(57)【要約】      （修正有）【課題】特性の良好な固体撮像装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】ｎ型拡散層１０ｎ及びｐ型領域１０ｐによって光電変換が行われる半導体層１０と、半導体層１０上に設けられ、負の固定電荷を有する膜である中間膜２０と、中間膜２０上に設けられた反射防止膜３０と、反射防止膜３０上に設けられた、金属、金属酸化物、又は金属窒化物を含む膜である導電性膜４０と、を備えた。【選択図】図１
2015233079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換を行う半導体層と、
前記半導体層上に設けられ、負の電荷を有する中間膜と、
前記中間膜上に設けられた反射防止膜と、
前記反射防止膜上に設けられた導電性膜と、
を備えた固体撮像装置。
【請求項２】
前記導電性膜は、金属、金属酸化物及び金属窒化物の少なくともいずれかを含む請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記導電性膜は、窒化チタン及び窒化タンタルの少なくともいずれかを含む請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記導電性膜の厚みは、１０ナノメートル以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記導電性膜の厚みは、５ナノメートル以上１０ナノメートル以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記反射防止膜は、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、及び酸化チタンの少なくともいずれかを含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記反射防止膜は、屈折率２以上の物質を含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記中間膜は、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン及び酸化タンタルの少なくともいずれかを含む請求項１〜７のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記導電性膜上に設けられた酸化膜をさらに備えた請求項１〜８のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
光電変換を行う半導体層の上に、負の電荷を有する中間膜を形成する工程と、
前記中間膜上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜上に導電性膜を形成する工程と、
を備えた固体撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に光電変換素子を設けた固体撮像装置がＣＣＤ（Charge-Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサ等に利用されている。
【０００３】
固体撮像装置は、表面照射型と裏面照射型の２つの型に大別される。表面照射型の固体撮像装置は、信号読出回路等が形成された半導体基板表面側から光を受光する構造を有する。裏面照射型の固体撮像装置は、半導体基板表面と反対の面側から光を受光する構造を有する。画素数の増大化に伴う画素の微細化が進み、このような構造を有する固体撮像装置において、表示品質の向上が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１２５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、特性の良好な固体撮像装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、光電変換を行う半導体層と、前記半導体層上に設けられ、負の電荷を有する中間膜と、前記中間膜上に設けられた反射防止膜と、前記反射防止膜上に設けられた導電性膜と、を備えた固体撮像装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態に係る固体撮像装置を示す模式的断面図である。
【図２】本実施形態に係る固体撮像装置の特性を示す図である。
【図３】固体撮像装置の特性を示す参考図である。
【図４】本実施形態に係る固体撮像装置の特性を示す図である。
【図５】本実施形態に係る固体撮像装置の特性を示すグラフ図である。
【図６】本実施形態に係る固体撮像装置の特性を示すグラフ図である。
【図７】固体撮像装置の製造工程の一部のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置を示す模式的断面図である。  
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置の特性を示す図である。
図３は、固体撮像装置の特性を示す参考図である。
図４は、本実施形態に係る固体撮像装置の特性を示す図である。
図２及び図４において、本実施形態の固体撮像装置の一部が示されている。図３において、参考形態の固体撮像装置の一部が示されている。
【００１０】
図１に表すように、固体撮像装置１００は、半導体層１０と、半導体層１０の第２面１０ｂ上に設けられた中間膜２０と、中間膜２０の上に設けられた反射防止膜３０と、反射防止膜３０の上に設けられた導電性膜４０と、導電性膜４０の上に設けられた酸化膜５０と、酸化膜５０の上に設けられたカラーフィルタ６０と、カラーフィルタ６０の上に設けられたマイクロレンズ７０と、半導体層１０の第１面１０ａ上に設けられた配線層８０と、を有する。配線層８０上には支持基板９０が設けられる。
【００１１】
半導体層１０は、第１面１０ａ及び第２面１０ｂを有する。第１面１０ａは、第２面１０ｂの反対側の面である。本実施形態において、第１面１０ａが表面であり、第２面１０ｂが裏面である。本実施形態の固体撮像装置１００は、裏面照射型の固体撮像装置である。
【００１２】
中間膜２０は、負の固定電荷を有する膜である。中間膜２０は、例えば、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｘ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、又は酸化タンタル（ＴａＯｘ）を含む膜である。また、中間膜２０は、これらの材料の少なくともいずれかを含む膜でも良い。中間膜２０として、酸化ハフニウム及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の積層膜が用いられても良い。
【００１３】
半導体層１０がシリコン（Ｓｉ）を含む層であり、酸化膜５０が二酸化ケイ素等のシリコン酸化物を含む膜である場合、シリコンとシリコン酸化物との界面には、界面準位による暗電流が発生することがある。また、シリコンの表面（第２面１０ｂ）を任意の厚さまで加工する場合、欠陥準位がシリコンの表面に生じて暗電流及び白キズが発生する。さらに、プラズマＣＶＤ（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）を用いた成膜工程、及び、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching： RIE）によって、積層体が第２面１０ｂ側に形成されるので、暗電流及び白キズが増大する。
【００１４】
暗電流とは、固体撮像装置１００において、光がないときに流れる漏れ電流である。また、白キズとは、漏れ電流によって発生する欠陥である。
【００１５】
図２に表すように、シリコンを含む半導体層１０上に中間膜２０を設けると、負の電荷２０ｅが中間膜２０に蓄積される。また、正孔（ホール）１０ｈが半導体層１０に蓄積される。半導体層１０と中間膜２０との界面において、蓄積された正孔１０ｈと、暗電流を発生させる電子（暗電子）と、が再結合して暗電子は消失し、暗電流の発生が抑制される。
【００１６】
反射防止膜３０は、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸化タンタル、又は酸化チタンを含む膜である。また、反射防止膜３０は、これらの材料の少なくともいずれかを含む膜でも良い。反射防止膜３０の材料として、タンタル化合物、又はチタン化合物を用いることができる。
【００１７】
反射防止膜３０を設けると、半導体層１０に入射する光量が増加する。半導体層１０に入射する光量が増加すると、画素の感度を高めることができる。反射防止膜３０は、屈折率２．０以上の膜であることが望ましい。例えば、６３３ナノメートルの光の波長に対するシリコン酸化物の屈折率は、１．５である。６３３ナノメートルの光の波長に対する窒化ケイ素及び酸窒化ケイ素の屈折率は、１．８である。光の波長６３３ナノメートルに対する酸化タンタルの屈折率は、２．１である。光の波長６３３ナノメートルに対する窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、及び酸化タンタルの屈折率は、シリコン酸化物の屈折率より高い。反射防止膜３０として屈折率２．０以上の膜を用いると、画素の感度を高めることができる。また、反射防止膜３０として、屈折率２．０以上の膜を含む積層膜を用いても良い。
【００１８】
導電性膜４０は、金属、金属酸化物、又は金属窒化物を含む膜である。また、導電性膜４０は、これらの材料の少なくともいずれかを含む膜でも良い。例えば、金属として、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、又は、これらの合金が用いられる。金属酸化物として、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、又は酸化錫（ＳｎＯ）が用いられる。金属窒化物として、窒化チタン（ＴｉＮ）、又は窒化タンタル（ＴａＮ）が用いられる。例えば、金属にプラズマ窒化処理を行うことで金属窒化物が生成される。
【００１９】
酸化膜５０は、例えば、シリコン酸化膜である。酸化膜５０は、導電性膜４０の上に設けられている。酸化膜５０は、反射防止膜３０及び導電性膜４０の間に設けられても良い。
カラーフィルタ６０は、それぞれ異なる波長域の光を透過する。カラーフィルタ６０は、例えば、赤色の波長域の光を透過するＲカラーフィルタと、緑色の波長域の光を透過するＧカラーフィルタと、青色の波長域の光を透過するＢカラーフィルタと、を有する。酸化膜５０とカラーフィルタ６０との間に平坦化層を設けても良い。カラーフィルタ６０が形成される面が平坦化層によって平坦化される。
【００２０】
マイクロレンズ７０は、光源から入射された光を集光し、半導体層１０の第２面１０ｂ（裏面）側に光を導く。
【００２１】
配線層８０は、多層配線８１と、層間絶縁層８２と、を有する。多層配線８１は、層間絶縁層８２内に形成される。
【００２２】
半導体層１０は、シリコン基板等の半導体基板上に形成されたエピタキシャル層である。半導体層１０は、ｎ形拡散層１０ｎと、ｐ形領域１０ｐと、を有する。半導体層１０の膜厚は、例えば、４マイクロメートル程度である。
また、転送トランジスタ１１と、トランジスタ群１２と、が半導体層１０及び配線層８０の境界付近に設けられている。トランジスタ群１２は、例えば、増幅トランジスタと、リセットトランジスタと、アドレストランジスタと、を有する。
【００２３】
ｎ形拡散層１０ｎ及びｐ形領域１０ｐによって光電変換が行われる。つまり、マイクロレンズ７０から半導体層１０に向かう方向に照射された光が信号変換されて電荷が蓄積される。ｎ形拡散層１０ｎは、光電変換により発生した信号電子を蓄積する。転送トランジスタ１１は、ｎ形拡散層１０ｎに蓄積された信号電子を拡散層等に移動させる。拡散層等に接続された増幅トランジスタが信号電子を増幅して多層配線８１に出力する。アドレストランジスタは、増幅トランジスタが信号電子を出力するタイミングを制御する。リセットトランジスタは、増幅トランジスタを初期状態に制御する。
【００２４】
ｎ形拡散層１０ｎ及びｐ形領域１０ｐによって形成された領域は、画素領域に対応する。画素領域間（点線部分１０ｄ）に分離層を設けても良い。画素領域間での光電子の混色が分離層によって抑制される。また、分離層を反射性の材料によって形成されると、画素の感度を高めることができる。
【００２５】
ここで、中間膜２０、反射防止膜３０、導電性膜４０、酸化膜５０、カラーフィルタ６０及びマイクロレンズ７０を有する積層体が、半導体層１０の第２面１０ｂ上に設けられている。このような積層体は、プラズマＣＶＤを用いた成膜工程、及び、反応性イオンエッチングによって形成される。積層体の形成過程において、積層体は正に帯電され易くなり、中間膜２０に蓄積される負の電荷２０ｅが減少する。
【００２６】
例えば、図３に表すように、反射防止膜３０の上に導電性膜４０が設けられていない場合、反射防止膜３０の表面が正に帯電され、中間膜２０に蓄積される負の電荷２０ｅが減少する。負の電荷２０ｅが減少すると、半導体層１０に蓄積される正孔１０ｈが減少する。また、正孔１０ｈが減少すると、正孔１０ｈと再結合する暗電子が減少する。これにより、暗電流及び白キズが増大する。
【００２７】
一方で、本実施形態の固体撮像装置１００において、光電変換が行われる半導体層１０の上に中間膜２０を形成し、中間膜２０の上に反射防止膜３０を形成し、反射防止膜３０の上に導電性膜４０を形成している。このように導電性膜４０を形成すると、積層体は正に帯電し難くなり、中間膜２０に蓄積される負の電荷２０ｅが減少しない。
【００２８】
例えば、図４に表すように、反射防止膜３０の上に設けられた導電性膜４０によって、反射防止膜３０の表面が正に帯電し難くなり、中間膜２０に蓄積される負の電荷２０ｅが減少しない。つまり、反射防止膜３０の表面が正に帯電することで生じる反射防止膜３０の電荷集中が抑制される。これにより、負の電荷２０ｅを有する中間膜２０によって、半導体層１０と中間膜２０との界面に正孔１０ｈを蓄積させることができるので、暗電流及び白キズの発生が抑制される。なお、このように正孔１０ｈを界面に蓄積させることができる負の電荷効果を有するものであれば固定電荷に限定されない。
【００２９】
図５は、本実施形態に係る固体撮像装置の特性を示すグラフ図である。
図６は、本実施形態に係る固体撮像装置の特性を示すグラフ図である。
図５は、固体撮像装置１００の導電性膜４０の膜厚を変えた場合、光の波長と、反射率との関係を示している。図６は、固体撮像装置１００において、導電性膜４０の膜厚と、平均反射率との関係を示している。図５及び図６は、シミュレーション結果である。
【００３０】
図５において、横軸は、光の波長（ナノメートル）を示し、縦軸は、反射率を示している。反射率は、中間膜２０、反射防止膜３０、導電性膜４０、酸化膜５０、カラーフィルタ６０及びマイクロレンズ７０を有する積層体の光反射率（任意単位）である。反射防止膜３０は、酸化チタン（ＴｉＯ２）を含む膜であり、導電性膜４０は、窒化チタン（ＴｉＮ）を含む膜である。
【００３１】
曲線（ａ）は、導電性膜４０の膜厚が０ナノメートルである場合の曲線を示している。つまり、曲線（ａ）において、導電性膜４０は、固体撮像装置１００に設けられていない。また、曲線（ｂ）は、導電性膜４０の膜厚が５ナノメートルである場合の曲線を示している。曲線（ｃ）は、導電性膜４０の膜厚が１０ナノメートルである場合の曲線を示している。曲線（ｄ）は、導電性膜４０の膜厚が１５ナノメートルである場合の曲線を示している。曲線（ｅ）は、導電性膜４０の膜厚が２０ナノメートルである場合の曲線を示している。
【００３２】
図６において、横軸は、導電性膜４０の膜厚（ナノメートル）を示し、縦軸は、平均反射率（任意単位）を示している。平均反射率は、光の波長が４００から７００ナノメートルにおける積層体の光反射率の平均値である。反射防止膜３０は、酸化チタン（ＴｉＯ２）を含む膜であり、導電性膜４０は、窒化チタン（ＴｉＮ）を含む膜である。
【００３３】
導電性膜４０の膜厚が０ナノメートル場合、平均反射率は、０．０４３である。導電性膜４０の膜厚が５ナノメートル場合、平均反射率は、０．０５５である。導電性膜４０の膜厚が１０ナノメートル場合、平均反射率は、０．０９１である。導電性膜４０の膜厚が１５ナノメートル場合、平均反射率は、０．１３８である。導電性膜４０の膜厚が２０ナノメートル場合、平均反射率は、０．１８９である。
【００３４】
図５に表すように、導電性膜４０の膜厚を薄くすると反射率は低くなる。図６に表すように、導電性膜４０の膜厚を薄くすると平均反射率は低くなる。反射率を低くすると、半導体層１０に入射する光量が増加する。半導体層１０に入射する光量が増加すると、画素の感度を高めることができる。つまり、導電性膜４０の膜厚を薄くすると、画素の感度を高めることができる。
【００３５】
ここで、半導体層の上に設けられた中間膜と、中間膜の上に設けられた反射防止膜と、反射防止膜の上に設けられた酸化膜と、酸化膜の上であって画素間（カラーフィルタ間）に設けられた遮光メタルと、を有する固体撮像装置がある。このような固体撮像装置において、遮光メタルの形成によって画素の感度が低くなる。例えば、固体撮像装置に遮光メタルを形成すると、６％程度の感度低下が認められる。
【００３６】
遮光メタル構造を有する固体撮像装置の感度の損失を考慮すると、本実施形態の固体撮像装置１００において、導電性膜４０の膜厚を１０ナノメートル以下にすることが望ましい。導電性膜４０の膜厚を１０ナノメートル以下にすると、導電性膜４０による光の吸収や反射が抑制される。光の吸収や反射が抑制されるので、画素の感度を高めることができる。導電性膜４０の製造を考慮すると、導電性膜４０の膜厚は、例えば、５ナノメートル以上１０ナノメートル以下である。
【００３７】
反射防止膜３０の上に導電性膜４０を設けることで、積層体内が帯電することによって生じる電荷集中を抑制できる。これにより、中間膜２０が有する負の電荷を固定する機能が低減することを抑制できる。また、導電性膜４０の膜厚を１０ナノメートル以下にすることによって感度低下を抑制できる。
本実施形態によれば、特性の良好な固体撮像装置が提供される。
【００３８】
図７は、固体撮像装置の製造工程の一部のフローチャートである。
光電変換を行う半導体層１０の第２面１０ｂに、負の固定電荷を有する中間膜２０を形成する（ステップＳ１１０）。配線層８０及び支持基板９０は、半導体層１０の第１面１０ａに設けられている。
【００３９】
中間膜２０の上に、反射防止膜３０を形成する（ステップＳ１２０）。反射防止膜３０によって画素の感度を高めることができる。
【００４０】
反射防止膜３０の上に、導電性膜４０を形成する（ステップＳ１３０）。導電性膜４０によって、反射防止膜３０の表面が正に帯電することで生じる反射防止膜３０の電荷集中が抑制される。また、導電性膜４０の上に、酸化膜５０、カラーフィルタ６０及びマイクロレンズ７０等が形成される。
【００４１】
中間膜２０、反射防止膜３０、導電性膜４０、酸化膜５０、カラーフィルタ６０及びマイクロレンズ７０等は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、塗布法、スパッタリングや真空蒸着を含むＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法、及び／又は反応性イオンエッチングを用いて形成される。
【００４２】
本実施形態によれば、特性の良好な固体撮像装置の製造方法が提供される。
【００４３】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体層、中間膜、反射防止膜、導電性膜、酸化膜、カラーフィルタ、マイクロレンズ、配線層及び支持基板などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００４４】
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。
【符号の説明】
【００４５】
１０…半導体層、  １０ａ…第１面、  １０ｂ…第２面、  １０ｄ…点線部分、  １０ｈ…正孔、  １０ｎ…ｎ形拡散層、  １０ｐ…ｐ形領域、  １１…転送トランジスタ、  １２…トランジスタ群、  ２０…中間膜、  ２０ｅ…電荷、  ３０…反射防止膜、  ４０…導電性膜、  ５０…酸化膜、  ６０…カラーフィルタ、  ７０…マイクロレンズ、  ８０…配線層、  ８１…多層配線、  ８２…層間絶縁層、  ９０…支持基板、  １００…固体撮像装置
【図１】
2015233079.tif 000003
【図２】
2015233079.tif 000004
【図３】
2015233079.tif 000005
【図４】
2015233079.tif 000006
【図５】
2015233079.tif 000007
【図６】
2015233079.tif 000008
【図７】
2015233079.tif 000009