(57)【要約】【課題】  フォトダイオードの検出電圧を高めること。【解決手段】  フォトダイオードの基板内に、カソードと対面し、空乏層の下端に接する埋込酸化物を設ける。埋込酸化物は空乏層を形成する電荷の影響により分極し、コンデンサとして作用する。これによって、空乏層が形成するコンデンサと埋込酸化物によるコンデンサが直列接続され、接合総容量Ｃｓが減少する。光電荷Ｑｐは一定であるため、式（３）（Ｖｓ＝Ｑｐ／Ｃｔ）により光検出電圧Ｖｓが増大する。光検出電圧Ｖｓの増大によりフォトダイオード１のＳＮ比を向上させることができる。また、埋込酸化物は、酸素原子のイオン注入などにより容易に形成することができるため、低コストでフォトダイオードを製造することができる。【選択図】  図１
2006261153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面が形成された第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板に接合設置された第２導電型の半導体領域と、
前記半導体基板の内部に設けられ、前記半導体基板と前記半導体領域により生じる空乏層領域を形成する電荷により分極する誘電体と、
を具備したことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記誘電体は前記半導体基板を構成する半導体の酸化物により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記誘電体は、前記空乏層領域に接しているか、あるいは少なくとも一部が前記空乏層領域内に設けられていることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイメージセンサに用いられるフォトダイオードに関し、例えば、ＣＣＤや密着型イメージセンサなどに用いられるフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラやビデオなどに用いる縮小光学系を用いたＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）や、等倍系の密着型イメージセンサなどに用いられる受光素子の開発が盛んに行われている。
その中でも、フォトダイオードは、照射された光を電気信号に変換する受光素子であって、これを用いることにより受光面に投影された映像を電気信号に変換することができる。
【０００３】
フォトダイオードでは、ＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）を改善し、感度を向上させることが重要であるが、これは以下に説明するようにフォトダイオードの接合総容量を小さくすることにより実現することができる。
【０００４】
図５（ａ）は、従来のフォトダイオードの構造を説明するための模式図であり、受光面に対して垂直な方向の断面図を示している。
従来のフォトダイオードは、カソード２、補助カソード３、基板４、及びアノード５から構成されている。
【０００５】
これらの構成要素のうち、カソード２と補助カソード３はＮ型の半導体で構成されており、基板４とアノード５はＰ型の半導体で構成されている。
ここで、カソード２は、補助カソード３よりも不純物密度が高くなっており、キャリア（電子）の濃度が高く設定されている。
一方、アノード５は、基板４よりも不純物密度が高くなっており、キャリア（ホール）の濃度が高く設定されている。このように、カソード２、アノード５において不純物の濃度が高いのは金属からなる配線と良好な接合を取るためである。
【０００６】
一般にＮ型の半導体とＰ型の半導体を接合すると、接合面でホールがＰ型からＮ型の領域に拡散すると共に電子がＮ型からＰ型の領域に拡散し、キャリアが存在しない領域（空乏層）が生じる。図５（ａ）では、空乏層１０を点線にて表してある。
このよう空乏層１０では両キャリアは存在せず、後にはプラスとマイナスの不純物イオンが結晶格子に固定されて残るため、コンデンサ（容量）が形成されている。
【０００７】
図５（ｂ）は、空乏層１０により形成されたコンデンサを模式的に表した図である。
空乏層１０によるコンデンサは、Ｐ型半導体とＮ型半導体の接合領域全体に渡って形成されるが、これを補助カソード３の底面部分の底面コンデンサ領域と、補助カソード３の側面部分の側面コンデンサ領域に分けて考えることができる。
【０００８】
底面コンデンサ領域によるコンデンサをコンデンサ２１（容量Ｃｉ）とし、側面コンデンサ領域によるコンデンサをコンデンサ２２（容量Ｃｇ）とする。
すると、Ｐ型半導体とＮ型半導体の接合総容量（補助カソード３と基板４の接合総容量）は、コンデンサ２１とコンデンサ２２の合成容量となる。
コンデンサ２１とコンデンサ２２は並列接続されているため、接合総容量Ｃｓは次の式（１）で表される。
【０００９】
Ｃｓ＝Ｃｇ＋Ｃｉ・・・・（１）
【００１０】
そして、フォトダイオードのダイオード総容量Ｃｔは、接合総容量Ｃｓとカソード配線容量Ｃｈの和であるので、次の式（２）で表される。
【００１１】
Ｃｔ＝Ｃｓ＋Ｃｈ・・・・（２）
【００１２】
そして、フォトダイオードの光検出電圧Ｖｓは、光により発生する光電荷Ｑｐとダイオードの総容量Ｃｔで決まり、その値は次の式（３）で表される。
【００１３】
Ｖｓ＝Ｑｐ／Ｃｔ・・・・（３）
【００１４】
式（３）から明らかなように、光検出電圧Ｖｓを大きしてＳＮ比を向上させるためには、Ｑｐを大きくするか、Ｃｔを小さくすればよい。
次の文献では、接合総容量Ｃｓを小さくすることによりダイオード総容量Ｃｔを小さくする技術が開示されている。
【００１５】
【特許文献１】特開平１１−１１２００６号公報
【００１６】
この文献では、カソードをより不純物密度の低い補助カソードで包み設け、接合総容量Ｃｓを小さくする技術が開示されており、図５のカソード２と補助カソード３に対応するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかし、従来の技術では、フォトダイオードのＳＮ比を更に向上させることが望まれていた。特にフォトダイオードの微細化・小面積を進められているので、このような微小なフォトダイオードであっても適用でき、十分なＳＮ比を得ることができる技術が必要であった。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、ＳＮ比改善のためにフォトダイオードの検出電圧を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、前記目的を達成するために、受光面が形成された第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板に接合設置された第２導電型の半導体領域と、前記半導体基板の内部に設けられ、前記半導体基板と前記半導体領域により生じる空乏層領域を形成する電荷により分極する誘電体と、を具備したことを特徴とするフォトダイオードを提供する（第１の構成）。
また、第１の構成において、前記誘電体は前記半導体基板を構成する半導体の酸化物により構成することができる（第２の構成）。
更に、第１の構成、または第２の構成において、前記誘電体は、前記空乏層領域に接しているか、あるいは少なくとも一部が前記空乏層領域内に設けるように構成することもできる（第３の構成）。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、フォトダイオードの検出電圧を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（１）実施の形態の概要
フォトダイオードの基板内に、カソードと対面し、空乏層の下端に接する埋込酸化物を設ける。
埋込酸化物は空乏層を形成する電荷の影響により分極し、コンデンサとして作用する。
これによって、空乏層が形成するコンデンサと埋込酸化物によるコンデンサが直列接続され、接合総容量Ｃｓが減少する。光電荷Ｑｐは一定であるため、式（３）により光検出電圧Ｖｓが増大する。これによってＳＮ比が改善される。
【００２２】
（２）実施の形態の詳細
図１は、本実施の形態に係るフォトダイオードの構造を説明するための模式図であり、受光面に対して垂直な方向の断面図を示している。
フォトダイオード１は、Ｐ型半導体で構成された基板４とアノード５、及びＮ型半導体で構成されたカソード２と補助カソード３、及び基板４を構成する半導体（シリコン、ゲルマニウムなど）の酸化物で構成された埋込酸化物６から構成されている。
【００２３】
アノード５は、基板４よりも不純物濃度が高く設定されており、カソード２は、補助カソード３よりも不純物濃度が高く設定されている。
このように不純物濃度に変化を持たせたのは、接合部分の不純物濃度を低くすることで接合総容量Ｃｓを低減するためである。
【００２４】
なお、これはフォトダイオード１の構造を限定するものではなく、アノード５と基板４の不純物濃度を等しくし、カソード２と補助カソード３の不純物濃度を等しくし、フォトダイオード１を均一なＰ型半導体とＮ型半導体の接合物として構成してもよい。
【００２５】
基板４には、平面状に形成され、空間に露出した受光面７が形成されている。アノード５は、受光面７に形成されており、アノード５に光検出電圧Ｖｓを検出するための端子が設けられる。
【００２６】
更に、受光面７には、アノード５と距離を置いてカソード２が形成されており、カソード２を包み込むように補助カソード３が形成されている。カソード２には、光検出電圧Ｖｓを検出するための端子が設けられる。
【００２７】
補助カソード３と基板４の接合面では、ホールが補助カソード３から基板４に拡散し、電子が基板４から補助カソード３に拡散し、点線で示した空乏層１０（空乏層領域）が形成される。
【００２８】
埋込酸化物６は、基板４を構成する半導体の酸化物で構成されており、空乏層１０の下端面に空乏層１０と接して設けられている。埋込酸化物６は、空乏層１０の電荷により分極する誘電体を構成している。
なお、埋込酸化物６は、空乏層１０の電荷により分極する誘電体であればよく、必ずしも基板４を構成する半導体の酸化物である必要はない。
【００２９】
ただし、埋込酸化物６を、基板４を構成する半導体の酸化物で構成すると、フォトダイオード１の製造工程に、半導体を酸化して埋込酸化物６となる薄膜を形成する工程を加えるだけでよく（例えば、酸素原子のイオン注入）、埋込酸化物６の形成によるコストの増加を低減することができる。
【００３０】
このように構成されたフォトダイオード１の受光面７に光が照射されると、光のエネルギーにより、補助カソード３と基板４の接合面でホールと電子のペアが生成され、空乏層１０に蓄積される。これによって、受光面７に照射された光をアノード５とカソード２の間の電圧として検出することができる。
【００３１】
以上のように、基板４とアノード５は、受光面が形成された第１導電型（Ｐ型）の半導体基板を構成している。
また、カソード２と補助カソード３は、半導体基板（基板４）に接合設置された第２導電型（Ｎ型）の半導体領域を構成している。
【００３２】
図２（ａ）は、埋込酸化物６の形状や作用について説明するための図である。
図２（ａ）の点線で示したように、空乏層１０は、補助カソード３と基板４の接合面の全体に渡って形成される。
【００３３】
そして、補助カソード３は、受光面７を除いて基板４に周囲を包み込まれているため、空乏層１０も補助カソード３を包み込むように形成される。空乏層１０の厚さは、ほぼ均一であり、数［μｍ］（０．１〜１［μｍ］）程度である。
【００３４】
本実施の形態では、埋込酸化物６の厚さを空乏層１０の厚さ（Ａ１）程度とし、埋込酸化物６の受光面７に平行な方向の大きさを空乏層１０の内径程度（Ａ２）とした。
【００３５】
なお、この埋込酸化物６の外形は一例であり、埋込酸化物６をＡ２よりも大きく（あるいは小さく）形成してもよいし、補助カソード３を包み込むように構成してもよい。
埋込酸化物６の厚さに関しても、後述のコンデンサ２３とコンデンサ２４の合成容量がより小さくなるように最適な厚さを選択することができる。
【００３６】
空乏層１０は、コンデンサを形成するが、このコンデンサはコンデンサ２２（容量Ｃｇ）とコンデンサ２１（容量Ｃｉ）の並列接続と考えることができる。
ここで、コンデンサ２２は、補助カソード３の側面方向（受光面７に垂直な方向）に形成される容量であり、コンデンサ２３は、補助カソード３の底面（受光面７に平行な面）に形成される容量である。
【００３７】
このようにして、空乏層１０の補助カソード３側の面には、陽イオンによる正電荷が形成され、基板４側の面には陰イオンによる負電荷が形成される。
【００３８】
一方、埋込酸化物６は誘電体であり、補助カソード３に対面する面において空乏層１０と接しているため、空乏層１０により形成された負電荷の電界により分極する。これによって、補助カソード３に対面する側の面に正電荷が誘起され、反対側の面に負電荷が誘起される。このようにして、埋込酸化物６は、コンデンサ２４（容量Ｃ３）を形成する。
【００３９】
図２（ｂ）は、カソード２の部位を受光面７側から見たところを示している。
カソード２の外形は四角形に形成されており、カソード２の周囲に補助カソード３がカソード２と概ね相似形状に形成されている。
埋込酸化物６は四角形に形成されており、その外周はカソード２の外周よりも大きく、補助カソード３の外周よりも小さくなっている。
【００４０】
なお、これは、カソード２、補助カソード３、埋込酸化物６の外形を四角形に限定するものではなく、例えば、円形や楕円形など、任意の形状に形成することができる。カソード２の大きさも任意であり、金属配線と十分な接合が取れれば良い。
【００４１】
図２（ａ）に戻り、埋込酸化物６を設けた場合の接合総容量Ｃｓについて説明する。
埋込酸化物６を設けた場合、接合総容量Ｃｓは、コンデンサ２１（容量Ｃｉ）とコンデンサ２４（容量Ｃ３）を直列接続した容量と、これらコンデンサに並列に接続したコンデンサ２２（容量Ｃｇ）による容量の合成容量で表されるため、次の式（４）で表される。
【００４２】
Ｃｓ＝Ｃｇ＋Ｃｉ×Ｃ３／（Ｃｉ＋Ｃ３）・・・（４）
【００４３】
式（４）を従来例の式（１）と比較すると、式（４）の右辺第２項は、式（１）の右辺の第２項（Ｃｉ）よりも小さくなっている。
そのため、フォトダイオード１の接合総容量Ｃｓは、従来例の接合総容量Ｃｓよりも小さくなる。
【００４４】
その結果、式（３）により、フォトダイオード１のダイオード総容量Ｃｔは、従来例よりも小さくなり、フォトダイオード１の光検出電圧Ｖｓは、従来例よりも大きくなる。
【００４５】
このように、フォトダイオード１では、埋込酸化物６を設けることにより、フォトダイオード１の光検出電圧Ｖｓを高めることができ、ＳＮ比を改善することができる。
【００４６】
次に、埋込酸化物６の配置位置の変形例について説明する。
図３（ａ）は、埋込酸化物６の一部を空乏層１０の内部に形成した例である。
埋込酸化物６の空乏層１０に対面する部分は空乏層１０内に形成されており、埋込酸化物６のこの面に対向する部分は空乏層１０の外側に形成されている。
【００４７】
図３（ｂ）は、埋込酸化物６を空乏層１０の内部に形成した例である。
これは、空乏層１０によって形成されるコンデンサの内部に埋込酸化物６を誘電体として挿入した場合に相当する。
【００４８】
図３（ｃ）は、埋込酸化物６を空乏層１０の外部に形成した例である。この場合、埋込酸化物６が空乏層１０から遠ざかるほど埋込酸化物６の分極は小さくなるため、埋込酸化物６をできるだけ空乏層１０に近い領域に形成すると有効である。
【００４９】
図４は、フォトダイオード１を用いた一般的な応用回路を示した回路図である。
図４に示したように、フォトダイオード１のアノード５側は接地され、カソード２側は増幅器３３に接続される。増幅器３３によりフォトダイオード１の出力（光検出電圧Ｖｓ）が増幅されて光信号出力端子３４から出力される。
【００５０】
また、フォトダイオード１は、開閉可能な初期化スイッチ３１を介して初期化電池３２と閉回路を構成している。
フォトダイオード１の空乏層１０には光電荷Ｑｐによる電荷が溜まるが、初期化スイッチ３１を閉じて、フォトダイオード１に逆方向の電圧を印可することにより、これを初期化することができる。
【００５１】
以上に説明した本実施の形態により次のような効果を得ることができる。
（１）埋込酸化物６を設けることにより接合総容量Ｃｓを小さくすることができ、光検出電圧Ｖｓを大きくすることができる。
（２）光検出電圧Ｖｓの増大によりフォトダイオード１のＳＮ比を向上させることができる。
（３）埋込酸化物６は、酸素原子のイオン注入などにより容易に形成することができるため、低コストでフォトダイオード１を製造することができる。
【００５２】
なお、本実施の形態では、カソード２、補助カソード３をＮ型半導体とし、基板４、アノード５をＰ型半導体としたが、半導体の極性を入れ替えて、２および３にあたる領域をＰ型半導体で形成しアノードとし、４および５にあたる領域をＮ型半導体で形成しカソードとすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施の形態に係るフォトダイオードの受光面に垂直な方向の断面を示した模式図である。
【図２】埋込酸化物の形状や作用について説明するための図である。
【図３】埋込酸化物の配置位置の変形例を説明するための図である。
【図４】回路図の一例を示した図である。
【図５】従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  フォトダイオード
２  カソード
３  補助カソード
４  基板
５  アノード
６  埋込酸化物
７  受光面
１０  空乏層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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