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JP2008172005A - 固体撮像装置、電子モジュール及び電子機器 - Google Patents

固体撮像装置、電子モジュール及び電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】固体撮像装置において、光電変換部に入射する光の劣化を生じることなく、白点の発生確率の低減を図る。
【解決手段】固体撮像装置1を、光電変換部が、半導体基板の表面側に設けられ、半導体基板内の金属不純物を光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが、半導体基板から離れて裏面側に設けられた構成とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、固体撮像装置と、この固体撮像装置を有する電子モジュール及び電子機器に関する。
フォトダイオードを含む光電変換素子を有する画素が、2次元マトリクス状に多数配列された固体撮像装置が知られている。
このような固体撮像装置としては、読み出しや転送の方式に対応して、CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)型の固体撮像装置や、CCD(Charge-Coupled Device)型の固体撮像装置が挙げられる。
特に、CMOS型の固体撮像装置は、近年の半導体製造プロセスの進歩により、特性の優れた装置が多く開発されるようになったため、注目されている。
図6は、従来のCMOS型固体撮像装置の構成を示す概略構成図である。このCMOS型固体撮像装置101は、第1導電型、例えばN型のシリコン半導体基板102に、第2導電型であるP型の半導体ウェル領域103が形成され、このP型半導体ウェル領域103の画素分離領域110で区画された単位画素領域に、光電変換素子となるフォトダイオード105及び複数のMOSトランジスタからなるMOSトランジスタ群106を有する。
フォトダイオード105は、画素分離領域110及びP型半導体ウェル領域103で囲まれたN型半導体領域で形成される。すなわち、表面から深い位置にある低不純物濃度のN型半導体領域(N半導体領域)111と表面側の高不純物濃度のN型半導体領域(N半導体領域)112により形成される。さらにN半導体領域112の表面側の界面に、暗電流発生を抑制するための高不純物濃度のP型半導体領域からなるPアキュミュレーション層113が形成される。このフォトダイオード105は、いわゆるHAD(Hole Accumulation Diode)センサとして構成されている。
MOSトランジスタ群106は、フォトダイオードに接続された読出しトランジスタ107と、その他のMOSトランジスタ108で構成される。
読出しトランジスタ107は、P型半導体ウェル領域103に形成されたNソース・ドレイン領域114と、フォトダイオード105のN半導体領域112と、Nソース・ドレイン領域114及びフォトダイオード105間の基板表面にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極118とにより形成される。
他のMOSトランジスタ108は、P型半導体ウェル領域103に形成されたNソース・ドレイン領域115及び116と、両Nソース・ドレイン領域115及び116間の基板表面にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極119とにより形成される。例えば4つのMOSトランジスタで構成される場合には、読出しトランジスタ、リセットトランジスタ、アンプトランジスタ及び垂直選択トランジスタで構成される。さらに、基板表面上には、層間絶縁膜123を介して多層の配線層125が形成される。また、カラーフィルタ及びオンチップレンズ(図示せず)等も形成される。
フォトダイオード105に入射する光は、信号電荷蓄積、読出し動作を行うMOSトランジスタが形成されている基板表面側から照射される。このような表面照射型のCMOS型固体撮像装置101においては、基板表面側フォトダイオード105への集光効率を上げるために反射防止膜126が形成される。表面照射型のCMOS型固体撮像装置101では、フォトダイオード、MOSトランジスタ群及び配線層などの経時劣化を防止するための保護膜と、その下の層間絶縁膜などにより、通常4層以上のシリコン酸化(SiO)膜、シリコン窒化(SiN)膜がフォトダイオード105上に設けられることになる。
ところで、このような固体撮像装置の製造において、半導体基板の内部に金属、特に重金属等の不純物が混入していると、製造された半導体デバイスの品質や特性が著しく低減してしまう。
不純物混入の原因としては、半導体基板を製造する過程において使用する水や各種ガスに不純物が含まれていたり、或いは使用する装置の構成部材から不純物が発生することによるものであると考えられるが、これらの不純物を完全に除去するには限界があり、不純物が全く混入していない半導体基板を製造することは困難である。
そこで、半導体基板の内部に混入された不純物を捕獲し、固定する機能を有するゲッタリングサイトを半導体基板の内部に形成し、同ゲッタリングサイトで半導体基板の表面近傍の不純物を捕獲し固定することによって、半導体基板の表面近傍から不純物を除去するゲッタリングが行われている(例えば特許文献1参照)。
このようなゲッタリングの例としては、半導体基板の内部に層状にゲッタリングサイトを形成する内部ゲッタリング(IG:Intrinsic Gettering)や、半導体基板の裏面にゲッタリングサイトを形成する外部ゲッタリング(EG:Extrinsic Gettering)が挙げられる。
しかしながら、このようなゲッタリングサイトによるのみの従来構成においては、不純物を捕獲し固定するゲッタリング能力が充分とは言い難い。また、いったんゲッタリングサイトで捕獲された不純物が、後になってゲッタリングサイトからフォトダイオードへ流出してしまうおそれもあり、白点の発生確率も高まってしまう。
特開2006−93175号公報
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、不純物に対するゲッタリング能力の高いゲッタリングサイトを有する固体撮像装置と、この固体撮像装置を有する電子機器とを提供することにある。
本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板上に、電荷蓄積領域を含む光電変換部と、この光電変換部で得られた電荷を読み出すトランジスタと、を有する画素が、複数、2次元マトリクス状に配列されて撮像領域を構成する固体撮像装置であって、前記光電変換部が、前記半導体基板の表面側に設けられ、前記半導体基板内の金属不純物を、少なくとも前記光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが、前記半導体基板から離れて裏面側に設けられていることを特徴とする。
本発明に係る電子モジュールは、固体撮像装置を備えた電子モジュールであって、前記固体撮像装置が、半導体基板上に、電荷蓄積領域を含む光電変換部と、光電変換部で得られた電荷を読み出すトランジスタと、を有する画素が、複数、2次元マトリクス状に配列されて撮像領域を構成する固体撮像装置であって、前記光電変換部が、前記半導体基板の表面側に設けられ、前記半導体基板内の金属不純物を、少なくとも前記光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが、前記半導体基板から離れて裏面側に設けられていることを特徴とする。
本発明に係る電子機器は、固体撮像装置を備えた電子機器であって、前記固体撮像装置が、半導体基板上に、電荷蓄積領域を含む光電変換部と、光電変換部で得られた電荷を読み出すトランジスタと、を有する画素が、複数、2次元マトリクス状に配列されて撮像領域を構成する固体撮像装置であって、前記光電変換部が、前記半導体基板の表面側に設けられ、前記半導体基板内の金属不純物を、少なくとも前記光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが、前記半導体基板から離れて裏面側に設けられていることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像装置によれば、光電変換部が、半導体基板の表面側に設けられ、半導体基板内の金属不純物を光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが半導体基板から離れて裏面側に設けられている。したがって、光電変換部に入射する光がゲッタリングサイトに影響されることを回避できるとともに、白点の発生確率の低減が図られる。
本発明に係る電子モジュールによれば、この電子モジュールを構成する固体撮像装置において、光電変換部が、半導体基板の表面側に設けられ、半導体基板内の金属不純物を光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが半導体基板から離れて裏面側に設けられている。したがって、優れた特性を有する電子モジュールを得ることができる。
本発明に係る電子機器によれば、この電子機器を構成する固体撮像装置において、光電変換部が、半導体基板の表面側に設けられ、半導体基板内の金属不純物を光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが半導体基板から離れて裏面側に設けられている。したがって、優れた特性を有する電子機器を得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
本実施形態においては、裏面側(配線部とは反対側)から光電変換部への光照射がなされる構成を有する、所謂裏面照射型のCMOS型固体撮像装置における場合を例として説明を行う。
図1Aは、本実施形態に係る固体撮像装置1の、2次元マトリクス状に配列されて撮像領域を構成する画素2のうちの1つを示す、上面図である。なお、この上面図では、便宜のために、半導体基板21を露出させ、裏面側から示している。
この固体撮像装置1において、画素2は、電荷蓄積領域を含む光電変換部3と、この光電変換部2で得られた電荷を読み出すトランジスタなどが設けられた配線部4とを有する。本実施形態において、配線部4は、図中にゲート電極で模式的に示すように、読み出しトランジスタ5と、リセットトランジスタ6と、増幅トランジスタ7とを有する。
図1Bに、図1Aにおけるa−a´面での断面図を示す。
本実施形態に係る固体撮像装置1においては、光電変換部3の要部となるフォトダイオードが、この固体撮像装置1の半導体基板(シリコン層)21に対して表面側(図1Aにおいては紙面に対して奥側;破線図示)に設けられているのに対し、配線部4を構成する読み出しトランジスタのゲート電極5、リセットトランジスタのゲート電極6、増幅トランジスタのゲート電極7は、半導体基板に対して裏面側(図1Aでは紙面に対して手前側)に設けられている。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置1は、裏面照射型の固体撮像装置である。
そして、本実施形態に係る固体撮像装置1においては更に、例えば後述するようにエピタキシャル成長とイオン注入によって形成されるゲッタリング積層部8が、各トランジスタのゲート電極5〜7と同様に、裏面側に形成されている。
本実施形態において、ゲッタリング積層部8は、後述するように、半導体基板(シリコン層)21の内部に、炭素または炭素とリンを含有する、ゲッタリングサイト8aを有している。
このゲッタリングサイト8aの位置は、光電変換部3との距離、つまり深さ(垂直距離)とズレ(水平距離)の和が、0.2μm以上、可能であれば0.3μm以上、離れた位置とされることが好ましい。このように離して配置することにより、ゲッタリングした不純物が光電変換部3に流入することをより確実に回避でき、白点の発生確率も低減できる。なお、後述する製造過程における配線層等の形成を容易に行うために、ゲッタリング積層部8は、半導体基板(シリコン層)21から1μm以下の高さとされることが好ましいため、この高さを考慮してゲッタリングサイト8aの位置を選定することが、特に好ましいと考えられる。
また、このゲッタリング積層部8には、バイアスが印加されていることが好ましい。暗電流の発生を抑制できるためである。
図1Cに、図1Aにおけるb−b´面での断面図を示す。
本実施形態に係る固体撮像装置1は、ゲッタリング積層部8を含まないb−b´断面において、表面側(図中では下側)から順に、層間絶縁膜11中に設けられた複数層の配線層12と、P型やN型の不純物領域を内包する半導体基板(シリコン層)21と、反射防止膜28と、カラーフィルタ9と、オンチップレンズ10とが形成されて構成されている。
層間絶縁膜11と半導体基板21との間には、ゲート絶縁膜となる薄い絶縁膜(図示せず)が形成され、この絶縁膜の表面側に、電荷を読み出すためのゲート電極5が設けられている。
半導体基板(シリコン層)21内には、光電変換部3のフォトダイオードを構成するN型領域17が厚さ方向に厚く形成されており、N型領域17の表面側に正電荷蓄積領域(P領域)16が形成されている。また、ゲート電極5の下の読み出し領域を介して、N型のフローティングディフュージョン(FD)15が形成されている。
これら、ゲート電極5と、N型領域17の先端部と、フローティングディフュージョン15とにより、読み出しトランジスタが構成される。動作時には、ゲート電極5をオン状態にすることにより、電荷eがフローティングディフュージョン15に読み出される。
本実施形態に係る固体撮像装置1の構成によれば、裏面照射型の固体撮像装置であることから、オンチップレンズ10と半導体基板(シリコン層)21との間に配線層12がなく、ゲッタリング積層部8も配線層12と同じ側に設けられている。
したがって、ゲッタリングサイトを有するにもかかわらず、入射光のケラレを生じることなく、入射光量を増すことができる。また、光電変換部3の面積を増やしたりN型領域17のパターン形状を光が入射し易いように設定したりすることや、感度の向上を図ることができる。また、周辺画素におけるシェーディングの発生を抑制することが可能となる。
また、本実施形態に係る固体撮像装置1においては、隣接する画素の光電変換部3のN型領域17の間に、画素分離領域として、P領域(高濃度のP型領域)18が深さ方向の全体にわたって形成されている。これにより、各画素のN型領域17を電気的に分離して、隣接する画素間における電気的混色を防止することができる。
さらに、本実施の形態の固体撮像装置1においては、N型領域17の裏面側、即ちカラーフィルタ9側にも、P領域19が形成されている。これにより、界面準位に起因する暗電流も低減することができる。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の、製造方法の一例について説明する。
まず、図2Aに示すように、シリコン基板23の表面側に、SiOによる中間層22を介してシリコン層21が所定の厚さで形成されている、SOI基板24を用意する。
このSOI基板24のシリコン層21内に、フォトダイオードを構成するN型領域17と、裏面側のP領域19と、表面側のP領域16と、フローティングディフュージョン15となるN型領域を、それぞれイオン注入により形成する。また、併せてカラーフィルタやオンチップレンズの位置合わせのための合わせマーク26も形成する。なお、N型領域17は、上部と下部のパターンが異なるので、例えば下部を形成するイオン注入と上部を形成するイオン注入との2回に分けて形成する。
このとき、シリコン層21の厚さが5μm以下である場合には、図示しないフォトレジストをマスクとして用いてイオン注入を行うことができるが、シリコン層21の厚さが5μmを超える場合には、酸化膜等によるハードマスクを用いて比較的高いエネルギーでイオン注入を行う必要がある。
ここで、最終的にゲッタリング積層部8が形成される箇所(図1B参照)において、図3Aに示すように、例えばCap膜31を形成して所定位置に開口を形成した後、エピタキシャル成長によってゲッタリング積層部8を形成する。
続いて、イオン注入により、ゲッタリング積層部8及びCap膜31の所定の深さに、炭素または炭素及びリンを打ち込んで、図3Bに示すように、ゲッタリング積層部8内に、ゲッタリングサイト8aを形成する。
続いて、図3Cに示すように、Cap膜31を除去する。
このようにしてゲッタリング積層部8を形成した後、図2Bに示すように、シリコン層21の上に前面的に、層間絶縁膜11を介して多層の配線層12が形成されて成る配線部4を形成する。更に、図示しないが、配線部4の上面に保護膜を形成する。この保護膜は、配線部4が吸湿して配線層12に悪影響を及ぼさないようにするためのものであり、例えばプラズマCVD法でシリコン窒化膜を形成する。
続いて、図2Cに示すように、支持基板32を用意してその一面に接着層33を形成し、この接着層33を介して、支持基板32を配線部12を内包する層間絶縁膜11の上に接着する。そして、400℃以下の熱処理を施すことにより、接着を行う。この熱処理は、配線層12を形成した後であるため、配線層12に影響しないよう、400℃以下の低温で行う。この場合の接着層33としては、SOG(スピン・オン・グラス)や、金属接合が可能な金属層を用いることができる。
続いて、図4Aに示すように、ウエハを反転させ、例えば、バックグラインド法や、CMP法や、ウエットエッチング等により、裏面側をエッチングして、SOI基板24のシリコン基板23と中間層(SiO膜)22を除去し、図4Bに示すように、シリコン層21を露出させる。
続いて、図示しないがシリコン層21の上面を酸化して酸化膜を形成する。
その後、図4Cに示すように、シリコン層21の上に反射防止膜28を形成し、その上にカラーフィルタ9及びオンチップレンズ10を順次形成する。なお、図示しないが、外部端子接続用等のパッド電極の形成も行う。
このようにして、本実施形態に係る裏面照射型の固体撮像装置1を製造する。
次に、本発明に係る電子モジュール及び本発明に係る電子機器の、実施の形態を説明する。
図5は、本実施形態に係る電子モジュール及び電子機器の模式図である。
本実施形態に係る電子機器(例えばカメラ)40は、固体撮像装置1、光学レンズ系41、入出力部42、信号処理装置(Digital Signal Processors)43、光学レンズ系制御用の中央演算装置(CPU)44を有する。なお、固体撮像装置1、光学レンズ系41及び入出力部42のみで電子モジュール(例えばカメラモジュール)45を形成することもできるし、固体撮像装置1、光学レンズ系41、入出力部42及び信号処理装置(Digital Signal Processors)43をのみで電子モジュール(例えばカメラモジュール)46を構成することもできる。
以上の実施の形態及び実施例で説明したように、本実施形態に係る固体撮像装置によれば、光電変換部が、半導体基板の表面側に設けられ、半導体基板内の金属不純物を光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが半導体基板から離れて裏面側に設けられている。したがって、光電変換部に入射する光がゲッタリングサイトに影響されることを回避できるとともに、白点の発生確率の低減が図られる。
また、本実施形態に係る電子モジュールによれば、この電子モジュールを構成する固体撮像装置において、光電変換部が、半導体基板の表面側に設けられ、半導体基板内の金属不純物を光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが半導体基板から離れて裏面側に設けられている。したがって、優れた特性を有する電子モジュールを得ることができる。
また、本実施形態に係る電子機器によれば、この電子機器を構成する固体撮像装置において、光電変換部が、半導体基板の表面側に設けられ、半導体基板内の金属不純物を光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが半導体基板から離れて裏面側に設けられている。したがって、優れた特性を有する電子機器を得ることができる。
また、従来の裏面照射型のCMOS型固体撮像装置においては、光が入射する側にゲッタリングサイトが設けられていると、入射光のケラレを生じるために特性の低下を招くおそれがあったが、本実施形態に係る固体撮像装置においては、ゲッタリングサイトによる入射光のケラレ等を抑制できる。したがって、本発明構成は、特に裏面照射型の固体撮像装置において優れた固体撮像装置を構成することができると考えられる。
なお、裏面照射型のCMOS型固体撮像装置によれば、表面照射型の装置で生じるような、配線層等の障害物により入射光のケラレを生じるなどの問題を回避することもできる。したがって、本実施形態に係る固体撮像装置においては、ゲッタリングサイトによるケラレの回避と併せて、感度の向上やシェーディングの抑制も図られる。
すなわち、このような裏面照射型のCMOS固体撮像装置は、光が配線層等の障害物の影響を受けないため、実効開口率の向上などによる感度の改善を図ることができる。
また、配線層を光電変換部上に形成しても入射光が遮られないため、配線層のレイアウトの自由度が高くなる。これにより、配線層を多層に形成して画素の面積を縮小することにより、素子の高集積化を図ることができる。
また、図示しないが、本実施形態に係る固体撮像装置において、ゲッタリング積層部8は、複数の画素が2次元マトリクス状に配列されて構成される撮像領域の、内部ではなく外周部に設けられることが好ましい。
撮像領域の内部(例えば各画素の分離領域)に設けられる場合に比べ、各画素における面積の一部をゲッタリング積層部8が占有することを回避でき、画素の微細化を図ることも可能となるためである。
なお、以上の実施の形態の説明で挙げた使用材料及びその量、処理時間及び寸法などの数値的条件は好適例に過ぎず、説明に用いた各図における寸法形状及び配置関係も概略的なものである。すなわち、本発明は、この実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述の実施の形態では、ゲッタリング積層部8の形成後に配線層12の形成を行う例を説明したが、予め配線層12及び層間絶縁膜11を形成した後、層間絶縁膜11の所定箇所に開口を形成した後、ゲッタリング積層部8の形成を行っても良い。
また、例えば、前述の実施形態における製造方法の例では説明及び図示を省略したが、光電変換部を構成する半導体領域の形成を行う際に、周辺回路部の半導体領域(例えばトランジスタを構成する半導体領域など)や配線などを同時に形成することも可能であるなど、本発明は、種々の変更及び変形をなされうる。
A〜C それぞれ、本発明に係る固体撮像装置の一例における、画素の概略構成を示す上面図と、a−a´面での断面図と、b−b´面での断面図である。 A〜C 本発明に係る固体撮像装置の、製造方法の一例の説明に供する工程図である。 A〜C 本発明に係る固体撮像装置の、製造方法の一例の説明に供する工程図である。 A〜C 本発明に係る固体撮像装置の、製造方法の一例の説明に供する工程図である。 本発明に係る電子モジュール及び電子機器の、一例の構成を示す模式図である。 従来の固体撮像装置の構成を示す概略断面図である。
符号の説明
1・・・固体撮像装置、2・・・画素、3・・・光電変換部、4・・・配線部、5・・・読み出しトランジスタ(ゲート)、6・・・リセットトランジスタ(ゲート)、7・・・増幅トランジスタ(ゲート)、8・・・ゲッタリング積層部、8a・・・ゲッタリングサイト、9・・・カラーフィルタ、10・・・オンチップレンズ、11・・・層間絶縁膜、12・・・配線層、14・・・ゲート電極、15・・・フローティングディフュージョン、16,18,19・・・P領域、17・・・N型領域、21シリコン層、22・・・中間層、23・・・シリコン基板、24・・・SOI基板、26・・・合わせマーク、28・・・反射防止膜、31・・・Cap膜、32・・・支持基板、33・・・接着層、40・・・電子機器、41・・・光学レンズ系、42・・・入出力部、43・・・信号処理装置、44・・・中央演算装置、45,46・・・電子モジュール

Claims (7)

  1. 半導体基板上に、電荷蓄積領域を含む光電変換部と、該光電変換部で得られた電荷を読み出すトランジスタと、を有する画素が、複数、2次元マトリクス状に配列されて撮像領域を構成する固体撮像装置であって、
    前記光電変換部が、前記半導体基板の表面側に設けられ、
    前記半導体基板内の金属不純物を、少なくとも前記光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが、前記半導体基板から離れて裏面側に設けられている
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記光電変換部が、前記半導体基板の表面側に設けられ、
    前記トランジスタが、前記半導体基板から離れて裏面側に設けられている
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  3. 前記ゲッタリングサイトが、エピタキシャル成長によって形成された
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  4. 前記ゲッタリングサイト、バイアスが印加されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  5. 前記ゲッタリングサイトが、前記撮像領域の外周部に設けられている
    ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
  6. 固体撮像装置を備えた電子モジュールであって、
    前記固体撮像装置が、
    半導体基板上に、電荷蓄積領域を含む光電変換部と、該光電変換部で得られた電荷を読み出すトランジスタと、を有する画素が、複数、2次元マトリクス状に配列されて撮像領域を構成する固体撮像装置であって、
    前記光電変換部が、前記半導体基板の表面側に設けられ、
    前記半導体基板内の金属不純物を、少なくとも前記光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが、前記半導体基板から離れて裏面側に設けられている
    ことを特徴とする電子モジュール。
  7. 固体撮像装置を備えた電子機器であって、
    前記固体撮像装置が、
    半導体基板上に、電荷蓄積領域を含む光電変換部と、該光電変換部で得られた電荷を読み出すトランジスタと、を有する画素が、複数、2次元マトリクス状に配列されて撮像領域を構成する固体撮像装置であって、
    前記光電変換部が、前記半導体基板の表面側に設けられ、
    前記半導体基板内の金属不純物を、少なくとも前記光電変換部から離隔するゲッタリングサイトが、前記半導体基板から離れて裏面側に設けられている
    ことを特徴とする電子機器。
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