(57)【要約】【課題】感度バラツキを低減でき、設計が容易でかつ高感度,高解像度で同時に多色を検出可能な受光素子を提供する。【解決手段】第１導電型の基板(１)に形成され、基板(１)との界面に第１接合(ＪＮ１)を形成する第２導電型の第１の拡散層(２)と、第１の拡散層(２)上に形成され、第１の拡散層(２)との界面に第２接合(ＪＮ２)を形成する第１導電型の第２の拡散層(３)と、第２の拡散層(３)上に形成され、第２の拡散層(３)との界面に第３接合(ＪＮ３)を形成する第２導電型の第３の拡散層(４)とを備える。第１接合(ＪＮ１)と第２接合(ＪＮ２)と第３接合(ＪＮ３)は夫々、予め設定された波長の光を検出するために基板深さ方向に予め設定された深さに形成される。第２接合(ＪＮ２)の基板１表面側の第２拡散層(３)および第３接合(ＪＮ３)の基板(１)表面側の第３の拡散層(４)に、基板深さ方向に予め設定された深さに不純物濃度ピークを形成する。【選択図】図１
2014103347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の基板と、
上記基板に形成され、上記基板との界面に第１接合を形成する第２導電型の第１の拡散層と、
上記第１の拡散層上に形成され、上記第１の拡散層との界面に第２接合を形成する第１導電型の第２の拡散層と、
上記第２の拡散層上に形成され、上記第２の拡散層との界面に第３接合を形成する第２導電型の第３の拡散層と
を備え、
上記第１接合と上記第２接合と上記第３接合は夫々、予め設定された波長の光を検出するために基板深さ方向に予め設定された深さに形成されており、
上記第１接合と上記第２接合と上記第３接合のうちのいずれか１つの接合の上記基板表面側の拡散層に、基板深さ方向に予め設定された深さに不純物濃度ピークが形成されていることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の受光素子において、
上記不純物濃度ピークは、予め設定された波長の光に対する上記基板内での侵入長に応じた基板深さ方向の深さに形成されていることを特徴とする受光素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の受光素子において、
上記第３の拡散層上に形成され、上記第３の拡散層との界面に第４接合を形成する第１導電型の第４の拡散層を備えたことを特徴とする受光素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の受光素子において、
上記各拡散層のうちの最も表面側に形成された拡散層の不純物濃度プロファイルは、上記基板の表面から基板深さ方向に深くなるほど不純物濃度が減少することを特徴とする受光素子。
【請求項５】
第１導電型の基板と、
上記基板に形成され、上記基板との界面に第１接合を形成する第２導電型の第１の拡散層と、
上記第１の拡散層上に形成され、上記第１の拡散層との界面に第２接合を形成する第１導電型の第２の拡散層と、
上記第２の拡散層上に形成され、上記第２の拡散層との界面に第３接合を形成する第２導電型の第３の拡散層と、
上記基板に上記第１の拡散層と離間して形成され、上記基板との界面に第４接合を形成する第２導電型の第４の拡散層と、
上記第４の拡散層上に形成され、上記第４の拡散層との界面に第５接合を形成する第１導電型の第５の拡散層と、
上記第５の拡散層上に形成され、上記第５の拡散層との界面に第６接合を形成する第２導電型の第６の拡散層と、
上記第６の拡散層上に形成され、上記第６の拡散層との界面に第７接合を形成する第２導電型の第７の拡散層と
を備え、
上記第１接合と上記第５接合の基板深さ方向の深さが同じであり、かつ、
上記第２接合と上記第６接合の基板深さ方向の深さが同じであり、かつ、
上記第３接合と上記第７接合の基板深さ方向の深さが同じであり、
上記第１接合と上記第２接合と上記第３接合のうちのいずれか１つの接合の上記基板表面側の拡散層に、基板深さ方向に予め設定された深さに不純物濃度ピークが形成されていると共に、
上記第５接合と上記第６接合と上記第７接合のうちのいずれか１つの接合の上記基板表面側の拡散層に、基板深さ方向に予め設定された深さに不純物濃度ピークが形成されていることを特徴とする受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディジタルスチルカメラの普及に伴い、画像入力装置としてＣＣＤ(Charge Coupled Device：電荷結合素子)などのデバイスが多く用いられている。これらは、従来のフィルムカメラのフィルムの位置する場所に、ＣＣＤなどの光電変換装置を置くことにより、光学系から得られた画像を電気信号に変換する役割を持つ。
【０００３】
また、近年では、携帯電話機器にも地球温暖化などの環境問題を踏まえて、テレビジョン装置などの画像表示装置に関しても、消費電力の低減化が要求されている。このため、単画素のカラーセンサを搭載することで、ＬＥＤ(Light Emitting Diode：発光ダイオード)照明や電球等の照明の違いにより、より繊細にバックライトを調整し、画面の美しさや消費電流を低減するのに寄与する動きが出てきている。さらに、テレビジョン機能などが搭載された携帯機器が増加してきており、このような携帯機器では、電池で駆動しているために消費電力の低減化がより一層要求されている。このため、人がいない時に、画面表示を自動的に切るために近接センサ(測距センサ)を用いることも検討されている。
【０００４】
光電変換装置となるデバイスは、複数の受光素子により構成されている。この受光素子自体は色を識別することができず、光の強さ(光量)しか検出することができない。そこで、画像を電気信号に変換する場合、色を識別するために、各受光素子上にカラーフィルタを被せて、各受光素子で光の３原色である緑、赤、青の光量を検出することで、受光素子の色信号を取得する。このような複数の受光素子から色信号を得るデバイスは、一般的には、ベイヤー配列と呼ばれるモザイク状に配置した緑、赤、青のカラーフィルタを用いる。ベイヤー配列では、輝度情報および人間の目の感度特性により緑のカラーフィルタを最も密に、４画素のブロック中に２画素を配置する。残った１画素ずつに青と赤のカラーフィルタをそれぞれ配置する。このような構造のカラーフィルタを有するＣＣＤを用いて画像の色信号を検出する。
【０００５】
上記モザイク状のカラーフィルタを用いた場合、コストが高いＣＣＤの受光素子が１枚で済むことから普及している。しかしながら、この方式では、通常のＣＣＤ／ＣＭＯＳイメージャーの工程の後、カラーフィルタを形成せねばならず、さらに、カラーフィルタでは赤外光がカットできないため、高価な赤外光カットガラスを形成する必要があった。
【０００６】
また、画素の実際の色情報としては、赤緑青の３色のカラーフィルタを用いた場合では、全画素数の１／３しか色情報を得られず、色再現性、偽色の発生、エッジ部分の再現性等に問題があった。また、人と物の区別を行うため、近赤外光を得ようとする技術が進んでいるが、このように赤青緑以外に様々な色情報を得ようとカラーフィルタ種類を増やせば、その分、各色に割り当てられる画素数が少なくなって解像度が犠牲となるため、３色以上のカラーフィルタの配置は現実的でないといった問題もある。
【０００７】
上記問題を解決するため、素子表面から基板深さ方向に光吸収層を分割することで、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージャーのようにカラーフィルタを用いずに、光の波長により吸収長が異なることを利用して、色を検出する受光素子が知られている(例えば、特表２００２−５１３１４５号公報(特許文献１)参照)。
【０００８】
このような素子表面から基板深さ方向に光吸収層を分割する受光素子であれば、色分割を基板深さ方向で行うため、上述したように色数による解像度の低下を考慮する必要がなく、上述した課題のない受光素子を実現できる。
【０００９】
上記従来の素子表面から基板深さ方向に光吸収層を分割する受光素子では、Ｐ型基板上にＮ型半導体とＰ型半導体を交互に３重に積層させ、深さの異なる３つの接合を形成することで、それぞれ浅い接合の順に侵入長の異なる例えば青,緑,赤の３色の光を吸収して、３つの接合において電気信号に夫々変換する。
【００１０】
上記受光素子を図６を用いて説明する。Ｐ型シリコン基板３０１上に表面から約２.０μｍの深さにＮ型ウェル領域(Ｎ型拡散層３０２)が形成され、そのＮ型ウェル領域(Ｎ型拡散層３０２)の内側の約０.６μｍの深さにＰ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３０３)が形成されている。また、そのＰ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３０３)の内側の０.２μｍの深さにＮ型拡散層３０４が形成されている。そして、Ｐ型シリコン基板３０１とＮ型ウェル領域(Ｎ型拡散層３０２)との間、Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層３０２)とＰ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３０３)との間、Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３０３)とＮ型拡散層３０４との間の夫々には、光電流センサＳ３０１,Ｓ３０２,Ｓ３０３が設けられており、第１接合ＪＮ３０１では赤色光子を集め、第２接合ＪＮ３０２では緑色光子を集め、第３接合ＪＮ３０３では青色光子を集める。
【００１１】
ここで、もう少し具体的に、光電流の発生の仕方を考察する。例えば、入射した光によりＰ型シリコン基板３０１で発生した光キャリアは、一部は接合に到達せず、再結合により消滅するが、そのほとんどが第１接合ＪＮ３０１によって収集される。
【００１２】
また、Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層３０２)で発生した光キャリアのうち、第１接合ＪＮ３０１に近い個所で発生した光キャリアは第１接合ＪＮ３０１で収集され、第２接合ＪＮ３０２近傍で発生した光キャリアは第２接合ＪＮ３０２で収集される。
【００１３】
また、Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３０３)で発生した光キャリアもＮ型ウェル領域と同様であり、第２接合ＪＮ３０２の近くで発生した光キャリアは第２接合ＪＮ３０２で収集され、残りの光キャリアは第３接合ＪＮ３０３で収集される。
【００１４】
さらに、Ｎ型拡散層３０４内で発生した光キャリアは、一部が表面再結合により消滅するが、そのほとんどが第３接合ＪＮ３０３内で収集される。
【００１５】
ここで、Ｐ型シリコン基板３０１への入射光の波長が長くなるほど、その光は吸収される前により深くシリコン内に入り込むことになる。４００〜４９０ｎｍの波長を持つ青色光は、その大部分が約０.２〜０.５μｍの深さでＰ型シリコン基板３０１に吸収される。４９０〜５７５ｎｍの波長を持つ緑色光は、その大部分が約０.５〜１.５ミクロンの深さでＰ型シリコン基板３０１に吸収される。５７５〜７００ｎｍの波長を持つ赤色光は、約１.５〜３.０ミクロンの深さでシリコンに吸収される。この侵入長の違いにより利用して、光電流センサＳ３０１,Ｓ３０２,Ｓ３０３により赤色、緑色、青色の光を主に取り出す。この光電流センサＳ３０１,Ｓ３０２,Ｓ３０３から出力される光電流は図７に示すような特性となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特表２００２−５１３１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記素子表面から基板深さ方向に光吸収層を分割する受光素子の製造方法を図６を用いて説明する。なお、光電流センサＳ３０１,Ｓ３０２,Ｓ３０３および配線層の製造方法は、ＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide Semiconductor：コンプリメンタリ・メタル・オキサイド・セミコンダクタ)プロセスと同様のプロセスに従う。
【００１８】
まず、図６に示すように、比較的低不純物濃度(例えば、１×１０１５ｃｍ−３程度)のＰ型シリコン基板３０１の上面上の所定の位置にフォトリソグラフィー技術などを用いて、Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層３０２)となる領域上にイオン注入を用いて表面近傍にリンイオンを導入し、熱処理により２.０μｍ程度の深さまで拡散させる。
【００１９】
続いて、同様にフォトリソグラフィー技術などを用いて、Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３０３)となる領域上の表面近くにイオン注入を用いてボロンイオンを導入し、熱処理により０.６μｍの深さまで拡散させる。
【００２０】
さらに、同様の方法でＮ＋層(Ｎ型拡散層３０４)となる領域にフォトリソグラフィー技術などを用いて、リンイオンを導入し、熱処理により活性化させる。以上の方法により、Ｐ型シリコン基板上に三重拡散層が形成される。ここでは、コンタクトや配線および回路部の製造方法は割愛する。
【００２１】
ところで、この製造方法による図６に示すＸ２−Ｙ２断面での不純物濃度プロファイルを図８に示す。図８に示すように、一般的な積層型の受光素子では、基板表面から基板深さ方向に向かって深さが深くなるほど不純物濃度が薄くなっている。これにより、Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層３０２)中で発生した光キャリアは、第１,第２接合ＪＮ３０１,ＪＮ３０２に加えられた電界にのみ従って第１,第２接合ＪＮ３０１,ＪＮ３０２に到達するのではなく、この不純物濃度勾配による表面から基板側に向かった内蔵電界により、第１接合ＪＮ３０１側へ移動し(落ち込み)やすくなる。Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３０４)中でも同様であり、その濃度勾配による内蔵電界により第２,第３接合ＪＮ３０２,ＪＮ３０３のうち、第２接合ＪＮ３０２側へ移動しやすくなる。
【００２２】
このような上記従来の受光素子には次の(i)〜(iii)の課題があった。
【００２３】
(i)  第１の課題は、この不純物濃度勾配のバラツキにより、各接合へ移動する光キャリアがバラツキ、結果として感度バラツキを起こしやすい。
【００２４】
(ii)  第２の課題は、光キャリアが不純物濃度勾配により基板側に移動しやすくなることで、表面に近い接合の感度が低くなりやすい。
【００２５】
(iii)  第３の課題は、不純物濃度勾配によりどちらの接合にどの程度移動するか予想がつきにくく、デバイス設計時、感度予想が立てにくい。
【００２６】
また、上記従来の受光素子の構造で各拡散層から出力される光電流は、Ｎ型ではプラスの電流、Ｐ型ではマイナスの電流として取り出される。各層から出力された光電流の強度を演算する回路は、回路誤差をできる限り小さくするため、全く同じ回路構成であることが望ましく、その際、上述したように拡散層から取り出される電流の向きが異なると、取り出す電流の向きに応じて回路構成を変えざるを得ない。
【００２７】
本発明は、これら課題を鑑みてなされたものであり、感度バラツキを低減できると共に、設計が容易にでき、高感度かつ高解像度で同時に多色検出が可能な受光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
上記課題を解決するため、この発明の受光素子は、
第１導電型の基板と、
上記基板に形成され、上記基板との界面に第１接合を形成する第２導電型の第１の拡散層と、
上記第１の拡散層上に形成され、上記第１の拡散層との界面に第２接合を形成する第１導電型の第２の拡散層と、
上記第２の拡散層上に形成され、上記第２の拡散層との界面に第３接合を形成する第２導電型の第３の拡散層と
を備え、
上記第１接合と上記第２接合と上記第３接合は夫々、予め設定された波長の光を検出するために基板深さ方向に予め設定された深さに形成されており、
上記第１接合と上記第２接合と上記第３接合のうちのいずれか１つの接合を形成する上記基板表面側の拡散層に、基板深さ方向に予め設定された深さに不純物濃度ピークが形成されていることを特徴とする。
【００２９】
また、一実施形態の受光素子では、
上記不純物濃度ピークは、予め設定された波長の光に対する上記基板内での侵入長に応じた基板深さ方向の深さに形成されている。
【００３０】
また、一実施形態の受光素子では、
上記第３の拡散層上に形成され、上記第３の拡散層との界面に第４接合を形成する第１導電型の第４の拡散層を備えた。
【００３１】
また、一実施形態の受光素子では、
上記各拡散層のうちの最も表面側に形成された拡散層の不純物濃度プロファイルは、上記基板の表面から基板深さ方向に深くなるほど不純物濃度が減少する。
【００３２】
また、この発明の受光素子では、
第１導電型の基板と、
上記基板に形成され、上記基板との界面に第１接合を形成する第２導電型の第１の拡散層と、
上記第１の拡散層上に形成され、上記第１の拡散層との界面に第２接合を形成する第１導電型の第２の拡散層と、
上記第２の拡散層上に形成され、上記第２の拡散層との界面に第３接合を形成する第２導電型の第３の拡散層と、
上記基板に上記第１の拡散層と離間して形成され、上記基板との界面に第４接合を形成する第２導電型の第４の拡散層と、
上記第４の拡散層上に形成され、上記第４の拡散層との界面に第５接合を形成する第１導電型の第５の拡散層と、
上記第５の拡散層上に形成され、上記第５の拡散層との界面に第６接合を形成する第２導電型の第６の拡散層と、
上記第６の拡散層上に形成され、上記第６の拡散層との界面に第７接合を形成する第２導電型の第７の拡散層と
を備え、
上記第１接合と上記第５接合の基板深さ方向の深さが同じであり、かつ、
上記第２接合と上記第６接合の基板深さ方向の深さが同じであり、かつ、
上記第３接合と上記第７接合の基板深さ方向の深さが同じであり、
上記第１接合と上記第２接合と上記第３接合のうちのいずれか１つの接合の上記基板表面側の拡散層に、基板深さ方向に予め設定された深さに不純物濃度ピークが形成されていると共に、
上記第５接合と上記第６接合と上記第７接合のうちのいずれか１つの接合の上記基板表面側の拡散層に、基板深さ方向に予め設定された深さに不純物濃度ピークが形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
以上より明らかなように、この発明によれば、感度バラツキを低減できると共に、設計が容易でかつ高感度,高解像度で同時に多色を検出可能な受光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の受光素子の断面図である。
【図２】図２は上記受光素子のＸ１−Ｙ１断面での不純物濃度プロファイルを示す図である
【図３】図３はイオン種を注入する際のピーク飛程Ｒpを説明するための図である。
【図４Ａ】図４Ａは上記第１実施形態の受光素子において、演算回路により分光感度を演算した結果を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは上記演算回路により青色光電流の分光感度を演算した結果を示す図である。
【図５】図５はこの発明の第２実施形態の受光素子の断面図である。
【図６】図６は従来の受光素子の断面図である。
【図７】図７は上記従来の受光素子の入射光の波長に対する光電流の関係を示す図である。
【図８】図８は上記従来の受光素子のＸ２−Ｙ２断面での不純物濃度プロファイルを示す図である
【図９】図９は従来のイオン種を注入する際のピーク飛程Ｒpを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、この発明の受光素子を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３６】
〔第１実施形態〕
図１はこの発明の第１実施形態による受光素子の断面図を示している。この第１実施形態による受光素子１０は、カラーセンサとしての機能を有している。
【００３７】
上記受光素子１０は、図１に示すように、Ｐ型不純物が比較的低濃度(例えば、１×１０１５ｃｍ−３)で導入されたＰ型シリコン基板１に、複数の第１〜第４の拡散層２〜５が形成された構造を有している。上記複数の第１〜第４の拡散層２〜５は、基板深さ方向に所定の深さに接合を形成するように夫々形成されている。例えば、Ｐ型シリコン基板１と第１の拡散層２との界面の第１接合ＪＮ１の深さは７.０ｎｍであり、第１の拡散層２と第２の拡散層３との界面の第２接合ＪＮ２の深さは深さ３.０ｎｍであり、第２の拡散層３と第３の拡散層４との界面の第３接合ＪＮ３の深さは１.０ｎｍであり、さらに第３の拡散層４と第４の拡散層５との界面の第４接合ＪＮ４の深さは０.２ｎｍである。上記第１接合ＪＮ１は、赤外(波長７５０ｎｍ以上)の光キャリアを収集する。上記第２接合ＪＮ２は、赤色(波長６５０ｎｍ)の光キャリアを収集する。上記第３接合ＪＮ３は、緑色(波長５５０ｎｍ)の光キャリアを収集する。上記第４接合ＪＮ４は、青色(波長４５０ｎｍ)の光キャリアを収集する。
【００３８】
また、上記第２の拡散層３の第１濃度ピークは０.５ｎｍの位置に形成され、第３の拡散層４の第２濃度ピークの位置は１.５ｎｍの位置に形成される。ここで、一般的に青色光(４５０ｎｍ)でのシリコンへの光の吸収係数２５０００ｃｍ−１から考慮して、光の侵入長(１／ｅまで光が減衰する深さ)は約０.５ｎｍ程度と考えることができる。また、緑色光(５５０ｎｍ)は同様に光の吸収係数６５００ｃｍ−１から考慮して、光の侵入長が１.５ｎｍ程度と考えられる。さらに赤色光(６５０ｎｍ)は光の吸収係数２５００ｃｍ−１から考慮して、侵入長が約４.０ｎｍであり濃度ピークを形成するとすれば、４.０ｎｍの深さに形成するのが望ましい。今回、四重拡散層としてあるのは、赤色の分光から赤外光を除去することで、ＩＲカットフィルタ不要となるよう工夫してある。従来の三重拡散では赤色の分光に赤外光が混在し、ＩＲカットフィルタを別途つける必要があり、コストアップとなっていた。ＩＲカットフィルタは、酸化ニオブ等からなる干渉膜フィルタで構成され、４０層以上の層を積層して製造するために高価であったが、四重拡散とすることでこのＩＲカットフィルタ分のコストダウンができる。
【００３９】
上記受光素子は、Ｐ型シリコン基板１内に形成されたＮ型拡散層２(第１の拡散層)と、Ｎ型拡散層２の内側に形成されたＰ型拡散層３(第２の拡散層)と、Ｐ型拡散層３の内側に形成されたＮ型拡散層４(第３の拡散層)と、Ｎ型拡散層４の内側に形成されたＰ型拡散層５(第４の拡散層)と、Ｐ型シリコン基板１全面を覆うシリコン酸化膜６とを備えている。これらのＮ型拡散層２,Ｐ型拡散層３,Ｎ型拡散層４,Ｐ型拡散層５のオーバーラップ量は、受光素子として各拡散に印加される逆バイアスでもブレイクダウンしない程度に十分オーバーラップすることが必要である。
【００４０】
受光素子１０の具体的な構造としては、Ｐ型シリコン基板１の表面側の所定領域に、Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層２)が形成されている。Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層２)となる領域上にフォトリソグラフィー技術などを用いてイオン注入を行い、所定の深さにリンイオンを導入し、熱処理により７.０ｎｍ程度の深さまで拡散させることにより形成する。
【００４１】
また、Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３)は、Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層２)となる領域上の所定の位置にフォトリソグラフィー技術を用いて、イオン注入機の注入エネルギーを変えて連続的にＰ型不純物であるボロンが選択導入される。例えば、２０００ｋｅＶ、１５００ｋｅＶ、１０００ｋｅＶ、６５０ｋｅＶ、５００ｋｅＶ、２５０ｋｅＶ、１００ｋｅＶのように多段階にイオン注入を行うことにより、所定の深さに不純物濃度ピークを持たせる。このため、例えば、エネルギー１５００ｋｅＶでの注入量を最も多くし順に減少させながら注入することによって、所定の深さ(表面から２.０ｎｍ程度)に不純物濃度ピーク(領域１１)を持たせるように、Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３)が形成される。Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３)の不純物濃度ピークは、例えば、１×１０１６〜１×１０18ｃｍ−３程度である。これは、Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３)の濃度が一般的に１×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３程度で形成されるが、その濃度に対して少なくとも1ケタ以上の濃度差をつけないと光キャリアがポテンシャルバリアを乗り越えてしまうためである。また、濃度が濃すぎて1×１０１９ｃｍ−３に近づくと高濃度領域での再結合による感度低下が発生しまうため、上記１×１０１６〜１×１０18ｃｍ−３程度の不純物濃度が望ましい。
【００４２】
また、Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３)の表面側には、Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層４)が形成されている。Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層４)は、表面側からイオン注入機の注入エネルギーを変えて連続的にＮ型不純物であるボロンが導入される。このとき、所定のエネルギーでの注入量を増やすことで、所定の深さ(表面から０.５ｎｍ程度)に不純物濃度ピーク(領域１２)を持たせるように、Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層４)が形成される。
【００４３】
また、Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層４)の表面側には、Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層５)がフォトリソグラフィー技術を用いた選択的なイオン注入により表面近傍に導入され、約０.２ｎｍ程度の深さに形成されている。
【００４４】
この第１実施形態の受光素子１０では、基板としてＰ型シリコン基板１を用いたが、Ｎ型シリコン基板を用いて、Ｐ型拡散層から順にＰ型拡散層とＮ型拡散層とを交互に積層してもよい。また、基板は、シリコンに限らず、ゲルマニウムなどの他の半導体でもよい。
【００４５】
次に、図２を用いて、受光素子１０における不純物濃度ピークの効果を説明する。図２は図１に示す受光素子１０の構造のＸ１−Ｙ１断面での不純物濃度プロファイルである。図２において、横軸は基板深さ方向の深さ[任意目盛]、縦軸は不純物濃度[任意目盛]を表す。
【００４６】
図２に示すように、第１不純物濃度ピークＰ１を深さ１.５ｎｍに形成することにより、Ｐ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３)中の不純物濃度による内蔵電界が第３接合ＪＮ３の方に向かって形成されるため、緑色(波長５５０ｎｍ)の光キャリアを収集する第３接合ＪＮ３の感度を向上させることができ、また、光キャリアは、深さ１.５ｎｍのピークの前後で第２接合ＪＮ２と第３接合ＪＮ３に振り分けられるため、これまでのように濃度勾配のバラツキを考慮する必要はなく、感度バラツキを低減することができる。Ｎ型ウェル領域(Ｎ型拡散層４)中の第２不純物濃度ピークＰ２についても同様である。これら不純物濃度ピークＰ１,Ｐ２は、それぞれ、第２,第３接合ＪＮ２,ＪＮ３で主に吸収される光の波長に合わせて設計される。
【００４７】
また、Ｐ型シリコン基板１の表面から所定の不純物濃度でイオン注入されたＰ型拡散層５も表面側からのイオン注入による不純物導入により形成される。このとき、イオン注入前にシリコン表面に所定の厚さ、例えば２８ｎｍ程度の注入酸化膜(シリコン酸化膜６)を形成し、図３に示すように、本イオン種を注入する際のイオン注入エネルギーを、不純物のピーク飛程Ｒpが２８ｎｍの酸化膜中となるようエネルギーを調整する。図３において、横軸は基板深さ方向の深さ[ｎｍ]、縦軸は不純物濃度[ｃｍ−３]を表す。
【００４８】
従来のピーク飛程Ｒpは、図９に示すように、酸化膜厚２８ｎｍよりも大きくなるように設定され、Ｓi中に濃度ピークが存在するように設計されるが、上述した濃度ピークによる内蔵電界の効果により、Ｓi基板中に濃度ピークを形成すると、酸化膜界面側へ振り分けられる電荷が増え、表面再結合により感度低下が発生する。図９において、ピーク飛程Ｒpはイオンの平均飛程であり、△Ｒpはイオンの平均分布である。
【００４９】
これを防ぐため、Ｐ型拡散層５は、シリコン酸化膜６中に不純物のピーク飛程Ｒpを持つよう設計することで、シリコン表面から基板深さ方向に一律に濃度が減少するように形成することができ、表面近傍で吸収される３００〜４５０ｎｍ程度の比較的短い波長の光により発生した光キャリアは、一律にＰ型シリコン基板１の深い側へ拡散し、表面側へ拡散することで表面再結合して消滅し、感度低下してしまうことを防ぐことができる。
【００５０】
また、図１の受光素子１０単体では、カラーセンサとしてのみ機能するが、複数、碁盤の目状に並べることで積層型受光素子のイメージセンサとして用いることもできる。
【００５１】
また、第１実施形態において、各接合で発生した光電流は、光電流センサＳ１〜Ｓ４で検出され、これら光電流信号が演算回路２０(図１に示す)により信号処理されて、分光感度が演算される。
【００５２】
上記受光素子１０と演算回路２０で受光装置を構成している。
【００５３】
図４Ａはこの発明の第１実施形態の受光素子１０において、演算回路２０により分光感度を演算した結果を示している。図４Ａにおいて、横軸は波長[ｎｍ]、縦軸は分光感度を表す。この演算結果により、各深さの接合で吸収される光信号はＲＧＢ(赤,緑,青)の信号として出力されることが確認された。
【００５４】
ここで、通常の拡散(図８)の手法では、不純物濃度プロファイルによる内蔵電界により光キャリアの振る舞いが左右されるため、感度バラツキはイオン注入エネルギーおよび濃度とその後の熱処理といった複数のパラメータによる不純物濃度プロファイルのバラツキにより感度バラツキが大きくなっていた。これに対して、この発明の受光素子は、不純物濃度ピークを持たせたことにより、感度バラツキがイオン注入エネルギーによる不純物濃度ピークの深さのみにより一律に決まり、濃度分布バラツキに影響するパラメータを減らすことで、光感度バラツキを低減することができた。
【００５５】
また、基板深さ方向の所定の位置に不純物濃度ピークを持たせることで、青色、緑色等必要な分光の接合に光を集めることができ、感度を向上させることができる。
【００５６】
また、最表面のＰ型拡散層５の濃度が表面から基板深さ方向に向かって一律に濃度が減少する構造としたことで、青色の分光のピーク感度をより短波長側にシフトさせることができる。
【００５７】
また、赤外光をカットする四重目の拡散を追加することにより、ＩＲカットフィルタや複雑な演算により赤外光をカットする必要が無くなり、簡単な方法で赤外光をカットすることができる。
【００５８】
なお、この第１実施形態では、４重拡散による受光素子について説明したが、拡散の重ね合わせ回数は４回に限らず、拡散の重ね合わせ回数が３回または５回以上の受光素子にこの発明を適用してもよく、この場合も感度バラツキの低減効果を有する。
【００５９】
上記構成の受光素子１０によれば、Ｐ型拡散層３およびＮ型拡散層４の夫々に、所定の深さに不純物濃度ピークＰ１,Ｐ２(図２に示す)が形成されていることによって、この不純物濃度ピークＰ１,Ｐ２により光キャリアが第２接合ＪＮ２,第３接合ＪＮ３からＰ型シリコン基板１側に流れ落ちるのを抑制し、不純物濃度ピークＰ１,Ｐ２よりも表面側の感度向上に寄与すると共に、感度が不純物濃度ピークＰ１,Ｐ２の位置によって決まるため、濃度勾配のバラツキによる感度バラツキを考慮する必要がなくなる。したがって、感度バラツキを低減できると共に、設計が容易でかつ高感度,高解像度で同時に多色を検出可能な受光素子を実現できる。
【００６０】
また、上記不純物濃度ピークＰ１,Ｐ２が、予め設定された波長の光に対するシリコン内での侵入長に応じた基板深さ方向の深さに形成されていることによって、デバイス設計時、濃度勾配によって光キャリアが接合から基板側に流れる効果を無視して、所望の波長の感度を高めることができる。
【００６１】
また、上記第３の拡散層(Ｎ型拡散層４)に、第３の拡散層(Ｎ型拡散層４)との界面に第４接合ＪＮ４を形成するＰ型の第４の拡散層(Ｐ型拡散層５)を形成することによって、一般的な赤色,青色,緑色以外に赤外光等の出力が必要な場合でも解像度を落とさずに多色の出力化ができる。
【００６２】
また、上記イオン注入を多段階に行うことによって不純物濃度ピークを形成するので、所定の深さに不純物濃度ピークを作ることが可能になる。
【００６３】
また、最も表面側に形成された第４の拡散層(Ｐ型拡散層５)の不純物濃度プロファイルが、Ｐ型シリコン基板１の表面から基板深さ方向に深くなるほど不純物濃度が減少するので、表面近傍で発生した光キャリアが、表面側に形成されるシリコン酸化膜６の界面へ移動することがなくなり、表面再結合による短波長光の感度低下を抑えることができる。
【００６４】
また、上記高感度かつ高解像度で同時に多色を検出可能な受光素子１０を複数配置して色情報を複数得ることで、カラー画面情報を得ることが可能になる。
【００６５】
また、単体でカラーセンサとしてのみ機能する受光素子１０を複数碁盤の目状に並べた受光装置は、イメージセンサとして用いることができる。
【００６６】
また、受光素子１０に入射した入射光の予め決められた波長毎の光強度を演算回路２０により演算することによって、感度バラツキを低減できると共に、設計が容易にできる高感度かつ高解像度で同時に多色の光強度を検出可能な受光装置を実現することができる。
【００６７】
上記演算回路２０によれば、例えば次のような演算を行うことにより、各色の分光強度の半値幅を小さくして分解能を改善することが可能である。
赤色光電流  −  緑色光電流×K1（定数）
緑色光電流  −  赤色光電流×K2（定数）
【００６８】
なお、４重拡散の構成の受光素子では、赤外光電流を検出して、
赤色光電流  −  赤外光電流×K3（定数）
による演算を行うことにより、赤色の分光の半値幅を小さくして分解能を改善することができる。
【００６９】
また、基板深さ方向に分光する受光素子では、各色の分光強度波形の長波長側のテール(尾)が続いて、波長分解能(分光強度の半値幅)が長くなくなる。そこで、この分光強度波形の長波長側のテール(尾)を低減するために、例えば図４Ｂに示すように、青色光電流の分光強度波形において、演算回路２０によって、緑色光電流をX倍して緑色光電流の分光強度波形(図４Ｂの一点鎖線で示す)の長波長側のテール(尾)を青色光電流の長波長側のテール(尾)に略合わせた後、X倍した緑色光電流を青色光電流から減算することで長波長側の成分を減らして、図４Ｂの点線で示す青色光電流の分光強度波形とすることにより分解能を改善することができる。
【００７０】
〔第２実施形態〕
上記第１実施形態の受光素子によれば、光強度出力は、接合を挟む各拡散層からの出力の差分により算出される。しかしながら、デジタル出力とするため、例えば、ＡＤ変換用にΔΣ回路を用いた場合などの一部演算回路によれば、各接合で出力された光電流の回路での演算によるバラツキを防ぐため、各演算回路および回路レイアウトまでを完全に同一化し、また、例えば、赤色、緑色、青色用の３つの回路を固定せず、交換して使用することで回路バラツキを防ぐ手法が用いられている。フォトダイオードは、逆バイアスを印加して使用するため、図１のＮ型ウェル領域(Ｎ型拡散層４)およびＮ型ウェル領域(Ｎ型拡散層２)からの出力は、Ｎ型半導体からの出力となり、プラス出力の光電流を得ることが可能になるが、Ｐ型拡散層５およびＰ型ウェル領域(Ｐ型拡散層３)からの出力は、Ｐ型半導体からの出力となり、マイナス出力の光電流となり、それぞれの信号処理回路を交換して動作させることができない。
【００７１】
このような課題を解決する第２実施形態の受光素子を備えた受光装置ついて図５に従って以下に説明する。
【００７２】
この第２実施形態の受光装置では、図５に示すように、上記第１実施形態と同じ第１の受光素子１００と、各拡散層の深さは同様であるが、各拡散層の極性が逆の第２の受光素子２００の２つの受光素子により構成される。
【００７３】
上記第１の受光素子１００は、Ｐ型シリコン基板１０１内に形成されたＮ型拡散層１０２(第１の拡散層)と、Ｎ型拡散層１０２の内側に形成されたＰ型拡散層１０３(第２の拡散層)と、Ｐ型拡散層１０３の内側に形成されたＮ型拡散層１０４(第３の拡散層)と、Ｐ型シリコン基板１０１全面を覆うシリコン酸化膜１０５とを有する。上記Ｎ型拡散層１０２は、所定の深さに不純物濃度ピーク(領域１１１)を持たせるように形成されている。また、Ｐ型拡散層１０３は、所定の深さに不純物濃度ピーク(領域１１２)を持たせるように形成されている。
【００７４】
また、上記第２の受光素子２００は、Ｐ型シリコン基板１０１内に第１の受光素子１００から離間して形成されたＮ型拡散層２０２(第４の拡散層)と、Ｎ型拡散層２０２の内側に形成されたＰ型拡散層２０３(第５の拡散層)と、Ｐ型拡散層２０３の内側に形成されたＮ型拡散層２０４(第６の拡散層)と、Ｎ型拡散層２０４の内側に形成されたＰ型拡散層２０５(第７の拡散層)とを有する。上記Ｎ型拡散層２０２は、所定の深さに不純物濃度ピーク(領域２１１)を持たせるように形成されている。また、Ｐ型拡散層２０３は、所定の深さに不純物濃度ピーク(領域２１２)を持たせるように形成されている。また、Ｎ型拡散層２０４は、所定の深さに不純物濃度ピーク(領域２１３)を持たせるように形成されている。
【００７５】
これにより、第２実施形態の受光素子１００の出力端子Ｔ１および出力端子Ｔ３と受光素子２００にある出力端子Ｔ２を使用し、すべてＮ型拡散層からのプラスの電流出力として光電流を取り出すことができる。このことにより、赤色、緑色、青色の光電流出力をすべてＮ型半導体からのプラスの光電流出力で得ることができる。これにより、上述したように回路誤差を減らすために、それぞれの信号を処理する回路を交換しながら使用し、回路バラツキの低減を行うことができ、更なる感度バラツキの低減に効果的である。
【００７６】
上記第２実施形態の受光素子によれば、極性は異なるが、第１接合ＪＮ１０１と第５接合ＪＮ２０２の基板深さ方向の深さが同じであり、かつ、第２接合ＪＮ１０２と第６接合ＪＮ２０３の基板深さ方向の深さが同じであり、かつ、第３接合ＪＮ１０３と第７接合ＪＮ２０４の基板深さ方向の深さが同じにした受光素子１００,２００を備え、出力端子Ｔ１,Ｔ２,Ｔ３のＮ型半導体より光電流を検出することにより、青色、緑色、赤色すべての出力よりプラスの光電流を取り出すことができる。
【００７７】
上記構成の受光素子によれば、感度バラツキを低減できると共に、設計が容易にできる高感度かつ高解像度で同時に多色を検出可能な受光素子を実現することができる。
【００７８】
さらに、すべてＮ型拡散層(またはすべてＰ型拡散層)から光電流出力を得ることができるようになるため、どの光電流出力もすべてプラス(またはすべてマイナス)の電流を得ることができ、後段に設けられる演算回路も全く同じ方式で設計できるようになるため、回路の違いにより各光電流出力がばらつくといったことを考慮する必要がなくなる。
【００７９】
また、この第２実施形態の受光素子１００,２００を備えた受光装置においても、第１実施形態と同様に演算回路により光強度を演算してもよい。
【００８０】
上記第２実施形態では、第１,第２の受光素子１００,２００を備えた受光装置について説明したが、３以上の受光素子を備えた受光装置にこの発明を適用してもよい。
【００８１】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【００８２】
この発明の受光素子は、
第１導電型の基板１、
上記基板１に形成され、上記基板１との界面に第１接合を形成する第２導電型の第１の拡散層２と、
上記第１の拡散層２上に形成され、上記第１の拡散層２との界面に第２接合を形成する第１導電型の第２の拡散層３と、
上記第２の拡散層３上に形成され、上記第２の拡散層３との界面に第３接合を形成する第２導電型の第３の拡散層４と
を備え、
上記第１接合ＪＮ１と上記第２接合ＪＮ２と上記第３接合ＪＮ３は夫々、予め設定された波長の光を検出するために基板深さ方向に予め設定された深さに形成されており、
上記第１接合ＪＮ１と上記第２接合ＪＮ２と上記第３接合ＪＮ３のうちのいずれか１つの接合の上記基板１表面側の拡散層に、基板深さ方向に予め設定された深さに不純物濃度ピークが形成されていることを特徴とする。
【００８３】
上記構成によれば、第１接合ＪＮ１と第２接合ＪＮ２と第３接合ＪＮ３のうちのいずれか１つの接合の基板１表面側の拡散層に、所定の深さに不純物濃度ピークが形成されていることによって、この不純物濃度ピークにより光キャリアが接合から基板１側に流れ落ちるのを抑制し、不純物濃度ピークよりも表面側の感度向上に寄与すると共に、感度が不純物濃度ピークの位置によって決まるため、濃度勾配のバラツキによる感度バラツキを考慮する必要がなくなる。したがって、感度バラツキを低減できると共に、設計が容易でかつ高感度,高解像度で同時に多色を検出可能な受光素子を実現できる。
【００８４】
また、一実施形態の受光素子では、
上記不純物濃度ピークは、予め設定された波長の光に対する上記基板１内での侵入長に応じた基板深さ方向の深さに形成されている。
【００８５】
上記実施形態によれば、不純物濃度ピークが、予め設定された波長の光に対する基板１内での侵入長に応じた基板深さ方向の深さに形成されていることによって、デバイス設計時、濃度勾配によって光キャリアが接合から基板１側に流れる効果を無視して、所望の波長の感度を高めることができる。
【００８６】
また、一実施形態の受光素子では、
上記第３の拡散層４上に形成され、上記第３の拡散層４との界面に第４接合を形成する第１導電型の第４の拡散層５を備えた。
【００８７】
上記実施形態によれば、一般的な赤色,青色,緑色以外に赤外光等の出力が必要な場合でも解像度を落とさずに多色の出力化ができる。
【００８８】
また、一実施形態の受光素子では、
上記不純物濃度ピークは、イオン注入を多段階に行うことによって形成された。
【００８９】
上記実施形態によれば、イオン注入を多段階に行うことによって不純物濃度ピークを形成するので、所定の深さに不純物濃度ピークを作ることが可能になる。
【００９０】
また、一実施形態の受光素子では、
上記各拡散層２,３,４,５のうちの最も表面側に形成された拡散層５の不純物濃度プロファイルは、上記基板１の表面から基板深さ方向に深くなるほど不純物濃度が減少する。
【００９１】
上記実施形態によれば、各拡散層２,３,４,５のうちの最も表面側に形成された拡散層５の不純物濃度プロファイルが、基板１の表面から基板深さ方向に深くなるほど不純物濃度が減少するので、表面近傍で発生した光キャリアが、表面側に形成される例えばＳiＯ2界面へ移動することがなくなり、表面再結合による短波長光の感度低下を抑えることができる。
【００９２】
また、この発明の受光素子では、
第１導電型の基板１０１と、
上記基板１０１に形成され、上記基板１０１との界面に第１接合ＪＮ１０１を形成する第２導電型の第１の拡散層１０２と、
上記第１の拡散層１０２上に形成され、上記第１の拡散層１０２との界面に第２接合ＪＮ１０２を形成する第１導電型の第２の拡散層１０３と、
上記第２の拡散層１０３上に形成され、上記第２の拡散層１０３との界面に第３接合ＪＮ１０３を形成する第２導電型の第３の拡散層１０４と、
上記基板１０１に上記第１の拡散層１０２と離間して形成され、上記基板１０１との界面に第４接合ＪＮ２０１を形成する第２導電型の第４の拡散層２０２と、
上記第４の拡散層２０２上に形成され、上記第４の拡散層２０２との界面に第５接合ＪＮ２０２を形成する第１導電型の第５の拡散層２０３と、
上記第５の拡散層２０３上に形成され、上記第５の拡散層２０３との界面に第６接合ＪＮ２０３を形成する第２導電型の第６の拡散層２０４と、
上記第６の拡散層２０４上に形成され、上記第６の拡散層２０４との界面に第７接合ＪＮ２０４を形成する第２導電型の第７の拡散層２０５と
を備え、
上記第１接合ＪＮ１０１と上記第５接合ＪＮ２０２の基板深さ方向の深さが同じであり、かつ、
上記第２接合ＪＮ１０２と上記第６接合ＪＮ２０３の基板深さ方向の深さが同じであり、かつ、
上記第３接合ＪＮ１０３と上記第７接合ＪＮ２０４の基板深さ方向の深さが同じであり、
上記第１接合ＪＮ１０１と上記第２接合ＪＮ１０２と上記第３接合ＪＮ１０３のうちのいずれか１つの接合の上記基板１０１表面側の拡散層に、基板深さ方向に予め設定された深さに不純物濃度ピークが形成されていると共に、
上記第５接合ＪＮ２０２と上記第６接合ＪＮ２０３と上記第７接合ＪＮ２０４のうちのいずれか１つの接合の上記基板１０１表面側の拡散層に、基板深さ方向に予め設定された深さに不純物濃度ピークが形成されていることを特徴とする。
【００９３】
上記構成によれば、感度バラツキを低減できると共に、設計が容易にできる高感度かつ高解像度で同時に多色を検出可能な受光素子１００,２００を実現できる。さらに、すべてＮ型拡散層(またはすべてのＰ型拡散層)から光電流出力を得ることができるようになるため、どの光電流出力もすべてプラス(またはすべてマイナス)の電流を得ることができ、後段に設けられる演算回路も全く同じ方式で設計できるようになるため、回路の違いにより各光電流出力がばらつくといったことを考慮する必要がなくなる。
【００９４】
また、この発明の受光装置では、
上記のいずれか１つの受光素子１０を複数配置したことを特徴とする。
【００９５】
上記構成によれば、感度バラツキを低減できると共に、設計が容易にできる高感度かつ高解像度で同時に多色を検出可能な受光素子１０を複数配置して色情報を複数得ることで、カラー画面情報を得ることが可能になる。
【００９６】
また、一実施形態の受光装置では、
上記複数の受光素子１０を碁盤の目状に配置した。
【００９７】
上記実施形態によれば、単体でカラーセンサとしてのみ機能する受光素子１０を複数碁盤の目状に並べることでイメージセンサとして用いることができる。
【００９８】
また、この発明の受光装置では、
上記のいずれか１つの受光素子と、
上記複数の受光素子１０に入射する入射光によって得られる少なくとも上記第１〜第３の拡散層１０２〜１０４からの光電流に基づいて、上記入射光の上記予め決められた波長毎の光強度を演算する演算回路２０と
を備えたことを特徴とする。
【００９９】
上記構成によれば、受光素子１０に入射した入射光の予め決められた波長毎の光強度を演算回路２０により演算することによって、感度バラツキを低減できると共に、設計が容易でかつ高感度,高解像度で同時に多色を検出可能な受光装置を実現できる。
【符号の説明】
【０１００】
１…Ｐ型シリコン基板
２…Ｎ型拡散層
３…Ｐ型拡散層
４…Ｎ型拡散層
５…Ｐ型拡散層
６…シリコン酸化膜
１０…受光素子
２０…演算回路
１００…第１の受光素子
１０１…Ｐ型シリコン基板
１０２…Ｎ型拡散層
１０３…Ｐ型拡散層
１０４…Ｎ型拡散層
１０５…シリコン酸化膜
２００…第２の受光素子
２０２…Ｎ型拡散層
２０３…Ｐ型拡散層
２０４…Ｎ型拡散層
２０５…Ｐ型拡散層
ＪＮ１,ＪＮ１０１…第１接合
ＪＮ２,ＪＮ１０２…第２接合
ＪＮ３,ＪＮ１０３…第３接合
ＪＮ４…第４接合
ＪＮ２０１…第４接合
ＪＮ２０２…第５接合
ＪＮ２０３…第６接合
ＪＮ２０４…第７接合
Ｓ１〜Ｓ４…光電流センサ
【図１】
2014103347.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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