領域１６０は、不純物濃度が半導体基板１００の光入射側である裏面側を低濃度ｐ−として、それに対する半導体基板１００の表面側にいくにしたがって順次高濃度ｐ＋となるような濃度分布を有している。さらに、半導体基板表面上に隣接して形成された絶縁膜層２４０内には複数の配線層２００が配置され、光電変換されて蓄積された信号電荷を読み出すためのＭＯＳトランジスタ（図示せず）が形成されている。
【００１９】
次に、図２（Ａ）〜（Ｅ）を用いて本実施形態１の裏面照射型の固体撮像素子の製造方法について詳細に説明する。まず、ｐ型半導体基板などの基板材１１０の表面に半導体基板１００を例えば３０ｕｍ程度の膜厚になるように成長させる。なお、基板材１１０の材質はエピタキシャル成長が可能なものであれば、いずれの材料を用いても良い（図２（Ａ））。そして、このような基板（基板材１１０と半導体基板１００の複合基板）を用いて、半導体基板１００の表面に電荷蓄積領域１２０とＦＤ部１８０、光電変換領域の一部である第１のｎ型光電変換領域１３０と素子分離領域の一部である第１のｐ型素子分離領域１５０さらにｐ型半導体ウェル１７０をイオン注入にて形成する。なお、注入時の加速エネルギーは、例えば、２〜５ＭｅＶ程度の範囲とする。この時、第１のｎ型光電変換領域１３０の深い領域では注入された不純物が拡散されて、深くなるほど形成される第１のｎ型光電変換領域１３０が狭くなる形状となる（図２（Ｂ））。次に、ゲート電極１９０と配線層２００を形成した後、裏返して、例えば半導体基板１００を６ｕｍ以上の膜厚になるようにＣＭＰ（化学機械研磨）によって研磨した後、基板材１１０を除去する（図２（Ｃ））。続いて、半導体基板１００の裏面側より、第２のｎ型光電変換領域１４０と第２のｐ型素子分離領域１６０、ｐ＋拡散層２１０をイオン注入にて形成し、レーザーアニール等の熱処理、例えば１０００℃程度の熱処理を加えることによりイオン注入によって形成した不純物の活性化を実施する。この時、第２のｎ型光電変換領域１４０の深い領域では注入された不純物が拡散されて、深くなるほど形成される第２のｎ型光電変換領域１４０が狭くなる形状となる。また、実施の形態１では、第２のｎ型光電変換領域１４０のｎ型不純物濃度を、第１のｎ型光電変換領域１３０のｎ型不純物濃度より薄く形成する（図２（Ｄ））。この時、第２のｎ型光電変換領域１４０は第１のｎ型光電変換領域１３０と接続する深さに形成し、第１のｎ型光電変換領域１３０と第２のｎ型光電変換領域１４０との合計膜厚は入射される光の波長を十分に吸収できる程度の光電変換領域の深さ以上となる膜厚以上にする。詳しくは、可視光の長波長である赤色光（波長約７００ｎｍ）において、入射したうちの約５０％以上が光電変換されるだけの深さがあれば良い。さらに好ましくは、近赤外光（波長約２５００ｎｍ）において、入射したうちの約５０％以上が光電変換される深さがあれば好ましい。
もっとも好ましくは、近赤外光（波長約２５００ｎｍ）において、入射したうちの約８０％以上が光電変換される深さがあれば好ましい。具体的な深さとしては、約５μｍ以上あれば本願の効果は発揮されるが、さらに好ましくは、約６μｍ以上にすることにより、著しい効果が発揮される。最後にオンチップカラーフィルタ２２０、オンチップレンズ２３０を形成する（図２（Ｅ））。
【００２０】
このように、半導体基板表面から形成した第１のｎ型光電変換領域１３０に接続されるように、半導体基板裏面から第２のｎ型光電変換領域１４０を形成することにより、高エネルギーのイオン注入装置や厚膜レジストを使用することなく、容易な方法で半導体基板１００の表面側から深い位置に至る光電変換領域となる第１のｎ型光電変換領域１３０、第２のｎ型光電変換領域１４０を形成することができる。このことにより、図１（Ｂ）に示すように、光電変換領域において、深い領域まで十分なポテンシャルの領域および第２のｎ型光電変換領域１４０から電荷蓄積領域１２０にかけてなだらかな勾配を形成することができ、可視光領域から近赤外光領域に至るまで入射光を効率よく吸収することができるため、受光感度を向上させることができ、同時に微細化による単位画素での感度低下を抑制することができる。
【００２１】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法により、隣接する光電変換領域を電気的に分離するための素子分離領域を半導体基板裏面近傍の深さまで形成することができるので、光電変換領域を拡大して単位画素での感度向上を実現することができ多画素化されても感度低下がなく良好な固体撮像素子を製造することができる。
【００２２】
さらに、入力光が光電変換領域に到達するまでの経路に注入イオンが通過して製造する方法ではないので、入力光がイオン注入により生じた結晶欠陥などに吸収されることなく効率よく光電変換領域に到達して吸収される。このことにより、固体撮像素子の感度のばらつきを抑制して感度の向上を実現することができる。
【００２３】
上述した本実施の形態１の裏面照射型の固体撮像素子の製造方法を用いて製造された裏面照射型の固体撮像素子の実施形態２、３について以下に説明する。
（実施の形態２）
図３は実施の形態２の固体撮像素子を説明する図であり、図３（Ａ）は実施の形態２における固体撮像素子の構成を示す断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｘ’断面におけるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【００２４】
図３（Ａ）に示すように実施の形態２の裏面照射型の固体撮像素子３０における受光部２６０は、正電荷蓄積領域である第１のｐ型半導体ウェル１７０、電荷蓄積領域１２０、第１のｎ型光電変換領域１３０、第２のｎ型光電変換領域１４０を含んで形成されている。さらに、第２のｎ型光電変換領域１４０のｎ型不純物濃度は第１のｎ型光電変換領域１３０のｎ型不純物濃度に近い濃度で形成されている。この不純物濃度の差を縮めたところが、実施の形態１で示した裏面照射型の固体撮像素子１０と異なる点である。
【００２５】
このように、第２のｎ型光電変換領域１４０のｎ型不純物濃度を第１のｎ型光電変換領域１３０のｎ型不純物濃度に近い濃度で形成することにより、図３（Ｂ）に示すように、光電変換領域を深い位置まで形成することで長波長入力光を効率的に吸収できると共に、ポテンシャル勾配がなだらかに変化する実施の形態１の固体撮像素子に対して、第２のｎ型光電変換領域１４０のポテンシャルプロファイルが深く形成され、かつ、光電変換領域が横方向に広がり短波長側の光電変換領域が拡大されるために、より短波長側の感度を向上させ、かつ、フォトダイオードの容量を増加させることができる。
【００２６】
（実施の形態３）
図４は実施の形態３の固体撮像素子を説明する図であり、図４（Ａ）は実施の形態３における固体撮像素子の構成を示す断面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＸ−Ｘ’断面におけるポテンシャルプロファイルを示す図である。
【００２７】
図４（Ａ）に示すように、実施の形態３の固体撮像素子４０における受光部２６０は、正電荷蓄積領域である第１のｐ型半導体ウェル１７０、電荷蓄積領域１２０、第１のｎ型光電変換領域１３０、第２のｎ型光電変換領域１４０を含んで形成されている。さらに、実施の形態１，実施の形態２の固体撮像素子に対して、第２のｎ型光電変換領域１４０の幅Ｗ２が第１のｎ型光電変換領域１３０の幅Ｗ１よりも広く形成されることが本実施の形態の特徴である。
【００２８】
このように、第２のｎ型光電変換領域１４０の幅を第１のｎ型光電変換領域１３０の幅よりも広く形成することにより、図４（Ｂ）のポテンシャル図に示すように、光電変換領域を深い位置まで形成することで長波長入力光を効率的に吸収できると共に、第２のｎ型光電変換領域１４０の注入断面積が拡大されることで、第２のｎ型光電変換領域１４０のポテンシャルプロファイルが深く形成され、短波長側の実質的な光電変換領域がさらに拡大されるため、短波長側の感度向上させ、かつ、フォトダイオードの容量を増加させることができる。
【００２９】
以上の各実施の形態では、ｐ型の半導体基板に受光部を形成する場合を例に説明したが、それぞれ逆の導電型の拡散層を形成することにより、ｎ型の半導体基板に受光部を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、高画素化を実現しながら、長波長領域においても容易に感度の低下を抑制することができ、入射光を光電変換して画像を撮像する固体撮像素子及び固体撮像素子の製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態１の固体撮像素子を説明する図
【図２】本発明の固体撮像素子の製造方法を示す工程断面図
【図３】実施の形態２の固体撮像素子を説明する図
【図４】実施の形態３の固体撮像素子を説明する図
【図５】従来の固体撮像素子を説明する図
【符号の説明】
【００３２】
１０，３０，４０    裏面照射型の固体撮像素子
１００    半導体基板
１１０    基板材
１２０    電荷蓄積領域
１３０    第１のｎ型光電変換領域
１４０    第２のｎ型光電変換領域
１５０    第１のｐ型素子分離領域
１６０    第２のｐ型素子分離領域
１７０    第１のｐ型半導体ウェル
１８０    ＦＤ部
１９０    ゲート電極
２００    配線層
２１０    ｐ＋拡散層
２２０    カラーフィルタ
２３０    オンチップレンズ
２４０    絶縁膜
２６０    受光部
３００    半導体基板
３３０    光電変換領域
【図１】
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【図２】
2010192483.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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