JP7227802B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

実施形態は、固体撮像装置に関する。

固体撮像装置は、シリコンなどの半導体に複数の画素を配置し、それぞれの画素は、例えば、赤（Red）、緑（Green)、および青（Blue）のうちの１つの光を検知するように構成される。しかしながら、半導体は、波長の異なる光に対して、それぞれ異なる光吸収係数を有する。したがって、画素は、光色の異なる入射光に対して異なる感度を有する。

特開２００８－１８７０２８号公報

実施形態は、画素間の感度差を抑制できる固体撮像素子を提供する。

実施形態に係る固体撮像素子は、第１導電形の第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた第２導電形の第２半導体層と、前記第２半導体層中に位置する第１検出部および第２検出部と、第１半導体領域と、第２半導体領域と、を備える。前記第１検出部は、第１導電形の半導体を含む。前記第２検出部は、前記第１半導体層と前記第２半導体層の境界に沿った第１方向に、前記第１検出部と並べて配置され、第１導電形の別の半導体を含む。前記第１半導体領域は、前記第１半導体層と前記第１検出部との間に設けられ、前記第２半導体層の第２導電形不純物および前記第１検出部の前記半導体の第１導電形不純物よりも高濃度の第２導電形不純物を含み、前記第２半導体層を介在させずに前記第１検出部に直に接する。前記第２半導体領域は、前記第１半導体層と前記第２検出部との間に設けられ、前記第２半導体層の第２導電形不純物および前記第２検出部の前記別の半導体の第１導電形不純物よりも高濃度の第２導電形不純物を含み、前記第２半導体層を介在させずに前記第２検出部に直に接する。前記第１検出部は、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう第２方向に沿った第１厚さを有し、前記第２検出部は、前記第２方向に沿った第２厚さを有する。前記第２厚さは、前記第１厚さよりも厚い。

実施形態に係る固体撮像装置を示す模式図である。 実施形態に係る固体撮像装置の特性を示す模式図である。 実施形態の変形例に係る固体撮像装置を示す模式図である。 実施形態に係る固体撮像装置の制御方法を示す模式図である。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。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。

さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。

図１（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る固体撮像装置１を示す模式図である。図１（ａ）は、固体撮像装置１の画素Ｐ_ＸＢ、Ｐ_ＸＧ、Ｐ_ＸＲの配置を例示する平面図である。図１（ｂ）は、図１中に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。固体撮像装置１は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）である。

図１（ａ）に示すように、固体撮像装置１は、例えば、Ｘ方向に並んだ３種類の画素と、電荷転送部ＣＴＰと、を備える。電荷転送部ＣＴＰは、例えば、Ｙ方向に並んだ画素列の間に配置され、図示しない制御電極により各画素に電気的に接続される。

図１（ｂ）に示すように、固体撮像装置１は、例えば、半導体部５と、その上方に配置されたカラーフィルタＢＦ、ＧＦおよびＲＦと、を含む。半導体部５は、例えば、シリコンであり、第１面５Ｔおよび第２面５Ｂを有する。第１面５Ｔは、半導体部５の表面であり、第２面５Ｂは、半導体部５の裏面である。カラーフィルタＢＦ、ＧＦおよびＲＦは、半導体部５の第１面５Ｔ側に配置される。カラーフィルタＢＦは、例えば、青色光を選択的に透過させ、カラーフィルタＧＦは、例えば、緑色光を選択的に透過させる。カラーフィルタＲＦは、例えば、赤色光を選択的に透過させる。

画素Ｐ_ＸＢ、Ｐ_ＸＧおよびＰ_ＸＲは、半導体部５の第１面５Ｔ側に設けられる。カラーフィルタＢＦを通過した青色光は、画素Ｐ_ＸＢに入射される。カラーフィルタＧＦを通過した緑色光は、画素Ｐ_ＸＧに入射される。カラーフィルタＲＦを通過した赤色光は、画素Ｐ_ＸＲに入射される。

半導体部５は、例えば、ｎ形半導体層１０とｐ形半導体層２０とを含む。ｐ形半導体層１０は、ｎ形半導体層２０の上に設けられ、各カラーフィルタとｎ形半導体層１０との間に位置する。ｎ形半導体層１０は、例えば、ｎ形シリコン基板もしくはシリコン基板上に設けられたｎ形シリコン層である。ｐ形半導体層１０は、例えば、ｎ形シリコン基板の表面側に選択的に設けられたｐ形ウエルである。

画素Ｐ_ＸＢは、検出部３０Ｂと、ｐ形半導体領域３３Ｂと、シールド部３５Ｂと、を含む。検出部３０Ｂは、例えば、ｎ形半導体を含み、ｐ形半導体層２０中に設けられる。ｐ形半導体領域３３Ｂは、検出部３０Ｂとｎ形半導体層１０との間に位置する。ｐ形半導体領域３３Ｂは、検出部３０Ｂに接し、検出部３０Ｂのｎ形半導体のｎ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む。

ｐ形半導体領域３３Ｂは、ｐ形半導体層２０のｐ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む。例えば、ｐ形半導体領域３３Ｂのｐ形不純物分布におけるｐ形不純物の最大値は、ｐ形半導体層２０のｐ形不純物よりも高濃度である。シールド部３５Ｂは、ｐ形半導体層２０のｐ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む半導体層である。

画素Ｐ_ＸＧは、検出部３０Ｇと、ｐ形半導体領域３３Ｇと、シールド部３５Ｇと、を含む。検出部３０Ｇは、例えば、ｎ形半導体を含み、ｐ形半導体層２０中に設けられる。ｐ形半導体領域３３Ｇは、検出部３０Ｇとｎ形半導体層１０との間に位置する。ｐ形半導体領域３３Ｇは、検出部３０Ｇに接し、検出部３０Ｇのｎ形半導体のｎ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む。

ｐ形半導体領域３３Ｇは、ｐ形半導体層２０のｐ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む。例えば、ｐ形半導体領域３３Ｇのｐ形不純物分布におけるｐ形不純物の最大値は、ｐ形半導体層２０のｐ形不純物よりも高濃度である。シールド部３５Ｇは、ｐ形半導体層２０のｐ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む半導体層である。

画素Ｐ_ＸＲは、検出部３０Ｒと、ｐ形半導体領域３３Ｒと、シールド部３５Ｒと、を含む。検出部３０Ｒは、例えば、ｎ形半導体を含み、ｐ形半導体層２０中に設けられる。ｐ形半導体領域３３Ｒは、検出部３０Ｒとｎ形半導体層１０との間に位置する。ｐ形半導体領域３３Ｒは、検出部３０Ｒに接し、検出部３０Ｒのｎ形半導体のｎ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む。

ｐ形半導体領域３３Ｒは、ｐ形半導体層２０のｐ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む。例えば、ｐ形半導体領域３３Ｒのｐ形不純物分布におけるｐ形不純物の最大値は、ｐ形半導体層２０のｐ形不純物よりも高濃度である。シールド部３５Ｒは、ｐ形半導体層２０のｐ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む半導体層である。

検出部３０Ｂは、Ｚ方向の厚さＬＢを有し、検出部３０Ｇは、Ｚ方向の厚さＬＧを有する。検出部３０Ｒは、Ｚ方向の厚さＬＲを有する。厚さＬＢは、例えば、シールド部３５Ｂからｐ形半導体領域３３Ｂに至るＺ方向の長さである。厚さＬＧは、例えば、シールド部３５Ｇからｐ形半導体領域３３Ｇに至るＺ方向の長さである。厚さＬＲは、例えば、シールド部３５Ｒからｐ形半導体領域３３Ｒに至るＺ方向の長さである。

固体撮像装置１では、例えば、厚さＬＢは、厚さＬＧよりも薄く、厚さＬＧは、厚さＬＲよりも薄い。また、厚さＬＢは、厚さＬＧと略同一であっても良く、厚さＬＢおよび厚さＬＧは、厚さＬＲよりも薄い。

ｐ形半導体領域３３Ｂ、３３Ｇおよび３３Ｒは、例えば、半導体部５の第１面５Ｔ側にｐ形不純物をイオン注入することにより形成される。ｐ形半導体領域３３Ｒのｐ形不純物は、ｐ形半導体領域３３Ｂのｐ形不純物およびｐ形半導体領域３３Ｇのｐ形不純物をイオン注入する際の加速エネルギーよりも高い加速エネルギーでイオン注入される。

ｐ形半導体領域３３Ｒのｐ形不純物は、例えば、数ＭｅＶの加速エネルギー下でイオン注入される。ｐ形半導体領域３３Ｒにおけるｐ形不純物分布のピーク位置は、例えば、半導体部５の第１面５Ｔから４～５マイクロメートル（μｍ）の範囲の深さに位置する。ｐ形半導体領域３３Ｂおよび３３Ｇにおけるｐ形不純物分布のピーク位置は、例えば、半導体部５の第１面５Ｔから１～３マイクロメートル（μｍ）の範囲の深さに位置する。

図２（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る固体撮像装置１の特性を示す模式図である。図２（ａ）は、各画素におけるポテンシャル分布を示す模式図である。図２（ｂ）は、シリコンにおける光の吸収率を示す模式図である。

図２（ａ）は、例えば、電子に対するポテンシャルを示している。図２（ａ）に示すポテンシャル分布は、表面のシールド部３５およびｐ形半導体領域３３においてピーク値を有する。以下、シールド部３５Ｂ、３５Ｇおよび３５Ｒを個別に説明する場合と、便宜的にシールド部３５として包括的に説明する場合とがある。ｐ形半導体領域３３および他の構成要素についても同様である。また、図２（ａ）中に示すＰ_Ｂ、Ｐ_ＧおよびＰ_Ｒは、各ｐ形半導体領域３３のｐ形不純物分布のピーク位置を表している。

各画素へ入射する光により検出部３０において励起された電子は、ｐ形半導体領域３３とシールド部３５との間（すなわち、検出部３０）に位置するポテンシャル分布の谷に保持され、電荷転送部ＣＴＰへ輸送される。また、各ｐ形半導体領域３３のｐ形不純物のピーク位置と検出部３０との間において励起された電子も検出部３０へ移動し、電荷転送部ＣＴＰへ輸送される。一方、各ｐ形半導体領域３３のｐ形不純物のピーク位置よりも深い位置（半導体部５の第２面５Ｂ側）で励起された電子はｎ形半導体層２０へ排出され、各画素の光感度に寄与しない。

図２（ｂ）は、表面からの深さに対するシリコンの光吸収率の変化を示している。光吸収率は、表面から深さ方向に光吸収係数を積分した値である。シリコンの光吸収係数は、光波長により異なる。このため、光吸収率も光波長により異なる。同図に示すように、青色光ＢＬの光吸収率は、緑色光ＧＬの光吸収率よりも高く、緑色光ＧＬの光吸収率は、赤色光ＲＬの光吸収率よりも高い。

例えば、図２（ａ）中に示すｐ形半導体領域３３Ｂにおけるｐ形不純物のピーク位置Ｐ_Ｂでは、青色光ＢＬの光吸収率は１００％であり、画素Ｐ_ＸＢに入射した青色光のほぼ１００%が検出部３０Ｂ側で吸収される。また、ｐ形半導体領域３３Ｇにおけるｐ形不純物のピーク位置Ｐ_Ｇでは、青色光ＢＬの光吸収率は約９０％であり、画素Ｐ_ＸＧに入射した緑色光の約９０%が検出部３０Ｇ側で吸収される。

例えば、ｐ形半導体領域３３Ｒにおけるｐ形不純物のピーク位置Ｐ_Ｒがピーク位置Ｐ_ＢもしくはＰ_Ｇと同じ深さであれば、画素Ｐ_ＸＲの検出部３０Ｒ側における赤色光ＲＬの光吸収率は５０％程度となる。

これに対し、ｐ形半導体領域３３Ｒにおけるｐ形不純物のピーク位置Ｐ_Ｒをピーク位置Ｐ_ＢもしくはＰ_Ｇよりも深くすると、画素Ｐ_ＸＲの検出部３０Ｒ側における赤色光ＲＬの光吸収率を、例えば、７０％もしくはそれ以上にすることができる。これにより、各画素間の光感度の差を抑制することができる。

また、ｐ形半導体領域３３Ｂおよび３３Ｇのｐ形不純物のピーク位置Ｐ_ＢおよびＰ_Ｇを、図２（ａ）中に示すｐ形半導体領域３３Ｒのｐ形不純物のピーク位置Ｐ_Ｒと同じ深さにすることもできる。しかしながら、ピーク位置Ｐ_ＢおよびＰ_Ｇを深くすると、その位置よりも表面側において光吸収に寄与しない領域が広がる。このため、検出部３０Ｂおよび３０Ｇに保持される電子のうちの光が入射されない暗時に励起された電子の割合が多くなり、画素Ｐ_ＸＢおよびＰ_ＸＧの暗電流を増加させ、Ｓ／Ｎ比を劣化させる。

本実施形態では、各画素に入射される光波長（もしくは光色）に対応したポテンシャル分布を設けることにより、各画素間の光感度差を抑制し、全体として光感度を向上させることができる。

図３（ａ）および（ｂ）は、実施形態の変形例に係る固体撮像装置２、３を示す模式図である。同図中に示す画素Ｐ_ＸＢ、Ｐ_ＸＧおよびＰ_ＸＲは、図１（ｂ）に示す例と同じ構造を有する。

図３（ａ）示す固体撮像装置２では、半導体部５は、ｎ形半導体基板４０の上に設けられる。ｎ形半導体基板４０は、例えば、ｎ形シリコン基板である。ｎ形半導体層１０は、例えば、ｎ形半導体基板４０の表面側に設けられたｎ形ウエルである。また、ｎ形半導体層１０は、ｎ形半導体基板４０上に成長されたｎ形半導体層であっても良い。

図３（ｂ）示す固体撮像装置３では、半導体部５は、ｐ形半導体基板５０の上に設けられる。ｐ形半導体基板５０は、例えば、ｐ形シリコン基板である。ｎ形半導体層１０は、例えば、ｐ形半導体基板４０の表面側に設けられたｎ形ウエルである。また、ｎ形半導体層１０は、ｐ形半導体基板５０上に成長されたｎ形半導体層であっても良い。

図４（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る固体撮像装置１～３の制御方法を示す模式図である。図４（ａ）は、固体撮像装置１および２の制御方法を示すポテンシャル分布を表している。図４（ｂ）は、固体撮像装置３の制御方法を示すポテンシャル分布を表している。

図４（ａ）に示すように、暗時において、ｎ形半導体層１０もしくはｎ形半導体基板４０にプラス電位を与え、半導体部５の第２面５Ｂ側のポテンシャルを深くする。これにより、検出部３０よりも深い領域（第２面５Ｂ側：図１（ｂ）参照）で発生した電子の排出が促進される。その結果、検出部３０に保持される電子のうちの暗示に発生した電子の割合を減少させ、Ｓ／Ｎ比を改善することができる。

各画素に光が入射される明時には、ｎ形半導体層１０もしくはｎ形半導体基板４０の電位を下げ、半導体部５の第２面５Ｂ側のポテンシャルを浅くする。これにより、ｐ形半導体領域３３において励起され、検出部３０に移動する電子の数を増やすことができる。これにより、各画素の光感度を向上させることができる。

図４（ｂ）に示すように、暗時において、ｐ形半導体基板５０にプラス電位を与え、半導体部５の第２面５Ｂ側のポテンシャルを深くする。これにより、検出部３０よりも深い領域（第２面５Ｂ側：図１（ｂ）参照）で発生した電子の排出が促進される。その結果、検出部３０に保持される電子のうちの暗示に発生した電子の割合を減少させ、Ｓ／Ｎ比を改善することができる。

また、各画素に光が入射される明時には、ｐ形半導体基板５０の電位を下げ、半導体部５の第２面５Ｂ側のポテンシャルを浅くする。これにより、ｐ形半導体領域３３において励起され、検出部３０に移動する電子の数を増やすことができる。これにより、各画素の光感度を向上させることができる。

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。

１、２、３…固体撮像装置、 ５…半導体部、 ５Ｔ…第１面、 ５Ｂ…第２面、 １０…ｎ形半導体層、 ２０…ｐ形半導体層、 ３０Ｂ、３０Ｇ、３０Ｒ…検出部、 ３３Ｂ、３３Ｇ、３３Ｒ…ｐ形半導体領域、 ３５Ｂ、３５Ｇ、３５Ｒ…シールド部、 ４０…ｎ形半導体基板、 ５０…ｐ形半導体基板、 ＣＴＰ…電荷転送部、 ＢＦ、ＧＦ、ＲＦ…カラーフィルタ、 Ｐ_ＸＢ、Ｐ_ＸＧ、Ｐ_ＸＲ…画素

Claims (6)

1. 第１導電形の第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に設けられた第２導電形の第２半導体層と、
   前記第２半導体層中に位置し、第１導電形の半導体を含む第１検出部と、
   前記第２半導体層中に位置し、前記第１半導体層と前記第２半導体層の境界に沿った第１方向に前記第１検出部と並べて配置され、第１導電形の別の半導体を含む第２検出部と、
   前記第１半導体層と前記第１検出部との間に設けられ、前記第２半導体層の第２導電形不純物および前記第１検出部の前記半導体の第１導電形不純物よりも高濃度の第２導電形不純物を含み、前記第２半導体層を介在させずに前記第１検出部に直に接する第１半導体領域と、
   前記第１半導体層と前記第２検出部との間に設けられ、前記第２半導体層の第２導電形不純物および前記第２検出部の前記別の半導体の第１導電形不純物よりも高濃度の第２導電形不純物を含み、前記第２半導体層を介在させずに前記第２検出部に直に接する第２半導体領域と、
   を備え、
   前記第１検出部は、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう第２方向に沿った第１厚さを有し、
   前記第２検出部は、前記第２方向に沿った第２厚さを有し、前記第２厚さは、前記第１厚さよりも厚い固体撮像素子。
2. 前記第２半導体層中に位置し、前記第１方向に前記第１検出部および前記第２検出部と並べて配置され、第１導電形の他の半導体を含む第３検出部と、
   前記第１半導体層と前記第３検出部との間に設けられ、前記第２半導体層の第２導電形不純物および前記第３検出部の前記他の半導体の第１導電形不純物よりも高濃度の第２導電形不純物を含み、前記第２半導体層を介在させずに前記第３検出部に直に接する第３半導体領域と、
   をさらに備え、
   前記第３検出部は、前記第１検出部の第１厚さと前記第２検出部の第２厚さの中間の前記第２方向に沿った第３厚さを有する請求項１記載の固体撮像装置。
3. 第２導電形の第３半導体層と、
   第２導電形の第４半導体層と、
   第２導電形の第５半導体層と、
   をさらに備え、
   前記第１検出部は、前記第１半導体領域と前記第３半導体層との間に位置し、
   前記第２検出部は、前記第２半導体領域と前記第４半導体層との間に位置し、
   前記第３検出部は、前記第３半導体領域と前記第５半導体層との間に位置する請求項２記載の固体撮像装置。
4. 青色光を選択的に透過する第１フィルタと、
   赤色光を選択的に透過する第２フィルタと、
   緑色光を選択的に透過する第３フィルタと、
   を備え、
   前記第１検出部は、前記第１フィルタと前記第１半導体領域との間に位置し、
   前記第２検出部は、前記第２フィルタと前記第２半導体領域との間に位置し、
   前記第３検出部は、前記第３フィルタと前記第３半導体領域との間に位置しする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
5. 第１導電形の第１半導体基板をさらに備え、
   前記第１半導体層は、前記第２半導体層と前記第１半導体基板との間に位置する請求項１～３のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
6. 第２導電形の第２半導体基板をさらに備え、
   前記第１半導体層は、前記第２半導体層と前記第２半導体基板との間に位置する請求項１～３のいずれか１つに記載の固体撮像装置。

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