JP2005277063A - 受光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする受光素子を提供する。
【解決手段】 p型およびn型の領域を有する第1のシリコン基板120と、p型およびn型の領域を有する第2のシリコン基板132が第1のSOI絶縁層131上に形成されてなる第1のSOI基板130と、p型およびn型の領域を有する第3のシリコン基板142が第2のSOI絶縁層141上に形成されてなる第2のSOI基板140とを備え、第1のシリコン基板120、第2のシリコン基板132および第3のシリコン基板142におけるpn接合は、光を光電変換するフォトダイオードを形成し、光が入射する第2のSOI基板140の表面からのpn接合の深さは、光電変換する光のシリコン内における吸収長さにより決定される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、受光素子に関し、特に固体撮像素子の受光素子に関するものである。
デジタルスチルカメラやビデオカメラ等には、CCD型あるいはMOS型の固体撮像素子が搭載されている。このような固体撮像素子は、受光素子にて受けた光を光電変換し、その光電変換により生じた信号電荷をCCD型においてはポテンシャルの井戸に蓄積しつつ転送し、MOS型においてはMOSトランジスタを通して直接読み出す。ここで、受光素子が2次元状に配設されてなる固体撮像素子の撮像面には、ベイヤ型やストライプ型の色配列をしたRGB原色フィルタが配設されており、カラー化が図られている(例えば、特許文献1参照)。
図8は、従来のMOS型固体撮像素子の受光素子周辺の構造を示す断面図である。
従来の固体撮像素子は、p型のシリコン基板800に形成された複数のn型の領域である複数の受光素子810と、各受光素子810の光入射側に設けられたカラーフィルタ820と、MOSトランジスタ831を有し、各受光素子810と接続され、信号電荷を電圧に変換、増幅して出力する複数の出力アンプ830とから構成される。
ここで、カラーフィルタ820においては、図9に示すように、RGBはベイヤ型の色配列で配置される。
特開平5−183139号公報
ところで、近年、固体撮像素子には更なる高性能化、つまり高画質化、軽量化等が求められている。
しかしながら、従来の固体撮像素子では、カラーフィルタにより各受光素子に入射する光を選択しているため、カラーフィルタを通過しない光はカラーフィルタで吸収される。よって、受光素子の光の利用効率が低く、撮像画像の色再現性は低減するため、更なる高画質化の要求に応えることができないという問題がある。
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする受光素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の受光素子は、入射光を光電変換する受光素子であって、pn接合部を有する第1のシリコン基板と、pn接合部を有する第2のシリコン基板が第1のSOI絶縁層上に形成されてなる第1のSOI基板と、pn接合部を有する第3のシリコン基板が第2のSOI絶縁層上に形成されてなる第2のSOI基板とを備え、前記第1のシリコン基板、前記第1のSOI基板および前記第2のSOI基板は、順次積層され、前記第1のシリコン基板、前記第2のシリコン基板および前記第3のシリコン基板におけるpn接合は、光を光電変換するフォトダイオードを形成し、光が入射する前記第2のSOI基板の表面からの各前記pn接合の深さは、光電変換する光のシリコン内における吸収長さにより決定されることを特徴とする。ここで、前記第1のシリコン基板におけるpn接合は、赤色光を光電変換し、前記第2のシリコン基板におけるpn接合は、緑色光を光電変換し、前記第3のシリコン基板におけるpn接合は、青色光を光電変換してもよいし、前記第1のシリコン基板におけるpn接合は、約1.5〜3.0μmの深さに位置し、前記第2のシリコン基板におけるpn接合は、約0.5〜1.5μmの深さに位置し、前記第3のシリコン基板におけるpn接合は、約0.2〜0.5μmの深さに位置してもよいし、前記第1のシリコン基板、前記第2のシリコン基板および前記第3のシリコン基板のp型あるいはn型の領域は、それぞれ異なる不純物が注入されて形成され、前記不純物の種類は、前記pn接合が光電変換する光の波長域により決定されてもよい。
これによって、1つの受光素子への入射光に含まれる赤色光成分、緑色光成分および青色光成分を全て利用することができ、光の利用効率を高めることができるので、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を高め、固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする受光素子を実現することができる。また、同一位置での光3原色のセンシングが可能となるので、固体撮像素子の高解像度化を可能にする受光素子を実現することができる。また、カラー化を行うために、固体撮像素子にカラーフィルタを用意し、さらに赤色光、緑色光および青色光を光電変換するための受光素子を別々に用意する必要が無くなるので、固体撮像素子に対する更なる小型化の要求に応えることを可能にする受光素子を実現することができる。また、各シリコン基板におけるp型およびn型の領域の配置を、他のシリコン基板におけるp型およびn型の領域の配置に影響されること無く自由に設定することができるので、設計自由度の高い受光素子を実現することができる。
また、前記第1のSOI基板および第2のSOI基板は、特定の波長域の光をフィルタリングする機能を有してもよいし、前記第1のSOI基板は、緑色光をカット(遮断又は反射)するフィルタリング機能を有し、前記第2のSOI基板は、青色光をカットするフィルタリング機能を有してもよい。
これによって、他の基板に染み出る光を完全にカットすることができるので、より鮮明に光の色分離ができ、固体撮像素子の画像の鮮明度の向上を可能にする受光素子を実現することができる。
また、前記受光素子は、さらに、前記光が入射する前記第2のSOI基板の表面上に形成され、フォトニック結晶からなる集光膜を備えてもよいし、前記フォトニック結晶は、青色光、緑色光および赤色光のうちの少なくも1つを効率良く集光してもよい。
これによって、フォトニック結晶は光を表面で反射することなく効率良く集光して取り入れる作用を果たすレンズのような働き(吸収取り入れ効率は50%以上向上)をし、受光素子への入射光に含まれる赤色光、緑色光および青色光を効率良く集光することができ、光の利用効率をさらに高めることができるので、固体撮像素子の更なる高画質化を可能にする受光素子を実現することができる。
ここで、前記受光素子は、さらに、光が入射する前記フォトニック結晶の表面上に形成され、酸化チタンからなる光触媒膜を備え、前記酸化チタンは、可視光に対して光触媒活性を有してもよい。
これによって、受光素子の光入射面に防汚、防曇機能を持たせることができ、光の利用効率をさらに高めることができるので、固体撮像素子の更なる高画質化を可能にする受光素子を実現することができる。
また本発明は、固体撮像素子であって、前記受光素子が2次元状に配置された撮像面を有することを特徴とする固体撮像素子とすることもできる。
これによって、高い光の利用効率を有し、かつ1つで赤色光、緑色光および青色光を全て光電変換する受光素子を固体撮像素子に利用することができるので、高画質で小型の固体撮像素子を実現することができる。
本発明に係る受光素子によれば、固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする受光素子を実現することができる。また、固体撮像素子の高解像度化を可能にする受光素子を実現することができる。また、固体撮像素子の小型化を可能にする受光素子を実現することができる。また、設計自由度の高い受光素子を実現することができる。
よって、本発明により、固体撮像素子に対する更なる高画質化、小型化の要求に応えることを可能にする受光素子を提供することが可能となり、高性能な固体撮像素子を実現することができ、実用的価値は極めて高い。
以下、本発明の実施の形態におけるMOS型固体撮像素子について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施の形態のMOS型固体撮像素子の受光素子周辺の構造を示す断面図である。
本実施の形態の固体撮像素子は、受光素子100と、MOSトランジスタを有し、受光素子100と接続され、信号電荷を電圧に変換、増幅して出力する出力アンプ110とから構成される。
受光素子100は、貼り合わせ型のSOI(Silicon On Insulator)基板を用いたものであり、第1のシリコン基板120と、第2のシリコン基板132が第1のSOI絶縁層131上に形成されてなる第1のSOI基板130と、第3のシリコン基板142が第2のSOI絶縁層141上に形成されてなる第2のSOI基板140とが順次積層されて構成される。
ここで、第1のシリコン基板120、第2のシリコン基板132および第3のシリコン基板142は、それぞれp型およびn型の領域を有する。このとき、第1のシリコン基板120におけるpn接合は、第2のSOI基板140表面、つまり受光素子100の光入射面から約1.5〜3.0μmの深さ、例えば2.0μmの深さに位置する。また、第2のシリコン基板132におけるpn接合は、受光素子100の光入射面から約0.5〜1.5μmの深さ、例えば0.6μmの深さに位置する。さらに、第3のシリコン基板142におけるpn接合は、受光素子100の光入射面から約0.2〜0.5μmの深さ、例えば0.2μmの深さに位置する。
また、第1のSOI基板130には、第1のシリコン基板120のn型の領域と出力アンプ110とを電気的に接続する第1の配線150と、第1の配線150と第2のシリコン基板132とを電気的に絶縁する第1のSiO膜160と、第2のシリコン基板132のp型の領域を接地する第3の配線190と、第3の配線190と第2のシリコン基板132のn型の領域とを電気的に絶縁する第3のSiO膜191とが形成されている。
さらに、第2のSOI基板140には、第1の配線150と、第1のSiO膜160と、第2のシリコン基板132のn型の領域と出力アンプ110とを電気的に接続する第2の配線170と、第2の配線170と第3のシリコン基板142とを電気的に絶縁する第2のSiO膜180と、第3のシリコン基板142のp型の領域を接地する第4の配線192と、第4の配線192と第3のシリコン基板142のn型の領域とを電気的に絶縁する第4のSiO膜193とが形成されている。
以上のような構造を有する受光素子において、各シリコン基板のpn接合は、それぞれ異なる波長域の光を光電変換するフォトダイオードを形成する。すなわち、第1のシリコン基板120のpn接合は、入射光のうちの例えば575〜700nmの波長域の光、つまり赤色光を光電変換するフォトダイオードを形成する。また、第2のシリコン基板132のpn接合は、例えば490〜575nm波長域の光、つまり緑色光を光電変換するフォトダイオードを形成する。さらに、第3のシリコン基板142のpn接合は、例えば400〜490nmの波長域の光、つまり青色光を光電変換するフォトダイオードを形成する。これは、図2に示す可視光に対するシリコン内の光吸収長さによるものである。すなわち、赤色光は約1.5〜3.0μmの深さでシリコンに吸収され、緑色光は約0.5〜1.5μmの深さでシリコンに吸収され、青色光は約0.2〜0.5μmの深さでシリコンに吸収されることによるものである。
次に、以上のような構造を有する受光素子の製造方法について図3〜5に示す断面図に沿って説明する。なお、図1と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
まず、図3(a)に示すように、p型の第1のシリコン基板120表面に熱酸化等の方法を用いて酸化膜300を形成した後、酸化膜300側から第1のシリコン基板120にn型の不純物を注入してn型の領域を形成する。
次に、図3(b)に示すように、n型の第2のシリコン基板132表面に熱酸化等の方法を用いて酸化膜310を形成した後、酸化膜310側から第2のシリコン基板132にp型の不純物を注入してp型の領域を形成する。
次に、図3(c)に示すように、n型の第3のシリコン基板142表面に熱酸化等の方法を用いて酸化膜320を形成した後、酸化膜320側から第3のシリコン基板142にp型の不純物を注入してp型の領域を形成する。
なお、図3(a)〜図3(c)に示す工程において、p型の第1のシリコン基板120にn型の不純物を、n型の第2のシリコン基板132および第3のシリコン基板142にp型の不純物を注入した。しかし、第1のシリコン基板120としてn型のシリコン基板を用い、p型の不純物を注入してもよいし、第2のシリコン基板132および第3のシリコン基板142としてp型のシリコン基板を用い、n型の不純物を注入してもよい。
また、図3(a)〜図3(c)に示す工程において、各シリコン基板に異なる不純物を注入してもよい。このとき、不純物の種類は、シリコン基板のpn接合が光電変換する光の波長により決定される。
次に、図3(d)に示すように、第1のシリコン基板120と第2のシリコン基板132とを、酸化膜300と酸化膜310とが正対するように、一般的なSOI貼り合わせ手法により貼り合わせる。これによって、第1のSOI絶縁層131および第2のシリコン基板132からなる第1のSOI基板130が形成される。そして、第1のSOI基板130の第1のシリコン基板120と貼り合わされていない面に、熱酸化等の方法を用いて酸化膜330を形成する。
次に、図4(a)に示すように、第1のSOI基板130と第3のシリコン基板142とを、酸化膜330と酸化膜320とが正対するように、一般的なSOI貼り合わせ手法により貼り合わせる。これによって、第2のSOI絶縁層141および第3のシリコン基板142からなる第2のSOI基板140が形成される。
ここで、第2のSOI基板140の表面に対する第1のシリコン基板120、第2のシリコン基板132および第3のシリコン基板142のpn接合の深さは、n型あるいはp型の不純物の注入深さ、酸化膜の厚み、およびシリコン基板の厚みを調節することにより、それぞれ約1.5〜3.0μm、約0.5〜1.5μm、約0.5〜1.5μmとされる。
次に、図4(b)に示すように、第2のSOI基板140の表面に、開口部形成のためのレジストパターン400を形成した後、第2のSOI絶縁層141が露出するまで第2のSOI基板140をエッチングする。そして、エッチングにより形成された開口部にSiO膜410を埋め込む。
次に、図5(a)に示すように、第2のSOI基板140の表面に、第2の配線170形成のためのレジストパターン420を形成した後、第2のシリコン基板132が露出するまでSiO膜410をエッチングする。そして、エッチングにより形成された開口部に電極材料を埋め込む。これによって、第2の配線170および第2のSiO膜180が形成される。
次に、図5(b)に示すように、図4(b)および図5(a)と同様の方法により、第1のSOI基板130および第2のSOI基板140のエッチング、SiO膜の埋め込み、SiO膜のエッチングおよび電極材料の埋め込みをおこなう。これによって、第1の配線150および第1のSiO膜160が形成される。
次に、図6(a)に示すように、第2のSOI基板140の表面に、開口部形成のためのレジストパターンを形成し、第3のシリコン基板142のp型の領域が露出するまで第2のSOI基板140をエッチングした後、エッチングにより形成された開口部にSiO膜を埋め込む。そして、第2のSOI基板140の表面に、第4の配線192形成のためのレジストパターンを形成し、第3のシリコン基板142のp型の領域が露出するまでSiO膜をエッチングした後、エッチングにより形成された開口部に電極材料を埋め込む。これによって、第4の配線192および第4のSiO膜193が形成される。
次に、図6(b)に示すように、図6(a)と同様の方法により、第1のSOI基板130および第2のSOI基板140のエッチング、SiO膜の埋め込み、SiO膜のエッチングおよび電極材料の埋め込みをおこなう。これによって、第3の配線190および第3のSiO膜191が形成され、受光素子が出来上がる。
以上のように本実施の形態の受光素子によれば、第1のシリコン基板120のpn接合は赤色光を光電変換し、第2のシリコン基板132のpn接合は緑色光を光電変換し、第3のシリコン基板142のpn接合は青色光を光電変換する。よって、1つの受光素子への入射光に含まれる赤色光成分、緑色光成分および青色光成分を全て利用することができ、光の利用効率を高めることができるので、本実施の形態の受光素子は、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を高め、固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする受光素子を実現することができる。また、同一位置での光3原色のセンシングが可能となるので、本実施の形態の受光素子は、固体撮像素子の高解像度化を可能にする受光素子を実現することができる。さらに、カラー化を行うために、固体撮像素子にカラーフィルタを用意し、さらに赤色光、緑色光および青色光を光電変換するための受光素子を別々に用意する必要が無くなるので、本実施の形態の受光素子は、固体撮像素子に対する更なる小型化の要求に応えることを可能にする受光素子を実現することができる。
また、本実施の形態の受光素子によれば、第1のシリコン基板120、第2のシリコン基板132および第3のシリコン基板142の間には、第1のSOI絶縁層131および第2のSOI絶縁層141が形成される。よって、各シリコン基板におけるp型およびn型の領域の配置を、他のシリコン基板におけるp型およびn型の領域の配置に影響されること無く自由に設定することができるので、本実施の形態の受光素子は、設計自由度の高い受光素子を実現することができる。
なお、本実施の形態の受光素子は、図7のMOS型固体撮像素子の断面図に示すように、平坦な分散面を有し、赤色、青色および緑色等の特定の波長域の光を効率良く集光するフォトニック結晶からなる集光膜700を、受光素子の光入射面に備えてもよい。これによって、フォトニック結晶は光を表面で反射することなく効率良く集光して取り入れる作用を果たすレンズのような働き(吸収取り入れ効率は50%以上向上)をし、受光素子への入射光に含まれる赤色光、緑色光および青色光を効率良く集光することができ、光の利用効率をさらに高めることができるので、固体撮像素子の更なる高画質化を可能にする受光素子を実現することができる。
また、本実施の形態の受光素子は、図7のMOS型固体撮像素子の断面図に示すように、可視光に対して光触媒活性を有する酸化チタンからなる光触媒膜710を、受光素子の光入射面に備えてもよい。これによって、受光素子の光入射面に防汚、防曇機能を持たせることができ、光の利用効率をさらに高めることができるので、固体撮像素子の更なる高画質化を可能にする受光素子を実現することができる。
また、第1のSOI基板130は、緑色光をカット(遮断又は反射)するフィルタリング機能を有し、第2のSOI基板140は、青色光をカットするフィルタリング機能を有してもよい。これによって、他の基板に染み出る光を完全にカットすることができるので、より鮮明に光の色分離ができ、固体撮像素子の画像の鮮明度の向上を可能にする受光素子を実現することができる。
本発明は、受光素子に利用でき、特に固体撮像素子の受光素子等に利用することができる。
本実施の形態のMOS型固体撮像素子の受光素子周辺の構造を示す断面図である。 可視光に対するシリコン内の光吸収長さを示すグラフである。 同実施の形態の受光素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態の受光素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態の受光素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態の受光素子の製造方法を説明するための断面図である。 同実施の形態のMOS型固体撮像素子の受光素子周辺の構造を示す断面図である。 従来のMOS型固体撮像素子の受光素子周辺の構造を示す断面図である。 カラーフィルタ720のRGB配置を示す図である。
符号の説明
100、810 受光素子
110、830 出力アンプ
120 第1のシリコン基板
130 第1のSOI基板
131 第1のSOI絶縁層
132 第2のシリコン基板
140 第2のSOI基板
141 第2のSOI絶縁層
142 第3のシリコン基板
150 第1の配線
160 第1のSiO
170 第2の配線
180 第2のSiO
190 第3の配線
191 第3のSiO
192 第4の配線
193 第4のSiO
300、310、320、330 酸化膜
400、420 レジストパターン
410 SiO
700 集光膜
710 光触媒膜
800 シリコン基板
820 カラーフィルタ
831 MOSトランジスタ

Claims (10)

  1. 入射光を光電変換する受光素子であって、
    pn接合部を有する第1のシリコン基板と、
    pn接合部を有する第2のシリコン基板が第1のSOI絶縁層上に形成されてなる第1のSOI基板と、
    pn接合部を有する第3のシリコン基板が第2のSOI絶縁層上に形成されてなる第2のSOI基板とを備え、
    前記第1のシリコン基板、前記第1のSOI基板および前記第2のSOI基板は、順次積層され、
    前記第1のシリコン基板、前記第2のシリコン基板および前記第3のシリコン基板におけるpn接合は、光を光電変換するフォトダイオードを形成し、
    光が入射する前記第2のSOI基板の表面からの各前記pn接合の深さは、光電変換する光のシリコン内における吸収長さにより決定される
    ことを特徴とする受光素子。
  2. 前記第1のシリコン基板におけるpn接合は、赤色光を光電変換し、
    前記第2のシリコン基板におけるpn接合は、緑色光を光電変換し、
    前記第3のシリコン基板におけるpn接合は、青色光を光電変換する
    ことを特徴とする請求項1に記載の受光素子。
  3. 前記第1のシリコン基板におけるpn接合は、約1.5〜3.0μmの深さに位置し、
    前記第2のシリコン基板におけるpn接合は、約0.5〜1.5μmの深さに位置し、
    前記第3のシリコン基板におけるpn接合は、約0.2〜0.5μmの深さに位置する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の受光素子。
  4. 前記第1のSOI基板および第2のSOI基板は、特定波長域の光をフィルタリングする機能を有する
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の受光素子。
  5. 前記第1のSOI基板は、緑色光をカット(遮断又は反射)するフィルタリング機能を有し、
    前記第2のSOI基板は、青色光をカットするフィルタリング機能を有する
    ことを特徴とする請求項4に記載の受光素子。
  6. 前記第1のシリコン基板、前記第2のシリコン基板および前記第3のシリコン基板のp型あるいはn型の領域は、それぞれ異なる不純物が注入されて形成され、
    前記不純物の種類は、前記pn接合が光電変換する光の波長域により決定される
    ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の受光素子。
  7. 前記受光素子は、さらに、
    前記光が入射する前記第2のSOI基板の表面上に形成され、フォトニック結晶からなる集光膜を備える
    ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の受光素子。
  8. 前記フォトニック結晶は、青色光、緑色光および赤色光のうちの少なくも1つを効率良く集光する
    ことを特徴とする請求項7に記載の受光素子。
  9. 前記受光素子は、さらに、
    光が入射する前記フォトニック結晶の表面上に形成され、酸化チタンからなる光触媒膜を備え、
    前記酸化チタンは、可視光に対して光触媒活性を有する
    ことを特徴とする請求項7又は8に記載の受光素子。
  10. 固体撮像素子であって、
    前記受光素子が2次元状に配置された撮像面を有する
    ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
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