(57)【要約】【課題】１つの実施形態は、例えば、光電変換効率を向上でき、結晶欠陥起因の望ましくない電流を低減できる固体撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】１つの実施形態によれば、フォトダイオードを備えた固体撮像装置が提供される。フォトダイオードでは、第１導電型の領域と第２導電型の領域とが接合されている。第１導電型の領域は、第１の半導体領域と複数の第２の半導体領域とを有する。第１の半導体領域は、Ｓｉを主成分とする材料で形成されている。複数の第２の半導体領域のそれぞれは、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料で形成されている。複数の第２の半導体領域のそれぞれは、第１の半導体領域の上に島状に配されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１導電型の半導体領域と前記第1導電型とは異なる第２導電型の半導体領域とが接合されたフォトダイオードを備え、
前記第１導電型の半導体領域は、
Ｓｉを主成分とする材料で形成された第１の半導体領域と、
Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料でそれぞれ形成された複数の第２の半導体領域と、
を有し、
前記複数の第２の半導体領域のそれぞれは、前記第１の半導体領域の上に島状に配されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の第２の半導体領域のそれぞれは、前記第１の半導体領域の表面に凸状に形成されていることを特徴とする特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数の第２の半導体領域のそれぞれは、前記第１の半導体領域の表面に埋め込まれている
ことを特徴とする特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第２の半導体領域における上側の部分のＧｅの含有率は、前記第２の半導体領域における下側の部分のＧｅの含有率より高い
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記複数の第２の半導体領域のそれぞれは、前記第１の半導体領域の表面に沿った方向の最大幅が０．１μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像装置への小型化・多画素化の要求に基づき、画素サイズの微細化が急激に進んでいる。特に、カメラモジュールの小型化と多画素化との要求を両立する必要から、カメラ機能付き携帯電話向けの固体撮像装置において画素微細化への要求が強い。
【０００３】
固体撮像装置における各画素では、シリコン基板内部に光電変換領域であるファトダイオードを有し、光電変換した信号電荷は、画素内に組み込まれた増幅素子によって増幅され、電圧又は電流として取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１０６４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
１つの実施形態は、例えば、光電変換効率を向上でき、結晶欠陥起因の望ましくない電流を低減できる固体撮像装置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】
【０００６】
１つの実施形態によれば、フォトダイオードを備えた固体撮像装置が提供される。フォトダイオードでは、第１導電型の領域と第２導電型の領域とが接合されている。第１導電型の領域は、第１の半導体領域と複数の第２の半導体領域とを有する。第１の半導体領域は、Ｓｉを主成分とする材料で形成されている。複数の第２の半導体領域のそれぞれは、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料で形成されている。複数の第２の半導体領域のそれぞれは、第１の半導体領域の上に島状に配されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す図。
【図２】第１の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法を示す図。
【図３】第２の実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す図。
【図４】第２の実施形態にかかる固体撮像装置の製造方法を示す図。
【図５】第３の実施形態にかかる固体撮像装置の構成及び製造方法を示す図。
【図６】第４の実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す図。
【図７】第５の実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す図。
【図８】第６の実施形態にかかる固体撮像装置の構成を示す図。
【図９】シリコン及びゲルマニウムの光吸収係数及び侵入長を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
【０００９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態にかかる固体撮像装置１について図１（ａ）を用いて説明する。図１（ａ）は、固体撮像装置１における画素Ｐ１及び画素Ｐ２の２画素分について断面構成を示す図である。固体撮像装置１では、画素Ｐ１及び画素Ｐ２を含む複数の画素が１次元的に又は２次元的に配列されている。以下では、画素Ｐ１の構成を中心に説明するが、他の画素Ｐ２等の構成についても画素Ｐ１の構成と同様である。
【００１０】
固体撮像装置１における画素Ｐ１は、マイクロレンズＭＬ１、カラーフィルタＣＦ１、多層配線構造ＭＳＴ１、フォトダイオードＰＤ１、絶縁膜ＤＦ１、ゲート絶縁膜ＧＦ１、ゲート電極ＴＧ１、フローティングディフュージョンＦＤ１を備える。
【００１１】
マイクロレンズＭＬ１は、カラーフィルタＣＦ１の上に配されている。マイクロレンズＭＬ１は、入射した光をカラーフィルタＣＦ１に通してフォトダイオードＰＤ１の受光面に集める。
【００１２】
カラーフィルタＣＦ１は、多層配線構造ＭＳＴ１の上に配されている。カラーフィルタＣＦ１は、マイクロレンズＭＬ１から導かれた光のうち特定の色（例えば、赤、緑、青など）の波長域の光を選択的に通過させる。
【００１３】
多層配線構造ＭＳＴ１は、フォトダイオードＰＤ１及び絶縁膜ＤＦ１の上に配されている。
【００１４】
フォトダイオードＰＤ１は、半導体基板ＳＢに配されている。フォトダイオードＰＤ１は、第１導電型（例えば、Ｎ型）の領域ＲＧ１と第２導電型（例えば、Ｐ型）の領域ＲＧ２とが接合されたＰＮ接合領域を有している。第２導電型は、第１導電型の反対導電型である。例えば、フォトダイオードＰＤ１では、第１導電型の領域ＲＧ１が第２導電型の領域ＲＧ２の上に接合されている。第２導電型の領域ＲＧ２は、例えば、半導体基板ＳＢにおける第２導電型領域の一部であり、第２導電型（例えば、Ｐ型）の不純物を低い濃度で含む半導体（例えば、Ｓｉを主成分とする材料）で形成されている。Ｐ型の不純物は、例えば、ボロンである。第１導電型の領域ＲＧ１は、例えば、第１導電型（例えば、Ｎ型）の不純物を、第２導電型の不純物の濃度よりも高い濃度で含む半導体で形成されている。Ｎ型の不純物は、例えば、リン又は砒素である。フォトダイオードＰＤ１は、導かれた光に対して第一導電型領域RG1で光電変換を行い、光量に応じた電荷を発生させて蓄積する。
【００１５】
絶縁膜ＤＦ１は、フォトダイオードＰＤ１、ゲート電極ＴＧ１、及びゲート絶縁膜ＧＦ１を覆っている。絶縁膜ＤＦ１は、フォトダイオードＰＤ１に対応した領域に、フォトダイオードＰＤ１の一部により貫通される複数の穴ＤＦ１１〜ＤＦ１４（図２（ｃ）参照）を有している。
【００１６】
ゲート絶縁膜ＧＦ１は、半導体基板ＳＢの表面を覆い、ゲート電極ＴＧ１と半導体基板ＳＢとを絶縁している。また、ゲート絶縁膜ＧＦ１は、フォトダイオードＰＤ１に対応した領域に、フォトダイオードＰＤ１の一部により貫通される複数の穴ＧＦ１１〜ＧＦ１４（図２（ｃ）参照）を有している。複数の穴ＧＦ１１〜ＧＦ１４は、絶縁膜ＤＦ１における複数の穴ＤＦ１１〜ＤＦ１４に対応して形成されている。
【００１７】
ゲート電極ＴＧ１は、ゲート絶縁膜ＧＦ１上におけるフォトダイオードＰＤ１に隣接した位置に配されている。ゲート電極ＴＧ１は、フォトダイオードＰＤ１及びフローティングディフュージョンＦＤ１とともに転送トランジスタを構成している。この転送トランジスタは、アクティブレベルの制御信号がゲート電極ＴＧ１に供給された際にオンすることにより、フォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤ１へ転送する。
【００１８】
フローティングディフュージョンＦＤ１は、半導体基板ＳＢ内に配されている。フローティングディフュージョンＦＤ１は、第１導電型（例えば、Ｎ型）の不純物を、ウエル領域における第２導電型の不純物の濃度よりも高い濃度で含む半導体（例えば、Ｓｉを主成分とする材料）で形成されている。Ｎ型の不純物は、例えば、リン又は砒素である。フローティングディフュージョンＦＤ１に蓄積された電荷は、転送トランジスタにより転送され電圧に変換される。図示しない増幅トランジスタは、その変換された電圧に応じた信号を信号線へ出力する。
【００１９】
次に、フォトダイオードＰＤ１内の構成について説明する。
【００２０】
フォトダイオードＰＤ１では、図１（ａ）に示すように、第２導電型（例えば、Ｐ型）の領域ＲＧ２の上に第１導電型（例えば、Ｎ型）の領域ＲＧ１が接合されている。図１（ａ）における第１導電型の領域ＲＧ１を抜き出して図示すると、図１（ｂ）のようになる。また、第１導電型の領域ＲＧ１の斜視図は、図１（ｃ）のようになる。
【００２１】
第１導電型の領域ＲＧ１は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１の半導体領域ＳＲ１及び複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋ（ｋは整数）を有する。すなわち、第１の半導体領域ＳＲ１及び複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、いずれも、第１導電型の不純物を含む半導体領域である。
【００２２】
第１の半導体領域ＳＲ１は、半導体基板ＳＢ内に配されている（図１（ａ）参照）。第１の半導体領域ＳＲ１は、第１導電型（例えば、Ｎ型）の不純物を、第２導電型RG2の不純物の濃度よりも高い濃度で含む半導体（例えば、Ｓｉを主成分とする材料）で形成されている。Ｎ型の不純物は、例えば、リン又は砒素である。第１の半導体領域ＳＲ１は、第２導電型の領域ＲＧ２と接しており、第２導電型の領域ＲＧ２との間でＰＮ接合領域を形成している。
【００２３】
複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、第１の半導体領域ＳＲ１の上に配されている。各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、第１導電型（例えば、Ｎ型）の不純物を、第２導電型の不純物の濃度よりも高い濃度で含む半導体で形成されている。
【００２４】
具体的には、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、第１の半導体領域ＳＲ１と異なる半導体材料で構成される。例えば、第1の半導体領域SR1はシリコンであり、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、第1の半導体領域と異なる半導体層（例えば、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料）で形成されている。
【００２５】
ここで、例えば第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋの材料としてＳｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ＜１）を選択すれば、その吸収係数が図９に破線で示すＳｉの吸収係数と実線で示すＧｅの吸収係数との間の値になり、フォトダイオードＰＤ１の全体としての光電変換効率は、シリコンのみで光電変換部を形成する場合に比べ向上する。例えば第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋの材料として、Siを含まないGe層を選択しても良く、この場合は、Ｇｅの吸収係数が大きいことから、フォトダイオードＰＤ１の光電変換効率をさらに向上できる。
【００２６】
また、複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋのそれぞれは、第１の半導体領域ＳＲ１の上に島状に配されている。つまり，複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋのそれぞれは、互いに離間して，第１の半導体領域ＳＲ１の上に配されている。複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、例えば、第１の半導体領域ＳＲ１の上に２次元的に配列されている（図１（ｃ）参照）。各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、第１の半導体領域ＳＲ１の表面ＳＲ１ａに凸状に形成されている。すなわち、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、第１の半導体領域ＳＲ１の表面ＳＲ１ａから、ゲート絶縁膜ＧＦ１の穴ＧＦ１１〜ＧＦ１４及び絶縁膜ＤＦ１の穴ＤＦ１１〜ＤＦ１４を介して、ゲート絶縁膜ＧＦ１及び絶縁膜ＤＦ１を貫通して上側へ延びている。
【００２７】
さらに具体的には、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、第１の半導体領域ＳＲ１の表面ＳＲ１ａに沿った方向の最大幅が０．１μｍ以下である。例えば、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、底面の最大幅が０．１μｍ以下である。例えば、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋが図１（ｂ）、（ｃ）に示すような角柱状である場合、底面の長辺が０．１μｍ以下である。
【００２８】
仮に、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋにおける第１の半導体領域ＳＲ１の表面ＳＲ１ａに沿った方向の最大幅が０．１μｍより大きいと、第１の半導体領域ＳＲ１（例えば、Ｓｉを主成分とする材料）の結晶と各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋ（例えば、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料）の結晶との格子不整を両者の内部で吸収しきれなくなり、第１の半導体領域ＳＲ１と各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋとの界面における結晶欠陥（転位）が発生する傾向にある。
【００２９】
なお、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、円柱状であってもよい。この場合、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、底面の直径が０．１μｍ以下である。あるいは、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、楕円柱状であってもよい。この場合、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、底面の長径が０．１μｍ以下である。
【００３０】
ここで、例えば各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋの材料としてＧｅを選択すると、Ｇｅの格子定数は０．５６５ｎｍであり、Ｓｉの格子定数０．５４３ｎｍの値との差から、第１の半導体領域ＳＲ１との間で格子不整を生ずる。また、例えば各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋの材料としてＳｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ＜１）を選択すれば、平均した結晶格子の間隔は、Ｓｉ及びＧｅの格子定数０．５４３ｎｍと０．５６５ｎｍの間の値となる。
【００３１】
次に、固体撮像装置１の製造方法について図２（ａ）〜（ｄ）、図１（ａ）を用いて説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、固体撮像装置１の製造方法を示す工程断面図である。図１（ａ）は、固体撮像装置１の構成を示す図であるが、図２（ｄ）に示す工程を示す図面として流用することにする。以下では、第１の半導体領域ＳＲ１の表面ＳＲ１ａ上に例えば２次元的に配列された複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋのうち複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−４について説明するが、他の第２の半導体領域に関しても同様である。
【００３２】
図２（ａ）に示す工程では、半導体基板ＳＢの表面にゲート絶縁膜ＧＦ１ｉを形成し、その後、導電体物質を堆積しゲート絶縁膜ＧＦ１ｉ上における所望の領域にゲート電極ＴＧ１を形成する。ゲート電極ＴＧ１となる導電体物質としては、例えば、Ｎ型かＰ型にあらかじめドーピングされたＳｉ系材料か金属、合金等が用いられる。
【００３３】
そして、イオン注入法などにより、半導体基板ＳＢ内の第２導電型の領域の、第１の半導体領域ＳＲ１が形成されるべき領域に開口パターンを有するレジストパターン（図示せず）を形成し、そのレジストパターンをマスクとして、第２導電型のウエル領域に対して第１導電型の不純物を導入する。また、第１導電型のフローティングディフージョンを形成する領域においても、レジストパターン（図示せず）を形成して第１導電型の不純物を導入する。そして、不純物活性化のための熱処理を行うことにより、第１の半導体領域ＳＲ１及びフローティングディフュージョンＦＤ１を形成する。第１の半導体領域ＳＲ１は、フォトダイオードＰＤ１（図１（ａ）参照）の一部となるべき領域である。
【００３４】
図２（ｂ）に示す工程では、ＣＶＤ法などにより、ゲート絶縁膜ＧＦ１ｉ及びゲート電極ＴＧ１を覆う絶縁膜ＤＦ１ｉを堆積する。絶縁膜ＤＦ１ｉは、後の工程で形成すべき各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋの膜厚に対応した膜厚（例えば、０．２μｍ）で形成する。
【００３５】
続いて、第１の半導体領域ＳＲ１に対応した領域に複数の開口パターンＯＰ１１〜ＯＰ１４を有するレジストパターンＲＰ１を絶縁膜ＤＦ１ｉの上に形成する。
【００３６】
図２（ｃ）に示す工程では、レジストパターンＲＰ１をマスクとして例えばＲＩＥ法によるドライエッチングを用いて絶縁膜を加工する。これにより、絶縁膜ＤＦ１におけるフォトダイオードＰＤ１に対応した領域に複数の穴ＤＦ１１〜ＤＦ１４を形成する。さらに、第１の半導体領域ＳＲ１の表面ＳＲ１ａの一部である複数の領域が露出されるように、ゲート絶縁膜ＧＦ１におけるフォトダイオードＰＤ１に対応した領域に複数の穴ＧＦ１１〜ＧＦ１４を形成する。その後、レジストパターンＲＰ１を除去する。
【００３７】
図２（ｄ）に示す工程では、エピタキシャル成長法などにより、第１の半導体領域ＳＲ１の表面ＳＲ１ａにおける複数の穴ＤＦ１１〜ＤＦ１４及び複数の穴ＧＦ１１〜ＧＦ１４により露出された複数の領域から、複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−４を成長させる。このときの成長温度は、例えば、７００℃付近であることが好ましい。各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−４の膜厚は、例えばゲート絶縁膜ＧＦ１及び絶縁膜ＤＦ１の合計膜厚であることが好ましい。
【００３８】
ここで、例えば第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋの材料としてＳｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を選択する場合、Ｓｉ系ガス（例えばＳｉＨ４）と、Ｇｅ系のガス（例えば、ＧｅＨ４）の混合ガスを用いる。このとき、形成すべきＳｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ＜１）の組成比に応じてＳｉ系ガス（例えばＳｉＨ４）とＧｅ系のガス（例えば、ＧｅＨ４）との流量比を調整する。第１導電型の不純物は、イオン注入法で導入しても良いし、上述の半導体層を成長させる過程でｉｎ−ｓｉｔｕで導入されるように所望の導電型の不純物を含むガスを用いて導入しても良い。
【００３９】
図１（ａ）に示す工程では、フォトダイオードＰＤ１及び絶縁膜ＤＦ１の上に、多層配線構造ＭＳＴ１、カラーフィルタＣＦ１、マイクロレンズＭＬ１を順に形成する。これにより、固体撮像装置１が得られる。
【００４０】
ここで、仮に、フォトダイオードＰＤ１の第１導電型の領域ＳＲ１において、第１の半導体領域ＳＲ１（例えば、Ｓｉ）の上に、第１の半導体領域ＳＲ１より光電変換効率の高い半導体領域（例えば、Ｇｅ）を、第１の半導体領域ＳＲ１と同様の幅を有する層状に形成する場合について考える。この場合、第１の半導体領域ＳＲ１（例えば、Ｓｉ）と半導体層（例えば、Ｇｅ）との接触面積が非常に大きいので、第１の半導体領域ＳＲ１（例えば、格子間距離が０．５４３ｎｍ）と半導体層（例えば、格子間距離が０．５６５ｎｍ）との格子不整により両者の界面に結晶欠陥（転位）が生じやすく、両者の界面における結晶欠陥（転位）の密度が許容範囲を超えてしまう傾向にある。これにより、フォトダイオードＰＤ１において結晶欠陥起因の望ましくない電流が増大する傾向にある。例えば、フォトダイオードＰＤ１において結晶欠陥を介してリークする接合リーク電流が増大したり、フォトダイオードＰＤ１において結晶欠陥に電荷がトラップされることにより、シグナルの低下やノイズ源となる電流の発生を引き起こす。結晶欠陥の無い場合に比べて、得られる画像信号におけるＳ／Ｎ比の劣化が生ずることになる。
【００４１】
それに対して、第１の実施形態では、フォトダイオードＰＤ１の第１導電型の領域ＳＲ１において、例えばＳｉを主成分とする材料で形成された第１の半導体領域ＳＲ１の上に、例えばＳｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料でそれぞれ形成された複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋを複数の島状に形成する。これにより、フォトダイオードＰＤ１における光電変換効率を向上させながら、第１の半導体領域ＳＲ１と各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋとの接触面積を小さく押さえることができるので、両者の界面における結晶欠陥の密度を許容範囲内に収めることが容易である。これにより、光電変換効率を向上でき、結晶欠陥起因の望ましくない電流を低減できる。その結果、固体撮像装置１で得られる画像信号におけるＳ／Ｎ比を向上できる。
【００４２】
また、第１の実施形態では、各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋは、第１の半導体領域ＳＲ１の表面ＳＲ１ａに沿った方向の最大幅が０．１μｍ以下である。これにより、第１の半導体領域ＳＲ１（例えば、Ｓｉを主成分とする材料）の結晶と各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋ（例えば、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料）の結晶との格子不整を両者の内部で吸収でき、第１の半導体領域ＳＲ１と各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋとの界面における結晶欠陥（転位）の発生を抑制できる。
【００４３】
また、第１の実施形態では、例えばＳｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料で形成された各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋによる光の吸収係数が図９に示すように高い。特に、第１の半導体領域ＳＲ１における深い領域で吸収されていた長波長光（例えば、赤色の光）が各第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋに吸収できるようになるので、第１の半導体領域ＳＲ１の深さも複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋがないＳｉのみで光電変換部を構成する場合の接合深さ（例えば３μｍ）より大幅に薄くすることができる。すなわち、フォトダイオードＰＤ１の第１導電型の領域ＳＲ１の深さを全体的に浅くできるので、斜め入射光による画素間の混色に対して強い構造を得ることができる。
【００４４】
このように、第１の実施形態では、フォトダイオードＰＤ１において、第１の半導体領域ＳＲ１の表面ＳＲ１ａに加えて、複数の第２の半導体領域ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋの上面が受光面を構成している。
【００４５】
なお、第１の実施形態では、第１導電型がＮ型であり第２導電型がＰ型である場合を例示的に説明したが、第１導電型がＰ型であり第２導電型がＮ型であってもよい。
【００４６】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態にかかる固体撮像装置２００について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４７】
第２の実施形態は、固体撮像装置２００におけるフォトダイオードＰＤ２０１内の構成が、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の実施形態と異なる。
【００４８】
具体的には、フォトダイオードＰＤ２０１の第１導電型の領域ＲＧ２０１において、複数の第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−ｋのそれぞれは、第１の半導体領域ＳＲ２０１の表面ＳＲ２０１ａに埋め込まれている。このとき、第１の半導体領域ＳＲ２０１の表面ＳＲ２０１ａと各第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−ｋの上面とは、連続した面を形成していても良い。あるいは、各第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−ｋの上面が第１の半導体領域ＳＲ２０１の表面ＳＲ２０１ａより高くなっていても良い。
【００４９】
また、各第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−ｋは、第１の半導体領域ＳＲ２０１の表面ＳＲ２０１ａに沿った方向の最大幅が０．１μｍ以下であることに加えて、最大膜厚が０．１μｍ以下であってもよい。
【００５０】
また、固体撮像装置２００の製造方法が図４（ａ）〜（ｄ）に示すように第１の実施形態と異なる。
【００５１】
図４（ａ）に示す工程は、図２（ａ）に示す工程の次に行われる。この工程では、第１の半導体領域ＳＲ１に対応した領域に複数の開口パターンＯＰ２１〜ＯＰ２４を有するレジストパターンＲＰ２を、ゲート絶縁膜ＧＦ１ｉ及びゲート電極ＴＧ１を覆うように形成する。
【００５２】
図４（ｂ）に示す工程では、レジストパターンＲＰ２をマスクとしてエッチングを行う。このエッチングは、例えばＲＩＥ法によるドライエッチングで良い。これにより、第１の半導体領域ＳＲ２０１ｉの表面ＳＲ１ａの一部である複数の領域が露出されるように、ゲート絶縁膜ＧＦ１におけるフォトダイオードＰＤ１に対応した領域に複数の穴ＧＦ１１〜ＧＦ１４を形成し、第１の半導体領域ＳＲ２０１における複数の第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−４が形成されるべき複数の領域に、複数の凹部ＳＲ２０１１〜ＳＲ２０１４を形成する。このとき、各凹部ＳＲ２０１１〜ＳＲ２０１４の最大深さを０．１μｍ以下としてもよい。
【００５３】
図４（ｃ）に示す工程では、レジストパターンＲＰ２を除去する。
【００５４】
図４（ｄ）に示す工程では、エピタキシャル法などにより、第１の半導体領域ＳＲ１における複数の穴ＧＦ１１〜ＧＦ１４により露出された複数の凹部ＳＲ２０１１〜ＳＲ２０１４から、複数の第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−４を成長させる。このときの成長温度は、例えば、７００℃付近であることが好ましい。各第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−４の膜厚は、各凹部ＳＲ２０１１〜ＳＲ２０１４の最大深さ（例えば、０．１μｍ以下）と略等しいものでもよい。あるいは、各第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−４の膜厚は、各凹部ＳＲ２０１１〜ＳＲ２０１４の最大深さより厚くなっても良い。
【００５５】
以上のように、第２の実施形態では、フォトダイオードＰＤ２０１の第１導電型の領域ＲＧ２０１において、複数の第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−ｋのそれぞれが、第１の半導体領域ＳＲ２０１の表面ＳＲ２０１ａに埋め込まれている。このような構造によっても、フォトダイオードＰＤ１における光電変換効率を向上させながら、第１の半導体領域ＳＲ１と各第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−ｋとの接触面積を小さく押さえることができるので、両者の界面における結晶欠陥の密度を許容範囲内に収めることが容易である。すなわち、光電変換効率を向上でき、結晶欠陥起因の望ましくない電流を低減できる。その結果、固体撮像装置２００で得られる画像信号におけるＳ／Ｎ比を向上できる。
【００５６】
また、第２の実施形態では、各第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−ｋの最大膜厚が０．１μｍ以下であってもよい。各第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−ｋの最大膜厚が０．１μｍ以下である場合、第１の半導体領域ＳＲ１（例えば、Ｓｉを主成分とする材料）の結晶と各第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−ｋ（例えば、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料）の結晶との格子不整を両者の内部で吸収することがさらに容易になるので、第１の半導体領域ＳＲ１と各第２の半導体領域ＳＲ２０２−１〜ＳＲ２０２−ｋとの界面における結晶欠陥（転位）の発生をさらに抑制できる。
【００５７】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態にかかる固体撮像装置３００について説明する。以下では、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５８】
第３の実施形態は、固体撮像装置３００におけるフォトダイオードＰＤ３０１内の構成が、図５（ａ）に示すように、第２の実施形態と異なる。
【００５９】
具体的には、フォトダイオードＰＤ３０１において、第１導電型の領域ＲＧ３０１の表面が第２導電型の領域ＲＧ３０３で覆われている。第２導電型の領域ＲＧ３０３は、第３の半導体領域ＳＲ３０３を有する。第３の半導体領域ＳＲ３０３は、第２導電型の不純物を半導体基板ＳＢのウエル領域における第２導電型の不純物の濃度よりも高い濃度で含む半導体で形成されている。すなわち、第３の半導体領域ＳＲ３０３は、複数の第２の半導体領域ＳＲ３０２−１〜ＳＲ３０２−ｋに接している複数の領域が第２の半導体領域ＳＲ３０２−１〜ＳＲ３０２−ｋと同じ材料（例えば、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料）で形成されている。また、第３の半導体領域ＳＲ３０３は、第１の半導体領域ＳＲ３０１に接している例えば格子状の領域が第１の半導体領域ＳＲ３０１と同じ材料（例えば、Ｓｉを主成分とする材料）で形成されている。
【００６０】
また、第３の半導体領域ＳＲ３０３の膜厚は、できるだけ薄く（例えば、１００ｎｍ）することが好ましい。
【００６１】
また、固体撮像装置３００の製造方法が図５（ｂ）、（ｃ）に示すように次の点で第２の実施形態と異なる。
【００６２】
図５（ｂ）に示す工程は、図４（ｄ）に示す工程の後に行われる。この工程では、第１の半導体領域ＳＲ３０１ｉ及び複数の第２の半導体領域ＳＲ３０２−１ｉ〜ＳＲ３０２−４ｉに対応した領域に開口パターンＯＰ３１を有するレジストパターンＲＰ３を、ゲート絶縁膜ＧＦ１及びゲート電極ＴＧ１を覆うように形成する。そして、レジストパターンＲＰ３をマスクとして、第１の半導体領域ＳＲ３０１ｉ及び複数の第２の半導体領域ＳＲ３０２−１ｉ〜ＳＲ３０２−４ｉの表面が露出されるまで、エッチングを行う。のエッチングは、例えばＲＩＥ法によるドライエッチングでもよいし、ウェットエッチングでもよい。これにより、ゲート絶縁膜ＧＦ１ｊに開口ＧＦ１ｊ１を形成する。
【００６３】
図５（ｃ）に示す工程では、イオン注入法あるいは固層拡散法などにより、第１の半導体領域ＳＲ３０１ｉ及び複数の第２の半導体領域ＳＲ３０２−１ｉ〜ＳＲ３０２−４ｉの露出された表面に、第２導電型の不純物を導入する。その後、不純物を活性化させるための熱処理を行う。これにより、それぞれ第１導電型の不純物をそれぞれ含む第１の半導体領域ＳＲ３０１及び複数の第２の半導体領域ＳＲ３０２−１〜ＳＲ３０２−４の表面に、第２導電型の不純物を含む第３の半導体領域ＳＲ３０３を形成する。
【００６４】
以上のように、第３の実施形態では、第１導電型の領域ＲＧ３０１の表面が第２導電型の領域ＲＧ３０３で覆われている。これにより、第１導電型の領域ＲＧ３０１で発生した電荷が半導体基板ＳＢの表面に存在する界面準位（例えば、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面準位）にトラップされることを防ぎ暗電流を低減できる。
【００６５】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態にかかる固体撮像装置４００について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６６】
第４の実施形態は、固体撮像装置４００が裏面照射型である点で第１の実施形態と異なる。
【００６７】
具体的には、固体撮像装置４００の画素Ｐ４０１では、図６（ａ）に示すように、マイクロレンズＭＬ４０１、カラーフィルタＣＦ４０１が半導体基板ＳＢ４００の裏面ＳＢ４００ｂ側に配されている。すなわち、マイクロレンズＭＬ４０１は、入射した光をカラーフィルタＣＦ４０１に通して半導体基板ＳＢ４００の裏面ＳＢ４００ｂ側からフォトダイオードＰＤ４０１における第２導電型の領域ＲＧ４０２経由で表面ＳＢ４００ａ側の第１導電型の領域ＲＧ４０１に導く。半導体基板ＳＢ４００は、裏面研磨により薄板化されていることが好ましい。
【００６８】
これにより、接合の浅い部分で吸収される短波長光は、主として、例えばＳｉを主成分とする材料で形成された第１の半導体領域ＳＲ４０１で吸収され、接合の深い部分で吸収される中長波長光は、主として、例えばＳｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ≦１）を主成分とする材料でそれぞれ形成された複数の第２の半導体領域ＳＲ４０２−１〜ＳＲ４０２−４で吸収される。
【００６９】
このように、第４の実施形態によれば、裏面照射型の固体撮像装置４００においても、光電変換効率を向上でき、結晶欠陥起因の望ましくない電流を低減できる。
【００７０】
なお、裏面照射型の固体撮像装置４００ｐは、半導体基板ＳＢ４００とカラーフィルタＣＦ４０１との間に絶縁膜ＤＦ４０２ｐが配された構成であってもよい。このような構造は、ＳＯＩ基板を用意しＳＯＩ基板の裏面を研磨して埋め込み酸化層を露出させた基板を用いることで得ることができる。
【００７１】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態にかかる固体撮像装置５００について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７２】
第５の実施形態は、固体撮像装置５００におけるフォトダイオードＰＤ５０１内の構成が、図７に示すように、第１の実施形態と異なる。
【００７３】
具体的には、フォトダイオードＰＤ５０１の第１導電型の領域ＲＧ５０１において、複数の第２の半導体領域ＳＲ５０２−１〜ＳＲ５０２−４のそれぞれは、上側の部分のＧｅの含有率が、下側の部分のＧｅの含有率より高い。
【００７４】
例えば、各第２の半導体領域ＳＲ５０２−１〜ＳＲ５０２−４は、多層構造を有しており、下側の層から上側の層にかけて段階的にＧｅの含有率が高くなる構造を有していても良い。例えば、各第２の半導体領域ＳＲ５０２−１〜ＳＲ５０２−４は、図７に示すように、下部層ＳＲ５０２−１ｂ〜ＳＲ５０２−４ｂの上に上部層ＳＲ５０２−１ａ〜ＳＲ５０２−４ａが積層された２層構造を有していても良い。すなわち、Ｓｉ１−ｘ１Ｇｅｘ１（０＜ｘ１＜１）を主成分とする材料で上部層ＳＲ５０２−１ａ〜ＳＲ５０２−４ａが形成され、Ｓｉ１−ｘ２Ｇｅｘ２（０＜ｘ２≦１）を主成分とする材料で下部層ＳＲ５０２−１ｂ〜ＳＲ５０２−４ｂが形成されている場合に、ｘ１＞ｘ２が成り立つ。
【００７５】
あるいは、例えば、各第２の半導体領域ＳＲ５０２−１〜ＳＲ５０２−ｋは、下側から上側にかけて連続的にＧｅの含有率が高くなるＧｅ濃度プロファイルを有していても良い。
【００７６】
このような構造は、例えば、図２（ｄ）に示す工程で、Ｓｉ系ガス（例えばＳｉＨ４）に対するＧｅ系のガス（例えばＧｅＨ４）の流量比を段階的に又は連続的に多くしながら、第２の半導体領域ＳＲ５０２−１〜ＳＲ５０２−ｋを成長させることで得ることができる。
【００７７】
以上のように、第５の実施形態では、複数の第２の半導体領域ＳＲ５０２−１〜ＳＲ５０２−４のそれぞれは、上側の部分のＧｅの含有率が、下側の部分のＧｅの含有率より高い。これにより、上側の部分のＧｅの含有率を高くすることでフォトダイオードＰＤ５０１における光電変換効率を効果的に向上させながら、下側の部分のＧｅの含有率を低くすることで第１の半導体領域ＳＲ１との間の格子不整を効果的に低減できる。
【００７８】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態にかかる固体撮像装置６００について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７９】
第６の実施形態は、固体撮像装置６００におけるフォトダイオードＰＤ６０１内の構成が、図８に示すように、第１の実施形態と異なる。
【００８０】
具体的には、フォトダイオードＰＤ６０１の第１導電型の領域ＲＧ６０１において、複数の第１の半導体領域ＳＲ６０１−１〜ＳＲ６０１−４が、第２の半導体領域ＳＲ６０２の上に複数の島状に配されている。すなわち、第１導電型の領域ＲＧ６０１におけるＳｉを主材料とする第１の半導体領域とＧｅを含む材料からなる第２の半導体領域とが入れ替わった構造になっている。
【００８１】
このような構造は、半導体基板ＳＢ６００として、下地領域の上に埋め込み絶縁層（Ｇｅ酸化層）ＤＦ６０２及び活性層（Ｇｅ層）が積層されたＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用意し、ＧＯＩ基板のＧｅ層内に第２の半導体領域ＳＲ６０２を形成するとともに、第２の半導体領域ＳＲ６０２の上に第１の実施形態と同様にして複数の第１の半導体領域ＳＲ６０１−１〜ＳＲ６０１−４をＳｉを主成分とする材料で選択成長させることで得ることができる。
【００８２】
以上のように、第６の実施形態によっても、第２の半導体領域ＳＲ６０２と各第１の半導体領域ＳＲ６０１−１〜ＳＲ６０１−４との接触面積を小さく押さえることができるので、両者の界面における結晶欠陥の密度を許容範囲内に収めることが容易である。これにより、光電変換効率を向上でき、結晶欠陥起因の望ましくない電流を低減できる。その結果、固体撮像装置６００で得られる画像信号におけるＳ／Ｎ比を向上できる。
【００８３】
また、シリコンとゲルマニウムもしくは、シリコンとゲルマニウムを含有するシリコン層の界面においては、材料固有のバンド幅の違いにより、バンド障壁が存在する。この障壁の高さはゲルマニウムの濃度、Ｎ型あるいはＰ型不純物の濃度、印加電圧等に強く影響を受けるが、それらを考慮することによってシリコンとゲルマニウムもしくは、ゲルマニウムを含有するシリコン層において発生した電荷を取り出すことは可能である。  
【００８４】
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。
【符号の説明】
【００８５】
１、２００、３００、４００、５００、６００  固体撮像装置、  ＰＤ１、ＰＤ２０１、ＰＤ３０１、ＰＤ４０１、ＰＤ５０１、ＰＤ６０１  フォトダイオード、  ＲＧ１、ＲＧ２０１、ＲＧ３０１、ＲＧ４０１、ＲＧ５０１、ＲＧ６０１  第１導電型の領域、  ＲＧ２、ＲＧ３０３、ＲＧ４０２  第２導電型の領域、  ＳＲ１、ＳＲ２０１、ＳＲ２０１ｉ、ＳＲ３０１、ＳＲ３０１ｉ、ＳＲ４０１、ＳＲ６０１−１〜ＳＲ６０１−４  第１の半導体領域、  ＳＲ２−１〜ＳＲ２−ｋ、ＳＲ２０１−１〜ＳＲ２０２−ｋ、ＳＲ３０２−１〜ＳＲ３０２−４、ＳＲ３０２−１〜ＳＲ３０２−ｋ、ＳＲ３０２−１ｉ〜ＳＲ３０２−４ｉ、ＳＲ４０２−１〜ＳＲ４０２−４、ＳＲ５０１−１〜ＳＲ５０２−４、ＳＲ６０２  第２の半導体領域、ＳＲ３０３  第３の半導体領域。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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