(57)【要約】【課題】  本発明は、ＳＯＩウエハを使用しながら、綿密に膜厚が制御された酸化膜を有する裏面照射型固体撮像素子を得ることを目的とする。【解決手段】本発明の裏面照射型固体撮像素子５４は、裏面に膜厚１〜５０ｎｍの酸化膜２を備えた半導体基板１と、半導体基板１の表面側に形成された受光部４４と電荷転送部４６と、酸化膜４４上に形成されたカラーフィルター１９とマイクロレンズ２２を備える。酸化膜２を備えた半導体基板１が、シリコン基板上に酸化膜とシリコン層が形成されたＳＯＩウエハを、ＫＯＨを主成分とする溶液で該シリコン基板を除去することにより作製される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面照射型固体撮像素子であって、
裏面に膜厚１〜５０ｎｍの酸化膜を備えた半導体基板と、前記半導体基板の表面側に形成された受光部と電荷転送部と、前記酸化膜上に形成されたカラーフィルターとマイクロレンズと、を備え、
前記酸化膜を備えた半導体基板が、シリコン基板上に酸化膜とシリコン層が形成されたＳＯＩウエハを、ＫＯＨを主成分とする溶液で該シリコン基板を除去したものであることを特徴とする裏面照射型固体撮像素子。
【請求項２】
前記酸化膜が反射防止機能を有するよう膜厚が調整されている請求項１記載の裏面照射型固体撮像素子。
【請求項３】
前記酸化膜上に形成され、該酸化膜との組み合わせにより反射防止機能を発揮する被覆膜を備える、請求項１記載の裏面照射型固体撮像素子。
【請求項４】
前記被覆膜が前記酸化膜側から順に高屈折率膜及び低屈折率膜で構成されている請求項３記載の裏面照射型固体撮像素子。
【請求項５】
前記高屈折率膜が、窒化シリコン、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化チタン、および酸化チタンから成る群から選ばれた一つの材料を含む請求項４記載の裏面照射型固体撮像素子。
【請求項６】
前記低屈折率膜が、弗化マグネシウム、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、および窒化シリコンから成る群から選ばれた一つの材料を含む請求項４又は５記載の裏面照射型固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像素子にかかり、特に、裏面照射型固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の光学装置に、固体撮像素子が使用される。一般的に、固体撮像素子は、半導体基板と、半導体基板の表面側に形成された受光部と、半導体基板に形成され受光部で発生した電荷を転送する電荷転送部とを備えている。さらに、受光部の上方の開口部にはカラーフィルター及びマイクロレンズが形成されている。固体撮像素子への入射光はマクロレンズ及びカラーフィルターを介して受光部に照射され、受光部で光電変換される。光電変換により受光部で発生した電荷が電荷転送部を経由して外部に転送される。
【０００３】
近年、小型化の要求により開口部の面積が小さくなってきたこと、及びマイクロレンズと受光部の間に複数の絶縁膜が存在することから、固体撮像素子の感度が低下するおそれがある。
【０００４】
その問題を解決するため、特許文献１には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを使用して、半導体基板の裏面側から入射する光を光電変換する裏面照射型固体撮像素子が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２６８７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１には、ＳＯＩウエハのシリコン層に素子を形成した後、シリコン基板と酸化膜を除去して、裏面を露出させ、その露出面に反射防止膜を形成することで裏面照射型固体撮像素子を製造する方法が開示されている。この裏面照射型固体撮像素子では、酸化膜を除去する工程と反射防止膜を形成する工程が必要であった。
【０００６】
本発明は、上述の問題を解決すべく、ＳＯＩウエハを使用しながら、綿密に膜厚が制御された酸化膜を有する裏面照射型固体撮像素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は前記目的を達成するために、本発明の裏面照射型固体撮像素子は、裏面に膜厚１〜５０ｎｍの酸化膜を備えた半導体基板と、前記半導体基板の表面側に形成された受光部と電荷転送部と、前記酸化膜上に形成されたカラーフィルターとマイクロレンズと、を備え、前記酸化膜を備えた半導体基板が、シリコン基板上に酸化膜とシリコン層が形成されたＳＯＩウエハを、ＫＯＨを主成分とする溶液で該シリコン基板を除去したことを特徴とする。
【０００８】
所定の設計値に合致した膜厚の酸化膜を有するＳＯＩウエハを準備し、濃度及び温度を調整したＫＯＨ溶液でシリコン基板を選択的にエッチングし、裏面照射型固体撮像素子用の酸化膜を有する半導体基板とする。ＫＯＨ溶液でシリコン基板を選択的にエッチングした後、ＨＦ溶液等を用いた再エッチングは行われない。ＳＯＩウエハで形成された酸化膜は除去されず、裏面照射型固体撮像素子の酸化膜として使用される。その結果、綿密に膜厚が制御された酸化膜を有する裏面照射型固体撮像素子を得ることができる。
【０００９】
本発明の裏面照射型固体撮像素子においては、酸化膜が反射防止機能を有するよう膜厚が調整されていることが好ましい。酸化膜が反射防止機能を有することで、新たに反射防止膜を形成する必要がないからである。
【００１０】
本発明の裏面照射型固体撮像素子においては、酸化膜上に形成され、該酸化膜との組み合わせにより反射防止機能を発揮する被覆膜を備えるものであることが好ましい。酸化膜と被覆膜を組み合わせることで、所望の反射防止効果を得やすくなるからである。
【００１１】
本発明の裏面照射型固体撮像素子においては、被覆膜が酸化膜側から順に高屈折率膜及び低屈折率膜で構成されていることが好ましい。酸化膜―高屈折率膜−低屈折率膜の組み合わせが、反射防止機能に優れているからである。
【００１２】
本発明の裏面照射型固体撮像素子においては、高屈折率膜が、窒化シリコン、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、窒化チタン、および酸化チタンから成る群から選ばれた一つの材料を含むものであることが好ましい。これらの材料が高屈折率膜として適しているからである。
【００１３】
本発明の裏面照射型固体撮像素子においては、低屈折率膜が、弗化マグネシウム、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、および窒化シリコンから成る群から選ばれた一つの材料を含むものであることが好ましい。これらの材料が低屈折率膜として適しているからである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＳＯＩウエハを使用しながら、綿密に膜厚が制御された酸化膜を有する裏面照射型固体撮像素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下添付図面に従って本発明に係る裏面照射固体撮像素子の好ましい実施の形態を説明する。但し、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００１６】
〔固体撮像装置〕
図１は本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の外観形状を示す斜視図である。固体撮像装置５０は、裏面照射型固体撮像素子５４が形成された固体撮像素子チップ５２、固体撮像素子チップ５２に設けられた裏面照射型固体撮像素子５４を取り囲む枠形状のスペーサ５６、及びスペーサに取り付けられ、裏面照射型固体撮像素子５４を封止するカバーガラス５８から構成される。外部との配線を行うため、固体撮像素子チップ５２は複数のパッド６０を備えている。
【００１７】
〔固体撮像素子〕
本発明においては、図２に示すように、ＳＯＩウエハ３０が使用され、裏面照射型固体撮像素子が形成される。ＳＯＩウエハ３０は、シリコン基板３１とシリコン酸化膜３２とシリコン層３３を備えている。ＳＯＩウエハ３０を製作する方法にはいくつかの種類がある。ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ＩＭｐｌａｎｔｅｄ  ＯＸｙｇｅｎ）は、シリコン基板に酸素イオンを注入した後、高温度で熱処理することによりシリコン基板とシリコン層の間に埋め込みシリコン酸化膜を形成する方法である。ＥＬＴＲＡＮ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｙｅｒ  ＴＲＡＮｓｆｅｒ）（キャノン株式会社の登録商標）は、種となるシードシリコン基板に多孔質膜を形成し、多孔質膜上にエピタキシャル層及びシリコン酸化膜層を形成し、シリコン酸化膜層を介して支持シリコン基板を貼り付けて、多孔質膜でシードシリコン基板を分離するという方法である。また、Ｓｍａｒｔ−Ｃｕｔ（SOITEC社の登録商標）は、酸化膜を形成したシリコン基板に水素イオン注入した後、他のシリコン基板を貼り合せ、水素イオン注入部分からシリコン基板を剥離してＳＯＩウエハを得る方法である。それ以外の方法で製造されたＳＯＩウエハを本発明に好適に使用することができる。
【００１８】
上述の方法で製作されたＳＯＩウエハ３０に電荷転送部及び受光部等を含む機能部３４を形成するため、複数の半導体プロセスが実行される、その結果、図２（ａ）に示すように、シリコン層３３の表層部に電荷転送部及び受光部等を含む機能部３４が形成される。
【００１９】
次いで、ＳＯＩウエハ３０からシリコン基板３１を除去するため、ＳＯＩウエハ３０がＫＯＨ溶液でエッチング処理される。ＫＯＨ溶液は、ＫＯＨ（水酸化カリウム）とＩＰＡ（イソプロピルアルコール）と水の混合液であり、ＫＯＨ濃度は１０〜５０ｖｏｌ％に調整される。また、ＫＯＨ溶液は４０℃〜７５℃に温度制御される。
【００２０】
ＫＯＨ溶液をエッチング液として使用する理由は、シリコン基板３１とシリコン酸化膜３２の選択比が（Ｓｉ：ＳｉＯ２＝１００：１以上）と大きいので０．２〜１０μｍ／ｍｉｎでエッチングでき、シリコン酸化膜３２をエッチングストップ層とすることができるからである。
【００２１】
シリコン基板３１がＳＯＩウエハ３０から除去され、シリコン酸化膜３２を備えたシリコン層３３が裏面照射型固体撮像素子のシリコン酸化膜２を備えた半導体基板１となる。本発明においては、ＳＯＩウエハ３０のシリコン酸化膜３２が裏面照射型固体撮像素子のシリコン酸化膜２となることを特徴とする。
【００２２】
但し、ＳＯＩウエハ３０のシリコン酸化膜３２が希望する膜厚と異なるときは、シリコン酸化膜３２の膜厚がエッチングにより調整される場合がある。シリコン酸化膜３２は所定膜厚を有するよう作製されているので、たとえ膜厚にずれが生じてもその差は小さい。エッチング量が少ないので、ＳＯＩウエハ３０のシリコン酸化膜３２を固体撮像素子のシリコン酸化膜２として要求される膜厚に精度よく調整することは容易に実現される。シリコン酸化膜３２の調整は、例えばＫＯＨ溶液で行われる。シリコン基板３１を除去した後、引き続きＫＯＨ溶液を使用することでシリコン酸化膜３２をエッチングすることができる。シリコン酸化膜３２対するＫＯＨ溶液のエッチング速度は遅いので、膜厚の調整に適している。
【００２３】
図３は、本発明を適用した裏面照射のＣＣＤ型の固体撮像素子５４の断面構造を示している。固体撮像素子５４は、ｐ型シリコン層１ａと、ｐ型シリコン層１ａよりも不純物の高いｐ＋＋型シリコン層１ｂとを有するｐ型半導体基板１を備える。ｐ型半導体基板１は第１面４０と第１面４０とは反対側の第２面４２とを備えている。本明細書ではｐ型半導体基板１の第２面４２を裏面と称し、第２面４２側から光を照射する固体撮像素子を裏面照射の固体撮像素子と称している。
【００２４】
入射光に応じてｐ型半導体基板１内で発生した電荷を蓄積するため、ｎ型不純物拡散層４がｐ型半導体基板１の第１面４０側に複数形成されている。ｎ型不純物拡散層４は、第１面４０側から順に形成されたｎ型不純物拡散層４ａとｎ−型不純物拡散層４ｂを有する２層構造となっている。ｎ型不純物拡散層４で発生した電荷と、第２面４２側からの入射光がｐ型半導体基板１を通過する際に発生した電荷がｎ型不純物拡散層４に蓄積される。入射光に対応して電荷を生じるｎ型不純物拡散層４とｐ型半導体基板１が受光部４４を構成する。
【００２５】
高濃度のｐ＋型不純物拡散層５が各ｎ型不純物拡散層４上に形成されている。ｐ型半導体基板１の第１面４０に発生する暗電荷が各ｎ型不純物拡散層４に蓄積されるのを防止するためである。ｎ型不純物拡散層４より高濃度のｎ＋型不純物拡散層６が各ｐ＋型不純物拡散層５内において、第１面４０側からｐ型半導体基板１内部に向かうよう形成されている。ｎ＋型不純物拡散層６はｎ型不純物拡散層４に蓄積される不要な電荷を排出するためのオーバーフロードレインとして機能する。ｐ＋型不純物拡散層５はオーバーフロードレインのオーバーフローバリアとして機能する。
【００２６】
電荷転送チャネル１２がｎ型不純物拡散層４とｐ＋型不純物拡散層５と離間する位置で、ｐ型半導体基板１の第１面４０側に形成されている。また、ｐ＋型不純物拡散層５より低濃度のｐ型不純物拡散層１１が電荷転送チャネル１２を囲むように形成されている。
【００２７】
シリコン酸化膜やＯＮＯ膜等からなるゲート絶縁膜２０がｐ型半導体基板１の第１面４０上に形成されており、さらにゲート絶縁膜２０上にはポリシリコン等からなる転送電極１３が形成されている。電荷転送チャネル１２と転送電極１３とにより受光部で発生した電荷が転送され、ＣＣＤ（電荷転送部４６）を構成する。転送電極１３の表面は酸化膜１４で覆われている。
【００２８】
電荷が隣接するｎ型不純物拡散層４にリークするのを防止するため、素子分離層１５が隣接するｎ型不純物拡散層４間に形成される。
【００２９】
酸化シリコン等の絶縁膜９が転送電極１３及び酸化膜１４を覆うように第１面４０上に形成されている。電極７がｎ＋型不純物拡散層６と電気的に接続するよう絶縁膜９に形成されたコンタクトホールを介して形成されている。電極７と電気的に接続するように電極８が絶縁膜９上に設けられていている。電極８上には保護層１０が形成されている。さらに保護層１０上にはシリコンやガラス等からなるサポート基板４８が表面活性化技術等の貼合法により設けられている。
【００３０】
ｐ型半導体基板１の裏面側から内側には、ｐ型半導体基板１の裏面で発生する暗電荷がｎ型不純物拡散層４に移動するのを防ぐため、ｐ＋＋型シリコン層１ｂが設けられている。ｐ＋＋型シリコン層１ｂには端子が接続され、この端子に所定の電圧を印加することができる。ｐ＋＋型シリコン層１ｂの不純物濃度は、例えば１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３のである。
【００３１】
アルミパッド１６が第１面４０上に形成され、絶縁膜９で覆われている。アルミパッド１６を露出するためｐ型半導体基板１に貫通孔１７が形成される。この貫通孔１７を介して金属ワイヤ（図示せず）がアルミパッド１６の露出面に対しワイヤボンディグされる。なお、貫通孔１７内で金属ワイヤがｐ型半導体基板１に接触するのを防止するため、貫通孔１７の側壁には絶縁層１８が形成されている。
【００３２】
ｐ型半導体基板１の第２面４２上には、入射光に対し透明なシリコン酸化膜２が形成されている。本発明では、ＳＯＩウエハを作製したときに形成されたシリコン酸化膜をシリコン酸化膜２として利用する。
【００３３】
シリコン酸化膜２上に被覆膜３が形成される。被覆膜３は反射防止膜として機能するよう、シリコン酸化膜２の屈折率及び膜厚を考慮して、屈折率や膜厚が適宜選択された単膜又は複数膜で構成される。シリコン酸化膜２と被覆膜３の組み合わせが、実質的には反射防止膜を構成する。シリコン酸化膜２の膜厚を調整することで、シリコン酸化膜２だけで反射防止膜が構成される場合もある。
【００３４】
被覆膜３は絶縁膜で形成されるので、貫通孔側壁の絶縁層１８を被覆膜３と同じ工程で形成することができる。これは工程の省略という効果をもたらす。
【００３５】
被覆膜３上には複数のカラーフィルター１９が形成される。各カラーフィルター１９は異なる波長域の光を透過するよう構成される。混色を防止するため、遮光部材２１が各カラーフィルター１９間に形成されている。遮光部材２１として光を透過させない材料、例えばＷ，Ｍｏ，Ａｌ（アルミニウム）やブラックフィルタが用いられている。裏面からの入射光を効率よく電荷発生領域であるｎ型不純物拡散層４に導くため、マイクロレンズ２２がカラーフィルター１９上に形成される。
【００３６】
固体撮像素子としては、本実施の形態で説明した裏面照射のＣＣＤ型固体撮像素子でも、裏面照射のＣＭＯＳ型固体撮像素子でも良い。
【００３７】
図４は裏面照射型の固体撮像素子に形成されるシリコン酸化膜２と被覆膜３の構成を示している。図４（ａ）はマイクロレンズを備えた固体撮像素子を示し、図４（ｂ）はマイクロレンズに換えてリッドガラスを備えた固体撮像素子を示している。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、半導体基板１はシリコン酸化膜２を備えている。シリコン酸化膜２の膜厚は２５ｎｍで、屈折率は１．４５である。シリコン酸化膜２上に２層の膜からなる被覆膜３が形成されている。この被覆膜３は、半導体基板１から順に高屈折率を持つ酸化チタンからなる第１膜３ａ及び低屈折率を持つ酸化シリコンからなる第２膜３ｂで構成される。第１膜３ａの膜厚は４０ｎｍで、その屈折率は２．０である。また、第２膜３ｂの膜厚は８０ｎｍで、その屈折率は１．４６である。第２膜３ｂ上には半導体基板１から順にカラーフィルター１９及びマイクロレンズ２２が形成される。
【００３９】
次に、図４（ｂ）に示すように、半導体基板１はシリコン酸化膜２を備えている。シリコン酸化膜２の膜厚は２５ｎｍで、屈折率は１．４５である。シリコン酸化膜２上に２層の膜からなる被覆膜３が形成される。この被覆膜３は、半導体基板１から順に高屈折率を持つ酸化チタンからなる第１膜３ａ及び低屈折率を持つ酸化シリコンからなる第２膜３ｂで構成される。第１膜３ａの膜厚は４０ｎｍで、その屈折率は２．０である。また、第２膜３ｂの膜厚は１３０ｎｍで、その屈折率は１．４６である。第２膜３ｂ上には半導体基板１から順にカラーフィルター１９及び厚さ１ｍｍ以上のリッドガラス２４が設けられる。
【００４０】
図４では２層の被覆膜の構成を示したが、所定の反射防止率を得るため、膜の材質、屈折率、膜厚及び膜の数が適宜選択され半導体基板の上に形成される。
【００４１】
上述のように本発明によれば、ＳＯＩウエハを使用しながら、綿密に膜厚が制御された酸化膜を有する固体撮像素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の外観形状を示す斜視図
【図２】本発明の実施形態を説明するための概略断面図
【図３】本発明の固体撮像素子の概略断面図
【図４】本発明の実施例を説明するための概略断面図
【符号の説明】
【００４３】
１・・・半導体基板、２・・・シリコン酸化膜、３・・・被覆膜、１９・・・カラーフィルター、２２・・・マイクロレンズ、４４・・・受光部、４６・・・電荷転送部、５０・・・固体撮像装置、５４・・・固体撮像素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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