(57)【要約】【課題】暗電流の増加を抑制しつつ光強度に対する感度を向上することが可能な半導体デバイスを提供すること。【解決手段】本半導体デバイスは、半導体基板と、前記半導体基板に埋め込まれた電極と、前記半導体基板内で前記電極と接する絶縁膜と、前記半導体基板の表面側から深さ方向に順次形成された、第１導電型の第１半導体領域、第２導電型の第２半導体領域、及び第１導電型の第３半導体領域と、前記絶縁膜及び前記第２半導体領域と接する、前記第２半導体領域よりも不純物濃度が高い第２導電型の第４半導体領域と、を有し、入射光を光電変換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に埋め込まれた電極と、
前記半導体基板内で前記電極と接する絶縁膜と、
前記半導体基板の表面側から深さ方向に順次形成された、第１導電型の第１半導体領域、第２導電型の第２半導体領域、及び第１導電型の第３半導体領域と、
前記絶縁膜及び前記第２半導体領域と接する、前記第２半導体領域よりも不純物濃度が高い第２導電型の第４半導体領域と、を有し、入射光を光電変換する半導体デバイス。
【請求項２】
前記第４半導体領域の不純物濃度は、前記第２半導体領域の最大の不純物濃度の１０倍以上である請求項１記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記第４半導体領域は、前記第１半導体領域よりも深く前記第３半導体領域よりも浅い領域の深さ方向の一部に設けられている請求項１又は２記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記第４半導体領域は、前記第１半導体領域の直下に設けられている請求項３記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第４半導体領域は、前記第１半導体領域よりも深く前記第３半導体領域よりも浅い領域の深さ方向の全部に設けられている請求項１又は２記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記電極は、前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、及び前記第３半導体領域を貫通している請求項１乃至５の何れか一項記載の半導体デバイス。
【請求項７】
前記半導体基板はＳＯＩ基板であり、
前記第３半導体領域の下部に、前記絶縁膜と接するＢＯＸ酸化膜が配置されている請求項１乃至６の何れか一項記載の半導体デバイス。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項記載の半導体デバイスを２次元に配列した撮像装置。
【請求項９】
前記半導体デバイスから出力される電流、或いは前記電流を変換した電圧を監視し、監視結果に基づいて前記電極に印加する電圧を制御する回路を備えた請求項８記載の撮像装置。
【請求項１０】
半導体基板内に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜に接する電極を前記半導体基板に埋め込む工程と、
前記半導体基板の表面側から深さ方向に、第１導電型の第１半導体領域、第２導電型の第２半導体領域、及び第１導電型の第３半導体領域を順次形成する工程と、
前記絶縁膜及び前記第２半導体領域と接する、前記第２半導体領域よりも不純物濃度が高い第２導電型の第４半導体領域を形成する工程と、を有する、入射光を光電変換する半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記第４半導体領域の不純物濃度を、前記第２半導体領域の最大の不純物濃度の１０倍以上とする請求項１０記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記第４半導体領域を、前記第１半導体領域よりも深く前記第３半導体領域よりも浅い領域の深さ方向の一部に設ける請求項１０又は１１記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記第４半導体領域を、前記第１半導体領域の直下に設ける請求項１２記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記第４半導体領域を、前記第１半導体領域よりも深く前記第３半導体領域よりも浅い領域の深さ方向の全部に設ける請求項１０又は１１記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記電極は、前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、及び前記第３半導体領域を貫通している請求項１０乃至１４の何れか一項記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記半導体基板はＳＯＩ基板であり、
前記第３半導体領域の下部に、前記絶縁膜と接するＢＯＸ酸化膜が配置されている請求項１０乃至１５の何れか一項記載の半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス及びその製造方法、並びに撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラ構造を有するフォトトランジスタは、コレクタ−ベース間で構成するフォトダイオードで得られる光電流をエミッタから出力するときに、バイポーラ構造が持っている物性により電流を増幅できる特徴を有する。そのため、フォトダイオードと比べて、小さな受光面積で光強度が低い場合の感度を向上することができる。
【０００３】
但し、フォトトランジスタでは、光強度が低い場合の感度は向上するものの、光強度が高くなるほど光電流が増加するため、出力信号の飽和に注意を要する等、取り扱い難い部分もある。そこで、フォトトランジスタの電流増幅率を可変することで、光強度に対する感度を可変し、各光強度において適切な感度を取得する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記技術では、電流増幅率を大きくして光強度に対する感度を向上したときに、暗電流が増加するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、暗電流の増加を抑制しつつ光強度に対する感度を向上することが可能な半導体デバイス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】
【０００６】
本半導体デバイスは、半導体基板と、前記半導体基板に埋め込まれた電極と、前記半導体基板内で前記電極と接する絶縁膜と、前記半導体基板の表面側から深さ方向に順次形成された、第１導電型の第１半導体領域、第２導電型の第２半導体領域、及び第１導電型の第３半導体領域と、前記絶縁膜及び前記第２半導体領域と接する、前記第２半導体領域よりも不純物濃度が高い第２導電型の第４半導体領域と、を有し、入射光を光電変換することを要件とする。
【発明の効果】
【０００７】
開示の技術によれば、暗電流の増加を抑制しつつ光強度に対する感度を向上することが可能な半導体デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体デバイスの主要な部分を例示する図である。
【図２】第１の実施の形態に係る半導体デバイスの拡散プロファイルを例示する図である。
【図３】比較例に係る半導体デバイスを例示する図である。
【図４】高不純物濃度領域を設けることにより閾値がシフトすることを示す図である。
【図５】電極への印加電圧により電流増幅率が変化することを示す図である。
【図６】第１の実施の形態に係る半導体デバイスの製造工程を例示する図（その１）である。
【図７】第１の実施の形態に係る半導体デバイスの製造工程を例示する図（その２）である。
【図８】第１の実施の形態に係る半導体デバイスの製造工程を例示する図（その３）である。
【図９】第１の実施の形態の変形例１に係る半導体デバイスの主要な部分を例示する図である。
【図１０】第１の実施の形態の変形例２に係る半導体デバイスの主要な部分を例示する図である。
【図１１】第１の実施の形態の変形例３に係る半導体デバイスの主要な部分を例示する図である。
【図１２】単体の撮像セルの回路構成を例示する図である。
【図１３】単体の撮像セルを２次元に配列した撮像装置を例示する図（その１）である。
【図１４】単体の撮像セルを２次元に配列した撮像装置を例示する図（その２）である。
【図１５】撮像装置の機能ブロックの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１０】
〈第１の実施の形態〉
［半導体デバイスの構造］
図１は、第１の実施の形態に係る半導体デバイスの主要な部分を例示する図であり、図１（ｂ）は平面図、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。なお、図１（ｂ）では、ベース領域１２、高不純物濃度領域１５、絶縁膜２０及び電極３０のみを図示し、便宜上適宜梨地模様を用いている。
【００１１】
図１に示す半導体デバイス１は、例えば、入射光を光電変換する受光セルを複数個備えたフォトトランジスタであり、半導体基板１０と、絶縁膜２０と、電極３０とを有する。半導体基板１０の表面１０ａには層間絶縁膜４０が形成され、層間絶縁膜４０上には金属電極６０が形成されている。半導体デバイス１において、各受光セルがフォトトランジスタとして機能するため、半導体デバイス１をフォトトランジスタアレイと称してもよい。但し、本実施の形態では、半導体デバイス１が複数の受光セルを備える例を示すが、半導体デバイス１は１つの受光セルを備えたものとしてもよい。
【００１２】
なお、本実施の形態では、便宜上、金属電極６０側を表面側又は上側、後述の低抵抗領域１４側を裏面側又は下側とする。又、各部位の金属電極６０側の面を表面又は上面、低抵抗領域１４側の面を裏面又は下面とする。但し、半導体デバイス１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を半導体基板１０の表面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を半導体基板１０の表面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
【００１３】
半導体基板１０は、例えば、シリコン基板である。半導体基板１０には、エミッタ領域１１、ベース領域１２、及びコレクタ領域１３が、半導体基板１０の表面１０ａ側から深さ方向に順次形成されている。コレクタ領域１３の下側は、例えば、Ｎ＋型の低抵抗領域１４とされている。エミッタ領域１１は、コンタクト５０を介して、金属電極６０（エミッタ電極）と電気的に接続されている。なお、コレクタ電極は、低抵抗領域１４の裏面側に設けることができる。
【００１４】
エミッタ領域１１は例えばＮ＋型であり、エミッタ領域１１の厚さは例えば０．２〜０．４μｍ程度とすることができる。ベース領域１２は例えばＰ型であり、ベース領域１２の厚さは例えば０．５〜１．４μｍ程度とすることができる。コレクタ領域１３は例えばＮ型であり、コレクタ領域１３の厚さは例えば５〜３０μｍ程度とすることができる。
【００１５】
なお、エミッタ領域１１は、本発明に係る第１導電型の第１半導体領域の代表的な一例である。又、ベース領域１２は、本発明に係る第２導電型の第２半導体領域の代表的な一例である。又、コレクタ領域１３は、本発明に係る第１導電型の第３半導体領域の代表的な一例である。ここで、第１導電型とはＰ型又はＮ型の何れか一方を意味し、第２導電型とは第１導電型とは反対導電型のＮ型又はＰ型を意味する。
【００１６】
図２に示すように、エミッタ領域１１の不純物濃度は、例えば、１×１０２０ｃｍ−３程度とすることができる。ベース領域１２の不純物濃度は傾斜しており、エミッタ領域１１側が高不純物濃度、コレクタ領域１３側が低不純物濃度となる。ベース領域１２の不純物濃度は、例えば、エミッタ領域１１の直下では５×１０１７ｃｍ−３程度とすることができ、コレクタ領域１３側では５×１０１５ｃｍ−３程度とすることができる。
【００１７】
図１に戻り、半導体基板１０には、表面１０ａ側から電極３０が埋め込まれている。又、半導体基板１０と電極３０とを絶縁する絶縁膜２０が、半導体基板１０内で電極３０と接して設けられている。絶縁膜２０は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜で構成することができる。絶縁膜２０の厚さは、例えば、１０〜４０ｎｍ程度とすることができる。電極３０は、例えば、１×１０２０ｃｍ−３以上の不純物濃度を持つ低抵抗化されたＮ型ポリシリコンで構成することができる。電極３０の幅は、例えば、０．３〜０．８μｍ程度とすることができる。電極３０の深さは、例えば、４〜２０μｍ程度とすることができる。
【００１８】
本実施の形態では、電極３０は、エミッタ領域１１及びベース領域１２を貫通し、先端部がコレクタ領域１３に達している。電極３０により区画された各領域は受光セルとして機能する。すなわち、半導体デバイス１は、コレクタ電位を共通とし、エミッタ側から光電流を取り出す構造の受光セルが複数配列されたフォトトランジスタである。受光セルの幅（隣接する電極３０の間隔）は、例えば、３〜２０μｍ程度とすることができる。
【００１９】
このように、半導体デバイス１は、絶縁膜２０を介して電極３０と接するエミッタ領域１１、ベース領域１２及びコレクタ領域１３が半導体基板１０の表面１０ａ側から深さ方向に順次形成された縦型バイポーラ構造である。これにより、電極３０に電圧を印加することで、電極３０付近の領域が電界の影響をうけ、特に準中性領域であるベース領域１２の幅が変化する結果、半導体デバイス１の電流増幅率を変化させることができる。
【００２０】
又、ベース領域１２の不純物濃度が傾斜しており、エミッタ領域１１側が高不純物濃度、コレクタ領域１３側が低不純物濃度である。これにより、電極３０に電圧を印加した際にコレクタ領域１３側のベース領域１２で発生する空乏層が電極３０付近から内部まで広がりやすくなるため、ベース領域１２の不純物濃度が均一である場合と比較して電流増幅率の変化を大きくすることができる。
【００２１】
半導体デバイス１において、エミッタ領域１１よりも深くコレクタ領域１３よりも浅い領域には、絶縁膜２０及びベース領域１２と接する高不純物濃度領域１５が設けられている。高不純物濃度領域１５は、ベース領域１２と同じ導電型（本実施の形態ではＰ＋型）であって、かつ、ベース領域１２の最大の不純物濃度よりも不純物濃度が高い領域である。高不純物濃度領域１５は、本発明に係る第２導電型の第４半導体領域の代表的な一例である。
【００２２】
高不純物濃度領域１５は、絶縁膜２０及びベース領域１２と接していれば、どこに設けても構わないが、本実施の形態では、エミッタ領域１１の直下に平面形状が額縁状の高不純物濃度領域１５を設けている。平面視において、高不純物濃度領域１５の内側（受光セルの中央部）には、ベース領域１２が配されている。言い換えれば、平面視において、高不純物濃度領域１５はベース領域１２と隣接している。
【００２３】
図２に示すように、高不純物濃度領域１５の不純物濃度は、ベース領域１２の最大の不純物濃度の１０倍以上とすることが好ましい。例えば、ベース領域１２の不純物濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上５×１０１７ｃｍ−３以下であれば、高不純物濃度領域１５の不純物濃度は５×１０１８ｃｍ−３以上とすることが好ましい。後述の寄生ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ９０の閾値を大きくできるからである。
【００２４】
なお、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値は、電極３０とベース領域１２との間の絶縁膜２０の膜厚と、絶縁膜２０に隣接するベース領域１２のベース拡散濃度で決定される。従って、高不純物濃度領域１５を設けてベース領域１２の濃度を濃くすることで、所望の閾値にできる。又、絶縁膜２０の膜厚を変化させても閾値を変更することが可能である。
【００２５】
但し、高不純物濃度領域１５は光電変換時には電流増幅率を低下させるので、幅が小さい方が好ましい。そのため、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値を変化させることが可能なぎりぎりの幅、すなわち電極３０へ電圧を印加した際の電界が及ぶ距離ぎりぎりに設定することが好ましい。
【００２６】
具体例を挙げると、電極３０へ印加する電圧が５Ｖ程度の場合には、電圧印加により広がる空乏層幅を考慮し、高不純物濃度領域１５の幅Ｗは０．２〜１．０μｍ程度とすること好ましい。この場合、受光セルの幅が３〜２０μｍ程度であれば、受光セルの中央部のエミッタ領域１１の直下はベース領域１２となるので、電流増幅率の低下を防止できる。
【００２７】
ここで、半導体デバイス１に高不純物濃度領域１５を設けることの技術的意義について、比較例を交えながら説明する。図３は、比較例に係る半導体デバイスを例示する図である。比較例に係る半導体デバイス１Ｘは、高不純物濃度領域１５を設けていない点が半導体デバイス１（図１参照）と相違する。
【００２８】
図３（ａ）に示す半導体デバイス１Ｘをフォトトランジスタとして取り扱った場合、図３（ｂ）に示す寄生ＭＯＳトランジスタ９０の存在が問題となる。寄生ＭＯＳトランジスタ９０は、絶縁膜２０を介して電極３０に接するエミッタ領域１１、ベース領域１２及びコレクタ領域１３に形成されている。エミッタ領域１１が寄生ＭＯＳトランジスタ９０のソースとなり、コレクタ領域１３が寄生ＭＯＳトランジスタ９０のドレインとなる。又、ベース領域１２が寄生ＭＯＳトランジスタ９０のチャネルとなる。
【００２９】
半導体デバイス１Ｘにおいて、電流増幅率を大きくするために電極３０へ電圧印加すると寄生ＭＯＳトランジスタ９０がＯＮして光電流とは無関係な電流が付加される。寄生ＭＯＳトランジスタ９０がＯＮすることで付加される電流により暗電流が大きくなり、低照度での感度が低下する問題が生じる。
【００３０】
特に、電流増幅率を大きくするためにベース領域１２の不純物濃度を低くした場合に、寄生ＭＯＳトランジスタ９０がＯＮする閾値が小さくなり暗電流が増加する。又、受光セルのサイズを小さくした場合に、受光セル内における寄生ＭＯＳトランジスタ９０の占める割合が大きくなるため、電極３０に電圧を印加することで発生する電界の影響により、寄生ＭＯＳトランジスタ９０がＯＮする閾値が小さくなり暗電流が増加する。
【００３１】
このように、従来の半導体デバイス１Ｘでは、電極３０への電圧印加により電流増幅率を可変することはできるが、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値を制御できないため、暗電流の増加を抑制できない。
【００３２】
そこで、第１の実施の形態に係る半導体デバイス１では、高不純物濃度領域１５を設けることで、寄生ＭＯＳトランジスタ９０のチャンネル濃度を濃くし、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値を高い方にシフトさせている。このように、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値を従来よりも高くすることで、暗電流の増加を抑制することができる。
【００３３】
図４は、高不純物濃度領域を設けることにより閾値がシフトすることを示す図であり、半導体デバイス１及び１Ｘにおける電極３０への印加電圧（横軸）と暗電流（縦軸）との関係を示している。なお、縦軸は対数軸である。
【００３４】
具体的には、エミッタ領域１１とコレクタ領域１３との間に電極等を介してＶｃｅ＝５Ｖを印加した状態で、電極３０への印加電圧をスイープしてエミッタ電流（暗電流）を測定したものである。図４において、『Ｉｄ（１）』は半導体デバイス１の特性であり、『Ｉｄ（１Ｘ）』は半導体デバイス１Ｘの特性である。
【００３５】
なお、半導体デバイス１において、高不純物濃度領域１５の不純物濃度はベース領域１２の最大の不純物濃度の１０倍以上とし、受光セル（１０×１０μｍ２）に対して、高不純物濃度領域１５の幅Ｗを０．２〜１．０μｍ程度としている。
【００３６】
図４の『Ｉｄ（１Ｘ）』に示すように、高不純物濃度領域を設けていない半導体デバイス１Ｘでは、電極３０への印加電圧が約０．２（Ｖ）を超えると、暗電流が増加し始める。暗電流が増加し始めるのは、寄生ＭＯＳトランジスタ９０がＯＮしたためである。すなわち、半導体デバイス１Ｘでは、寄生ＭＯＳトランジスタ９０がＯＮする閾値は約０．２（Ｖ）である。
【００３７】
これに対して、図４の『Ｉｄ（１）』に示すように、高不純物濃度領域１５を設けた半導体デバイス１では、電極３０への印加電圧が０〜約３．７（Ｖ）までは、暗電流が測定限界以下（１×１０−１１Ａ以下）である。そして、電極３０への印加電圧が約３．７（Ｖ）を超えると、暗電流が増加し始める。すなわち、半導体デバイス１では、寄生ＭＯＳトランジスタ９０がＯＮする閾値は約３．７（Ｖ）であり、半導体デバイス１Ｘに対して３．５（Ｖ）程度閾値が高い方にシフトしている。
【００３８】
このように、高不純物濃度領域１５を設けた半導体デバイス１では、高不純物濃度領域を設けていない半導体デバイス１Ｘと比べて、寄生ＭＯＳトランジスタ９０がＯＮする閾値が大きくなる（高い方にシフトする）ことが確認された。
【００３９】
図５は、電極への印加電圧により電流増幅率が変化することを示す図であり、半導体デバイス１の電極３０に所定電圧を印加した場合の照度（横軸）と光電流（縦軸）との関係を示している。なお、横軸及び縦軸は対数軸である。
【００４０】
具体的には、エミッタ領域１１とコレクタ領域１３との間に電極等を介してＶｃｅ＝５Ｖを印加した状態で、電極３０への印加電圧を所定電圧に固定し、受光セル（１０×１０μｍ２）にハロゲン光を照射して得られるエミッタ電流（光電流）を測定したものである。なお、図５において、『○』、『□』、『△』、『×』は夫々、電極３０へ印加する所定電圧を『４Ｖ』、『３．５Ｖ』、『３Ｖ』、『０Ｖ』とした場合の特性である。
【００４１】
なお、半導体デバイス１において、高不純物濃度領域１５の不純物濃度はベース領域１２の最大の不純物濃度の１０倍以上とし、高不純物濃度領域１５の幅Ｗは０．２〜１．０μｍ程度としている。
【００４２】
図５に示すように、半導体デバイス１において、電極３０に印加する電圧を変えることで、照度に対する光電流が変化している。このように、半導体デバイス１において、高不純物濃度領域１５を設けても、電極３０に印加する電圧により電流増幅率を変化させ、光電流を変化させられることが確認された。
【００４３】
［半導体デバイスの製造方法］
図６〜図８は、第１の実施の形態に係る半導体デバイスの製造工程を例示する図であり、図１（ａ）に対応する断面を示している。
【００４４】
まず、図６（ａ）に示すように、例えば、Ｎ＋型の低抵抗領域１４（例えば、６ｍΩｃｍ）上にＮ型のエピタキシャル層１９０（例えば、１Ωｃｍ）を備えたシリコン基板を準備する。エピタキシャル層１９０の厚さは、光源の波長に対する吸収率に応じて任意の設定とすることができる。
【００４５】
次に、図６（ｂ）に示すように、電極３０を埋め込むために、エピタキシャル層１９０に、エミッタ領域１１及びベース領域１２となる領域を貫通してコレクタ領域１３となる領域に達する溝３００（トレンチ）を形成する。溝３００は、例えば、ドライエッチングにより形成することができる。溝３００の幅は、例えば、０．３〜０．８μｍ程度とすることができる。溝３００の深さは、例えば、４〜２０μｍ程度とすることができる。
【００４６】
次に、図６（ｃ）に示すように、溝３００の底面及び内側面に約２０ｎｍの厚さの絶縁膜２０を形成する。そして、溝３００内に絶縁膜２０を介して電極３０を形成する。具体的には、まず、溝３００の底面及び内側面並びにエピタキシャル層１９０の表面に、例えば、熱酸化法により、約２０ｎｍの厚さの絶縁膜２０（シリコン酸化膜）を形成する。但し、絶縁膜２０としては、シリコン窒化膜等を用いてもよい。
【００４７】
そして、絶縁膜２０が形成された溝３００内及びエピタキシャル層１９０の表面に、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法によりポリシリコンを堆積させる。その後、エッチバックにより表面に形成されたポリシリコンを取り除き、溝３００の内部だけに残すことで、ポリシリコンからなる電極３０が形成される。なお、電極３０を低抵抗化するために、リン不純物が飽和したポリシリコンを堆積することが好ましい。
【００４８】
次に、図７（ａ）に示すように、Ｐ型のベース領域１２を形成するために、Ｐ型不純物１２０を注入する。具体的には、例えば、Ｐ型不純物１２０としてボロンの注入（例えば、３０ＫｅＶ ３．２×１０１３ｃｍ−２）を行う。
【００４９】
そして、図７（ｂ）に示すように、例えば、１１５０℃程度の熱処理を５０分程度行ってＰ型不純物１２０を熱拡散させて活性化し、１．５μｍ程度の深さのベース領域１２を形成する。なお、ベース領域１２の下層がコレクタ領域１３となる。ベース領域１２の深さ及び不純物濃度は、光源の波長の吸収に応じて、電流増幅率が安定する任意の設定とすることができる。
【００５０】
次に、図７（ｃ）に示すように、エミッタ領域１１となる領域の直下に、絶縁膜２０及びベース領域１２と接するＰ＋型の高不純物濃度領域１５を形成するために、Ｐ型不純物１５０を注入する。具体的には、例えば、Ｐ型不純物１５０としてボロンの注入（例えば、１８０ＫｅＶ １×１０１３ｃｍ−２）を行う。
【００５１】
次に、図８（ａ）に示すように、Ｎ＋型のエミッタ領域１１を形成するために、Ｎ型不純物１１０を注入する。具体的には、例えば、Ｎ型不純物１１０としてリンの注入（例えば、５０ＫｅＶ ６×１０１３ｃｍ−２）を行う。
【００５２】
そして、図８（ｂ）に示すように、例えば、９２０℃程度の熱処理を４０分程度行ってＮ型不純物１１０及びＰ型不純物１５０を熱拡散させて活性化し、表面１０ａ側にエミッタ領域１１を形成すると共に、エミッタ領域１１の直下に高不純物濃度領域１５を形成する。なお、エミッタ領域１１は光の吸収の妨げになるので、浅い拡散とすることが好ましい。
【００５３】
その後、半導体基板１０の表面１０ａにＣＶＤ法等により層間絶縁膜４０を形成し、層間絶縁膜４０内にエミッタ領域１１と導通するコンタクト５０を形成し、更に、層間絶縁膜４０上にコンタクト５０と導通する金属電極６０を形成する。又、各受光セルが形成された領域の外周部から電極３０を構成するポリシリコンを引き伸ばし、電極３０の取り出し配線を形成する。なお、金属電極６０は光を遮光するので、可能な限り電極３０上に配置することが好ましい。以上の各工程により、図１に示す半導体デバイス１が完成する。
【００５４】
このように、第１の実施の形態に係る半導体デバイス１では、絶縁膜２０を介して半導体基板１０に電極３０を埋め込み、電極３０と接するエミッタ領域１１、ベース領域１２及びコレクタ領域１３を半導体基板１０の表面１０ａ側から深さ方向に順次形成している。これにより、電極３０に電圧を印加することで、ベース領域１２の幅が変化する結果、半導体デバイス１の電流増幅率を変化させることができる（光強度に対する感度を向上することができる）。
【００５５】
又、エミッタ領域１１よりも深くコレクタ領域１３よりも浅い領域に、ベース領域１２よりも不純物濃度が高く、ベース領域１２と同一の導電型の高不純物濃度領域１５を、絶縁膜２０及びベース領域１２と接して設けている。これにより、半導体基板１０に形成される寄生ＭＯＳトランジスタ９０のチャンネル濃度を濃くし、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値を高い方にシフトさせることができる。その結果、半導体デバイス１において、暗電流の増加を抑制することができる。
【００５６】
すなわち、半導体デバイス１では、暗電流の増加を抑制しつつ光強度に対する感度を向上することができる。
【００５７】
〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態の変形例１では、第１の実施の形態とは異なる位置に高不純物濃度領域を設ける例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例１において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００５８】
図９は、第１の実施の形態の変形例１に係る半導体デバイスの主要な部分を例示する図であり、図１（ａ）に対応する断面を示している。
【００５９】
図９（ａ）に示す半導体デバイス１Ａでは、高不純物濃度領域１５Ａが、エミッタ領域１１及びコレクタ領域１３と接することなく、絶縁膜２０及びベース領域１２のみと接している。
【００６０】
高不純物濃度領域１５Ａを形成するには、第１の実施の形態の図７（ｃ）に示す工程において、加速電圧を大きくしてＰ型不純物１５０の注入位置を深くすればよい。例えば、Ｐ型不純物１５０としてボロンの注入（例えば、４００ＫｅＶ １×１０１３ｃｍ−２）を行うことで、図９（ａ）の位置に高不純物濃度領域１５Ａを形成することができる。
【００６１】
図９（ａ）に示す構造でも、図１に示す構造と同様に寄生ＭＯＳトランジスタ９０のチャンネル濃度が濃くなるので、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値が大きくなり、暗電流の増加を抑制することができる。
【００６２】
図９（ｂ）に示す半導体デバイス１Ｂでは、高不純物濃度領域１５Ｂが、コレクタ領域１３の直上に、絶縁膜２０及びベース領域１２と接して設けられている。
【００６３】
高不純物濃度領域１５Ｂを形成するには、第１の実施の形態の図７（ｃ）に示す工程において、図９（ａ）の場合よりも更に加速電圧を大きくしてＰ型不純物１５０の注入位置を深くすればよい。例えば、Ｐ型不純物１５０としてボロン注入（１０００ＫｅＶ １×１０１３ｃｍ−２）を行うことで、図９（ｂ）の位置に高不純物濃度領域１５Ｂを形成することができる。
【００６４】
図９（ｂ）に示す構造でも、図１に示す構造と同様に寄生ＭＯＳトランジスタ９０のチャンネル濃度が濃くなるので、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値が大きくなり、暗電流の増加を抑制することができる。
【００６５】
半導体デバイス１、１Ａ及び１Ｂでは、高不純物濃度領域１５、１５Ａ及び１５Ｂが、エミッタ領域１１よりも深くコレクタ領域１３よりも浅い領域の深さ方向の一部に設けられていた。これに対し、図９（ｃ）に示す半導体デバイス１Ｃでは、高不純物濃度領域１５Ｃが、エミッタ領域１１よりも深くコレクタ領域１３よりも浅い領域の深さ方向の全部に設けられている。
【００６６】
つまり、半導体デバイス１Ｃでは、高不純物濃度領域１５Ｃが、エミッタ領域１１の直下からコレクタ領域１３の直上に到達する領域に、絶縁膜２０及びベース領域１２と接して設けられている。言い換えれば、絶縁膜２０とベース領域１２と間に、ベース領域１２と略同一の厚さの高不純物濃度領域１５Ｃが設けられている。
【００６７】
高不純物濃度領域１５Ｃを形成するには、第１の実施の形態の図７（ｃ）に示す工程において、加速電圧を変えてＰ型不純物１５０を多段注入することで、エミッタ領域１１の直下、その更に下側の領域、及びコレクタ領域１３の直上を高濃度化すればよい。例えば、ボロンの注入（１０００ＫｅＶ １×１０１３ｃｍ−２）、ボロンの注入（４００ＫｅＶ １×１０１３ｃｍ−２）、及びボロンの注入（１８０ＫｅＶ １×１０１３ｃｍ−２）を順次行うことで、図９（ｃ）の位置に高不純物濃度領域１５Ｃを形成できる。
【００６８】
図９（ｃ）に示す構造でも、図１に示す構造と同様に寄生ＭＯＳトランジスタ９０のチャンネル濃度が濃くなるので、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値が大きくなり、暗電流の増加を抑制することができる。
【００６９】
このように、絶縁膜２０及びベース領域１２と接していれば、高不純物濃度領域をどこに設けても、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値が大きくなり、暗電流の増加を抑制することができる。
【００７０】
但し、寄生ＭＯＳトランジスタ９０の閾値を大きくするには、寄生ＭＯＳトランジスタ９０のソース側（エミッタ領域１１側）に高不純物濃度領域を配することが最も効果的である。又、できる限り半導体基板１０の表面１０ａ近くに高不純物濃度領域を配することが、不純物注入の際の加速電圧が比較的小さくて済む点で、半導体デバイス１の製造上好ましい。このような観点からは、エミッタ領域１１の直下に高不純物濃度領域１５を設けた半導体デバイス１（図１参照）が最も好ましい形態であると言える。
【００７１】
〈第１の実施の形態の変形例２〉
第１の実施の形態の変形例２では、電極３０がコレクタ領域１３を貫通する例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例２において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００７２】
図１０は、第１の実施の形態の変形例２に係る半導体デバイスの主要な部分を例示する図であり、図１０（ｂ）は平面図、図１０（ａ）は図１０（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。但し、図１０（ｂ）では、ベース領域１２、高不純物濃度領域１５、絶縁膜２０及び電極３０のみを図示し、便宜上適宜梨地模様を用いている。なお、エミッタ領域１１、ベース領域１２、コレクタ領域１３、オーミック領域１６及び高濃度ベース領域１７の配置については、後述の図１１（ｂ）と同様である。
【００７３】
図１０に示す半導体デバイス１Ｄでは、半導体基板１０ＤとしてＰ型基板を用いている。半導体デバイス１Ｄにおいて、電極３０は、エミッタ領域１１（例えばＮ＋型）、ベース領域１２（例えばＰ型）及びコレクタ領域１３（例えばＮ型）を貫通し、先端部がＰ型領域１４Ｄに達している。
【００７４】
これにより、各受光セルにおいて、エミッタ領域１１同士、ベース領域１２同士が分離されると共に、コレクタ領域１３同士も分離される（各受光セルのコレクタ領域１３同士が電気的に独立している）。なお、半導体デバイス１（図１参照）と同様に、エミッタ領域１１の直下には、絶縁膜２０及びベース領域１２と接して高不純物濃度領域１５が設けられている。
【００７５】
又、半導体基板１０Ｄの表面１０ａに面してエミッタ領域１１、ベース領域１２、及びコレクタ領域１３が存在している。そして、エミッタ領域１１はコンタクト５０を介して金属電極６０（エミッタ電極）と電気的に接続されている。又、コレクタ領域１３の表面にはＮ＋型のオーミック領域１６が設けられ、オーミック領域１６はコンタクト５０を介して金属電極７０（コレクタ電極）と電気的に接続されている。
【００７６】
言い換えれば、半導体基板１０Ｄの深さ方向の縦型バイポーラ構造と共に、半導体基板１０Ｄの表面１０ａ側に横型バイポーラ構造が存在する。横型バイポーラ構造は、コレクタ電流に対する電流増幅率の変化が大きい。そこで、コレクタ電流に対する電流増幅率の変化を抑制するために、ベース領域１２の表面側の、エミッタ領域１１から離れた位置に、Ｐ＋型の高濃度ベース領域１７を配置することが好ましい。例えば、ベース領域１２の表面側の、エミッタ領域１１から約１μｍ離れた位置に、濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上の高濃度ベース領域１７を配置することができる。
【００７７】
図１０の構造により、半導体デバイス１Ｄでは、各受光セルの金属電極６０（エミッタ電極）及び金属電極７０（コレクタ電極）に異なる電圧を印加することができる。これにより、各受光セルのエミッタ電位及びコレクタ電位を自由に設定でき、金属電極６０（エミッタ電極）、金属電極７０（コレクタ電極）の何れから出力信号を取得するかを選択できるため、回路動作時の自由度を向上できる。なお、高不純物濃度領域１５を形成することによる効果については、第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
〈第１の実施の形態の変形例３〉
第１の実施の形態の変形例３では、半導体基板としてＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例３において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００７９】
図１１は、第１の実施の形態の変形例３に係る半導体デバイスの主要な部分を例示する図であり、図１１（ｂ）は平面図、図１１（ａ）は図１１（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。但し、図１１（ｂ）では、エミッタ領域１１、ベース領域１２、コレクタ領域１３、オーミック領域１６、高濃度ベース領域１７、絶縁膜２０及び電極３０のみを図示し、便宜上適宜梨地模様を用いている。なお、高不純物濃度領域１５の配置については、前述の図１０（ｂ）と同様である。
【００８０】
図１１に示す半導体デバイス１Ｅでは、半導体基板１０Ｅとして、Ｐ型シリコン基板１４Ｅ上に、厚さ１μｍ程度のＢＯＸ（Buried Oxide: 埋め込み）酸化膜１８及びシリコン活性層が順次配されたＳＯＩ基板を用いている。そして、ＢＯＸ酸化膜１８上に配されたシリコン活性層に、半導体デバイス１Ｄ（図１０参照）と同様の構造のエミッタ領域１１、ベース領域１２、コレクタ領域１３、高不純物濃度領域１５、オーミック領域１６及び高濃度ベース領域１７が設けられている。コレクタ領域１３の下部に、絶縁膜２０と接するＢＯＸ酸化膜１８が配置されている。
【００８１】
半導体デバイス１Ｅにおいて、電極３０は、エミッタ領域１１、ベース領域１２及びコレクタ領域１３を貫通し、電極３０の先端部を被覆する絶縁膜２０がＢＯＸ酸化膜１８に達している。これにより、各受光セルにおいて、エミッタ領域１１同士、ベース領域１２同士が分離されると共に、コレクタ領域１３同士も分離される（各受光セルのコレクタ領域１３同士が電気的に独立している）。
【００８２】
半導体デバイス１Ｅは、半導体デバイス１〜１Ｃのようなコレクタ領域１３が共通である構造や、半導体デバイス１ＤのようなＰ型領域１４Ｄとコレクタ領域１３とがＰＮ接合を形成する構造とは異なり、隣接する受光セル同士が完全に絶縁分離された構造である。その結果、光入射により発生する電荷の拡散は、各受光セル内のみにとどまり、隣接する受光セルへ移動しないため、半導体デバイス１Ｅを撮像装置に用いた場合に、混色を防止できる。なお、高不純物濃度領域１５を形成することによる効果については、第１の実施の形態と同様である。
【００８３】
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態に係る半導体デバイス１をフォトトランジスタとして用いた撮像装置の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００８４】
図１２は、単体の撮像セルの回路構成を例示する図である。図１２に示すように、単体の撮像セル２は、半導体デバイス１の１つの受光セル１０ｃｅ（フォトトランジスタ）と、ＩＮ２端子の電圧によりオン／オフする読み出し用のＭＯＳスイッチ２００とを有する。撮像セル２は、光照射されている間、ＭＯＳスイッチ２００をオフしておくと、受光セル１０ｃｅのベース領域１２に電荷が蓄積される。ＭＯＳスイッチ２００をオンすることで、受光セル１０ｃｅが持つ電流増幅率で増幅された出力電流（光電流）をＭＯＳスイッチ２００のＯＵＴ端子から取り出すことができる。
【００８５】
照射される光強度が小さく、得られる出力電流が小さい場合には、ＩＮ１端子（受光セル１０ｃｅに隣接する電極３０）に電流増幅率が大きくなる電圧を印加し、出力電流を大きくして光強度に対して感度を高くできる。逆に、光の強度が強くなり、出力電流が飽和する場合には、ＩＮ１端子に電流増幅率が小さくなる電圧を印加し、光強度に対する感度を低下させて、光強度に応じた正確な出力電流を得ることができる。
【００８６】
なお、ＭＯＳスイッチ２００は、例えば、半導体デバイス１を構成する半導体基板１０に、受光セル１０ｃｅに隣接して形成することができる。
【００８７】
図１３は、単体の撮像セルを２次元に配列した撮像装置を例示する図（その１）である。図１３（ａ）は撮像装置３の回路構成を簡略化して例示するブロック図であり、図１３（ｂ）は撮像装置３における受光セル１０ｃｅとＭＯＳスイッチ２００の配置を例示する平面図である。
【００８８】
撮像装置３では、一例として、撮像セル２が３行３列に配置されている。撮像装置３において、撮像セル２を構成するＭＯＳスイッチ２００は、行毎に共通の端子（ＩＮ２−１〜ＩＮ２−３）を備えている。又、撮像装置３は、ＩＮ３−１〜ＩＮ３−３端子に入力される電圧に基づいて列を選択するＭＯＳスイッチ２１０と、ＭＯＳスイッチ２１０の出力を増幅するセンスアンプ２２０とを備えている。
【００８９】
撮像装置３では、ＭＯＳスイッチ２００及び２１０を用いて一定周期で受光セル１０ｃｅの番地（何行何列）を選択する。そして、選択した受光セル１０ｃｅの出力電流をセンスアンプ２２０で増幅してＯＵＴ１端子〜ＯＵＴ３端子から出力し、データ処理することで、２次元の画像を得ることができる。
【００９０】
撮像装置３では、電極３０は共通にしており、ＩＮ１端子（全受光セル１０ｃｅに共通の電極３０）に入力する１つの信号で各撮像セル２の電流増幅率を制御するので、半導体デバイス１の全受光セル１０ｃｅの電流増幅率を一括で変化させることができる。
【００９１】
これにより、画像全体の光強度が小さく、出力電流の最大信号レベルが小さい場合には、電流増幅率を大きくし、全体の出力信号を拡大することができる。又、光強度が大きすぎてセンスアンプ２２０から正確な出力信号が得られない場合や、出力信号が飽和してしまう場合には、電流増幅率を小さくすることで、出力信号を縮小し正確な出力信号へと変化させることができる。
【００９２】
図１４は、単体の撮像セルを２次元に配列した撮像装置を例示する図（その２）である。図１４（ａ）は撮像装置４の回路構成を簡略化して例示するブロック図であり、図１４（ｂ）は撮像装置４における受光セル１０ｃｅとＭＯＳスイッチ２００の配置を例示する平面図である。図１４に示す撮像装置４では、単体の撮像セル２毎に独立した電極３０（ＩＮ１−１１等）を設けている。
【００９３】
これにより、各撮像セル２に対応するＩＮ端子（各受光セル１０ｃｅに固有の電極３０）に所定の電圧を印加することで、各撮像セル２の電流増幅率を独立に設定することができる。従って、画像の中で明るすぎる場所や暗すぎる場所などを検知してフィードバックすることで出力信号の補正を行い、平準化することで画像品質を向上することができる。又、特殊撮影のように、強調したい場所の画像のコントラストを変えることも可能となる。
【００９４】
図１５は、撮像装置の機能ブロックの一例を示す図である。図１５の例では、例えば、電流増幅率を５倍に設定する電圧を発生する電圧発生器２３０と、電流増幅率を１／２倍に設定する電圧を発生する電圧発生器２４０とが、コンパレータ回路２５０の出力に基づいて適宜選択される。
【００９５】
コンパレータ回路２５０は、多数の受光セル１０ｃｅ（フォトトランジスタ）からセンスアンプ２２０を介して出力される出力信号の最大値を監視し、監視結果に基づいて電極３０に印加する電圧を制御する回路である。なお、センスアンプ２２０を介して出力される出力信号は、光電流或いは光電流を変換した電圧である。コンパレータ回路２５０には、例えば、所定の光電流Ｄの１／１０のレベルＥと、所定の光電流Ｄに達するレベルＤが閾値として予め設定されている。
【００９６】
例えば、初期状態では受光セル１０ｃｅの電流増幅率が２倍に設定されているとする。この場合、センスアンプ２２０からの出力信号がレベルＥより低い場合には、コンパレータ回路２５０の出力により電圧発生器２３０が選択され、電圧発生器２３０の発生する電圧に基づいて受光セル１０ｃｅの電流増幅率が５倍になる。
【００９７】
又、センスアンプ２２０からの出力信号がレベルＤより高い場合には、コンパレータ回路２５０の出力により電圧発生器２４０が選択され、電圧発生器２４０の発生する電圧に基づいて受光セル１０ｃｅの電流増幅率が１／２倍になる。又、センスアンプ２２０からの出力信号がレベルＥ以上レベルＤ以下の場合には、電圧発生器２３０及び２４０の何れも選択されず、電流増幅率が２倍となる。
【００９８】
これにより、大きく異なる光強度を扱う場合であっても、センスアンプ２２０からの出力信号を、おおよそ一定の範囲内に収めることができる。なお、図１５の例では、コンパレータ回路２５０の閾値と、電圧発生器（電圧発生器２３０及び２４０）の設定電圧を２種類としたが、閾値及び設定電圧を３種類以上に細分化することにより、更に詳細な補正が可能となる。
【００９９】
なお、第２の実施形態に係る撮像装置３及び４では、第１の実施の形態に係る半導体デバイス１を用いているため、暗電流の増加を抑制することができる。
【０１００】
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【０１０１】
例えば、第１の実施の形態において、電極３０で区画された各受光セルのエミッタ領域１１を電気的に接続して共通にし、半導体デバイス１を大面積の単一のフォトトランジスタとしてもよい。この場合にも、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。
【０１０２】
又、第１の実施の形態の変形例２や３において、第１の実施の形態の変形例１と同様にエミッタ領域１１の直下以外の位置に高不純物濃度領域を設けてもよい。
【０１０３】
又、第２の実施の形態において、半導体デバイス１に代えて、第１の実施の形態の変形例１〜３に係る半導体デバイス１Ａ〜１Ｅの何れかを用いてもよい。
【０１０４】
又、エミッタ領域１１、ベース領域１２、コレクタ領域１３、高不純物濃度領域１５等の導電型は、各実施の形態に例示したものと反対であってもよい。
【符号の説明】
【０１０５】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ  半導体デバイス
２  撮像セル
３、４  撮像装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ  半導体基板
１０ａ  半導体基板の表面
１０ｃｅ  受光セル
１１  エミッタ領域
１２  ベース領域
１３  コレクタ領域
１４  低抵抗領域
１５、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ  高不純物濃度領域
１６  オーミック領域
１７  高濃度ベース領域
１８  ＢＯＸ酸化膜
２０  絶縁膜
３０  電極
４０  層間絶縁膜
５０  コンタクト
６０、７０  金属電極
９０  寄生ＭＯＳトランジスタ
１１０  Ｎ型不純物
１２０、１５０  Ｐ型不純物
１９０  エピタキシャル層
２００、２１０  ＭＯＳスイッチ
２２０  センスアンプ
２３０、２４０  電圧発生器
２５０  コンパレータ回路
３００  溝
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０６】
【特許文献１】特開２０１３−１８７５２７号公報
【図１】
2016092348.tif 000003
【図２】
2016092348.tif 000004
【図３】
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【図５】
2016092348.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図４】
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