特許 5745866 固体撮像素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5745866

(24)【登録日】2015年5月15日

(45)【発行日】2015年7月8日

(54)【発明の名称】固体撮像素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/14 20060101AFI20150618BHJP

   H04N 5/33 20060101ALI20150618BHJP

   H04N 5/335 20110101ALI20150618BHJP

   H04N 9/07 20060101ALI20150618BHJP

   H01L 27/144 20060101ALI20150618BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/14 D

   H04N5/33

   H04N5/335

   H04N9/07 A

   H01L27/14 K

【請求項の数】4

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2011-5968(P2011-5968)

(22)【出願日】2011年1月14日

(65)【公開番号】特開2012-146920(P2012-146920A)

(43)【公開日】2012年8月2日

【審査請求日】2013年11月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】391016358

【氏名又は名称】東芝情報システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100074147

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 崇

(72)【発明者】

【氏名】石川 通弘

【審査官】 柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２４２８７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１０２３６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００４−５１２６８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５２９１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３０５９９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４

Ｈ０１Ｌ ２７／１４４

Ｈ０４Ｎ ５／３３

Ｈ０４Ｎ ５／３３５

Ｈ０４Ｎ ９／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光電変換により発生した電荷を蓄積する同じ材料の不純物層により構成されるフォトダイオードをそれぞれシリコン基板に設けて構成した赤画素、緑画素、青画素及び赤外画素を具備した固体撮像素子において、
前記赤外画素のフォトダイオードと前記シリコン基板との間に、前記シリコン基板を構成するシリコンよりもバンドギャップが小さい第１の半導体を設け、前記赤外画素のフォトダイオードを前記第１の半導体に形成することを特徴とする固体撮像素子。

【請求項2】

前記赤画素のフォトダイオードと前記シリコン基板との間に、前記シリコン基板を構成するシリコンよりもバンドギャップが小さい第２の半導体であって、前記第１の半導体よりもバンドギャップが大きい第２の半導体を設け、前記赤画素のフォトダイオードを前記第２の半導体に形成することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

【請求項3】

前記第１の半導体と前記第２の半導体として、シリコンゲルマニウムを用いたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。

【請求項4】

赤画素、緑画素及び青画素の画素数よりも、赤外画素の画素数が少なく構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、固体撮像素子に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の固体撮像素子においては、赤画素、緑画素及び青画素を具備したものであり、赤外光を同時に受光して画像形成に使用するものではなかった。

【0003】

上記に対し、画素領域の一部の画素においては、カラーフィルターが形成されていると共に、オンチップレンズの上方に、可視光を透過するが赤外光を透過しない赤外線カット膜が形成され、画素領域の残りの画素においては、赤外線カット膜が形成されていない固体撮像素子が提供されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−２４２８７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記の固体撮像素子によれば、赤外の画像信号を演算により得る必要があり、固体撮像素子自体が赤外の画像信号を出力することができないという問題を有していた。

【0006】

本発明は上記のような従来の固体撮像素子における問題点を解決せんとしてなされたもので、その目的は、赤画素、緑画素、青画素と同時に赤外光を受光し画像信号を出力することのできる固体撮像素子を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る固体撮像素子は、光電変換により発生した電荷を蓄積する同じ材料の不純物層により構成されるフォトダイオードをそれぞれシリコン基板に設けて構成した赤画素、緑画素、青画素及び赤外画素を具備した固体撮像素子において、前記赤外画素のフォトダイオードと前記シリコン基板との間に、前記シリコン基板を構成するシリコンよりもバンドギャップが小さい第１の半導体を設け、前記赤外画素のフォトダイオードを前記第１の半導体に形成することを特徴とする。
る。

【0009】

本発明に係る固体撮像素子では、前記赤画素のフォトダイオードと前記シリコン基板との間に、前記シリコン基板を構成するシリコンよりもバンドギャップが小さい第２の半導体であって、前記第１の半導体よりもバンドギャップが大きい第２の半導体を設け、前記赤画素のフォトダイオードを前記第２の半導体に形成することを特徴とする。

【0010】

本発明に係る固体撮像素子では、前記第１の半導体と前記第２の半導体として、シリコンゲルマニウムを用いたことを特徴とする。

【0011】

本発明に係る固体撮像素子は、赤画素、緑画素及び青画素の画素数よりも、赤外画素の画素数が少なく構成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係る固体撮像素子によれば、赤画素、緑画素、青画素及び赤外画素を具備しているので、可視光から赤外光まで広範囲の波長を同時に受光して撮像を行うことができる。

【0013】

本発明に係る固体撮像素子によれば、赤外画素のフォトダイオードをシリコンよりもバンドギャップが小さい半導体に形成しているので、赤外光に対する感度を向上させることができる。

【0014】

本発明に係る固体撮像素子によれば、赤画素のフォトダイオードをシリコンよりもバンドギャップが小さい半導体であって、赤外画素が形成された半導体よりもバンドギャップが大きい半導体に形成しているので、赤画素の赤色光に対する感度と赤外画素の赤外光に対する感度をそれぞれ個別に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明に係る固体撮像素子における第１の実施形態の画素配列を示す平面図。

【図2】本発明に係る固体撮像素子における第２の実施形態の画素配列を示す平面図。

【図3】本発明に係る固体撮像素子における第３の実施形態の深さ方向の構成を示す断面図。

【図4】本発明に係る固体撮像素子における第４の実施形態の深さ方向の構成を示す断面図。

【図5】本発明に係る固体撮像素子における第４の実施形態の製造工程を示す断面図。

【図6】本発明に係る固体撮像素子における第４の実施形態の製造工程を示す断面図。

【図7】本発明に係る固体撮像素子における第４の実施形態の製造工程を示す断面図。

【図8】本発明に係る固体撮像素子における第５の実施形態の深さ方向の構成を示す断面図。

【図9】本発明に係る固体撮像素子における第５の実施形態の製造工程を示す断面図。

【図10】本発明に係る固体撮像素子における第５の実施形態の製造工程を示す断面図。

【図11】本発明に係る固体撮像素子における第５の実施形態の製造工程を示す断面図。

【図12】本発明に係る固体撮像素子における第５の実施形態の製造工程を示す断面図。

【図13】本発明に係る固体撮像素子における第５の実施形態の製造工程を示す断面図。

【図14】本発明に係る固体撮像素子における第５の実施形態の製造工程を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図面を参照して本発明に係る固体撮像素子の実施形態を説明する。各図において、同一の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。図１は、第１の実施形態に係る固体撮像素子における各画素の配列を示す平面図である。赤画素、緑画素、青画素及び赤外画素がマトリックスの各位置に設けられている。マトリックス状以外に、ハニカム状等に配列されていても良い。この図１の例では、赤画素、緑画素、青画素、赤外画素の画素数比率をベイヤー配列にならって、１：２：１：１としている。

【0017】

しかしながら、赤外画素の解像度を可視光の解像度ほど必要がない場合には、赤外画素を間引いて、赤画素、緑画素、青画素の画素数を赤外画素の画素数より多くすることができる。図２は、第２の実施形態に係る固体撮像素子における各画素の配列を示す平面図である。この第２の実施形態にあっては、赤画素、緑画素、青画素、赤外画素の画素数比率を、２：４：２：１としている。第１の実施形態と比べて、赤外画素の画素数比率を半分に減少させた比率を採用したものである。

【0018】

画素の配列は第１の実施形態と第２の実施形態など、適宜な配列を採用し、深さ方向の構成を図３のように構成した第３の実施形態を説明する。この固体撮像素子は、Ｐ型シリコン（Si）半導体基板１０を備え、このＰ型シリコン（Si）半導体基板１０に、光電変換により発生した電荷を蓄積するＮ型不純物層１１、１２、１３、１４が設置されている。

【0019】

Ｎ型不純物層１１、１２、１３、１４のそれぞれの表面側には、Ｐ型シリコン半導体基板１０の表面をシールドし、フォトダイオードの暗電流を抑制するためのＰ型不純物層１５、１６、１７、１８が設置されている。更に、Ｎ型不純物層１１、１２、１３、１４のそれぞれの間には、フォトダイオード間の分離を強化するＰ型不純物層２１、２２、２３、２４、２５がＮ型不純物層１１、１２、１３、１４の深さより深い位置まで設置されている。

【0020】

Ｐ型シリコン半導体基板１０の受光面より上部側（撮像対象側）には、画素の配列を実現するように、入射光から赤色光、緑色光、青色光、赤外光を分離する（透過させる）カラーフィルター２６、２７、２８、２９が配置されている。カラーフィルター２６から、Ｐ型シリコン半導体基板１０側を見込んだ領域が赤画素３１であり、カラーフィルター２７から、Ｐ型シリコン半導体基板１０側を見込んだ領域が緑画素３２であり、カラーフィルター２８から、Ｐ型シリコン半導体基板１０側を見込んだ領域が青画素３３であり、カラーフィルター２９から、Ｐ型シリコン半導体基板１０側を見込んだ領域が赤外画素３４である。

【0021】

上記構成の固体撮像素子によれば、赤画素３１、緑画素３２、青画素３３、赤外画素３４のいずれもが、Ｐ型シリコン半導体基板１０に形成されている。シリコン（Ｐ型シリコン半導体基板１０）のバンドギャップは1.12eVであるから、フォトダイオードにおいて理論的には1107nmより短い波長で光電変換が起き、可視光から赤外光まで広範囲の波長を受光して撮像を行うことができる。

【0022】

しかしながら、バンドギャップ近傍のエネルギーを有する波長の変換効率は良くないため、赤外画素３４において赤外光の感度が十分に得られないことが考えられる。そこで、第４の実施形態として、深さ方向の構成を図４のように構成した固体撮像素子を説明する。この固体撮像素子は、第３の実施形態における赤外画素３４の部分を変更し、赤外画素３４’としたものである。この固体撮像素子は、光電変換により発生した電荷を蓄積するためのＮ型不純物層１４と、Ｎ型不純物層１４の表面側に設けられ、Ｐ型シリコン半導体基板１０の表面をシールドし、フォトダイオードの暗電流を抑制するためのＰ型不純物層１８により構成されるフォトダイオードをシリコン（Ｐ型シリコン半導体基板１０）よりもバンドギャップが小さいシリコンゲルマニウム４１内に形成したものである。

【0023】

図４に示した固体撮像素子の製造方法を、図５から図７の工程断面図を用いて説明する。まず、図５に示すように、Ｐ型シリコン半導体基板１０上にマスク材となるマスク材酸化膜５１を形成し、後に赤外画素３４’のフォトダイオードとなる領域上のマスク材酸化膜５１をエッチングする。このとき、マスク材酸化膜５１は、後にフォトダイオード間の分離を強化するＰ型不純物層２４、２５が設置される領域まで広くエッチングする。

【0024】

次に、マスク材酸化膜５１をマスクとして、後に赤外画素３４’のフォトダイオードとなる領域のＰ型シリコン半導体基板１０をエッチングすることにより、図６に示す断面構成を作成する。このとき、エッチングされたＰ型シリコン半導体基板１０部分の深さを、後に設置されるＮ型不純物層１４の深さより深くしておく。

【0025】

続いて、後に赤外画素３４’のフォトダイオードとなる領域のＰ型シリコン半導体基板１０に形成された凹部に、シリコンゲルマニウム４１を結晶成長により選択的に形成し、図７に示す断面構成を作成する。

【0026】

次に、マスク材酸化膜５１を剥離して、フォトダイオード間の分離を強化するＰ型不純物層２１、２２、２３、２４、２５を形成し、光電変換により発生した電荷を蓄積するＮ型不純物層１１、１２、１３、１４を形成する。更に、Ｎ型不純物層１１、１２、１３、１４のそれぞれの表面側に、Ｐ型シリコン半導体基板１０の表面をシールドし、フォトダイオードの暗電流を抑制するためのＰ型不純物層１５、１６、１７、１８を形成して図４に示した固体撮像素子を得る。

【0027】

この構成により、赤外画素３４’のフォトダイオードはシリコンゲルマニウム４１内に形成される。シリコンゲルマニウム４１のバンドギャップは、シリコン（Ｐ型シリコン半導体基板１０）のバンドギャップ1.12eVよりも小さくなる。例えば、シリコンゲルマニウム４１のゲルマニウム濃度を２０％とすると、シリコンゲルマニウム４１のバンドギャップは、1.03eVとなる。このとき、フォトダイオードでは理論的には1204nmより短い波長で光電変換が起きる。

【0028】

即ち、シリコン（Ｐ型シリコン半導体基板１０）に形成したフォトダイオードよりも97nm長い波長から光電変換が起きることになる。この結果、赤外画素３４′において赤外光の感度を向上させることができる。また、シリコンゲルマニウム４１におけるゲルマニウム濃度を変えることによって、バンドギャップを0.67eVから1.12eVの範囲において所望の値に設定することができる。従って、赤外画素３４′において赤外光の感度を所望の特性に設定することができる。

【0029】

前述の通り、マスク材酸化膜５１は、後にフォトダイオード間の分離を強化するＰ型不純物層２４、２５が設置される領域まで広くエッチングした。また、Ｐ型シリコン半導体基板１０のエッチングされた部分の深さを、後に設置されるＮ型不純物層１４の深さより深くした。これによって、結晶成長により選択的に形成されるシリコンゲルマニウム４１とＰ型シリコン半導体基板１０の境界は、Ｐ型不純物層２４、２５側へ突出し、後に設置されるＮ型不純物層１４の深さより深い部位へ到る。この境界部がフォトダイオード内にあると暗電流が増加するが、光電変換により発生した電荷を蓄積するＮ型不純物層１４が上記境界部を含まないことにより、暗電流の増加を抑制することができる。

【0030】

次に、第５の実施の形態に係る固体撮像素子を説明する。この固体撮像素子では図８に示すように、第４の実施の形態に対し、赤画素３１’のフォトダイオードを、シリコンよりもバンドギャップが小さい半導体であって、赤外画素が形成された半導体よりもバンドギャップが大きい半導体内に構成したものである。

【0031】

この第５の実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法を、図９から図１４の工程断面図を用いて説明する。図９から図１１までの工程は、第４の実施の形態における図５から図７によって説明した通りであるため、説明を省略する。例えば、シリコンゲルマニウム４１のゲルマニウム濃度は２０％としておく。図１１の状態において、マスク材酸化膜５１を剥離し、Ｐ型シリコン半導体基板１０上にマスク材となるマスク材酸化膜５２を形成し、後に赤画素３１’のフォトダイオードとなる領域上のマスク材酸化膜５２を図１２に示すようにエッチングする。このとき、マスク材酸化膜５２は、後にフォトダイオード間の分離を強化するＰ型不純物層２１、２２が設置される領域まで広くエッチングする。

【0032】

次に、マスク材酸化膜５２をマスクとして、後に赤画素３１’のフォトダイオードとなる領域のＰ型シリコン半導体基板１０をエッチングすることにより、図１３に示す断面構成を作成する。このとき、エッチングされた部分の深さを、後に設置されるＮ型不純物層１１の深さより深くしておく。

【0033】

続いて、後に赤画素３１’のフォトダイオードとなる領域のＰ型シリコン半導体基板１０に形成された凹部に、ゲルマニウム濃度が１０％のシリコンゲルマニウム４２を結晶成長により選択的に形成し、図１４に示す断面構成を作成する。

【0034】

次に、マスク材酸化膜５２を剥離して、フォトダイオード間の分離を強化するＰ型不純物層２１、２２、２３、２４、２５を形成し、光電変換により発生した電荷を蓄積するＮ型不純物層１１、１２、１３、１４を形成する。更に、Ｎ型不純物層１１、１２、１３、１４のそれぞれの表面側に、Ｐ型シリコン半導体基板１０の表面をシールドし、フォトダイオードの暗電流を抑制するためのＰ型不純物層１５、１６、１７、１８を形成して図８に示した固体撮像素子を得る。

【0035】

上記の固体撮像素子によれば、赤画素３１’のフォトダイオードはシリコンゲルマニウム４２内に形成されている。前述の通り、シリコンゲルマニウム４２のゲルマニウム濃度を１０％とすると、シリコンゲルマニウム４２のバンドギャップは1.08eVとなる。これによりシリコンゲルマニウム４２は、緑画素及び青画素のシリコン（Ｐ型シリコン半導体基板１０）よりも小さなバンドギャップであって、赤外素子のシリコンゲルマニウム４１より大きなバンドギャップとすることができる。このとき、赤画素３１’のフォトダイオードでは理論的には1148nmより短い波長で光電変換が起きる。これによって、赤色光の感度向上と分光感度特性の合わせ込みが容易となる。

【0036】

この実施形態では、赤外画素３４’のみならず赤画素３１’の製造工程においても、マスク材酸化膜を後にフォトダイオード間の分離を強化するＰ型不純物層が設置される領域まで広くエッチングした。また、Ｐ型シリコン半導体基板のエッチングされた部分の深さを、後に設置されるＮ型不純物層の深さより深くした。これによって、結晶成長により選択的に形成されるシリコンゲルマニウムとＰ型シリコン半導体基板の境界は、Ｐ型不純物層側へ突出し、後に設置されるＮ型不純物層の深さより深い部位へ到る。この境界部がフォトダイオード内にあると暗電流が増加するが、光電変換により発生した電荷を蓄積するＮ型不純物層が上記境界部を含まないことにより、暗電流の増加を抑制することができる。

【0037】

なお、上記において、赤画素３１’と赤外画素３４’のフォトダイオードをシリコンゲルマニウムにより構成したが、上記条件を満たす半導体であれば、これに限らないことは当然である。

【符号の説明】

【0038】

１０ Ｐ型シリコン半導体基板
１１〜１４ Ｎ型不純物層
１５〜１８ Ｐ型不純物層
２１〜２５ Ｐ型不純物層
２６〜２９ カラーフィルター
３１、３１’赤画素
３２ 緑画素
３３ 青画素
３４、３４’赤外画素
４１ シリコンゲルマニウム
４２ シリコンゲルマニウム
５１ マスク材酸化膜
５２ マスク材酸化膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】