JP2015170650A - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画像品質向上のため色むらを低減し、長波長成分の光を十分吸収できる固体撮像装置およびその製造方法【解決手段】実施形態の固体撮像装置は、本実施形態の固体撮像装置は、第１導電形の第１の層と、第１導電形の第２の層と、第１導電形の第３の層と、複数の第２導電形の第１の領域と、素子分離部と、画素トランジスタと、配線層と、を備える。第２導電たがの層は、第１の層に隣接して設けられ、前記第１の層より長波長帯の光に対する吸収係数が大きい。第３の層は、第２の層に隣接し第１の層と反対側に設けられる。第１の領域は、第１の層、第２の層及び第３の層内にわたって設けられ、第１の層の上面に平行な第１の方向において隣り合う。複数の第１の領域のうちの隣り合う第１の領域間の間に設けられる素子分離部から構成される【選択図】図１

Description

本実施形態は固体撮像装置及びその製造方法に関する。

カメラなどの光学機器には固体撮像装置が用いられる。固体撮像装置は、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどがある。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサには、複数の画素がマトリックス上に配列されている。各画素部にフォトダイオード及び読み出し等のトランジスタが設けられている。各画素の上面には、カラーフィルタ及びマイクロレンズが設けられている。光が三原色のカラーフィルタを透過して、それぞれの色の波長帯の光がそれぞれ対応するフォトダイオードに吸収される。各フォトダイオードは、吸収した各波長帯の光を信号電荷に変換する役割をもつ。しかし、シリコンから構成されるフォトダイオードでは赤色光領域以上の光を十分に吸収できないため画像品質の向上が見込めない問題があった。

特開２０１２−７９９７９号公報

本実施形態は、画像品質が向上した固体撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本実施形態の固体撮像装置は、第１導電形の第１の層と、第１導電形の第２の層と、第１導電形の第３の層と、複数の第２導電形の第１の領域と、素子分離部と、画素トランジスタと、配線層と、を備える。第２導電たがの層は、第１の層に隣接して設けられ、前記第１の層より長波長帯の光に対する吸収係数が大きい。第３の層は、第２の層に隣接し第１の層と反対側に設けられる。第１の領域は、第１の層、第２の層及び第３の層内にわたって設けられ、第１の層の上面に平行な第１の方向において隣り合う。複数の第１の領域のうちの隣り合う第１の領域間の間に設けられる素子分離部から構成される。

第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面図 長波長吸収層の深さ方向に対するSiGe中の組成比を示すグラフである 第１の実施形態に係る固体撮像装置の素子分離部の水平断面図。 各材料による吸収係数を示す図。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程の一部における固体撮像装置の各断面図。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程の一部における固体撮像装置の各断面図。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程の一部における固体撮像装置の各断面図。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程の一部における固体撮像装置の各断面図。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程の一部における固体撮像装置の各断面図。 第１の実施形態に係る固体撮像装置の製造工程の一部における固体撮像装置の各断面図。 第２の実施形態に係る固体撮像装置の断面図。

以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明において、n型を第１導電型、p型を第２導電型として説明している。

本実施形態に係る半導体装置１００は、例えばCMOSイメージセンサである。一例として、裏面照射型CMOSイメージセンサを示す。ここで、裏面照射型は、配線層をn型領域下層に配置する構造である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る固体撮像装置１００を図１〜図３を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１００の断面図である。

半導体層１は、第１の面１aと第１の面１aと対向する第２の面１ｂとを有する。半導体層１は、第１の面１aから第２の面１ｂに向かいp⁺エピタキシャル層２（第１の層）、長波長吸収層３（第２の層）及びシリコンエピタキシャル層４（第３の層）を有する。裏面照射型固体撮像装置において、配線層７（詳細は後述）は、長波長吸収層３とは反対側であってシリコンエピタキシャル層４に隣接して設けられる。すなわち、配線層７は、後述の画素トランジスタを間に介して、半導体層１の第１の面１aに隣接して設けられる。n型領域５（第１の領域）が半導体層１内に設けられる（詳細は後述）。各層及びn型領域５に入射した光が光電変換により信号電荷を生成し画素トランジスタ１１等を介して第２の面１ｂ側に設けられた配線層７中の配線９を通り外部へ取り出す構造を有する。

半導体層１の構成は、以下に説明される通りである。例えばp⁺エピタキシャル層２（第１の層）は、シリコンからなる半導体基板（図示しない）上に設けられる。p⁺エピタキシャル層２は、半導体基板上に例えばCVD（Chemical Vapor Deposition）法によりエピタキシャル成長させられる。

長波長吸収層３（第２の層）は、p⁺エピタキシャル層２上に設けられる。長波長吸収層３は、例えばシリコンゲルマニウム(SiGe)から構成され、赤色光の波長帯の光を効率よく吸収するために設けられる。シリコンゲルマニウムは、p⁺エピタキシャル層２上に例えばCVD法のエピタキシャル成長により形成され。シリコンゲルマニウムより格子定数の小さいシリコン上にシリコンゲルマニウムが形成されると、シリコンとシリコンゲルマニウムの界面で歪み生じる。この歪みが限界をこえると、シリコンゲルマニウムとシリコンの原子間結合が切れ、未結合手を有するシリコン原子が存在する。この未結合手を有するシリコン原子が結晶欠陥の原因となる。この結晶欠陥は、固体撮像装置の信号電荷から画像を再生する際に、画像中に暗電流又は白傷を発生させて画像品質を劣化させる。このシリコンとシリコンゲルマニウムの格子不整合による結晶欠陥の発生を防ぐため、シリコンゲルマニウム中のゲルマニウムの組成比は、図２に示すように、例えば、ａ点からｂ点に向かって、Ｇｅ組成比がゼロから徐々に増加して所定値に達した後、一定値を維持し、その後徐々に減少してゼロになる。ここで組成比とは、シリコンゲルマニウムを構成するシリコン原子の量とゲルマニウム原子の量との総和に対するＧｅ原子の量の割合である。シリコンゲルマニウムは、例えばCVD法により形成される。膜厚は、例えば10〜300nm程度である。長波長吸収層３とp⁺エピタキシャル層２の間に緩衝層を形成してシリコンとシリコンゲルマニウムの格子不整合の緩和を図ってもよい。

導電形がp型であるシリコンエピタキシャル層４（第３の層）は、長波長吸収層３に隣接し、p⁺エピタキシャル層２とは反対側に設けられる。シリコンエピタキシャル層４は、画素トランジスタ１１等をシリコン上に形成し、リーク電流の発生を抑制するために設けられる。シリコンエピタキシャル層４は、長波長吸収層３上に例えばCVD法によりエピタキシャル成長する。長波長吸収層３とシリコンエピタキシャル層４の間に緩衝層を形成してシリコンとシリコンゲルマニウムの格子不整合の緩和を図ってもよい。

n型領域５は、p+エピタキシャル層２、長波長吸収層３及びシリコンエピタキシャル層４にわたって設けられる。すなわち、n型領域５は、半導体層１の第２の面１ｂからシリコンエピタキシャル層４及び長波長吸収層３を通り抜けてp⁺形エピタキシャル層２中に達する。n型領域５の不純物濃度が、p+エピタキシャル層２からシリコンエピタキシャル層４に向かい高くなり、第２の層３と第３の層４の界面付近にリン又は砒素の不純物の濃度のピークを有するように、ｎ形領域５が設けられる。不純物、例えば、リンや砒素である。不純物濃度が高い領域を設けることにより、光電変換により発生した信号電荷が不純物濃度の高い位置に蓄積される。

p+エピタキシャル層２、長波長吸収層３及びシリコンエピタキシャル層４に対して、リン又は砒素が６５０〜４４００kVの加速電圧、及び、1×10¹²~1×10¹³cm^{-2のドーズ量でイオン注入されて、}n型領域５は、p+エピタキシャル層２、長波長吸収層３及びシリコンエピタキシャル層４中に^{形成される。不純物濃度に応じて加速度電圧を変えている。その後、不純物を熱拡散及び活性化させるため、例えば、６００〜１５００℃程度でアニールを行う。}ｎ形領域５の半導体層１中積層方向における厚みは、例えば数百nmである。

素子分離部６は、DTI（Deep Trench Isolation）構造を有し、半導体層１の第１の面１aから、すなわち、p⁺エピタキシャル層２の長波長吸収層３とは反対側の表面から、p⁺エピタキシャル層２中に延伸して設けられる。図２に示すように、半導体層１の第１の面１aに垂直方向から見た場合に、素子分離部６は、格子状に延びて、素子分離部６により囲まれ複数の区画が、半導体層１の第1の面１ａ側に形成される。すなわち、格子状の素子分離部６により形成された複数の区画内のそれぞれに複数のｎ形領域５のそれぞれが配置されて、p+エピタキシャル層２、長波長吸収層３、シリコンエピタキシャル層４、及びｎ形領域５から構成される複数の画素が構成される。

n型領域５のそれぞれが電気的に分離されることにより、１つの画素から光電変換により発生した信号電荷が隣接する画素へ侵入することを抑制することができる。素子分離部６は、RIE(Reactive Ion Etching)などにより形成されたトレンチにCVD法などを用いて酸化膜又はタングステン等の金属膜を形成することにより形成される。素子分離部６の深さは例えば300〜600nm程度であり、幅は40~200nm程度である。

カラーフィルターＣＦは、光の３原色の各波長帯の光を透過させる。各波長帯のカラーフィルターＣＦは、それぞれの画素Ｐごとにp+エピタキシャル層２上に設けられる。入射光がカラーフィルターＣＦを透過することにより、３原色の各波長帯の光が選択的に各画素に入射する。

マイクロレンズＭＬは、カラーフィルタＣＦ上に画素ごとに形成される。マイクロレンズＭＬは、入射光を各画素に十分集光できるように構成されている。

半導体層１の第２の面１ｂ上には、画素を選択する画素トランジスタ１１が複数設けられる。絶縁膜８が第２の面１b上の画素トランジスタ１１を被覆するように設けられる。絶縁膜８中には、各素子に電気的に接続された複数の配線９が設けられる。配線層７は、配線９と絶縁膜８を半導体層の積層方向に多段に積み重ねることにより形成される。配線層７は、画素トランジスタ１１を介してシリコンエピタキシャル層４に隣接して設けられる。

各配線９は、画素トランジスタ１１に電気的に接続する転送線、アドレス線、垂直信号線、リセット線などとして機能する。

支持基板１０は、半導体層１の第２の面１b上に、言い換えると、半導体層１の下に配線層７を介して設けられている。支持基盤１０はシリコン基板である。

次に本実施形態に係る固体撮像装置１００の動作及び効果について説明する。

マイクロレンズＭＬを透過した光が、カラーフィルターＣＦに入射する。カラーフィルターＣＦを透過した光のうち所定の波長帯の光が選択的にn型領域５に入射する。例えば、青色のカラーフィルタＣＦ及び緑色のカラーフィルタＣＦは、入射した光のうち、青色及び緑色の波長帯の光をそれぞれ選択的にn型領域５へ入射させる。n型領域５に吸収された光は、信号電荷を生成する。信号電荷はn型領域５の不純物濃度が高い領域に蓄積される。赤色のカラーフィルタＣＦは、入射した光のうち、赤色の波長帯の光を選択的にｎ形領域５に入射させる。このとき、図４に示すように、シリコンでは赤色の波長帯の光を十分に吸収することができない。赤色の波長帯の光のうちp+エピタキシャル層２に吸収されなかった光は、長波長吸収層３に吸収されて、信号電荷が生成される。信号電荷はn型領域５の不純物濃度が高い位置に蓄積される。その後各画素トランジスタ１１へ信号を送信することで、n型領域５に蓄積された信号電荷が読み出され、転送され、外部出力回路へ順次出力される。

本実施形態に係る固体撮像装置は、図４に示すように、長波長吸収層３として、赤色の波長帯の光に対する吸収係数が高いゲルマニウムと、シリコンと、から構成されるシリコンゲルマニウムを有する。これにより、赤色の波長帯の光を十分に吸収することが可能となる。また赤色の波長帯の光がシリコンゲルマニウムで十分吸収されるため、シリコンから構成されるp⁺エピタキシャル層２の膜厚を薄くすることが可能となる。これにより素子分離部６を深く形成する必要がなくなるため、素子分離部６の形成に起因する結晶欠陥の発生を少なくできる。これにより、暗電流の発生が抑制されて画像品質が向上する。

次に図５〜図１０を参照して本実施形態に係る固体撮像装置１００の製造方法について説明する。

図５に示すように、例えば、シリコン(Si)からなるp型半導体基板上にシリコンガスソースとしてモノシラン(SiH4)ガスを、ｐ形ドーピングガスとしてジボラン(B2H6)を用いてｐ形シリコンをエピタキシャル成長させる。これにより半導体基板sub上にシリコン層であるp⁺エピタキシャル層２が形成される。

図６に示すように、シリコンソースガスとしてモノシランガスをp型ドーピングガスとしてジボラン(B₂H₆)ガスを、及びゲルマニウムソースガスとしてモノゲルマン(GeH₄)ガスを用いてシリコンゲルマニウムから構成される長波長吸収層３が形成される。ここで、シリコンゲルマニウム層を成長開始時は、ゲルマンガスの供給量をゼロとし、成長時間の経過とともに、ゲルマンガスの供給量を増加する。ゲルマンガスの供給量が所定値に達したところで、供給量を所定時間維持し、その後、徐々にゲルマン供給量を減少させてゼロにして、シリコンゲルマニウムの成長を終える。このようにシリコンゲルマニウムを成長させることにより、長波長吸収層３中のＧｅ組成比は、図２に示したように、p⁺エピタキシャル層２との界面（図中ａ）ではゼロであり、シリコンエピタキシャル層４に向かって、徐々に増加する。その後、Ｇｅ組成比は、一定値を維持した後、シリコンエピタキシャル層４に向かって徐々に減少し、シリコンエピタキシャル層との界面（図中ｂ）でゼロになる。

また、以下のようにすることも可能である。シリコンゲルマニウムを成長開始時は、ゲルマンガスの供給量をゼロとし、成長時間の経過とともに、ゲルマンガスの供給量を徐々に増加する。所定の成長時間が経過したところで、シリコンゲルマニウムの成長を終える。このようにシリコンゲルマニウムを成長させることにより、長波長吸収層３中のＧｅ組成比は、図２に示したように、p⁺エピタキシャル層２との界面（図中ａ）ではゼロであり、シリコンエピタキシャル層４に向かって、徐々に増加する。以上より、長波長吸収層３中で、p⁺エピタキシャル層２からシリコンエピタキシャル層４方向にゲルマニウムの組成比を高くしていくことにより、シリコンとシリコンゲルマニウムとの格子不整合に起因した歪が徐々に長波長吸収層３に生じるようにする。これによりシリコンゲルマニウムとシリコンの界面での結晶欠陥を低減することが可能である。

図７に示すように、次に、モノシランガス及びジボランガスを用いてｐ形シリコンをエピタキシャル成長させる。これによりシリコンゲルマニウムから構成される長波長吸収層３上にシリコンエピタキシャル層４が形成される。これにより、p⁺エピタキシャル層２、長波長吸収層３、及びシリコンエピタキシャル層４からなる半導体層１が形成される。

図８に示すように、n型領域５を形成するため、シリコンエピタキシャル層４上にレジストパターンを形成する。厚みは例えば５〜１５mmである。このレジストパターンをマスクとしてシリコンエピタキシャル層４にリン若しくは砒素をイオン注入する。加速電圧は、６５０〜４４００kVであり、ドーズ量が、1×10¹²~1×10¹³cm^-2である。イオン注入後、熱拡散及び不純物を活性化させるため例えば６００〜１５００℃程度でアニールを行う。

図９に示すように、半導体層１の第２の面１b上に、画素トランジスタ１１が形成された後、絶縁膜８及び配線９から構成される配線層７が形成される。

配線層７を設けた後、支持基板１０が配線層７の上面に張り合わされる。

図１０に示すように、半導体基板subがCMP(Chemical Mechanical Polish)法により除去される。その後、素子分離部６の平面形状に対応した部分に開口を有するレジストパターンが、露出したp+型エピタキシャル層２の表面上に形成される。このレジストパターンの開口は、素子分離部６となる領域に対応し、図３の平面図に示すように格子状に形成される。RIE(Reactive Ion Etching)法などによりこのレジストパターンをマスクとしてp⁺型エピタキシャル層２の露出した表面がエッチングされる。これによりp⁺エピタキシャル層２上面からシリコンエピタキシャル層４方向にトレンチが形成される。深さは数nm~mmである。

次にレジストパターンをマスクとしてトレンチの側面にn型の不純物イオンを注入する。n型の不純物はリンまたは砒素である。不純物イオンをトレンチに注入する際、第１の面１ａに対して少し傾いた角度でトレンチの側壁に不純物イオンをドープする。これにより、
トレンチ側壁及び底面に不純物が注入される。

次にトレンチ内に例えばシリコン酸化膜などの絶縁膜又はタングステンなどの金属膜がCVD法などで形成される。半導体層１の第１の面１aより上側に形成されたシリコン絶縁膜がCMP(Chemical Mechanical Polish)法により除去される。これにより、素子分離部６が、p⁺型エピタキシャル層２の表面からp⁺エピタキシャル層２中に延伸するように形成される。

図１に示すようにカラーフィルタＣＦがp⁺エピタキシャル層２上に形成される。カラーフィルタＣＦは、着色顔料とフォトレジスト樹脂とを含む塗布液を、スピンコート法などのコーティング方法により半導体層１の第１の面１a上に塗布して塗膜を形成後、リソグラフィ技術により塗膜を画素単位でパターン加工して形成される。各画素単位のカラーフィルタＣＦ上にマイクロレンズＭＬが形成される。

以上の製造工程より本実施形態に係る固体撮像装置が形成されることにより、p⁺型エピタキシャル層２と長波長吸収層３との界面においてシリコンゲルマニウムとシリコンとの格子不整合による結晶欠陥の発生を抑制することが可能である。結晶欠陥の発生が抑制されることにより暗電流や白傷の発生を抑制することができる。これにより画像品質を向上させることが可能となる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態の半導体装置２００について図１１を用いて説明する。図１１は第２の実施形態の半導体装置の断面図である。

第２の実施形態の半導体装置２００が第１の実施形態と異なる点は、長波長吸収層３がシリコンゲルマニウムからなる第１光吸収層１２及びシリコンからなる第２光吸収層１３が第１の面１aから第２の面１ｂに向かって交互に設けられて形成されていることである。これ以外は第１の実施形態と同じであるので、同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態に係る半導体装置２００の構成について説明する。

長波長吸収層３はシリコンゲルマニウムからなる第１光吸収層及びシリコンからなる第２光吸収層１３であり、これらが交互に設けられ超格子層１４が形成される。第１光吸収層１２及び第２光吸収層１３は、例えばCVD法などにより形成される。超格子層１４の形成は、例えば、第１光吸収層１２を形成する際にゲルマンを供給し、第２光吸収層１３を形成するときにゲルマンの供給を止めることを交互に繰り返す、またはゲルマンの供給量を周期的に変化させることにより可能である。

第１光吸収層１２のゲルマニウムの組成比は第１の実施形態に係る長波長吸収層３のシリコンゲルマニウムのゲルマニウムの組成比よりも低く設定される。第１光吸収層１２のゲルマニウムの組成比と厚さは、p⁺エピタキシャル層２上に成長した時に格子緩和による結晶欠陥が発生しないように設定される。この第１光吸収層１２と第２光吸収層１３とが交互に繰り返された超格子構造１４は、全体を平均したゲルマニウム組成比が、所定の値になるように形成される。これにより、長波長吸収層３は、シリコンゲルマニウムとシリコンとの格子不整合による結晶欠陥の発生が抑制されるように形成される。本実施形態に係る固体撮像装置においても、第１の実施形態の固体撮像装置と同様な効果がえられる。

本実施形態に係る固体撮像装置においても、第１の実施形態の固体撮像装置と同様な効果がえられる。

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、発明の趣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。

１・・・半導体層
１a・・・第１の面
１b・・・第２の面
２・・・p+エピタキシャル層（第１の層）
３・・・長波長吸収層（第２の層）
４・・・シリコンエピタキシャル層（第３の層）
５・・・n型領域（第１の領域）
６・・・素子分離部
７・・・配線層
８・・・絶縁膜
９・・・配線
１０・・・支持基板
１１・・・画素トランジスタ
１２・・・第１光吸収層
１３・・・第２光吸収層
１４・・・超格子層

Claims (8)

1. 第１導電形の第１の層と、
   前記第１の層に隣接して設けられ、前記第１の層より長波長帯の光に対する吸収係数が大きい第１導電形の第２の層と、
   前記第２の層に隣接し前記第１の層と反対側に設けられた第１導電形の第３の層と、
   前記第１の層、前記第２の層及び前記第３の層内にわたって設けられ、前記第１の層の上面に平行な第１の方向において隣り合う複数の第２導電形の第１の領域と、
   前記複数の第１の領域のうちの隣り合う第１の領域間の間に設けられた素子分離部と、
   を有する固体撮像装置
2. 前記第２の層とは反対側で、前記第３の層上に設けられた画素トランジスタと、
   前記画素トランジスタを覆うように前第３の層上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜中に設けられ前記画素トランジスタに電気的に接続された配線と、から構成された配線層と、
   を有する請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第２の層はシリコンゲルマニウムであり、前記第１の層及び第３の層はシリコンであり、前記シリコンゲルマニウムのゲルマニウムの組成比は、第１の層から第３の層に向かって高くなる請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２の層は、第１導電形のシリコンゲルマニウムからなる第５の層と第１導電形のシリコンからなる第６の層とを交互に積層した構造である請求項１から３のいずれか１つに記載の固体撮像装置
5. 半導体基板上にシリコンをエピタキシャル成長させて第１導電形の第１の層を形成する工程と、
   前記第１の層上にシリコンゲルマニウムをエピタキシャル成長させて第１導電型の第２の層を形成する工程と、
   前記第２の層上にシリコンをエピタキシャル成長させて第１導電形の第３の層を形成する工程と、
   前記第１の層、前記第２の層及び前記第３の層内にわたって第２導電形の不純物を含む複数の第２導電形の第１の領域を形成する工程と、
   前記半導体基板を取り除く工程と、
   前記第１の層の前記半導体基板を取り除いた上面から前記第１の層中に延伸し、前記上面と平行な第１の方向において前記複数の第１の領域のそれぞれの間に配置されるように素子分離部を形成する工程と、
   前記第１の層上にカラーフィルタを形成する工程と、
   を有する固体撮像装置の製造方法。
6. 前記第２の層を形成する工程において、前記第１の層から前記第３の方向にゲルマニウムのゲルマニウム組成比が高くなるようにゲルマニウム原料の供給量を制御して前記シリコンゲルマニウムをエピタキシャル成長させる請求項５に記載の固体撮像装置の製造方法。
7. 前記第２の層を形成する工程は、第１導電形のシリコンゲルマニウムからなる第５の層を形成する工程及び第１導電形のシリコンからなる第６の層を形成する工程とを交互に有する請求項５に記載の固体撮像装置の製造方法。
8. ゲルマニウム原料の供給量を周期的に変化させて、前記第５の層を形成する工程及び前記第６の層を形成する工程を行う請求項７に記載の固体撮像装置の製造方法。

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