JP2006066537A - 光検出装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 各画素の微細化にも対応可能で、光検出感度の高い光検出装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
半導体基板２０の一方の面２０ａ上に２次元アレイ状に配列されて形成された複数の凸部２に、入射光強度に応じた量の電荷を発生する光検出部４が形成される。また、２次元アレイの一方の配列方向に沿って、凸部２間に形成された凹状領域３ａに、読み出し部である配線６及びスイッチ７が形成される。配線６によって光検出部４から発生した電荷が読み出され、スイッチ７によって光検出部４と配線６とが電気的に接続される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光検出装置及びその製造方法に関するものである。

フォトダイオードアレイなどの複数の光検出部を含む光検出装置において、その１画素に相当するフォトダイオードの微細化が進んでいる。しかし、フォトダイオードが微細化され、その光検出面積（光検出装置での画素サイズ）が小さくなると、各画素から出力される信号強度が小さくなり、微弱な光をとらえられなくなる、という問題が発生する。

このような問題を解決するため、特許文献１及び２では、光検出装置の光検出部に対してマイクロレンズを設け、光検出感度を高めるための検討が行われている。
特開平０４−２５９２５６号公報 特開平０５−２１７７０号公報

特許文献１及び２では、具体的には、基板上に先に形成された光検出部の上方に位置するよう、マイクロレンズを形成する方法が開示されている。しかしながら、このような方法では、マイクロレンズを設置する際に光検出部に対する位置合わせを行わなければならず、製造工程が複雑になる。また、光検出装置におけるフォトダイオードの微細化が進めば、位置合わせはより難しくなる。

本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、各画素の微細化にも対応可能で、光検出感度の高い光検出装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による光検出装置は、一方の面上に複数の凸部が形成された半導体基板と、複数の凸部のそれぞれに形成され、入射光強度に応じた量の電荷を発生する光検出部と、凸部間の凹状領域に形成され、光検出部と電気的に接続し、光検出部から発生する電荷を読み出す読み出し部と、を備えることを特徴とする。

上記した光検出装置においては、凸部に光検出部が形成されている。そのため、光検出部が平面部分に形成された場合と比べ、半導体基板上での単位面積当たりの実質的な光検出面積が大きくなり、光検出部の光検出感度が向上する。また、その形状から、光検出部が形成された凸部の凸面自体が凸レンズとして機能し、光検出感度を高めることが可能となる。加えて、マイクロレンズを用いないため、マイクロレンズと光検出部との位置合わせをする必要がなく、光検出部の微細化にも容易に対応することができる。さらに、読み出し部は、凸部間にある凹状領域に形成されるため、光検出部が配線などの陰になることがなく、高い開口率を得ることが可能となる。

また、光検出部が形成された複数の凸部が、半導体基板上で２次元アレイ状に配列され、２次元アレイの一方の配列方向に沿って、読み出し部が形成されていることが好ましい。このような配列構造がとられることにより、光検出部と読み出し部とを好適に両立しつつ、その２次元アレイ状の構造を実現することができる。

また、読み出し部が、光検出部から発生した電荷を読み出す配線と、光検出部と配線とを接続するスイッチと、を有することが好ましい。この場合、スイッチにより光検出部と配線とが電気的に接続されることによって、光検出部で発生した電荷が配線に読み出される。

また、読み出し部が、電荷転送素子を有することが好ましい。この場合、光検出部で発生した電荷は、電荷転送素子によって読み出される。

本発明による光検出装置の製造方法は、半導体基板表面の所定領域に耐酸化膜を形成する耐酸化膜形成工程と、耐酸化膜をマスクとして半導体基板表面を選択酸化し、半導体基板上に凹凸のある選択酸化膜を形成することによって、半導体基板の一方の面上に複数の凸部を形成する凸部形成工程と、半導体基板に不純物を注入して、半導体基板の複数の凸部のそれぞれに入射光強度に応じた量の電荷を発生する光検出部を形成する光検出部形成工程と、選択酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、を備えることを特徴とする。

この製造方法では、耐酸化膜をマスクとして半導体基板表面を選択酸化することによって、半導体基板上に凸部を形成し、その凸部に光検出部を形成する。選択酸化によって得られる選択酸化膜の凹凸は通常微細であるため、光検出部が形成される凸部を微細化することができ、光検出装置の微細化にも対応することが可能となる。さらに、酸化時間を変化させることによって、選択酸化膜の凹凸の高さを制御することができる。そのため、凸部の高さを制御することが可能となる。加えて、半導体基板表面の選択酸化によって複数の凸部を形成するため、製造上の効率が良い。また、凸部に光検出部が形成されるため、製造された光検出装置の半導体基板上での単位面積当たりの実質的な光検出面積が大きくなる。また、凸部自体が凸レンズとして機能できるため、光検出部の光検出感度が高くなる。また、このようにマイクロレンズを用いずに光検出感度を高めることができるため、製造上の効率も良い。この場合、凸部間の凹状領域に、光検出部と電気的に接続し光検出部から発生する電荷を読み出す読み出し部を形成する読み出し部形成工程をさらに備えることが好適である。

また、耐酸化膜形成工程における耐酸化膜の形状によって複数の凸部のそれぞれの形状を制御することが好ましい。これにより、所望の形状をした凸部を得ることが可能となる。

また、耐酸化膜形成工程における耐酸化膜の間隔によって複数の凸部間の間隔を制御することが好ましい。これにより、凸部間に所望の間隔を形成することが可能となる。

本発明によれば、各画素の微細化にも対応可能で、光検出感度の高い光検出装置及びその製造方法を提供することができる。

以下、図面とともに、本発明による光検出装置及びその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

本発明による光検出装置の第１実施形態である光検出装置１について説明する。図１は光検出装置１の上面図、図２は光検出装置１のＩ−Ｉ矢印断面図である。ここで、説明の便宜上、図１の左右方向をｘ軸方向（右向き正）とし、上下方向をｙ軸方向（上向き正）とする。

光検出装置１は、半導体基板２０と、光検出部４と、読み出し部５とを備える。半導体基板２０は、第１導電型の不純物が添加された半導体基板からなり、その一方の面（図２における上面）２０ａを本光検出装置１での検出対象となる光入射面として構成される。この半導体基板２０としては、具体的には例えば、リン等のＮ型不純物が添加されたＮ型のシリコン基板を用いることができる。また、半導体基板２０の上面２０ａは、図２に示すように、酸化膜（例えば、ＳｉＯ_２）からなる表面保護膜１４によって覆われている。

半導体基板２０の上面２０ａ上には、複数の凸部２が形成されている。凸部２は、図１に示すように、その平面形状が略円形状となるように形成されている。また、凸部２は、図２に示すように、その断面形状が、半導体基板２０に対する突出高さが連続的に変化する曲面形状となるように形成されている。また、半導体基板２０の上面２０ａのうち、凸部２間の領域は、凹状領域３ａ、３ｂとなっている。なお、この上面２０ａにおいて、凸部及び凹状領域は明確に区分されるものではないが、図１では、説明の便宜のため、複数の凸部２のそれぞれの円形状の外径を実線で図示している。

本実施形態においては、複数の凸部２は、半導体基板２０上においてｘ軸方向及びｙ軸方向を配列方向とした２次元アレイ状に配列されている。図１においては、その構成例として、ｘ軸方向に３列、ｙ軸方向に３行で、３×３個の凸部２が配列された構成を図示している。一般には、この複数の凸部２については、ｘ軸方向にＮ列、ｙ軸方向にＭ行（Ｎ、Ｍは自然数）で、Ｍ×Ｎ個の凸部が２次元アレイ状に配列された構成を用いることが好ましい。

複数の凸部２のそれぞれには、入射光強度に応じた量の電荷を発生する光検出部４が形成されている。これにより、図１に示す光検出装置１では、３×３個の光検出部４が２次元アレイ状に配列された構成となっている。光検出部４は、第２導電型の不純物が添加された半導体部分からなり、第１導電型の半導体基板２０に対してフォトダイオードを構成している。この光検出部４は、具体的には例えば、半導体基板２０に対してボロン等のＰ型不純物を添加することによって形成される。

半導体基板２０上に形成された光検出部４に対し、光検出部４と電気的に接続して、光検出部４から発生する電荷を読み出す読み出し部５が設けられている。本光検出装置１においては、この読み出し部５は、半導体基板２０の上面２０ａ上であって、複数の凸部２間の領域である凹状領域３ａ、３ｂに設けられている。ここで、複数の凸部２間の領域について、図１に示すように、ｙ軸方向に伸びる領域を凹状領域３ａとし、ｘ軸方向に伸びる領域を凹状領域３ｂとする。

読み出し部５は、具体的には、配線６と、スイッチ７とによって構成されている。配線６は、光検出部４から発生した電荷を読み出すものである。図１に示す構成においては、複数の光検出部４のそれぞれに対して、対応する配線６が右側に位置し、凹状領域３ａ内で３本の配線６がｙ軸方向に伸びるように設けられている。

また、各光検出部４と、それぞれに対応して右側に位置する配線６との間には、光検出部４と配線６とを電気的に接続するためのスイッチ７が設けられている。このスイッチ７は、一端が光検出部４に接続され、他端が対応する配線６に接続されている。このような構成において、スイッチ７が開の状態では、光検出部４において光の入射に伴って発生した電荷が蓄積される。また、スイッチ７が閉の状態では、光検出部４に蓄積された電荷が配線６によって読み出される。

また、これらの２次元アレイ状の光検出部４、及び対応する読み出し部５に対して、図１中の下側には、光検出部４で発生して読み出し部５を介して読み出された電荷を出力するためのｘ軸方向に伸びる出力配線８が設けられている。また、各読み出し部５の配線６と、出力配線８との間には、配線６と出力配線８とを電気的に接続するためのスイッチ９が設けられている。

以上の構成において、３×３の２次元アレイ状に配列された光検出部４からの電荷の読み出しは、スイッチ７、９の開閉によって制御される。また、これらのスイッチ７、９に対して、好ましくは、それらの開閉を制御するための読み出し制御手段が設けられる。図１に示す構成においては、読み出し制御手段として、垂直シフトレジスタ１１及び水平シフトレジスタ１２が設けられている。なお、図１において、スイッチ７、９、及びシフトレジスタ１１、１２等については、その構成を模式的に図示している。

垂直シフトレジスタ１１は、光検出部４のアレイに対して右側に配置されており、光検出部４と配線６との間でのスイッチ７の開閉を制御するための垂直走査信号を出力する。また、各スイッチ７の制御端子と、垂直シフトレジスタ１１とは、凹状領域３ｂ内でｘ軸方向に伸びる配線１０によって接続されている。これにより、垂直シフトレジスタ１１からの垂直走査信号によって、光検出部４から配線６への電荷の読み出しが制御される。

水平シフトレジスタ１２は、光検出部４のアレイ及び出力配線８に対して下側に配置されており、配線６と出力配線８との間でのスイッチ９の開閉を制御するための水平走査信号を出力する。また、各スイッチ９の制御端子と、水平シフトレジスタ１２とは、配線１３によって接続されている。これにより、水平シフトレジスタ１１からの水平走査信号によって、配線６から出力配線８への電荷の読み出しが制御される。

上記実施形態による光検出装置１によって、光を検出する方法を説明する。図３は、検出対象となる光が光検出部４に入射する様子を示す光検出装置１のＩ−Ｉ矢印断面図である。光線ｌ_１に示すように、凸部２の表面上において光検出部４が形成されている部分に入射した光は、凸面のレンズ効果によって、集光されつつ光検出部４内に入射する。また、光線ｌ_２に示すように、凸部２の表面上において光検出部４が形成されていない部分に入射した光も、その一部は凸面のレンズ効果によって、光検出部４内に入射する。光検出部４では、このように光検出部４内に入射した入射光の強度に応じて、電荷が発生する。

光検出部４で発生した電荷は、まず、スイッチ７を介して、配線６に読み出される。ここで、スイッチ７の開閉は、垂直シフトレジスタ１１から出力される垂直走査信号によって制御される。配線６に読み出された電荷は、スイッチ９を介して、出力配線８に読み出される。ここで、スイッチ９の開閉は、水平シフトレジスタ１２から出力される水平走査信号によって制御される。その後、電荷は出力配線８によって出力され、入射光が検出される。

次に、上記実施形態による光検出装置１の効果について説明する。上記実施形態では、凸部２に光検出部４が形成されている。そのため、光検出部が平面部分に形成された場合と比べ、半導体基板２０上での単位面積当たりの実質的な光検出面積は増大する。したがって、光検出装置１の１画素である各光検出部４が微細であっても、十分な光検出領域を確保することができ、微弱な光を捕らえることも可能となる。その結果、光検出装置１では、高い光検出感度を実現できる。

また、光検出部４が形成されている凸部２の凸面自体が、凸レンズとして機能する。そのため、凸部２の表面において、半導体基板２０の上面２０ａに到達した光は集光されつつ光検出部４内に入射する。これにより、さらに光検出感度を高めることが可能となる。

また、上記したように、凸部２の凸面自体が凸レンズとして機能するため、入射光を集光し、光検出感度を高めるためのマイクロレンズを別個に設置する必要がない。そのため、マイクロレンズを用いる場合のように、光検出部とマイクロレンズとを位置合わせする必要がなく、光検出装置の光検出部の微細化にも容易に対応することが可能となる。

また、読み出し部５を構成する配線６及びスイッチ７は、凸部２間の凹状領域３ａに形成される。そのため、これらの配線やスイッチが設けられる位置が、光検出部４より低くなる。したがって、光検出部４が配線などの陰にならず、高い開口率を得ることが可能となる。

また、光検出部４が形成された複数の凸部２が、半導体基板２０上で２次元アレイ状に配列され、２次元アレイの一方の配列方向であるｙ軸方向に沿って、読み出し部５が形成されている。このような配列構造がとられることによって、光検出部４と読み出し部５とを好適に両立しつつ、その２次元アレイ状の構造を実現することが可能となる。

さらに、読み出し部５が、配線６とスイッチ７とで構成され、このスイッチ７は、一端が光検出部４に接続され、他端が対応する配線６に接続されている。そのため、光検出部４で発生した電荷を、スイッチ７を介して配線６に読み出すことが可能となる。また、スイッチ７の開閉によって、光検出部４で発生した電荷の読み出しを制御することが可能となる。

なお、半導体基板２０は、シリコンに限らず、例えば化合物半導体であっても良い。また、光検出装置１では、凹状領域３ａ、３ｂに配線の他、スイッチを設置したが、図４に示す光検出装置１Ａのように、凹状領域３ａに読み出し部５として配線２４のみを設置しても良い。光検出装置１Ａでは、各光検出部４から直接、発生した電荷を読み出す構成のフォトダイオードアレイとなっているため、シフトレジスタは不要である。

次に、図５、図６を参照して、本実施形態に係る光検出装置１の製造方法について説明する。本実施形態に係る光検出装置１の製造方法は、耐酸化膜形成工程、凸部形成工程、光検出部形成工程、及び酸化膜除去工程を含んでいる。ここでは、半導体基板２０として、リン等のＮ型不純物が添加されたＮ型のシリコン基板を用いる。

図５は、耐酸化膜形成工程及び凸部形成工程を説明する図である。図５の工程（ａ）〜工程（ｃ）が耐酸化膜形成工程を示し、図５の工程（ｄ）及び工程（ｅ）が凸部形成工程を示す。

まず、図５の工程（ａ）に示すように、半導体基板２０の表面を酸化し、５０ｎｍ程度の厚さの酸化膜（ＳｉＯ_２膜）２１を形成する。次に、図５の工程（ｂ）に示すように、酸化膜２１を覆うように、窒化膜（ＳｉＮ膜）２２を１００ｎｍ程度の厚さに形成する。

続いて、図５の工程（ｃ）に示すように、所定領域の窒化膜２２ａを耐酸化膜として選択的に残し、残りの領域の窒化膜２２をエッチングで除去する。これにより、酸化膜２１の一部が露出する。ここで、所定領域とは、半導体基板２０上において凸部２となる部分の上にある領域をいう。

その次に、図５の工程（ｄ）に示すように、耐酸化膜である窒化膜２２ａをマスクとして、半導体基板２０の表面、すなわち酸化膜２１の表面を選択酸化する。窒化膜２２ａが形成されている領域では、酸化が進行せず、窒化膜２２ａが形成されていない領域が選択的に酸化される。この選択酸化によって、半導体基板２０上に、凹凸のある選択酸化膜２３が形成される。選択酸化膜２３が凹凸を有することから、半導体基板２０の一方の面上に、所定のパターンで複数の凸部２が形成される。なお、このような選択酸化技術を、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ）という。その後、図５の工程（ｅ）に示すように、窒化膜２２ａをエッチングにより除去する。

図６は、光検出部形成工程及び酸化膜除去工程を説明する図である。図６の工程（ａ）が光検出部形成工程を示し、図６の工程（ｂ）が酸化膜除去工程を示し、図６の工程（ｃ）が表面保護膜形成工程を示す。

図６の工程（ａ）に示すように、選択酸化膜２３を介してボロンなどの不純物をイオン注入し、半導体基板２０の複数の凸部２のそれぞれに入射光強度に応じた量の電荷を発生する光検出部４を形成する。光検出部４は、ボロンなどがイオン注入されて形成されたＰ型不純物半導体領域からなり、Ｎ型の半導体基板２０に対してフォトダイオードを構成している。また、凹凸を有する選択酸化膜２３を介してイオン注入するため、選択酸化膜２３の凹んでいる部分の下に位置する半導体基板２０の凸部２に選択的に光検出部４が形成される。

次に図６の工程（ｂ）に示すように、まず選択酸化膜２３を、エッチングにより除去する。その次に、図６の工程（ｃ）に示すように、半導体基板２０の表面を酸化し、酸化膜（ＳｉＯ_２）である表面保護膜１４を形成する。その後、光検出部４で発生した電荷を信号として読み出すために、凸部２間の凹状領域３に読み出し部を構成する配線等を設ける。

次に、上記実施形態による光検出装置１の製造方法の効果について説明する。この製造方法では、耐酸化膜である窒化膜２２ａを用いた選択酸化によって、凹凸のある選択酸化膜２３を形成して、半導体基板２０上に凸部２を形成している。通常、半導体装置の製造過程において、選択酸化を利用して凹凸のある選択酸化膜を形成した場合、その選択酸化膜の凸状部分の高さは１〜２μｍ程度と非常に小さく、また横方向の広がりも小さい。そのため、光検出部４が形成された凸部２を小さくし、さらに凸部２間の間隔も小さくすることができ、光検出装置１の微細化に対応することが可能となる。

さらに、耐酸化膜を用いた選択酸化では、酸化にかける時間を変化させることによって、形成される選択酸化膜の凸状部分の高さを制御することができる。そのため、選択酸化の時間を変化させて、凸部２の突出高さを制御することが可能である。また、例えばハイプレッシャーＬＯＣＯＳプロセスを利用することによって、凸部２の高さを２０μｍ程度まで大きくすることもできる。

また、耐酸化膜をマスクとした選択酸化によって半導体基板２０上に得られる凹凸を利用して、複数の凸部２を形成している。そのため、複数の凸部２を一度に形成することができ、製造上の効率が良い。

また、半導体基板２０の凸部２に光検出部４が形成される。そのため、光検出部が平面部分に形成された場合と比べると、製造される光検出装置１の半導体基板２０上での単位面積当たりの実質的な光検出面積が増大する。そのため、凸部２（光検出部４）が微細であっても、十分な光検出領域を確保することができ、光検出装置１は、高い光検出感度を実現できる。また、凸部２の凸面が、凸レンズとして機能でき、このことによっても光検出部４の光検出感度が高くなる。

また、この製造方法で製造された光検出装置１は、マイクロレンズを用いずに高い光検出感度を実現できる。そのため、マイクロレンズをさらに製造する必要がなく、したがってマイクロレンズと光検出部４との位置合わせも必要ない。そのため、製造上の効率が良い。

なお、窒化膜２２ａの形状である膜厚及び平面形状によって複数の凸部２のそれぞれの形状を制御して選択酸化を行っても良い。図７〜図９は、窒化膜２２ａの形状によって凸部２の形状を制御して選択酸化を行う工程を示す工程断面図である。図７を基本パターンとして、図８では窒化膜２２ａの膜厚を、図９では窒化膜２２ａの膜厚及び幅を変化させている。

図７の工程（ａ）は酸化膜２１が窒化膜２２ａで覆われている状態を、工程（ｂ）は窒化膜２２ａを用いて選択酸化した後の状態を、工程（ｃ）は選択酸化膜２３を除去した後の状態を示す。図７の工程（ａ）における、酸化膜２１の厚さは５０ｎｍ、窒化膜２２ａの膜厚は１００ｎｍ、幅は１μｍである。図７の工程（ｂ）に示すように、この窒化膜２２ａを用いて酸化膜２１を選択酸化した結果、得られる選択酸化膜２３の半導体基板２０表面からの高さは１μｍである。図７の工程（ｃ）に示すように、こうして形成された半導体基板２０上の凸部２の高さは０．５μｍ、底面の径は１μｍ、その断面形状は半導体基板２０に対する突出高さが連続的に変化する曲面形状となる。

これに対して、図８では、図７に示した基本パターンに比べ、膜厚が２倍の２００ｎｍである窒化膜２２ａを用いて選択酸化する工程を示す。この窒化膜２２ａを用いて選択酸化した場合、窒化膜２２ａの厚みの分だけ酸化の過程で酸素が侵入できない。そのため、半導体基板２０上に形成される凸部２は、図８の工程（ｃ）に示すように、その断面形状が上方に向かって狭くなるメサ状の台形状となる。

また、図９では、図７に示した基本パターンに比べ、膜厚が半分の５０ｎｍ、幅が２倍の２μｍである窒化膜２２ａを用いて選択酸化する工程を示す。この窒化膜２２ａを用いて選択酸化した場合、半導体基板２０上に形成される凸部２は、図９の工程（ｃ）に示すように、その幅が基本パターンに比べ広くなる。

さらに、窒化膜２２ａの形状である平面形状によって、半導体基板２０上に形成される凸部２の形状を制御しても良い。図１０に長い半円柱形状の凸部２を有する光検出装置の例を示す。図１０の（ａ）は、耐酸化膜形成工程における窒化膜２２ａの形状を示す上面図、図１０の（ｂ）は、この窒化膜２２ａを用いて選択酸化した結果形成された凸部２を示す半導体基板２０の斜視図である。半導体基板２０上に形成された凸部２は、その縦断面形状が半円状である半円柱形状となる。図には示していないが、半円柱の両端部は実際にはなだらかに変化する曲面となっている。

このように、窒化膜２２ａの形状である膜厚や平面形状などを変化させることによって、半導体基板２０上に形成された凸部２の形状を制御することができ、これにより、所望の形状を有する凸部２を得ることが可能となる。

また、耐酸化膜形成工程において形成する窒化膜２２ａの間隔によって、凸部２間の間隔及び凸部２間の凹状領域３の形状を制御しても良い。図１１、図１２は窒化膜２２ａの間隔によって凸部２間の間隔を制御して選択酸化を行う工程を示す工程断面図である。図１１に示すように、窒化膜２２ａの間隔が狭い場合には、半導体基板２０上での凸部２の間隔は狭くなり、凹状領域３は、凹状の曲面形状となる。一方、図１２に示すように、窒化膜２２ａの間隔が広い場合には、半導体基板２０上での凸部２の間隔は広くなり、凹状領域３は、平面状となる。

このように、窒化膜２２ａの間隔を変化させることによって、半導体基板２０上に形成された凸部２間の間隔を制御することが可能となる。また、それと同時に、凸部２間の凹状領域３の形状を制御することも可能である。こうして窒化膜２２ａの間隔によって凸部２間の間隔を制御して選択酸化を行うことにより、読み出し部を構成する配線等の形状、敷設方法などに応じた所望の凹状領域を得ることが可能となる。

図１３は、本発明による光検出装置の第２実施形態の構成を示す上面図である。本実施形態の光検出装置３０は、同一面上に複数の凸部２が形成された半導体基板２０と、各凸部２に形成された光検出部４とを備えている点は第１実施形態の光検出装置１と同様であるが、読み出し部５が垂直電荷転送ＣＣＤ３１によって構成されている点で光検出装置１と異なる。また、説明の便宜上、図１３の左右方向をｘ軸方向（右向き正）とし、上下方向をｙ軸方向（上向き正）とする。

読み出し部５は、具体的には、電荷転送素子である垂直電荷転送ＣＣＤ３１によって構成されている。図１３に示す構成においては、凹状領域３ａ内でｙ軸方向に伸びる３本の垂直電荷転送ＣＣＤ３１が、対応する複数の光検出部４の右側に位置するように、設けられている。また、垂直電荷転送ＣＣＤ３１は、複数の転送電極を含む。

これらの２次元アレイ状の光検出部４、及び対応する読み出し部５に対して、図１３中の下側には、ｙ軸方向に転送された電荷をｘ軸方向に転送するための水平電荷転送ＣＣＤ３２が設けられている。水平電荷転送ＣＣＤ３２は、複数の転送電極を含んでいる。

上記実施形態に係る光検出装置３０によって、光を検出する方法において、発生した電荷を読み出す方法が第１実施形態にかかる光検出装置１と異なる。光検出装置３０では、光検出部４で発生した電荷は、垂直電荷転送ＣＣＤ３１の転送電極に印加される電圧の制御により読み出され、ｙ軸方向に転送される。ｙ軸方向に転送された電荷は、水平電荷転送ＣＣＤ３２の転送電極に印加される電圧の制御により、ｘ軸方向に転送される。ｘ軸方向に転送された電荷は、増幅器で増幅され、各光検出部４の出力信号として外部へ出力され、光が検出される。

上記第２実施形態による光検出装置３０の効果について説明する。光検出装置３０では、凸部２に光検出部４が形成されているため、光検出部が平面部分に形成された場合と比べ、半導体基板上での単位面積当たりの実質的な光検出面積が大きくなり、光検出部の光検出感度が向上する。また、その形状から、光検出部４が形成された凸部２の凸面自体が凸レンズとして機能し、光検出感度を高めることが可能となる。加えて、マイクロレンズを用いないため、マイクロレンズと光検出部との位置合わせをする必要がなく、光検出部の微細化にも容易に対応することができる。さらに、読み出し部５は、凸部２間にある凹状領域３ａに形成されるため、光検出部４が素子などの陰になることがなく、高い開口率を得ることが可能となる。

さらに、読み出し部５は垂直電荷転送ＣＣＤ３１によって構成され、この垂直電荷転送ＣＣＤ３１は転送電極を備える。この転送電極に印加される電圧が制御されることによって、電荷が転送される。このように、読み出し部５を構成する垂直電荷転送ＣＣＤ３１によって、光検出部４で発生した電荷の読み出しが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、複数の凸部は、半導体基板上で２次元アレイ状に配列していなくても良い。この場合、読み出し部も、凸部の構成に合わせて形成される。

本発明は、各画素の微細化にも対応可能で、光検出感度の高い光検出装置及びその製造方法として利用可能である。

第１実施形態に係る光検出装置の上面図である。 第１実施形態に係る光検出装置の断面図である。 光線が光検出部に入射する様子を示す光検出装置の断面図である。 第１実施形態に係る光検出装置の変形例の上面図である。 耐酸化膜形成工程、凸部形成工程を示す工程断面図である。 光検出部形成工程、酸化膜除去工程、及び表面保護膜形成工程を示す工程断面図である。 窒化膜の膜厚及び平面形状によって凸部の形状を制御する様子を示す工程断面図である。 窒化膜の膜厚及び平面形状によって凸部の形状を制御する様子を示す工程断面図である。 窒化膜の膜厚及び平面形状によって凸部の形状を制御する様子を示す工程断面図である。 長い半円柱形状の凸部を有する光検出装置の（ａ）上面図、（ｂ）斜視図である。 窒化膜の間隔を変えて凸部の配列を形成する様子を示す（ａ）上面図、（ｂ）、（ｃ）工程断面図である。 窒化膜の間隔を変えて凸部の配列を形成する様子を示す（ａ）上面図、（ｂ）、（ｃ）工程断面図である。 第２実施形態に係る光検出装置の上面図である。

符号の説明

１、１Ａ、３０…光検出装置、２…凸部、３、３ａ、３ｂ…凹状領域、４…光検出部、５…読み出し部、６、１０、１３、２４…配線、７、９…スイッチ、８…出力配線、１１…垂直シフトレジスタ、１２…水平シフトレジスタ、１４…表面保護膜、２０…半導体基板、２０ａ…上面、２１…酸化膜、２２、２２ａ…窒化膜、２３…選択酸化膜、３１…垂直電荷転送ＣＣＤ、３２…水平電荷転送ＣＣＤ

Claims (7)

1. 一方の面上に複数の凸部が形成された半導体基板と、
   前記複数の凸部のそれぞれに形成され、入射光強度に応じた量の電荷を発生する光検出部と、
   前記凸部間の凹状領域に形成され、前記光検出部と電気的に接続し、前記光検出部から発生する電荷を読み出す読み出し部と、
   を備えることを特徴とする光検出装置。
2. 前記光検出部が形成された前記複数の凸部が、前記半導体基板上で２次元アレイ状に配列され、前記２次元アレイの一方の配列方向に沿って、前記読み出し部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記読み出し部が、
   前記光検出部から発生した電荷を読み出す配線と、
   前記光検出部と前記配線とを電気的に接続するスイッチと、
   を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光検出装置。
4. 前記読み出し部が、電荷転送素子を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光検出装置。
5. 半導体基板表面の所定領域に耐酸化膜を形成する耐酸化膜形成工程と、
   前記耐酸化膜をマスクとして前記半導体基板表面を選択酸化し、前記半導体基板上に凹凸のある選択酸化膜を形成することによって、前記半導体基板の一方の面上に複数の凸部を形成する凸部形成工程と、
   前記半導体基板に不純物を注入して、前記半導体基板の前記複数の凸部のそれぞれに入射光強度に応じた量の電荷を発生する光検出部を形成する光検出部形成工程と、
   前記選択酸化膜を除去する酸化膜除去工程と、
   を備えることを特徴とする光検出装置の製造方法。
6. 前記耐酸化膜形成工程における前記耐酸化膜の形状によって前記複数の凸部のそれぞれの形状を制御することを特徴とする請求項５に記載の光検出装置の製造方法。
7. 前記耐酸化膜形成工程における前記耐酸化膜の間隔によって前記複数の凸部間の間隔を制御することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の光検出装置の製造方法。
   

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