(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｓｉ基板の深い位置に発生したキャリアの横拡散による、隣接するフォトダイオードへの寄与（画素間クロストーク）を抑制する半導体受光素子を提供する。【解決手段】第一導電型半導体基板と、半導体基板との接合によりフォトダイオードを構成する第二導電型半導体領域と、備えた半導体受光素子であり、複数のフォトダイオードがアレイ状に配置され、隣接するフォトダイオード間に、レーザー光照射による改質領域を有し、改質領域の深さが入射光の波長により任意に設定される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に設けられた複数の半導体受光素子を有するイメージセンサであって、
前記複数の半導体受光素子のうち隣接する半導体受光素子の間の前記半導体基板の内部の領域には、キャリアをトラップする改質層が設けられており、前記改質層の深さは、光の入射によって前記半導体基板に発生するキャリアの深さに応じて設定されていることを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記改質層は、前記半導体基板を透過する波長のレーザー光を集光レンズにより集光点が前記半導体基板の内部の所定の深さに形成されるように調整し、そのレーザー光で前記半導体基板の表面に沿って走査することにより、前記半導体基板の内部の一定の深さの領域にキャリアをトラップする面状の層として形成されていることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記改質層が、深さ方向に複数の層として設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板と接合され、フォトダイオードを形成する第２導電型の半導体領域と、を備え、前記フォトダイオードが複数配置されており、隣接する前記フォトダイオードの領域間に、レーザー光照射による改質層が形成されており、前記改質層の深さは、光の入射によって前記半導体基板に発生するキャリアの深さに応じて設定されていることを特徴としたイメージセンサ。
【請求項５】
前記改質層が、深さ方向に多層化されていることを特徴とする請求項４記載のイメージセンサ。
【請求項６】
前記改質層が、厚膜化されていることを特徴とする請求項４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、半導体受光素子を有するイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサは一般に半導体受光素子を有する受光部画素アレイから構成されている。受光部画素アレイを構成している各画素の半導体受光素子にはＰＮ接合を有するフォトダイオード型の光検出器が広く用いられている。各画素への入射光が半導体基板内部に吸収され、発生したキャリアは該フォトダイオードの空乏層部にて再結合し、電圧または電流として出力を得ることができる。
【０００３】
取得する画像データの高解像度の要求により、画素サイズの縮小が進み、所望の特性を得ることが困難になっている。特に画素間のクロストークによる特性劣化が顕著となる。ある画素の直下にて発生するキャリアが、横方向に拡散し、隣接する画素の空乏層部にて収集され再結合し余分な信号となることで出力信号が不安定となる。通常の画素では隣接領域からのクロストーク成分は相殺されるので、出力信号の低下は起こりにくいが、特に最も外側に配置されている画素においては、隣接領域からのクロストーク成分が無いため、出力信号が低下する。
【０００４】
この改善策として光検出器の空乏層深さを増大させ、キャリアの収集効率を上げる方法がある。また、空乏層下に反射絶縁層を構成し、空乏層へのキャリア収集効率を上げ、クロストークを抑制する方法も提案されている。（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２０６４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら空乏層深さの増大には限界があり(約１．２μｍ)、波長の長い光(赤〜赤外光)は、Ｓｉ基板深くまで到達し、隣接画素への横方向拡散による画素間クロストークを抑制することは出来ない。また、空乏層下に反射絶縁膜を形成した画素構造では、完全に入射光を絶縁することは不可能であり、透過光により生成されたキャリアによるクロストークが問題となる。そこで、本願に係る発明は、クロストークを抑制することが可能なイメージセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明ではイメージセンサを以下のように構成した。第一導電型半導体基板と、前記半導体基板との接合によりフォトダイオードを構成する第二導電型半導体領域と、を備えた半導体受光素子であり、複数のフォトダイオードがアレイ状に配置され、隣接する前記フォトダイオードの間に、レーザー光照射による改質領域を有し、改質層の深さが、入射光の波長により任意に設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、半導体基板の深い位置に発生したキャリアは、改質領域にトラップされ、再結合後に消滅することで、横方向拡散による受光部画素間のクロストークを抑制することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による半導体受光素子の平面図である。
【図２】図１に示した半導体受光素子の第１の実施例におけるＡ-Ａ線断面図である。
【図３】各波長に対するＳｉの光の吸収を表す図である。
【図４】図１に示した半導体受光素子の第２の実施例におけるＡ-Ａ線断面図である。
【図５】図１に示した半導体受光素子の第３の実施例におけるＡ-Ａ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では複数の実施例に対し、発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施例に係るイメージセンサの半導体受光素子の平面図であり、図２は、第１の実施例に係るイメージセンサの半導体受光素子の断面図である。
半導体受光素子１は、Ｐ型の半導体基板２と、Ｎ型層領域３と、Ｐ型半導体領域４と、Ｎ型半導体領域５と、カソード電極６と、アノード電極７と、素子分離領域８と、絶縁層９、とを備えており、本実施例ではダイオードから成っている。
【００１２】
半導体基板２は、例えばシリコンの単結晶を材料に形成されたものであり、内部所定の位置に改質領域１０を有する。絶縁膜９は例えば、シリコン酸化物またはシリコン窒化膜からなり、半導体表面の保護膜として機能する。Ｎ型層領域３は、半導体基板２とのＰＮ接合により、フォトダイオード１１を形成している。フォトダイオード１１は、カソード電極にバイアスを印加することで、半導体基板２に空乏層が広がり、電荷を取り込むための光感知領域として機能する。Ｐ型半導体領域４は、Ｎ型半導体領域３を囲むように形成されている。カソード電極６及びアノード電極７は、金属材料からなり、例えばスパッタ法等により矩形状に形成され、それぞれＮ型層領域３、Ｐ型半導体領域４と電気的に接続されている。
【００１３】
半導体受光素子１に光Ｌ１が入射すると、光Ｌ１は絶縁膜９、及び素子分離領域８を透過し、照射光Ｌ１の各波長成分は波長に従い、半導体基板２の内部に達し、キャリアを発生させる。キャリアは拡散し、ＰＮ接合の空乏層領域まで達すると、電圧または電流として出力を得る。
【００１４】
照射光Ｌ１のＳｉにおける光吸収はランベルトベールの法則log10(I1/I0)=-αLに従い、(I0:媒質に入射する前の光の強度、I1:媒質を移動した時の光の強度、α：吸収係数)、波長の長い光は、半導体基板２の深くまで達する。図３は、各波長に対する光の吸収を表す図である。例えば、波長１０００ｎｍの赤外光は半導体基板２の深さ７０μｍにおいて凡そ半分が吸収される。
【００１５】
半導体基板２の深い位置に発生したキャリアは、拡散し、ＰＮ接合の空乏層領域まで達するが、このとき、本実施例においては横方向拡散によりキャリアが隣接するフォトダイオードに達することを抑制するために、隣接するフォトダイオードとの間にレーザー照射による改質層１０を形成する。改質層１０は、半導体基板を透過する波長のレーザー光を集光レンズにより集光点がウェハの内部の所定の深さに形成されるように調整し、そのレーザー光でウェハの表面に沿って走査することにより、ウェハの内部の一定の深さの領域にキャリアをトラップする面状の改質層として形成する。その深さはフォトダイオード１１よりも深いことが望ましい。
【００１６】
半導体基板２の深い位置に発生したキャリアは、最寄りの改質層１０にトラップされ、再結合後に消滅する。改質層の深さは、入射光Ｌ１の波長により任意に設定する。例えば、波長１０００ｎｍの赤外光に対して、図３を参考に、改質層の深さは吸収効率の大きい１０〜１００μｍに形成する。
【００１７】
半導体受光素子が１次元に配置されるイメージセンサでは隣接するフォトダイオードとの間に1次元的に配置することも可能である。半導体受光素子が２次元に配置されるイメージセンサでは各フォトダイオードを囲むように、隣接するフォトダイオードとの間に改質層を配置するので、改質層は格子状に配置される。こうすることで、隣接画素への横方向拡散による画素間クロストークを抑制することが可能となる。
【実施例２】
【００１８】
図４は、本発明によるイメージセンサの半導体受光素子の第２の実施例を示す断面図である。図２と対応する部分には同じ番号が付してある。図２に示した第１の実施例と異なる点は、改質層１０を深さ方向に多層化させている点である。入射される異なる波長に応じた深さに発生したキャリアの横拡散を防ぐため、改質層１０を多層化している。
【実施例３】
【００１９】
図５は、本発明によるイメージセンサの半導体受光素子の第３の実施例を示す断面図である。図２と対応する部分には同じ番号が付してある。図２に示した第１の実施例と異なる点は、改質層１０を垂直方向に厚くした点である。入射される異なる波長に応じた深さに発生したキャリアの横拡散を防ぐため、レーザー光を集光する対物レンズの開口数ＮＡを大きくすることで、改質層１０を厚くすることが可能である。
【符号の説明】
【００２０】
１  半導体受光素子
２  Ｐ型半導体基板
３  Ｎ型層領域
４  Ｐ型半導体領域
５  Ｎ型半導体領域
６  カソード電極
７  アノード電極
８  素子分離領域
９  絶縁層
１０  改質領域
１１  フォトダイオード
Ｌ１  入射光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2015185730.tif 000006
【図５】
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