JP2020123717A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像装置において、暗時特性を維持しながら、クロストークの抑制および赤外光感度の向上を実現する。【解決手段】固体撮像装置（１００）は、基板（１１）上に、撮影画像の各画素に対応した光電変換領域（２０）を備え、基板は、半導体基板（１）と、半導体基板上に形成された、不純物濃度が４×１０１４〜１×１０１６［ｃｍ−３］以下であり、厚さが１０μｍ以上のエピタキシャル層（２）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

従来、固体撮像装置において、Ｐ^{− −}エピタキシャル層／Ｐ^＋基板ウェハ構造を用いてフォトダイオードの空乏層を本来の深さまで伸ばした構造、または、当該空乏層をより深くまで伸ばした構造にすることにより、クロストークを抑制し、かつ、赤外光感度を向上させることが可能である。

例えば、特許文献１においては、クロストークの抑制、および、赤外光感度の向上の両立を図るべく、エピタキシャル層の厚さを１０μｍ以上とするだけでなく、空乏層領域も一緒に拡張するためには、エピタキシャル層の不純物濃度は１×１０^１４［ｃｍ^−３］以下とするのが望ましいとされている。

特開２０１０−０５６３４５号公報

しかしながら、特許文献１のように、エピタキシャル層の不純物濃度を１×１０^１４［ｃｍ^−３］以下にして、かつ、空乏層領域を拡張すると、暗時特性を急激に悪化させてしまう。

本発明の一態様は、固体撮像装置において、暗時特性を維持しながら、クロストークの抑制および赤外光感度の向上を実現することを目的とする。

（１）本発明の一実施形態は、基板上に、撮影画像の各画素に対応した光電変換領域を備え、上記基板が、半導体基板と、当該半導体基板上に形成された、第１導電型であって、不純物濃度が４×１０^１４［ｃｍ^−３］以上、かつ、１×１０^１６［ｃｍ^−３］以下であり、厚さが１０μｍ以上のエピタキシャル層とを備え、上記光電変換領域が、上記エピタキシャル層の一部に埋め込まれた空乏層領域と、上記エピタキシャル層の一部であって、当該空乏層領域および上記半導体基板の間に介在する拡散領域とから形成され、上記空乏層領域が、第２導電型の半導体埋め込み領域を含んでいる、固体撮像装置。
（２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、上記エピタキシャル層の一部であって、隣接する上記空乏層領域の間に形成される画素分離電位障壁をさらに備え、当該画素分離電位障壁の一部には、当該一部を除く上記エピタキシャル層とは異なる材料が１種類以上埋め込まれている、固体撮像装置。
（３）また、本発明のある実施形態は、上記（１）または上記（２）の構成に加え、上記半導体基板と、上記エピタキシャル層との間に、裏面反射層、および、表面半導体基板層をさらに備えている、固体撮像装置。
（４）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である、固体撮像装置。

本発明の一態様によれば、固体撮像装置において、暗時特性を維持しながら、クロストークの抑制および赤外光感度の向上を実現することができる。

本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造の例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造の例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素構造の例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るエピタキシャル層の不純物濃度に対する暗電流および暗時ノイズを示すグラフである。 本発明の実施形態に係る照射光波長に対する量子効率を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るエピタキシャル層の不純物濃度に対する量子効率を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るエピタキシャル層の不純物濃度に対するクロストークを示すグラフである。 本発明の実施形態に係るエピタキシャル層の不純物濃度に対する暗電流を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るエピタキシャル層の不純物濃度に対する空乏層の深さを示すグラフである。 本発明の実施形態に係る絶対温度に対する暗電流を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る照射光波長に対する量子効率を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る不純物濃度に対する少数キャリアの拡散長を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図１〜１２を参照しながら、詳細に説明する。

（固体撮像装置の画素構造の例）
図１は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置１００の画素構造の例を示す断面図である。固体撮像装置１００においては、基板１１上に、撮像画像の各画素に対応した光電変換領域２０を備えている。

図１に示すように、固体撮像装置１００の基板１１は、半導体基板１と、半導体基板１上に形成されたエピタキシャル層２とを備えている。半導体基板１は、エピタキシャル層２が形成される基板である。エピタキシャル層２は、第１導電型であって、不純物濃度が４×１０^１４［ｃｍ^−３］以上、かつ、１×１０^１６［ｃｍ^−３］以下であり、厚さが１０μｍ以上である。

エピタキシャル層２は、拡散領域３と、画素分離電位障壁５とを備えており、拡散領域３および画素分離電位障壁５の一部に空乏層領域４が埋め込まれている。拡散領域３は、エピタキシャル層２中の、空乏層領域４および画素分離電位障壁５以外の領域である。空乏層領域４は、エピタキシャル層２の一部（例えば、エピタキシャル層２の表面から８μｍ以下の部分）に埋め込まれている。

画素分離電位障壁５は、エピタキシャル層２の一部であって、隣接する空乏層領域４の間に形成される。画素分離電位障壁５の一部には、当該一部を除くエピタキシャル層２とは異なる材料、例えば、SiO2、Al、Au、Ag、TiO2、TaO、HfO2、Gd2O3、La2O3、Y2O3、ZrO2、BaTiO3、Mg2SiO4、Al2O3、Bi2O3、BaO、ZnO、Nd2O3、R2O3が１種類以上埋め込まれている。

空乏層領域４は、空乏層と、半導体埋め込み領域６と、表面ピンニング層７とを含んでいる。空乏層は、キャリアがほとんどなく、電気的に絶縁された領域であり、ｐｎ接合境界を含む。半導体埋め込み領域６は、第２導電型であり、エピタキシャル層２の表面から６μｍ以下の一部に埋め込まれている。表面ピンニング層７は、エピタキシャル層２の表面を含む一部に形成されている。

光電変換領域２０は、空乏層領域４と、エピタキシャル層２の一部であって、空乏層領域４および半導体基板１の間に介在する拡散領域３とから形成されている。

上記によれば、エピタキシャル層２の厚さを１０μｍ以上に厚くし、空乏層領域４は変えずに拡散領域３のみを拡張し、かつ、エピタキシャル層２の不純物濃度を４×１０^１４［ｃｍ^-３］以上にすることにより、低暗電流および低暗時ノイズ（暗時特性）を維持しながら、クロストークの抑制および赤外光感度の向上を実現することができる。さらに、エピタキシャル層２の不純物濃度を１×１０^１６［ｃｍ^−３］以下にすることにより、少数キャリアを信号電荷として容易に取り出すことができる。

図２は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置１００ａの画素構造の例を示す断面図である。図２に示すように、図１と比較すると、固体撮像装置１００ａのエピタキシャル層２には、ディープトレンチアイソレーション（ＤＴＩ）８がさらに埋め込まれている。ディープトレンチアイソレーション８は、異なる誘電体材料の多層膜構造である。ディープトレンチアイソレーション８は、エピタキシャル層２に入射する斜め光を全反射させる。

上記によれば、エピタキシャル層２に入射する斜め光を、異なる誘電体材料の多層膜構造であるＤＴＩ８で全反射させることができる。これにより、ＤＴＩ８のない構造と比較して、隣接画素に入射する斜め光を低減することができるため、光学的クロストークを抑制することができる。また、拡散領域３で生成された電子は隣接画素に移動する可能性があるが、ＤＴＩ８がある場合、電子はＤＴＩ８を通過することができないため、隣接画素に拡散する成分を低減させることができる。したがって、電気的クロストークを抑制することができる。以上のように、ＤＴＩ８を形成することにより、光学的クロストークおよび電気的クロストークの両方を抑制することが可能である。

図３は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置１００ｂの画素構造の例を示す断面図である。図３に示すように、図２と比較すると、固体撮像装置１００ｂは、半導体基板１と、エピタキシャル層２との間に、裏面反射層９、および、表面半導体基板層１０をさらに備えている。裏面反射層９は、例えば、SiO₂、Al、Au、Ag、TiO₂、TaO、HfO₂、Gd₂O₃、La₂O₃、Y₂O₃、ZrO₂、BaTiO₃、Mg₂SiO₄、Al₂O₃、Bi₂O₃、BaO、ZnO、Nd₂O₃、R₂O₃が１種類以上積層した構造を有する。裏面反射層９は、半導体基板１上に形成される。表面半導体基板層１０は、裏面反射層９上に形成される。

上記によれば、エピタキシャル層２に入射した光は、裏面反射層９により反射するため、反射した光をさらにエピタキシャル層２で吸収することができる。すなわち、裏面反射により実効的な光路長が伸びた分だけエピタキシャル層２の厚さを薄くすることができる。例えば、０度入射光を考えると、全波長領域で反射率が１００％の材料を用いた場合、裏面反射層なしと同等の量子効率を得るのに必要なエピタキシャル層２の厚さは半分でよいことになる。以上より、さらに光学的クロストークおよび電気的クロストークの両方を抑制することが可能である。

なお、固体撮像装置１００、１００ａ、および、１００ｂにおいて、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であってもよいし、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であってもよい。

従来、低クロストークおよび高赤外光感度を達成するためには、空乏層領域を拡張しなければならないと考えられていた。そして、特許文献１に記載のように、エピタキシャル層の厚さは１０μｍ以上であり、かつ、不純物濃度は１×１０^１４［ｃｍ^−３］以下にするのが望ましいと考えられていた。

本実施形態に係る発明者は、エピタキシャル層２の不純物濃度を４×１０^１４［ｃｍ^−３］以上にした。また、エピタキシャル層２の厚さを１０μｍ以上にした。これにより、暗時特性の悪化を抑制し、かつ、従来と同等の、クロストークの抑制および赤外光感度の向上を達成した。

（実験結果）
エピタキシャル層２の不純物濃度を４×１０^１４［ｃｍ^−３］以上にし、かつ、エピタキシャル層２の厚さを１０μｍ以上にすることで、暗時特性が改善された結果を以下に示す。

図４は、本実施形態に係るエピタキシャル層２の不純物濃度に対する暗電流および暗時ノイズを示すグラフである。図４（ａ）は、エピタキシャル層２の不純物濃度に対する暗時電流を示す。図４（ｂ）は、エピタキシャル層２の不純物濃度に対する暗時ノイズを示す。

図４（ａ）に示すように、エピタキシャル層２の不純物濃度を高くすると、暗電流が改善している。また、エピタキシャル層２の厚さが６μｍよりも１５μｍの場合に、暗電流が改善している。

図４（ｂ）に示すように、エピタキシャル層２の不純物濃度を高くすると、暗時ノイズが改善している。特に、エピタキシャル層２の不純物濃度が４×１０^１４［ｃｍ^−３］以上の範囲においては、暗時ノイズが改善している。また、エピタキシャル層２の厚さが６μｍよりも１５μｍの場合に、暗時ノイズが改善している。

次に、エピタキシャル層２の不純物濃度を４×１０^１４［ｃｍ^−３］以上にしても、従来と同等の、高赤外光感度および低クロストークが得られた結果を示す。

図５は、本実施形態に係る照射光波長に対する量子効率を示すグラフである。図５に示すように、エピタキシャル層２の不純物濃度を低くして、空乏層領域４を拡張しても、全波長領域で全く量子効率が変わらず、赤外光感度はエピタキシャル層２の厚さにほとんど依存している。

図６は、本実施形態に係るエピタキシャル層２の不純物濃度に対する量子効率を示すグラフである。図６に示すように、エピタキシャル層２の厚さを変えずにエピタキシャル層２の不純物濃度を低くする、すなわち、空乏層領域４を拡張して、拡散領域３を小さくしても、照射光波長が８５０ｎｍである条件における量子効率は変わらない。したがって、赤外光感度の向上は、空乏層領域４が拡張したためではなく、エピタキシャル層２の厚さに大きく依存している。

図７は、本実施形態に係るエピタキシャル層２の不純物濃度に対するクロストークを示すグラフである。図７に示すように、クロストークはエピタキシャル層２の不純物濃度にほとんど依存しない。したがって、特許文献１に記載のように、不純物濃度を１×１０^１４［ｃｍ^−３］以下にすることにより空乏層領域４を拡張することは、クロストーク抑制に大して効果が期待できないのにも拘わらず、暗時特性を急激に悪化させてしまう。

特許文献１の記載のように、エピタキシャル層２の不純物濃度を１×１０^１４［ｃｍ^−３］以下にして、空乏層領域４を拡張することが暗時特性を急激に悪化させる理由は、以下の暗電流と暗電流の標準偏差の式（１）、（２）より、拡散領域３における正孔濃度の減少および空乏層領域が拡張したためである。

図８は、本実施形態に係るエピタキシャル層２の不純物濃度に対する暗電流を示すグラフである。暗電流は、拡散電流と、生成電流とを含む。図８に示すように、エピタキシャル層２の不純物濃度が２×１０^１４［ｃｍ^−３］以下の範囲において、急激に拡散電流および生成電流が増加している。したがって、本実施形態においては、エピタキシャル層２の不純物濃度を４×１０^１４［ｃｍ^−３］以上にすることにより、比較的良好な暗電流が得られる。

図９は、本実施形態に係るエピタキシャル層２の不純物濃度に対する空乏層領域４の深さを示すグラフである。図９に示すように、エピタキシャル層２の不純物濃度が４×１０^１４［ｃｍ^−３］以下の範囲において、急激に空乏層領域４の深さが増加している。したがって、本実施形態においては、エピタキシャル層２の不純物濃度を４×１０^１４［ｃｍ^−３］以上にすることにより、空乏層領域４の深さが減少する。

図１０は、本実施形態に係る絶対温度に対する暗電流を示すグラフである。図１０に示すように、エピタキシャル層２の厚さが１５μｍであり、かつ、エピタキシャル層２の不純物濃度が１×１０^１５［ｃｍ^−３］である場合において、暗電流の主成分は、温度が６０℃では拡散電流である。すなわち、拡散電流成分を抑制することが暗時特性の改善に有効である。拡散電流成分を抑制するには、以下の式（１）、（２）から、エピタキシャル層２の不純物濃度を高くすればよいことが分かる。

ここで、赤外光感度が空乏層領域４の深さに依存しない理由を説明する。

まず、本実施形態に係る、理論的な量子効率の見積もりは、半導体基板１上の多層膜による反射率、エピタキシャル層２の材料の光吸収率、および、エピタキシャル層２で生成したキャリアによる拡散電流の３つが考慮されている。

上記の理論的な量子効率の見積もりにおいて、空乏層領域４で発生した電子は全て光電流に寄与するものとし、拡散領域３で発生した電子の一部は再結合によって失われ、一部拡散によって空乏層領域４に到達したものは光電流に寄与するものとすると、全光電流密度および量子効率は、以下の式（３）、（４）で記述される。

ここで、表面ピンニング層７のポテンシャルピークより浅い領域で発生した電子は表面で再結合することを考慮すると、求める量子効率は、以下の式（５）で記述される。

ただし、

はエピタキシャル層２の全領域での量子効率である。

は表面ピンニング層７のポテンシャルピークより浅い領域での量子効率である。

図１１は、本実施形態に係る照射光波長に対する量子効率を示すグラフである。図１１に示すように、上記理論計算による量子効率の見積もりと、実測の量子効率とが非常によく一致しており、エピタキシャル層２の厚さを厚く、エピタキシャル層２の不純物濃度を高くすることにより、赤外光感度が向上している。したがって、上記理論計算による見積もり方法の精度は高い。

図１２は、本実施形態に係る不純物濃度に対する少数キャリアの拡散長を示すグラフである。すなわち、上記理論計算で採用されている室温（３００Ｋ）における少数キャリアの拡散長は、図１２に示すような不純物濃度依存性を持っている。

図１２に示すように、エピタキシャル層２の不純物濃度が１×１０^１６［ｃｍ^−３］以下の範囲では、ほとんど少数キャリアの拡散長は変化せず、１００μｍ程度である。したがって、エピタキシャル層２の不純物濃度が１×１０^１６［ｃｍ^−３］以下の範囲では、電界のない領域においても、少数キャリアは再結合して消滅するまでに、１００μｍ程度移動できる。そのため、キャリアが生成された場所から空乏層領域４の端まで１０〜２０μｍ程度の距離があったとしても、少数キャリアを信号電荷として容易に取り出すことができると考えられる。

本実施形態によれば、赤外光感度はエピタキシャル層２の厚さに依存しており、空乏層領域４を拡張しても、クロストークの抑制および赤外光感度の向上に大きな効果が期待できないことが実証された。むしろ、エピタキシャル層２の不純物濃度を高くすることにより、拡散領域３における少数キャリア濃度が減少し、空乏層領域４の深さが減少するため、暗時特性が著しく改善されることが実証された。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１ 半導体基板
２ エピタキシャル層
３ 拡散領域
４ 空乏層領域
５ 画素分離電位障壁
６ 半導体埋め込み領域
７ 表面ピンニング層
８ ディープトレンチアイソレーション、ＤＴＩ
９ 裏面反射層
１０ 表面半導体基板層
１１ 基板
２０ 光電変換領域
１００、１００ａ、１００ｂ 固体撮像装置

Claims (4)

1. 基板上に、撮影画像の各画素に対応した光電変換領域を備え、
   上記基板は、半導体基板と、当該半導体基板上に形成された、第１導電型であって、不純物濃度が４×１０^１４［ｃｍ^−３］以上、かつ、１×１０^１６［ｃｍ^−３］以下であり、厚さが１０μｍ以上のエピタキシャル層とを備え、
   上記光電変換領域は、上記エピタキシャル層の一部に埋め込まれた空乏層領域と、上記エピタキシャル層の一部であって、当該空乏層領域および上記半導体基板の間に介在する拡散領域とから形成され、
   上記空乏層領域は、第２導電型の半導体埋め込み領域を含んでいることを特徴とする固体撮像装置。
2. 上記エピタキシャル層の一部であって、隣接する上記空乏層領域の間に形成される画素分離電位障壁をさらに備え、
   当該画素分離電位障壁の一部には、当該一部を除く上記エピタキシャル層とは異なる材料が１種類以上埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 上記半導体基板と、上記エピタキシャル層との間に、裏面反射層、および、表面半導体基板層をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。

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