JP2006032670A - 半導体受光素子及びその製造方法 - 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及び低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を提供する。
【解決手段】 半導体基板と、エピタキシャル成長法及び気相成長法により半導体基板上に形成されたエピタキシャル層１とを有し、エピタキシャル層１は、第１のｐｎ接合部２と、第１の絶縁層３と、第２のｐｎ接合部４と、第２の絶縁層５と、第３のｐｎ接合部６とが順次積層されてなり、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６は、結晶構造あるいは膜組成を変化させることでそれぞれ異なる禁制帯幅を有する構成となっている。
【選択図】 図１
【解決手段】 半導体基板と、エピタキシャル成長法及び気相成長法により半導体基板上に形成されたエピタキシャル層１とを有し、エピタキシャル層１は、第１のｐｎ接合部２と、第１の絶縁層３と、第２のｐｎ接合部４と、第２の絶縁層５と、第３のｐｎ接合部６とが順次積層されてなり、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６は、結晶構造あるいは膜組成を変化させることでそれぞれ異なる禁制帯幅を有する構成となっている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、半導体受光素子及びその製造方法に関し、特にＣＣＤ（Charge coupled device）あるいはＣＭＯＳ（complementary metal-oxide-semiconductor）型固体撮像素子等の半導体受光素子及びその製造方法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、半導体材料から構成される半導体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、半導体受光素子が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６は、従来のＭＯＳ型固体撮像素子の半導体受光素子周辺の構造を示す概略断面図である。
従来の固体撮像素子は、ｐ型のシリコン基板２０に形成された複数のｎ型の領域である複数の半導体受光素子２１と、各半導体受光素子２１の光入射側に設けられたカラーフィルタ２２と、ＭＯＳトランジスタ２４を有し、各半導体受光素子２１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２３とから構成される。
従来の固体撮像素子は、ｐ型のシリコン基板２０に形成された複数のｎ型の領域である複数の半導体受光素子２１と、各半導体受光素子２１の光入射側に設けられたカラーフィルタ２２と、ＭＯＳトランジスタ２４を有し、各半導体受光素子２１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２３とから構成される。
ここで、カラーフィルタ２２においては、図７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、低コスト化、小面積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半導体受光素子に入射する光を選択し、ＲＧＢ３色に対応するそれぞれの受光素子を平面内にそれぞれ配置しているため、小チップ化しようとした場合に、それぞれの画素に対応する受光領域が小さくなり、感度が低下するという問題があり、この場合は撮像画像の色再現性が低下するため、更なる高画質化あるいは低コスト化の要求に応えることができないという問題がある。
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半導体受光素子に入射する光を選択し、ＲＧＢ３色に対応するそれぞれの受光素子を平面内にそれぞれ配置しているため、小チップ化しようとした場合に、それぞれの画素に対応する受光領域が小さくなり、感度が低下するという問題があり、この場合は撮像画像の色再現性が低下するため、更なる高画質化あるいは低コスト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・低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体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、本発明の半導体受光素子は、入射光を光電変換する半導体受光素子であって、積層された複数のｐｎ接合部を備え、前記複数のｐｎ接合部は、それぞれ異なる禁制帯幅を有することを特徴とする。ここで、前記半導体受光素子は、第１のｐｎ接合部と、前記第１のｐｎ接合部上方の第２のｐｎ接合部と、前記第２のｐｎ接合部上方の第３のｐｎ接合部とを有し、前記第１のｐｎ接合部の禁制帯幅は、前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅より小さく、前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅は、前記第３のｐｎ接合部の禁制帯幅より小さくてもよいし、前記第１のｐｎ接合部の禁制帯幅は、赤色光の波長に相当するエネルギーよりも小さく、前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅は、緑色光の波長に相当するエネルギーよりも小さく、前記第３のｐｎ接合部の禁制帯幅は、青色光の波長に相当するエネルギーよりも小さくてもよいし、前記第１のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、赤色光に対して感度が最大となる位置に形成され、前記第２のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、緑色光に対して感度が最大となる位置に形成され、前記第３のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、青色光に対して感度が最大となる位置に形成されてもよい。また、前記複数のｐｎ接合部は、それぞれＳｉを含む半導体材料により構成されてもよいし、前記複数のｐｎ接合部のうちの少なくとも１つは、アモルファスＳｉ、微結晶Ｓｉ、単結晶ＳｉＣ、アモルファスＳｉＣ、微結晶ＳｉＣにより構成されてもよい。
これによって、１つの半導体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半導体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半導体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半導体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、及び低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。また、第１のｐｎ接合部が赤色光の波長域に吸収ピークを持ち、第２のｐｎ接合部が緑色光の波長域に吸収ピークを持ち、第３のｐｎ接合部が青色光の波長域に吸収ピークを持つように設計す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更に高める半導体受光素子を、より少ないチップ面積で実現することができる。
また、前記半導体受光素子は、さらに、隣り合う前記ｐｎ接合部の間に形成された絶縁層を備えてもよいし、前記絶縁層は、Ｏを含む半導体材料により構成されてもよいし、前記絶縁層は、ＳｉＯ2あるいはＳｉＮにより構成されてもよい。
これによって、各ｐｎ接合部におけるｐ型層およびｎ型層の配置を、他のｐｎ接合部におけるｐ型層およびｎ型層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、設計自由度の高い半導体受光素子を実現することができる。
また、前記絶縁層は、所定の波長の光を選択的に透過させてもよいし、前記絶縁層は、屈折率の異なる少なくとも２種類の層を積層させて構成されてもよい。
これによって、他のｐｎ接合部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半導体受光素子を実現することができる。
これによって、他のｐｎ接合部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半導体受光素子を実現することができる。
また、本発明は、基板上に第１のｐｎ接合部を形成する第１のｐｎ接合部形成工程と、前記第１のｐｎ接合部上に第１の絶縁層を形成する第１の絶縁層形成工程と、前記第１の絶縁層上に第２のｐｎ接合部を形成する第２のｐｎ接合部形成工程と、前記第２のｐｎ接合部上に第２の絶縁層を形成する第２の絶縁層形成工程と、前記第２の絶縁層上に第３のｐｎ接合部を形成する第３のｐｎ接合部形成工程とを含み、前記第１のｐｎ接合部形成工程、前記第２のｐｎ接合部形成工程及び前記第３のｐｎ接合部形成工程において、それぞれ禁制帯幅の異なる前記第１のｐｎ接合部、前記第２のｐｎ接合部及び前記第３のｐｎ接合部を形成することを特徴とする半導体受光素子の製造方法とすることもできる。また、前記第１の絶縁層形成工程及び前記第２の絶縁層形成工程において、前記第１のｐｎ接合部及び前記第２のｐｎ接合部に不純物をイオン注入することにより前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層を形成してもよいし、前記第１の絶縁層形成工程及び前記第２の絶縁層形成工程におけるイオン注入は、酸素イオンを注入することによりおこなわれてもよいし、前記第１のｐｎ接合部形成工程において、赤色光に対して感度が最大となる位置にｐｎ接合面を形成して前記第１のｐｎ接合部を形成し、前記第２のｐｎ接合部形成工程において、緑色光に対して感度が最大となる位置にｐｎ接合面を形成して前記第２のｐｎ接合部を形成し、前記第３のｐｎ接合部形成工程において、青色光に対して感度が最大となる位置にｐｎ接合面を形成して前記第３のｐｎ接合部を形成してもよい。
これによって、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半導体受光素子の製造方法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半導体受光素子の製造方法を実現することができる。また、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半導体受光素子の製造方法を実現することができる。
ここで、前記第１のｐｎ接合部形成工程、前記第２のｐｎ接合部形成工程及び前記第３のｐｎ接合部形成工程において、エピタキシャル成長法により前記第１のｐｎ接合部、前記第２のｐｎ接合部及び前記第３のｐｎ接合部を形成してもよい。
また、半導体受光素子を簡易に作製することができるので、歩留まりによるコストの上昇を抑制する半導体受光素子の製造方法を実現することができる。また、結晶性が良好な半導体受光素子の製造方法を実現することができる。
ここで、前記第２のｐｎ接合部形成工程及び前記第３のｐｎ接合部形成工程において、多結晶膜あるいはアモルファス膜を形成した後、加熱あるいは光照射をおこない結晶性を変化させて前記第２のｐｎ接合部及び前記第３のｐｎ接合部を形成してもよいし、前記第２のｐｎ接合部形成工程及び前記第３のｐｎ接合部形成工程における結晶性変化は、レーザ光を照射することによりおこなわれてもよい。
これによって、第２のｐｎ接合部及び第３のｐｎ接合部形成に際して結晶性等の下地の第１の絶縁層及び第２の絶縁層による制限を受けないので、高い自由度を持ってｐｎ接合部を構成する半導体材料を選択できる、つまり設計自由度の高い半導体受光素子の製造方法を実現することができる。
以上説明したように、本発明に係る半導体受光素子によれば、固体撮像素子に対する更なる高画質化・低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子及びその製造方法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半導体受光素子及びその製造方法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半導体受光素子及びその製造方法を実現することができる。また、設計自由度の高い半導体受光素子及びその製造方法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半導体受光素子及びその製造方法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半導体受光素子について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第1の実施の形態の半導体受光素子の構造を示す概略断面図である。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第1の実施の形態の半導体受光素子の構造を示す概略断面図である。
半導体受光素子は、Ｓｉ等から構成される半導体基板（図外）と、エピタキシャル成長法により半導体基板上に形成されたエピタキシャル層１とを有する。エピタキシャル層１は、第１のｐｎ接合部２と、第１の絶縁層３と、第２のｐｎ接合部４と、第２の絶縁層５と、第３のｐｎ接合部６とが順次積層されてなる。このとき、半導体受光素子への入射光は、第３のｐｎ接合部６、第２のｐｎ接合部４、第１のｐｎ接合部２に順次入る。
第１のｐｎ接合部２は、ｎ型層２ａとｐ型層２ｂとから構成され、第２のｐｎ接合部４は、ｎ型層４ａとｐ型層４ｂとから構成され、第３のｐｎ接合部６は、ｎ型層６ａとｐ型層６ｂとから構成される。
ここで、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６は、その全てを単結晶Ｓｉにより構成されていても良いし、それぞれ異なる光学的禁制帯幅を有している場合でも良い。異なる禁制帯幅を有している実施例として、第１のｐｎ接合部２は、赤色光の波長に相当するエネルギーよりも小さい禁制帯幅を有しており、第２のｐｎ接合部４は、第１のｐｎ接合部２の禁制帯幅より大きく、緑色光の波長に相当するエネルギーより小さい禁制帯幅を有しており、第３のｐｎ接合部６は、第２のｐｎ接合部４の禁制帯幅より大きく、青色光の波長に相当するエネルギーより小さい禁制帯幅を有している。
第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６を構成する半導体材料としては、例えばＳｉあるいはアモルファスＳｉ、微結晶Ｓｉ、ＳｉＣ、アモルファスＳｉＣ、微結晶ＳｉＣの中から、感度ができるだけ大きくなる材料・組成を選ぶことが望ましい。具体例としては、第１のｐｎ接合部２を構成する半導体材料として単結晶Ｓｉ、第２のｐｎ接合部４を構成する半導体材料として微結晶あるいはアモルファスＳｉ、第３のｐｎ接合部６を構成する半導体材料として単結晶ＳｉＣ（立方晶が望ましい）がある。
第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６はそれぞれ異なる位置にｐｎ接合面を有し、半導体受光素子の光入射面と各ｐｎ接合部のｐｎ接合面との相対位置は各ｐｎ接合部でそれぞれ異なる。第１のｐｎ接合部２は、第１のｐｎ接合部２を構成する半導体材料の赤色光の吸収深さにより決定された位置、つまり赤色光に感度が最大となる位置にｐｎ接合面を有する。第２のｐｎ接合部４は、第２のｐｎ接合部４を構成する半導体材料の緑色光の吸収深さにより決定された位置、つまり緑色光に感度が最大となる位置にｐｎ接合面を有する。第３のｐｎ接合部６は、第３のｐｎ接合部６を構成する半導体材料の青色光の吸収深さにより決定された位置、つまり青色光に感度が最大となる位置にｐｎ接合面を有する。
第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６を構成する半導体材料として、例えばそれぞれ、単結晶Ｓｉ、微結晶あるいはアモルファスＳｉ、単結晶ＳｉＣが用いられた場合には、半導体受光素子の光入射面からの第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６のｐｎ接合深さは、それぞれ３μｍ、１μｍ、０．４μｍとされる。
第１の絶縁層３は、第１のｐｎ接合部２表層に不純物が添加されて高抵抗化された層であり、第１のｐｎ接合部２と第２のｐｎ接合部４とを電気的に分離する。第２の絶縁層５は、第２のｐｎ接合部４表層に不純物が添加されて高抵抗化された層であり、第２のｐｎ接合部４と第３のｐｎ接合部６とを電気的に分離する。
第１の絶縁層３及び第２の絶縁層５形成に際して第１のｐｎ接合部２及び第２のｐｎ接合部４に添加される不純物としては、第１のｐｎ接合部２及び第２のｐｎ接合部４に対して深い準位を与える不純物が用いられる。例えば、第２のｐｎ接合部４を構成する半導体材料としてＳｉが用いられた場合には、Ｏ、Ｎ等が不純物として用いられる。この場合には、第２の絶縁層５は、ＳｉＯ2あるいはＳｉＮ等から構成されることとなる。
以上のような構造を有する半導体受光素子において、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６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ｐｎ接合部２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ｐｎ接合部４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ｐｎ接合部６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。
次に、上記構造を有する半導体受光素子の製造方法について図２に示す半導体受光素子の概略断面図に沿って説明する。
まず、図２（ａ）に示されるように、エピタキシャル成長法によりＳｉから構成される半導体基板（図外）上に、Ｓｉから構成される第１のｐｎ接合部２を形成した後、第１のｐｎ接合部２のｐ型層２ｂに対し酸素イオンを注入する。その後、真空中で９００℃の熱処理をおこない、注入した酸素をシリコンと反応させて第１の絶縁層３を形成する。
まず、図２（ａ）に示されるように、エピタキシャル成長法によりＳｉから構成される半導体基板（図外）上に、Ｓｉから構成される第１のｐｎ接合部２を形成した後、第１のｐｎ接合部２のｐ型層２ｂに対し酸素イオンを注入する。その後、真空中で９００℃の熱処理をおこない、注入した酸素をシリコンと反応させて第１の絶縁層３を形成する。
次に、図２（ｂ）に示されるように、エピタキシャル成長法により第１の絶縁層３上に、Ｓｉから構成される第２のｐｎ接合部４を形成した後、第２のｐｎ接合部４のｐ型層４ｂに対し酸素イオンを注入する。その後、真空中で９００℃の熱処理をおこない、注入した酸素をシリコンと反応させて第２の絶縁層５を形成する。
次に、図２（ｃ）に示されるように、エピタキシャル成長法により第２の絶縁層５上に、ＳｉＣから構成される第３のｐｎ接合部６を形成する。
ここで、エピタキシャル成長法としては気相成長法を用いる。
ここで、エピタキシャル成長法としては気相成長法を用いる。
以上のように本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１のｐｎ接合部２は赤色光を光電変換し、第２のｐｎ接合部４は緑色光を光電変換し、第３のｐｎ接合部６は青色光を光電変換する。よって、１つの半導体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、本実施の形態の半導体受光素子は、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半導体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、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子の高解像度化を可能にする半導体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半導体受光素子を別々に用意する必要が無くなるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子に対する更なる小型化の要求、及び低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。
また、本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６は異なる禁制帯幅を有する。よって、第１のｐｎ接合部２が赤色光の波長域に吸収ピークを持ち、第２のｐｎ接合部４が緑色光の波長域に吸収ピークを持ち、第３のｐｎ接合部６が青色光の波長域に吸収ピークを持つように設計することができるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を更に高め、またチップ面積の小さな半導体受光素子を実現することができる。
例えば、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６を構成する半導体材料としてそれぞれＳｉ、微結晶あるいはアモルファスＳｉ、単結晶ＳｉＣを用いた場合には、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６の最大感度波長はそれぞれ７５０ｎｍ、５５０ｎｍ、４５０ｎｍとなる。
また、本実施の形態の半導体受光素子は、エピタキシャル成長法により作製される。よって、半導体受光素子の結晶性が向上し感度を向上させることができるので、撮像画像の色再現性を向上さらに高めることができる。
また、本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６の間には、第１の絶縁層及び第２の絶縁層が形成される。よって、ｐｎ接合部おけるｐ型およびｎ型の領域の配置を、他のｐｎ接合部における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、本実施の形態の半導体受光素子は、設計自由度の高い半導体受光素子を実現することができる。また、ｐｎ接合部同士を完全に絶縁することができるので、漏れ電流が少なく、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半導体受光素子を実現することができる。
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態の半導体受光素子の構造を示す概略断面図である。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。
図３は、本発明の第２の実施の形態の半導体受光素子の構造を示す概略断面図である。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。
半導体受光素子は、半導体基板（図外）と、エピタキシャル成長法により半導体基板上に形成されたエピタキシャル層１１とを有する。エピタキシャル層１１は、第１のｐｎ接合部２と、第１の絶縁層１２と、第２のｐｎ接合部４と、第２の絶縁層１３と、第３のｐｎ接合部６とが順次積層されてなる。
図４（ａ）は、第１の絶縁層１２の構造を示す概略断面図であり、図４（ｂ）は、第２の絶縁層１３の構造を示す概略断面図である。
第１の絶縁層１２は、積層構造を有し、第１のｐｎ接合部２と第２のｐｎ接合部４とを電気的に分離する。積層方向には、屈折率周期構造が形成される。すなわち、最上層をはじめ奇数層には低屈折率材料からなる低屈折率層１２ａが、上から２番目の層をはじめ偶数層には高屈折率材料からなる高屈折率層１２ｂが交互に配置される。
第１の絶縁層１２は、積層構造を有し、第１のｐｎ接合部２と第２のｐｎ接合部４とを電気的に分離する。積層方向には、屈折率周期構造が形成される。すなわち、最上層をはじめ奇数層には低屈折率材料からなる低屈折率層１２ａが、上から２番目の層をはじめ偶数層には高屈折率材料からなる高屈折率層１２ｂが交互に配置される。
第２の絶縁層１３は、積層構造を有し、第２のｐｎ接合部４と第３のｐｎ接合部６とを電気的に分離する。積層方向には、屈折率周期構造が形成される。すなわち、最上層をはじめ奇数層には低屈折率材料からなる低屈折率層１３ａが、上から２番目の層をはじめ偶数層には高屈折率材料からなる高屈折率層１３ｂが交互に配置される。
低屈折率層１２ａ、１３ａを構成する材料としては、例えばＳｉＯ2等があり、高屈折率層１２ｂ、１３ｂを構成する材料としては、例えばＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5等がある。なお、吸収による損失を避けるため、可視光で透明な材料であることが好ましい。低屈折率層１２ａ、１３ａを構成する材料としてＳｉＯ2、高屈折率層１２ｂ、１３ｂを構成する材料としてＴｉＯ2を用いた場合には、低屈折率層１２ａの層厚を９４ｎｍ、高屈折率層１２ｂの層厚を５５ｎｍとし、低屈折率層１３ａの層厚を７７ｎｍ、高屈折率層１３ｂの層厚を４５ｎｍとする。このような膜厚構成とすることで、絶縁層１２は波長５５０ｎｍの光に対して高反射率を有し、絶縁層１３は波長４５０ｎｍの光に対して高反射率を有する構成とすることができる。すなわち、このような構成とすることで、第２のｐｎ接合部及び第1の接合部での受光感度をさらに向上させることができる。
以下、本実施の形態の半導体受光素子の製造方法について、図５に示す半導体受光素子の概略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５（ａ）に示されるように、エピタキシャル成長法によりＳｉ基板（図外）上に、Ｓｉから構成される第１のｐｎ接合部２を形成する。その後、プラズマＣＶＤ法（気相堆積法）により第１のｐｎ接合部２上に、ＳｉＯ2から構成される低屈折率層１２ａ、及びＴｉＯ2から構成される高屈折率層１２ｂを交互に形成し、第１の絶縁層１２を形成する。
次に、図５（ｂ）に示されるように、プラズマＣＶＤ法により第１の絶縁層１２上に、多結晶あるいはアモルファスＳｉから構成される半導体層を形成した後、光、例えばエキシマレーザ光を照射し、半導体層を微結晶化して微結晶Ｓｉから成る第２のｐｎ接合部４を形成する。
次に、図５（ｃ）に示されるように、プラズマＣＶＤ法（気相堆積法）により第２のｐｎ接合部４上に、ＳｉＯ2から構成される低屈折率層１３ａ、及びＴｉＯ2から構成される高屈折率層１３ｂを交互に形成し、第２の絶縁層１３を形成する。
次に、図５（ｄ）に示されるように、第２の絶縁層１３上に他結晶あるいはアモルファスＳｉＣから構成される半導体層を形成した後、光、例えばエキシマレーザ光を照射し、半導体層を再結晶化して、微結晶あるいは単結晶ＳｉＣからなる第３のｐｎ接合部６を形成する。
以上のように本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１の実施の形態の半導体受光素子と同様の理由により、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半導体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半導体受光素子を実現することができる。さらに、固体撮像素子に対する更なる小型化の要求、及び低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。
また、本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１の絶縁層１２及び第２の絶縁層１３は、屈折率周期構造を有し、低屈折率層１２ａ、１３ａ、高屈折率層１２ｂ、１３ｂのそれぞれの層厚と屈折率とによって透過波長が決まるため、第１の絶縁層１２及び第２の絶縁層１３は、特定の光に対し大きな反射率を有する、いわゆるフィルタとして機能する。よって、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６のそれぞれに赤色光、緑色光、青色光を確実に導くことができるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を更に高める半導体受光素子を実現することができる。また同時に、ＲＧＢ３色に対応する受光素子を縦型に積層することで、よりチップ面積の小さな撮像素子を実現することができる。
また、本実施の形態の半導体受光素子は、半導体受光素子の作製に際して再結晶化の工程を有する。よって、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６形成に際して結晶性等の下地の第１の絶縁層１２及び第２の絶縁層１３による制限を受けないので、本実施の形態の半導体受光素子は、高い自由度を持ってｐｎ接合部を構成する半導体材料を選択できる、つまり高い設計自由度を有する半導体受光素子を実現することができる。
以上、本発明に係る半導体受光素子について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形または修正が可能であることはいうまでもない。
例えば、上記実施の形態では、第１のｐｎ接合部、第２のｐｎ接合部及び第３のｐｎ接合部の間には、第１の絶縁層及び第２の絶縁層が形成されるとした。しかし、第１のｐｎ接合部、第２のｐｎ接合部及び第３のｐｎ接合部の間には、第１の絶縁層及び第２の絶縁層が形成されなくても構わない。
また、上記実施の形態では、多結晶あるいはアモルファスＳｉから構成される半導体層を、光照射により微結晶化したが、加熱により再結晶化しても構わない。
本発明は、半導体受光素子に利用でき、特にＣＣＤあるいはＣＭＯＳ型固体撮像素子の半導体受光素子等に利用することができる。
１、１１ エピタキシャル層
２ 第１のｐｎ接合部
２ａ、４ａ、６ａ ｎ型層
２ｂ、４ｂ、６ｂ ｐ型層
３、１２ 第１の絶縁層
４ 第２のｐｎ接合部
５、１３ 第２の絶縁層
６ 第３のｐｎ接合部
１２ａ、１３ａ 低屈折率層
１２ｂ、１３ｂ 高屈折率層
２０ シリコン基板
２１ 半導体受光素子
２２ カラーフィルタ
２３ 出力アンプ
２４ ＭＯＳトランジスタ
２ 第１のｐｎ接合部
２ａ、４ａ、６ａ ｎ型層
２ｂ、４ｂ、６ｂ ｐ型層
３、１２ 第１の絶縁層
４ 第２のｐｎ接合部
５、１３ 第２の絶縁層
６ 第３のｐｎ接合部
１２ａ、１３ａ 低屈折率層
１２ｂ、１３ｂ 高屈折率層
２０ シリコン基板
２１ 半導体受光素子
２２ カラーフィルタ
２３ 出力アンプ
２４ ＭＯＳトランジスタ
Claims (18)
- 入射光を光電変換する半導体受光素子であって、
積層された複数のｐｎ接合部を備え、
前記複数のｐｎ接合部は、それぞれ異なる禁制帯幅を有する
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 前記半導体受光素子は、第１のｐｎ接合部と、前記第１のｐｎ接合部上方の第２のｐｎ接合部と、前記第２のｐｎ接合部上方の第３のｐｎ接合部とを有し、
前記第１のｐｎ接合部の禁制帯幅は、前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅より小さく、
前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅は、前記第３のｐｎ接合部の禁制帯幅より小さい
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。 - 前記第１のｐｎ接合部の禁制帯幅は、赤色光の波長に相当するエネルギーよりも小さく、
前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅は、緑色光の波長に相当するエネルギーよりも小さく、
前記第３のｐｎ接合部の禁制帯幅は、青色光の波長に相当するエネルギーよりも小さい
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体受光素子。 - 前記第１のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、赤色光に対して感度が最大となる位置に形成され、
前記第２のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、緑色光に対して感度が最大となる位置に形成され、
前記第３のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、青色光に対して感度が最大となる位置に形成される
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体受光素子。 - 前記半導体受光素子は、さらに、
隣り合う前記ｐｎ接合部の間に形成された絶縁層を備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の半導体受光素子。 - 前記絶縁層は、Ｏを含む半導体材料により構成される
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体受光素子。 - 前記絶縁層は、ＳｉＯ2あるいはＳｉＮにより構成される
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体受光素子。 - 前記絶縁層は、所定の波長の光を選択的に透過させる
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体受光素子。 - 前記絶縁層は、屈折率の異なる少なくとも２種類の層を積層させて構成される
ことを特徴とする請求項８に記載の半導体受光素子。 - 前記複数のｐｎ接合部は、それぞれＳｉを含む半導体材料により構成される
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか1項に記載の半導体受光素子。 - 前記複数のｐｎ接合部のうちの少なくとも１つは、アモルファスＳｉ、微結晶Ｓｉ、単結晶ＳｉＣ、アモルファスＳｉＣ、微結晶ＳｉＣにより構成される
ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体受光素子。 - 基板上に第１のｐｎ接合部を形成する第１のｐｎ接合部形成工程と、
前記第１のｐｎ接合部上に第１の絶縁層を形成する第１の絶縁層形成工程と、
前記第１の絶縁層上に第２のｐｎ接合部を形成する第２のｐｎ接合部形成工程と、
前記第２のｐｎ接合部上に第２の絶縁層を形成する第２の絶縁層形成工程と、
前記第２の絶縁層上に第３のｐｎ接合部を形成する第３のｐｎ接合部形成工程とを含み、
前記第１のｐｎ接合部形成工程、前記第２のｐｎ接合部形成工程及び前記第３のｐｎ接合部形成工程において、それぞれ禁制帯幅の異なる前記第１のｐｎ接合部、前記第２のｐｎ接合部及び前記第３のｐｎ接合部を形成する
ことを特徴とする半導体受光素子の製造方法。 - 前記第１のｐｎ接合部形成工程、前記第２のｐｎ接合部形成工程及び前記第３のｐｎ接合部形成工程において、エピタキシャル成長法により前記第１のｐｎ接合部、前記第２のｐｎ接合部及び前記第３のｐｎ接合部を形成する
ことを特徴とする請求項１２記載の半導体受光素子の製造方法。 - 前記第２のｐｎ接合部形成工程及び前記第３のｐｎ接合部形成工程において、多結晶膜あるいはアモルファス膜を形成した後、加熱あるいは光照射をおこない結晶性を変化させて前記第２のｐｎ接合部及び前記第３のｐｎ接合部を形成する
ことを特徴とする請求項１２記載の半導体受光素子の製造方法。 - 前記第２のｐｎ接合部形成工程及び前記第３のｐｎ接合部形成工程における結晶性変化は、レーザ光を照射することによりおこなわれる
ことを特徴とする請求項１４記載の半導体受光素子の製造方法。 - 前記第１の絶縁層形成工程及び前記第２の絶縁層形成工程において、前記第１のｐｎ接合部及び前記第２のｐｎ接合部に不純物をイオン注入することにより前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層を形成する
ことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の半導体受光素子の製造方法。 - 前記第１の絶縁層形成工程及び前記第２の絶縁層形成工程におけるイオン注入は、酸素イオンを注入することによりおこなわれる
ことを特徴とする請求項１６記載の半導体受光素子の製造方法。 - 前記第１のｐｎ接合部形成工程において、赤色光に対して感度が最大となる位置にｐｎ接合面を形成して前記第１のｐｎ接合部を形成し、
前記第２のｐｎ接合部形成工程において、緑色光に対して感度が最大となる位置にｐｎ接合面を形成して前記第２のｐｎ接合部を形成し、
前記第３のｐｎ接合部形成工程において、青色光に対して感度が最大となる位置にｐｎ接合面を形成して前記第３のｐｎ接合部を形成する
ことを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の半導体受光素子の製造方法。
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