JP2011060821A - 反射構造を備えた光受光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光受光素子の感度の改善を図ることができ、画素間の光クロストークの抑制が可能となる反射構造を備えた光受光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】反射構造を備えた光受光素子を、
前記反射構造が、光電変換層を構成するＳｉ結晶の一部をａ−Ｓｉ層に変質させて形成されたａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉによる多層膜によって構成する。
また、反射構造を備えた光受光素子の製造方法を、
基板上にＳｉ結晶による光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層を形成するＳｉ結晶の一部を、短パルスレーザによるレーザ照射によってａ−Ｓｉ層に変質させ、ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉによる多層膜で形成された反射構造を形成する工程と、
を有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反射構造を備えた光受光素子及びその製造方法に関し、特に、反射鏡および共振効果を利用した反射構造を備えた光受光素子及びその製造方法に関するものである。

ＣＭＯＳイメージセンサーでは、ＲＧＢの画素ごとにマイクロレンズ、カラーフィルター、受光素子により、それぞれの色について輝度信号を電気信号に変換をしている。このようなセンサーでは、受光素子の光電量子変換効率の向上が望まれている。特に、赤色では材料の光吸収係数が低いため、量子変換効率の改善が必要とされている。
量子変換効率の改善には光電変換層を長くすることが有効である。
しかしながら、光電変換層を長くした場合、隣接画素との混色が起こりやすくなり問題となる。
さらに、ＣＭＯＳイメージセンサーではマイクロレンズから受光素子までの距離が長いため、光のクロストークを起こすことが問題になっている。
この対策として、カラーフィルターの薄膜化、受光素子へのカラーフィルター機能の追加、等が検討されている。
これらの対策として、例えば、特許文献１では、受光素子の光電変換膜から透過した光を裏面にある多層反射膜により反射し、感度の改善を目指した提案がなされている。

特開２００７−２７６０４号公報

しかしながら、この構造では下部反射鏡からの反射のみを用いているため、光電変換層から受光素子の外部に設けられた下部反射鏡までの距離が長く、感度の改善が効果的ではなくなり、画素間の光クロストークが増大するという課題を有している。
共振構造を持つ受光素子は、ＡｌＧａＡｓ系など屈折率の異なる材料を結晶の乱れなく組み合わせてデバイスを作製可能なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体において研究された構造である。
シリコンは単元素半導体であるため、格子整合する異種材料がなく、上記のような手段をとることができない。
格子整合しないゲルマニウムなどの材料を用いた場合には、成長層の結晶品質が悪く、成長表面が乱れるため、暗電流制御が重要となる撮像用の受光素子では問題となる。
また、ＣＭＯＳイメージセンサーへの応用では、結晶成長後の表面状態が重要なため問題となる。

本発明は、上記課題に鑑み、光受光素子の感度の改善を図ることができ、画素間の光クロストークの抑制が可能となる反射構造を備えた光受光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、つぎのように構成した反射構造を備えた光受光素子及びその製造方法を提供するものである。
本発明の反射構造を備えた光受光素子は、前記反射構造が、光電変換層を構成するＳｉ結晶の一部をａ−Ｓｉ層に変質させて形成されたａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉによる多層膜によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の反射構造を備えた光受光素子の製造方法は、基板上にＳｉ結晶による光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層を形成するＳｉ結晶の一部を、短パルスレーザによるレーザ照射によってａ−Ｓｉ層に変質させ、ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉによる多層膜で形成された反射構造を形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、光受光素子の感度の改善を図ることができ、画素間の光クロストークの抑制が可能となる反射構造を備えた光受光素子及びその製造方法を実現することができる。

本発明の実施形態における共振器構造を備えた光受光素子の構成について説明する図。 本発明の実施形態における受光素子内に多層のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層の作製プロセスに用いられる装置を示す図。 本発明の実施形態におけるｃ−Ｓｉ内部のａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ多層膜の波長６７０ｎｍにおけるペア数と反射率の関係を示す図。 本発明の実施形態におけるｃ−Ｓｉ内部のａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ多層反射鏡反射率の波長依存性（中心６７０ｎｍ、３ペア）を示す図。 本発明の実施形態における１波長共振器構造からの反射率の波長依存性（上下２ペア：ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ）を示す図。 本発明の実施例におけるａ−Ｓｉの反射層をもつＰＤ（フォトディテクタ）等の光受光素子の構成を説明する図。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
つぎに、図１を用いて、本実施例における共振器構造を備えたＰＤ（フォトディテクタ）およびＭＯＳデバイス等の光受光素子について説明する。
本実施例の共振器構造を備えた光受光素子は、図１に示されるように、基板１０１上に、下部ＤＢＲ１０２、光受光層（光電変換層）１０３、上部ＤＢＲ１０４、反射防止膜１０５、スペーサ層１０６がそれぞれ積層された構成を備えている。
つぎに、光電変換層を構成するＳｉ結晶の一部をａ−Ｓｉ層に変質させて形成されたａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉによる反射構造を製造するための多層膜の作成手順について説明する。
まず、ＰＤ（フォトディテクタ）等の光受光素子を形成する基板となるｐ^＋−Ｓｉウェハーを用意し、基板上に高品質なデバイス層を形成するためエピタキシャル成長を行う。
エピタキシャルウェハーはドーピング濃度１ｘ１０^１９ｃｍ^−３程度のＰ^＋−Ｓｉウェハーであり、結晶成長前に表面酸化膜の除去を行った後に、ＣＶＤなど結晶成長装置により成長温度９００℃の高温で３μｍ程度に成長させる。
この成長で表面から１μｍ程度はキャリア濃度１ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下の高純度領域であり、高品質なｐｎ接合を形成することが可能なＩ層が形成される。

結晶成長後に、ＰＤ（フォトディテクタ）等の光受光素子のｎ型層および表面のＰ^＋埋め込み層を形成するため、イオン注入を行う。
ＰＤ（フォトディテクタ）等の光受光素子の受光面にｎ型層を形成するため、金属マスクをウェハー表面に形成し、選択的にｎ型不純物を注入する。
注入条件は、リンなどＶ族元素を例えばＭｅＶ程度の高エネルギーで１ｘ１０^１２ｃｍ^−２程度注入することでｎ型領域を、同様に数百ｋｅＶでボロンなどＩＩＩ族元素を１ｘ１０^１５ｃｍ^−２程度注入することで表面ｐ＋領域を形成する。注入後の不純物活性化と注入領域の結晶性回復は、８００℃程度のランプアニール装置など熱処理により行う。

つぎに、受光素子内に多層のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層による共振器構造を形成する方法について説明する。
上記プロセス後に、シリコンを透過するレーザ光を多光子吸収が起こる光高強度で照射し、所定の焦点位置で加熱することにより、結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）をａ−Ｓｉに変質させる。
変質層の位置は３次元駆動ステージで、変質層の厚みは光学系および照射光強度を調整することで制御する。
このような作製プロセスには図２に示す装置が用いられる。
この装置は図２に示すように、フェムト秒レーザなど超短パルスレーザから出射された光をＸＹＺステージに導くための反射ミラー（光学系）、レーザスポットを作り出す集光レンズ（対物レンズ）で構成されている。
レーザスポットをｃ−Ｓｉ内部でＸＹＺステージを用いてスキャニングすることで、所定の深さ、位置においてｃ−Ｓｉの変質層であるａ−Ｓｉを形成することができる。
レーザの照射条件として、波長１．２μｍ、フルーエンスは約０．２ｍＪ／ｃｍ^２、スポットサイズは０．３μｍφで照射回数は１スポットに１回となる。
スキャニングの方法として、例えばＸ方向に繰り返し周波数１ｋＨｚで速度１０ｍｍ／秒で所定の領域を走査し、０．３ｍｍＹ軸方向にずらした後、同様にＸ方向にスキャンを行う。

ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉによる多層膜の形成は、上記のａ−Ｓｉ変質層をレーザ照射とＸＹＺステージの移動によって形成後、デバイスの深さを調整し、同様な処理によって同様なａ−Ｓｉ変質層を形成することにより得られる。
この形成工程によりａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉの多層膜の製作が可能となる。
デバイスの深さ方向に形成した多層膜の形成の順序は、変質膜をレーザが透過することを避けるために、深い位置にａ−Ｓｉ変質層を形成した後、その上部で変質処理を行う。

多層膜の形成条件として、例えば赤色の画素では、加工するｃ−Ｓｉ層の厚みはｃ−Ｓｉの波長６７０ｎｍにおける屈折率ｎ＝４における１／４波長となる４２ｎｍである。
この変質層厚みに調整する方法として、焦点位置およびレーザ強度を光学系により調整する。
この方法により３層ａ−Ｓｉ層をレーザにより形成することで２ペアのａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ層が形成される。
赤色において２０％以上の反射率を持つミラーが得られる。
図３に、ｃ−Ｓｉ内部におけるａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ多層膜の波長６７０ｎｍにおけるペア数と反射率の関係を示す。
図４に、同様にｃ−Ｓｉ内部のａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ多層反射鏡反射率の波長依存性（中心６７０ｎｍ、３ペア）を示す。
上記ａ−Ｓｉ／Ｓｉ反射膜を形成するデバイス深さは、ｐｎ接合の中心となるＳｉ表面から深さ１．４μｍを中心として、上部側と下部側とに上部ＤＢＲ１０４と下部ＤＢＲ１０２とによる１対の反射鏡を内部に形成する。
赤色の画素の場合反射鏡間の距離は１波長分（６７０ｎｍ）となる約１６７ｎｍとする。

図５に、上記の構造における反射特性を示す。
図に示すように緑色を中心として他の波長に対して選択性が得られる。
また、図中に示すファブリペロー共振波長（緑色：６７０ｎｍ）では共振効果により、光電変換の量子効率が大幅に改善されること知られている。
本実施例の場合、表面から反射構造の深さを１．６５μｍにすることができる。
この深さの値は多層膜ミラーおよび共振器長さの設計により、多少の幅を持つが、おおむね２μｍ以下にできる。このことにより、後述する実施例２に比べ、受光素子の感度改善と画素間クロストークをより抑制することが可能になる。
上記と同様に赤色、青色の画素においてもａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉ反射鏡の共振構造を作製することも可能であり、必要に応じて、１色、２色、３色を組み合わせて構造を作製する。
これらにより、撮像素子用に赤色、緑色、青色のそれぞれに共振器長さが調整された、複数の光受光素子からなる素子を作製することが可能となる。

次に、効果的に電気的な素子分離を行うため、素子の境界にドライエッチングおよびダメージ層除去のウェットエッチング処理を行う。
素子分離は深さ０．４μｍ、幅０．３μｍ程度である。
素子分離のために形成した浅いトレンチ溝を埋めるため、表面をウェットエッチングにより、熱処理によるダメージ層を除去した後に、ＣＶＤなどによりＳｉＯ₂膜を１０ｎｍ程度堆積し、表面再結合電流などリーク電流の抑制を行う。
次に、ＰＤ（フォトディテクタ）等の光受光素子の表面反射抑制のため、反射防止膜としてＳｉ_３Ｎ_４膜を５０ｎｍ堆積を行う。
この構造により赤色（６７０ｎｍ）に対して最小で表面反射を５％程度まで低減することができる。

［実施例２］
以下に、図６を用いて、実施例２におけるａ−Ｓｉによる反射層を一層備えたＰＤ（受光素子）等の光受光素子の構成について説明する。
本実施例の反射層を一層備えた光受光素子は、図６に示されるように、基板２０１上に、反射層２０２、光受光層（光電変換層）２０３、反射防止膜２０４、スペーサ層２０５がそれぞれ積層された構成を備えている。
図６に示す本実施例の光受光素子は、上記した実施形態における作製方法と同様の方法を用い作製される。
ａ−Ｓｉ反射層は深さ１．７μｍに、厚み４２ｎｍで一層のみ形成する。
図中のＳｉ_３Ｎ_４を反射防止膜とするため、Ｓｉ_３Ｎ_４を７８ｎｍ堆積する。
この厚みで中心波長５６０ｎｍの１／４波長膜となり、赤色、緑色、青色のすべての反射防止膜として機能する。

Ａ−Ｓｉ反射膜の位置は、ｃ−Ｓｉの光吸収率の悪い赤色に合わせて決定する。
ｃ−Ｓｉにおいて赤色（６７０ｎｍ）の光を吸収率を９９％以上にするためには、厚みとして６μｍ以上が必要となる。
一方で、画素ピッチ３μｍの場合、深さ６μｍ以上では斜め２０度方向からの入射光に対し、隣接画素への混入が起こる。
そのため、画素間の光クロストークが悪くなることから、ａ−Ｓｉ反射膜による反射光の影響を考慮すると、ａ−Ｓｉ層の位置はｃ−Ｓｉ成長膜表面から３μｍ以内が望ましい。
本実施例のレーザの加工方法では、高精度にａ−Ｓｉ形成深さを受光面から３μｍ以内に制御することができる。
このように、反射鏡深さを自在に制御することで、光受光素子の感度改善と画素間の光クロストークの抑制とを両立させる構造を、高精度に作りこむことが可能となる。
本実施例の構成によれば、実施例１に比べ、共振器長さの条件によらず、任意に光電変換層厚を決められる利点がある。

１０１：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０３：光受光層
１０４：上部ＤＢＲ
１０５：反射防止膜
１０６：スペーサ層

Claims (7)

1. 反射構造を備えた光受光素子であって、
   前記反射構造が、光電変換層を構成するＳｉ結晶の一部をａ−Ｓｉ層に変質させて形成されたａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉによる多層膜によって構成されていることを特徴とする反射構造を備えた光受光素子。
2. 前記多層膜による反射構造が、前記光電変換層の上部側と下部側に形成されて共振器構造が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の反射構造を備えた光受光素子。
3. 前記多層膜による一つの反射構造が、受光面から３μｍ以内における前記光電変換層の下部側に配されていることを特徴とする請求項１に記載の反射構造を備えた光受光素子。
4. 前記光受光素子が、撮像素子用に赤色、緑色、青色のそれぞれに共振器長さが調整された、複数の光受光素子からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の受光素子。
5. 反射構造を備えた光受光素子の製造方法であって、
   基板上にＳｉ結晶による光電変換層を形成する工程と、
   前記光電変換層を形成するＳｉ結晶の一部を、短パルスレーザによるレーザ照射によってａ−Ｓｉ層に変質させ、ａ−Ｓｉ／ｃ−Ｓｉによる多層膜で形成された反射構造を形成する工程と、
   を有することを特徴とする光受光素子の製造方法。
6. 前記反射構造を形成する工程が、前記光電変換層の上部側に上部ＤＢＲと、下部側に下部ＤＢＲを形成する共振器構造の形成工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の光受光素子の製造方法。
7. 前記反射構造を形成する工程が、
   前記短パルスレーザによるレーザ照射を制御することによって、受光面から３μｍ以内に、前記光電変換層の下部側に前記多層膜による一つの反射構造を形成する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の光受光素子の製造方法。

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