JP2020155686A

JP2020155686A - 受光素子、撮像デバイス、撮像装置

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Publication number: JP2020155686A
Application number: JP2019054526A
Authority: JP
Inventors: 哲男宮崎; Tetsuo Miyazaki; 後藤　浩成; Hiroshige Goto; 浩成後藤
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2020-09-24

Abstract

【課題】裏面照射型の撮像素子ないし、受光素子における消費電力の低減を図ることが可能な技術を提供する。【解決手段】裏面照射型の受光素子であって、第１導電型の半導体基板層１１１と、前記半導体基板層よりも不純物濃度が低く、半導体基板層との間に界面を有して半導体基板層の第一面側に配置されるＰ型エピタキシャル層１１２と、を含み、Ｐ型エピタキシャル層は、受光素子を構成するための複数の半導体領域を有しており、半導体基板層の第一面と対向する第二面側から光を入射させる、受光素子である。【選択図】図１

Description

本発明は、受光素子、撮像デバイス並びに撮像装置に関する。

一般的な撮像素子は、複数のフォトダイオードが形成された半導体基板の上に配線層を積み重ねていくことによって製造される。このような撮像素子において、検出対象の光を配線層側から入射させるものを表面照射型といい、当該光を半導体基板の裏面側から入射されるものを裏面照射型という。裏面照射型の撮像素子は、配線層が光の入射光路を妨げることがないので実効開口率が高く、高感度を実現しやすい。このような裏面照射型の撮像素子の従来例は、例えば特開２０１９−２９９０６号公報（特許文献１）に記載されている（同公報の図７等参照）。

ところで、上記特許文献１に記載される裏面照射型の撮像素子では、基板裏面側に透明電極（導電型透明薄膜層）が設けられており、この透明電極に負電圧Ｖｓｕｂが印加されることによりこの透明電極と接するｐ型エピタキシャル層（ｐ−ｅｐｉ層）で加速電界を得るように構成されている。この加速電界は、比較的高抵抗であるｐ型エピタキシャル層に電流が流れることによる電圧降下によって得られる。このとき、ｐ型エピタキシャル層に電流を流す必要があるため、ｐ型エピタキシャル層と透明電極との間にオーミック接触が必要となる。両者間の接触抵抗が高いと、ｐ型エピタキシャル層での電圧降下を得るためにより大きな負電圧Ｖｓｕｂが必要となり、消費電力が増大する。

特開２０１９−２９９０６号公報

本発明に係る具体的態様は、裏面照射型の撮像素子（撮像デバイス）ないし当該撮像素子を構成する受光素子（フォトダイオード）における消費電力の低減を図ることが可能な技術を提供することを目的の１つとする。

［１］本発明に係る一態様の受光素子は、（ａ）裏面照射型の受光素子であって、（ｂ）第１導電型の半導体基板層と、（ｃ）前記半導体基板層よりも不純物濃度が低く、当該半導体基板層との間に界面を有して当該半導体基板層の第一面側に配置される半導体層と、を含み、（ｄ）前記半導体層は、前記受光素子を構成するための複数の半導体領域を有しており、（ｅ）前記半導体基板層の前記第一面と対向する第二面側から光を入射させる、受光素子である。
［２］本発明に係る一態様の撮像デバイスは、上記の受光素子を複数備える、撮像デバイスである。
［３］本発明に係る一態様の撮像装置は、上記の撮像デバイスと当該撮像デバイスを制御する制御部を備える、撮像装置である。
［４］本発明に係る一態様の製造方法は、（ａ）裏面照射型の受光素子の製造方法であって、（ｂ）第一面側に半導体層を有する半導体基板を用意する第１工程と、（ｃ）前記半導体基板の前記半導体層に、前記受光素子を構成するための複数の半導体領域を形成する第２工程と、（ｄ）前記半導体基板の前記第一面と対向する第二面側から当該半導体基板の厚さを低減させる処理を行うことにより、前記半導体領域を支持する半導体基板層を形成する第３工程と、を含む、受光素子の製造方法である。

上記［１］〜［３］の構成によれば、受光素子（フォトダイオード）、撮像素子（撮像デバイス）ないし撮像装置における消費電力の低減を図ることが可能となる。また、上記［４］によれば、上記受光素子（フォトダイオード）の製造に好適な製造方法を得ることが可能となる。

図１（Ａ）は、一実施形態のフォトダイオード（受光素子）の構成を示す模式的な断面図である。図１（Ｂ）は、変形例のフォトダイオード（受光素子）の構成を示す模式的な断面図である。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、上記した図１（Ａ）に示すフォトダイオードの製造方法の一例を説明するための模式的な断面図である。図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、本実施形態のフォトダイオードにより得られる効果の１つを説明するための図である。図４は、本実施形態のフォトダイオードにより得られる効果の１つを説明するための図である。図５は、撮像装置の構成例を示すブロック図である。

図１（Ａ）は、一実施形態のフォトダイオード（受光素子）の構成を示す模式的な断面図である。図示のフォトダイオード１００は、裏面側を受光面として光を入射させて当該光の強度を検出するＢＳＩ（Back Side Illumination）型のフォトダイオードである。なお、本実施形態では、ｎ型半導体領域１１７などの半導体領域が形成される側を表面側とし、その反対側を裏面側としている。図示のフォトダイオード１００を例えばマトリクス状に複数配列することにより撮像デバイス（イメージセンサ）が得られる。

フォトダイオード１００は、ｐ型半導体基板層１１１と、このｐ型半導体基板層１１１の表面側に配置されたｐ型エピタキシャル層１１２を備える。

ｐ型半導体基板層１１１は、例えばｐ型のシリコン（珪素）からなる基板を薄板化して得られるものである。このｐ型半導体基板層１１１の厚さ（Ｚ方向の厚さ）ｄは、例えば数μｍである。後述するように、本実施形態のｐ型半導体基板層１１１は、ｐ型半導体基板の裏面側の一部を研磨等によって除去することにより得られる。また、本実施形態のｐ型半導体基板層１１１は、入射光のうち短波長の光を遮断（カット）する光学フィルタとしての機能を奏する。本実施形態では特に赤外光を検出対象とするため、それより波長の短い光、具体的には可視光の波長やそれよりさらに短波長の光をカットする光学フィルタとして機能する。

ｐ型エピタキシャル層１１２は、例えば不純物濃度の低いｐ型のシリコンをｐ型半導体基板層１１１の表面側にエピタキシャル成長させて得られる層である。本実施形態において、ｐ型エピタキシャル層１１２とｐ型半導体基板層１１１との間には明確な界面が存在する。本実施形態のｐ型エピタキシャル層１１２は、その不純物濃度がｐ型半導体基板層１１１およびチャンネルストッパ１１５の各不純物濃度よりも低く、例えば１０^１２〜１０^１３／ｃｍ^３である。また、ｐ型エピタキシャル層１１２の厚さは、例えば５０μｍ程度であり、Ｐ型半導体基板層１１１よりも厚い。

ｐ型エピタキシャル層１１２は、その表面側に、ｐ型チャンネルストッパ１１５、ｎ型半導体領域１１７、ｐ型半導体領域１２３、ｎ型半導体領域１２６を有する。

ｐ型チャンネルストッパ（Ｐ）１１５は、隣接する他のフォトダイオード１００等との分離を確保するための層である。このｐ型チャンネルストッパ１１５は、ｐ型エピタキシャル層１１２の表面からｎ型半導体領域１１７よりさらに下（Ｚ軸方向の負側）の深さに達するように設けられている。

ｎ型半導体領域（ｎ）１１７は、ｐ型エピタキシャル層１１２の表面側に近い内部に埋め込まれるように設けられている。図示のように、ｎ型半導体領域１１７は、上記のｐ型チャンネルストッパ１１５と隣接している。

ｐ型半導体領域（Ｐ^＋）１２３は、ｎ型半導体領域１１７と図中のＺ方向において重なるようにしてｐ型エピタキシャル層１１２の表面側に設けられている。このｐ型半導体領域１２３は、暗電流および残像を抑制する機能を得るためのものである。ｐ型半導体領域１２３の不純物濃度は、ｐ型半導体基板層１１１およびチャンネルストッパ１１５の各々の不純物濃度よりも高い。また、ｐ型半導体領域１２３の厚さ（Ｚ方向の厚さ）は、ｎ型半導体領域１１７の厚さよりも小さい。

ｎ型半導体領域（Ｎ^＋）１２６は、ｐ型エピタキシャル層１１２の表面側に設けられている。図示のように、ｎ型半導体領域１２６は、ｎ型半導体領域１１７およびｐ型半導体領域１２３との間に間隔を開けて図中右側（上記のｐ型チャンネルストッパ１１５と反対側）に配置されている。

酸化膜１３１は、例えばＳｉＯ_２（二酸化珪素）膜であり、ｐ型エピタキシャル層１１２の表面の一部を覆うようにして設けられている。ポリシリコン膜（多結晶シリコン膜）１３５は、酸化膜１３１の表面側の所定位置に設けられている。

透明電極１５５は、ｐ型半導体基板層１１１の裏面側に設けられている。透明電極１５５とｐ型半導体基板層１１１との間には明確な界面が存在する。この透明電極１５５としては、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜を用いることができる。ここでいう「透明」とは、本実施形態のフォトダイオード１００が検出対象とする光の波長に対する透過性が一定程度高いことをいう。本実施形態では特に赤外光を検出対象とするため、当該赤外光の波長（例えば９５０ｎｍ）において透過性を有していればよい。

なお、図１（Ｂ）に示す変形例のフォトダイオード１００ａのように、透明電極１５５に代えて、ｐ型半導体基板層１１１の裏面側の一部に金属電極１５５ａを設けるようにしてもよい。以下では説明を簡素化するために、透明電極１５５を用いるフォトダイオード１００についてのみ説明する。

図１（Ａ）に示すフォトダイオード１００において、ポリシリコン膜１３５には端子１４１を介して正の電圧が印加され、透明電極１５５には、端子１４５を介して負の電圧Ｖｓｕｂが印加される。また、チャンネルストッパ１１５には基準電圧（例えば０Ｖ）が与えられる。このとき、ｎ型半導体領域１１７の電位は、チャンネルストッパ１１５およびｐ型半導体領域１２３とのｐｎ接合が逆バイアス状態となるように設定される。ｐ型半導体基板層１１１は、端子１４５から透明電極１５５を介して与えられる負の電圧（Ｖｓｕｂ）に保持される。

ｐ型エピタキシャル層１１２とｎ型半導体領域１１７は、それぞれアノードおよびカソードの対としてフォトダイオードの主要構成であるｐｎ接合を構成する。そして、ｐ型エピタキシャル層１１２とｎ型半導体領域１１７との界面領域には空乏層が形成される。

負の電圧Ｖｓｕｂの絶対値の上限は、ｐ型エピタキシャル層１１２とｎ型半導体領域１１７の間の接合のブレークダウン（絶縁破壊）を生じない範囲で設定される。負の電圧Ｖｓｕｂは、例えば−１２Ｖ程度に設定することができる。赤外光の波長範囲を例えば８３０ｎｍ〜９６０ｎｍと考えると、フォトダイオード１００の受光面から空乏層の最下面までの深さが赤外光の波長とほぼ等しくなるように負の電圧Ｖｓｕｂが設定される。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、上記した図１（Ａ）に示すフォトダイオードの製造方法の一例を説明するための模式的な断面図である。

まず、ｐ型エピタキシャル層１１２を有するｐ型半導体基板１１０を用意する。そして、このｐ型エピタキシャル層１１２の表面側にｐ型チャンネルストッパ１１５、ｎ型半導体領域１１７、ｐ型半導体領域１２３、ｎ型半導体領域１２６をそれぞれ形成し、さらに酸化膜１３１およびポリシリコン膜１３５を形成する（図２（Ａ））。ｐ型チャンネルストッパ１１５、ｎ型半導体領域１１７、ｐ型半導体領域１２３、ｎ型半導体領域１２６をそれぞれについては、例えば公知のイオン注入法を用いて形成することができる。また、酸化膜１３１およびポリシリコン膜１３５については、例えば各種の化学気相堆積法または物理気相堆積法とフォトリソグラフィ技術を用いて形成することができる。

次に、ｐ型半導体基板１１０の裏面側からこのｐ型半導体基板１１０の裏面側の一定深さまでの部分を研磨等によって除去することにより、ｐ型半導体基板層１１１を形成する（図２（Ｂ））。研磨方法としては、例えば化学機械研磨法（ＣＭＰ法）を用いることができる。上記のようにｐ型半導体基板層１１１が所定厚さｄとなるようにｐ型半導体基板１１０が研磨される。

次に、ｐ型半導体基板層１１１の裏面側に透明電極１５５を形成する（図３（Ｃ））。この透明電極１５５は、例えば各種の化学気相堆積法または物理気相堆積法を用いて形成することができる。なお、金属電極１１５ａを形成する場合（図１（Ｂ）参照）においても同様である。

以上の工程により、本実施形態のフォトダイオード１００（ないし１００ａ）が形成される。なお、ここでは説明を簡素化するために１つのフォトダイオード１００の製造工程を例示したが、実際の製造工程においては、複数のフォトダイオード１００が同時に形成される。それにより、複数のフォトダイオード１００を有する撮像デバイスを得ることができる。

図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、本実施形態のフォトダイオードにより得られる効果の１つを説明するための図である。具体的には、図３（Ａ）は本実施形態のフォトダイオードにおけるエネルギーバンドを示し、図３（Ｂ）は比較例のフォトダイオードにおけるエネルギーバンドを示している。図３（Ａ）に示すように、本実施形態のフォトダイオード１００では、ｐ型半導体基板層（ｐ−ｓｕｂ）１１１の不純物濃度が高いので、電極と半導体の界面に存在する空乏層が薄くなる。このため、トンネル電流によりキャリアがショットキー障壁をすり抜けることができるようになり、接触抵抗を低減することができる。従って、消費電力を低減することができる。これに対して、図３（Ｂ）に示すように、比較例のフォトダイオードでは空乏層が厚くなるので、接触抵抗が増加する。

図４は、本実施形態のフォトダイオードにより得られる効果の１つを説明するための図である。具体的には、図４は、ｐ型半導体基板層１１１により入射光のうちどのような波長の光が遮断されるかを示したものであり、横軸は入射光波長、縦軸は遮断光強度割合に対応している。ここでいう遮断光強度割合とは、各波長において入射した光の強度を１００％とした場合において、ｐ型半導体基板層１１１を透過せずに遮断された光の割合を示したものである。なお、図中の「ｐ＋層厚さ」とはｐ型半導体基板層１１１の厚さを示している。

図４に示すように、例えばｐ型半導体基板層１１１の厚さを１６００ｎｍにした場合には、可視光領域である８００ｎｍ以下の波長範囲では入射光の８０％以上がｐ型半導体基板層１１１で吸収されてしまうため、このフォトダイオード１００は可視光に対する感度が非常に低いものとなる。すなわち、ｐ型半導体基板層１１１は、外乱光でありノイズ源となる可視光範囲の光（相対的に短波長の光）をカットする光学フィルタとして機能する。

これに対して、９５０ｎｍの入射光は約３８％しか吸収されないため、残り約６２％は検出することが可能となる。このような観点で検討すると、図中点線枠で示すように、９５０ｎｍの入射光を前提とすると、ｐ型半導体基板層１１１の厚さｄを８００ｎｍ以上２３００ｎｍ以下の範囲に設定することが好ましいといえる。この範囲であれば、例えば厚さｄを２３００ｎｍとした場合においても入射光の５０％は検出することが可能であり、厚さｄがより小さい場合にはさらに多くの入射光を検出することが可能である。

なお、本実施形態では検出対象とする赤外光として９５０ｎｍ（ないしそれに近い波長）を想定しているため、ｐ型半導体基板層１１１の厚さｄの好適値として８００ｎｍ以上２３００ｎｍ以下という範囲を挙げていたが、検出対象とする光をより長波長とする場合には、ｐ型半導体基板層１１１の厚さｄを例えば数十μｍとすれば、光学フィルタとしての効果を得ることができる。すなわち、ｐ型半導体基板層１１１の厚さｄを増減することで、検出対象とすることができる光の波長に対する光学フィルタとしての機能の最適化を図ることができる。このような効果は、ｐ型半導体基板１１０を元にして得られるｐ型半導体基板層１１１に特有のものであり、例えば同様な機能を奏する半導体層をイオン注入法によって得ることは困難である。

ここで、従来のＢＳＩ型のフォトダイオードにおいては、裏面側の半導体基板層をすべて除去することが多い。その理由は、上記の半導体基板層のようなホール濃度の高い領域で光電変換が生じると、せっかく発生した電子がホールに捉えられてしまい（再結合してしまい）、フォトダイオードとしての感度低下を招くためである。半導体基板層が残存している場合の感度低下は、入射光の波長によって異なる。ある物質に光が入射したとき、その表面（ｘ＝０ｃｍ）での光強度をＩ_０とすると、深さｘｃｍでの光強度Ｉは、Ｉ＝Ｉ_０ｅｘｐ（−αｘ）となる。ただし、αは吸収係数で、波長に依存する。吸収係数が大きいほど光は表面付近（半導体基板層）で吸収されることになり、光電変換で発生した電荷を収集できなくなる。これに対して、本実施形態では、近赤外光（例えば波長９５０ｎｍ程度）を想定しており、長波長の光により光電変換することを前提としている。そのため、表面付近に半導体基板層が数μｍ存在しても、フォトダイオードとして必要な感度を得ることができる。さらに、半導体基板層の厚さを容易に設定することができるため、短波長の光を意図的にカットできるメリットも得られる。

図５は、撮像装置の構成例を示すブロック図である。この撮像装置は、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式によって対象物３００との距離を複数の画素ごとに測定して距離画像を得るためのものであり、変調光出射部２００、カメラ２０１、制御部２０２を含んで構成されている。

変調光出射部２００は、制御部２０２に制御されて、例えば１０ＭＨｚで点滅する変調光を出射する。この出射した変調光としては、例えば波長９５０ｎｍ程度の赤外光が用いられる。

カメラ２０１は、複数のフォトダイオードを有する撮像デバイス２０１ａを備えており、この撮像デバイス２０１ａにより、変調光出射部２００から出射した変調光が対象物３００に反射されて得られる反射光（および背景光）を検出する。撮像デバイス２０１ａに含まれる複数のフォトダイオードとして、上記した実施形態のフォトダイオード１００（ないし１００ａ）が用いられている。撮像デバイス２０１ａにおいては、例えば、１つないし複数のフォトダイオード１００を用いて１つの画素が構成されている。

制御部２０２は、変調光出射部２００の動作を制御するとともに、カメラ２０１によって検出される対象物３００からの反射光に基づいて距離画像を生成する。

なお、撮像装置において用いる距離測定方式はＴＯＦ方式に限定されない。また、変調光出射部を備えない構成の撮像装置としてもよい。

以上のような実施形態によれば、フォトダイオード、撮像デバイスないし撮像装置における消費電力の低減を図ることが可能となる。また、上記フォトダイオードの製造に好適な製造方法を得ることが可能となる。

なお、本発明は上記した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した実施形態では第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型とした場合について説明していたが、これらの関係を逆にしてもよい。すなわち、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としてフォトダイオードを構成してもよい。また、半導体の一例としてシリコンを挙げていたが他の半導体を用いてもよい。

１００、１００ａ：フォトダイオード、１１０：ｐ型半導体基板、１１１：ｐ型半導体基板層、１１２：ｐ型エピタキシャル層、１１５：チャンネルストッパ、１１７：ｎ型半導体領域、１２３：ｐ型半導体領域、１２６：ｎ型半導体領域、１３１：酸化膜、１３５：ポリシリコン膜、１５５：透明電極、１５５ａ：金属電極、２００：変調光出射部、２０１：カメラ、２０１ａ：撮像デバイス、２０２：制御部、３００：対象物

Claims

裏面照射型の受光素子であって、
第１導電型の半導体基板層と、
前記半導体基板層よりも不純物濃度が低く、当該半導体基板層との間に界面を有して当該半導体基板層の第一面側に配置される半導体層と、
を含み、
前記半導体層は、前記受光素子を構成するための複数の半導体領域を有しており、
前記半導体基板層の前記第一面と対向する第二面側から光を入射させる、
受光素子。
前記半導体基板層は、検出対象とする光の波長よりも短波長の光を遮断する機能を兼ねる、
請求項１に記載の受光素子。
前記半導体基板層の厚さが８００ｎｍ以上である、
請求項１又は２に記載の受光素子。
前記半導体基板層の厚さが２３００ｎｍ以下である、
請求項３に記載の受光素子。
前記半導体基板層の第二面側に配置された透明電極又は金属電極を更に備える、
請求項１〜４の何れか１項に記載の受光素子。
請求項１〜５の何れかに記載の受光素子を複数備える、
撮像デバイス。
請求項６に記載の撮像デバイスと当該撮像デバイスを制御する制御部を備える、
撮像装置。
裏面照射型の受光素子の製造方法であって、
第一面側に半導体層を有する半導体基板を用意する第１工程と、
前記半導体基板の前記半導体層に、前記受光素子を構成するための複数の半導体領域を形成する第２工程と、
前記半導体基板の前記第一面と対向する第二面側から当該半導体基板の厚さを低減させる処理を行うことにより、前記半導体領域を支持する半導体基板層を形成する第３工程と、
を含む、受光素子の製造方法。
前記第３工程は、前記半導体基板層の厚さが８００ｎｍ以上となるように前記半導体基板の厚さを低減させる処理を行う、
請求項８に記載の受光素子の製造方法。
前記第３工程は、前記半導体基板層の厚さが２３００ｎｍ以下となるように前記半導体基板の厚さを低減させる処理を行う、
請求項９に記載の受光素子の製造方法。