JP2021005655A - 光電変換装置および機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 微細な分離構造を有する光電変換装置を提供する。【解決手段】 複数の画素を備えた光電変換装置において、複数の画素の各々が第１光電変換領域および第２光電変換領域を有し、第１光電変換領域と第２光電変換領域との間には第１半導体領域が設けられており、第１光電変換領域および第２光電変換領域は、第１光電変換領域および第２光電変換領域を主に構成する第１の元素と、第２の元素と、を含有し、第１半導体領域は、第１の元素と、第３の元素と、を含有し、第３の元素の質量数は、第１の元素の質量数の２倍以上であることを特徴とする。【選択図】 図１
Description
本技術は、光電変換装置に関する。
光電変換装置では、測距や焦点検出、ダイナミックレンジ拡大のために、単一画素の複数のフォトダイオード間でキャリアを分離する構造が検討されている。特許文献１には１つのマイクロレンズに対して、複数のフォトダイオードを有する画素において、複数のフォトダイオード間のキャリア分離をウェルよりも不純物濃度が高い分離領域で形成することが記載されている。
光電変換装置においては、画素の微細化、また同時に多機能化が求められている。特許文献１には１つのマイクロレンズに対して、複数のフォトダイオードを有する画素において、複数のフォトダイオード間の分離をウェルよりも不純物濃度が高い分離領域で形成することが記載されている。このような光学的に集光されたフォトダイオード間の分離構造は、画素を微細化する上で極めて重要であり、画素特性の劣化の原因となりうる。具体的には、感度・飽和の低下、複数のフォトダイオード間の許容値を超えた電荷移動による機能・解像度低下、などである。しかし、光学的に集光されたフォトダイオード間の分離には光学的、および微細化の観点という観点での検討が十分ではなかった。
そこで、本発明は、光電変換装置の性能を向上する上で有利な技術を提供することを目的とする。
複数の画素を備えた光電変換装置において、前記複数の画素の各々が第１光電変換領域および第２光電変換領域を有し、前記第１光電変換領域と第２光電変換領域との間には第１半導体領域が設けられており、前記第１光電変換領域および前記第２光電変換領域は、前記第１光電変換領域および前記第２光電変換領域を主に構成する第１の元素と、第２の元素と、を含有し、前記第１半導体領域は、前記第１の元素と、第３の元素と、を含有し、前記第３の元素の質量数は、前記第１の元素の質量数の２倍以上であることを特徴とする。
本発明によれば、光電変換装置の性能を向上する上で有利な技術を提供することが可能となる。
以下、複数の実施例について説明する。各実施例の要素は、別の実施例に付加する、あるいは、別の実施例の要素と置換することができる。また、本発明は、以下に説明する実施例に限られるものではない。
（第１実施例）
図１は本実施例の光電変換装置を説明する断面模式図である。光電変換装置９３０は、ＣＭＯＳ型のイメージセンサであり、図１ではイメージセンサの配線層や光学素子などを省略した一部分を示している。
図１は本実施例の光電変換装置を説明する断面模式図である。光電変換装置９３０は、ＣＭＯＳ型のイメージセンサであり、図１ではイメージセンサの配線層や光学素子などを省略した一部分を示している。
光電変換装置９３０は、少なくとも半導体層１００を有する。半導体層１００は、例えば主にケイ素で構成される。つまり、半導体層１００の主構成元素αはケイ素でありうる。主構成元素αはケイ素、ゲルマニウム、ダイヤモンドでありうる。半導体層１００はガリウムヒ素や窒化ガリウムなどの化合物半導体であってもよい。化合物半導体は複数種類の主構成元素αを含有しうるが、最も質量数の大きい元素を主構成元素αとすることができる。
半導体層１００は、第１面Ｐ１と、第１面Ｐ１の反対側の第２面Ｐ２とを有する。第２面Ｐ２が光入射面である。第１面Ｐ１は半導体層１００の表面であり、第２面Ｐ２は、半導体層１００の裏面である。第１実施例は、いわゆる裏面照射型の光電変換装置である。第１面Ｐ１にはトランジスタがもうけられる。また、第１面Ｐ１、第２面Ｐ２は、ケイ素と他の部材との界面とも言える。第１面Ｐ１と第２面Ｐ２は、半導体層１００の溝を除く平面部分を含む面である。
図１において、半導体層１００には、光電変換領域１０１と光電変換領域１０２が設けられている。ここで、説明においては、光電変換領域１０１、１０２をＮ型の半導体領域とする。光電変換領域１０１、１０２は、光電変換を行うＮ型の半導体領域と、光電変換を行うとともに光電変換によって生じた電荷を蓄積するＮ＋型の半導体領域（電荷蓄積領域）とを含みうる。光電変換領域１０１、１０２は、元素αに加えて、Ｎ型の不純物元素となる元素（元素β）を含有する。光電変換領域１０１、１０２を構成するフォトダイオードは不図示のＰ型の半導体領域も含みうる。ここで、電荷とは信号として使用される電荷のことを意味し、Ｎ型の半導体領域では電子を蓄積しうる。Ｎ型の半導体領域である、光電変換領域１０１と光電変換領域１０２は、その周囲のＰ型の半導体領域１１２とＰＮ接合を形成し、フォトダイオード（光電変換素子）として機能する。光電変換装置９３０として使用する際には、第２面Ｐ２側から光が入射し、光によって生じた電荷は光電変換領域１０１や光電変換領域１０２の蓄積領域へ蓄積されうる。
更に、半導体層１００の第１面Ｐ１側に、光電変換領域１０１に対応して、トランジスタのゲート電極ＴＲ１が配されている。同様に、半導体層１００の第１面Ｐ１側に、光電変換領域１０２に対応して、トランジスタのゲート電極ＴＲ２が配されている。ゲート電極ＴＲ１とゲート電極ＴＲ２は、電荷を転送する転送トランジスタのゲート電極である。さらに絶縁層２１０、導電層５１０が配され、適宜電荷を信号に変換・読み出しを行う。
また、半導体層１００の第２面Ｐ２側に、光反射防止の絶縁体層２２０、光路となる絶縁体層２３０、カラーフィルタアレイ２３１、マイクロレンズアレイ２３２が配されている。マイクロレンズアレイ２３２は複数のマイクロレンズからなる。カラーフィルタアレイ２３１は複数色のカラーフィルタからなる。ここで、光電変換装置９３０の１つの画素は、少なくとも光電変換領域１０１、１０２を含み、マイクロレンズアレイ２３２の１つのマイクロレンズと、カラーフィルタアレイ２３１の１色のカラーフィルタと、を有する。１つのマイクロレンズと、１色のカラーフィルタが２つの光電変換領域１０１，１０２の上に配置されている。図１では、１つの画素に２つの光電変換領域１０１，１０２を有するが、２つに限ることはなく、３つ以上の光電変換領域を有してもよい。カラーフィルタアレイ２３１およびマイクロレンズアレイ２３２の少なくとも一方は省略可能である。
複数の画素のうちの互いに隣接する２つの画素の一方に含まれる光電変換領域１０１と、２つの画素の他方に含まれる光電変換領域との間には、絶縁体で構成された素子分離部１０９が設けられている。半導体層１００の第１面Ｐ１側の画素間には、ＳＴＩ構造を有する素子分離部１０９と画素間分離領域３００、第２面Ｐ２側の画素間には導体層５３０が配されている。画素間分離領域３００は、半導体層１００に設けられ、例えばＰ型の半導体領域であり、光によって生じた電荷を隣接する他の画素に拡散するのを防ぐ。画素間分離領域３００は半導体層１００の主構成元素αと、Ｐ型の不純物元素δと、を含有する。素子分離部１０９に画素間分離領域３００の半導体領域が重なりうる。また素子分離部１０９を覆うようにＰ型の半導体領域１１０、半導体層１００の第１面Ｐ１側界面を覆うようにＰ型の半導体領域１１１が配されており、ともに界面準位起因の暗電流を防ぐピニング層となりうる。導体層５３０は、半導体層１００の第２面Ｐ２側に積層された絶縁体層２３０に設けられ、例えばタングステンであり、光を隣接する他の画素に透過するのを防ぐ。また半導体層１００の第２面Ｐ２側界面を覆うようにＰ型の半導体領域１１２が配されており、界面準位起因の暗電流を防ぐピニング層となりうる。素子分離部１０９に半導体領域１１２が重なりうる。
更に、半導体層１００の光電変換領域１０１と光電変換領域１０２との間には、画素内分離領域４００が設けられている。画素内分離領域４００は半導体層１００の主構成元素αを含有する半導体領域である。画素内分離領域４００は、半導体層１００の第１面Ｐ１から第３面Ｐ３に設けられ、例えばＰ型の半導体領域であり、光によって生じた電荷を隣接する光電変換領域に過度に拡散するのを防ぐ。画素内分離領域４００の不純物元素としては、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数を有する不純物元素γを少なくとも含む。画素間分離領域３００における不純物元素δの質量数は、画素内分離領域４００における不純物元素γの質量数より小さくてよい。画素内分離領域４００の半導体領域は、元素γと元素δのうちの元素δのみを有しうる。
たとえば、半導体層１００の主構成元素αが質量数２８−３０のケイ素であり、画素内分離領域４００のＰ型不純物元素として質量数１１３、１１５のインジウムや質量数６９、７１のガリウムなどを元素γとして含む。また光電変換電荷として正孔を用いて信号とする場合、光電変換領域１０１と光電変換領域１０２はＰ型の半導体領域である。画素内分離領域４００はＮ型の半導体領域であり、画素内分離領域４００のＮ型の不純物元素としては質量数７５のヒ素や質量数１２１、１２３のアンチモンなどの元素を含む。また光電変換領域１０１と光電変換領域１０２、画素内分離領域４００の不純物濃度は例えば１×１０１５〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度であり、好ましくは１×１０１６〜１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
距離Ｄ１は、第２面Ｐ２側の端部の第１面Ｐ１からの距離である。つまり、距離Ｄ１は第１面Ｐ１を基準とした、画素内分離領域４００の深さである。距離Ｄ１は距離Ｄ２よりも大きいこと（Ｄ１＞Ｄ２）が好ましい。距離Ｄ２は、第１面Ｐ１を基準とした、素子分離部１０９の深さである。第４面Ｐ４は第１面Ｐ１から１μｍだけ離れた平面である。第３面Ｐ３は第１面Ｐ１から２μｍだけ離れた平面である。画素内分離領域４００に含有される不純物元素γは、第４面Ｐ４と第１面Ｐ１との間に存在する。画素内分離領域４００に含有される不純物元素γは、第４面Ｐ４と第２面Ｐ２との間にも存在する。画素内分離領域４００に含有される不純物元素γは、第４面Ｐ４と第３面Ｐ３との間に存在する。本例では距離Ｄ１は２μｍ未満であるから、画素内分離領域４００に含有される不純物元素γは、第３面Ｐ３と第２面Ｐ２との間には存在しない。
ここで、本実施形態の効果について説明する。仮に、画素内分離領域４００の不純物元素γの質量数が半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍未満であっても、光電変換領域１０１、１０２同士の分離を行うことは可能である。しかし、画素を微細化する場合に、距離Ｄ１の深さのままその幅を狭くすることは困難である。複数の画素は第１画素と第２画素と第３画素を含み、第１画素と第３画素の間に第２画素が位置し、第１画素と第３画素の距離が第２の画素の幅Ｗ１である。第２の画素の幅Ｗ１は４μｍ以下であることが好ましい。仮に、画素の幅Ｗ１を４μｍとすると、光電変換領域１０１，２の飽和電荷数を確保し、かつ光電変換領域１０１と光電変換領域１０２での発生した電荷を分離し、機能を得るためにも画素内分離領域４００の幅Ｗ２は０．８μｍ以下が望まれる。一方、距離Ｄ１は光電変換領域１０１、１０２の深さに依存するため、画素の微細化に伴って小さくするということはできない。従って、画素の微細化に伴って画素内分離領域４００のアスペクト比は高くなる。これは、画素内分離領域４００は半導体層１００の第１面Ｐ１側からのイオン注入法によって形成するため、このアスペクト比に応じて、レジストの開口アスペクト比が高くなる。さらに、イオン注入法において、距離Ｄ１が大きくなるほど、横方向の幅Ｗ２が大きくなる特性を有する。そのため、レジスト規定の開口アスペクト比を高めた場合にも、距離Ｄ１における幅Ｗ２は一定の横方向の広がり分布を持ってしまう。ここで、幅Ｗ２は、注入不純物元素の質量および、注入対象となる半導体層１００の主構成元素αの質量や結晶方位に対する注入角度、温度などに依存する。そこで、本実施例のように画素内分離領域４００の不純物元素として、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数である元素を含むことで、距離Ｄ１における幅Ｗ２を狭くすることが可能になる。そのため、分離性能を維持しつつ、微細な分離構造を有する光電変換装置を得ることが可能となる。
また仮に、画素内分離領域４００は半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍未満の質量数の不純物元素であっても、半導体層１００の第２面Ｐ２側からのイオン注入法によって、幅Ｗ２を狭くすることは可能である。しかし、イオン注入法によって発生する結晶性の回復の熱処理は、導電層５１０への熱影響がないレーザーアニール法などの局所的な加熱法を持ちいらなければならない。一方、画素内分離領域４００は入射光による発生電荷を分離するための深さを有しており、局所的な熱処理方法では、第２面Ｐ２から第１面Ｐ１側へ離れるほど、結晶性の回復の不足による暗電流の増加が懸念される。そこで、本実施例のように画素内分離領域４００の不純物元素として、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数である元素を含むことが有用である。これにより、不純物元素の熱拡散を抑えつつ結晶性の回復を十分に実施することができるため、暗電流の増加を抑制し、分離性能を維持しつつ、微細な素子分離構造を有する光電変換装置を得ることが可能となる。
ここで、半導体層１００の厚さに相当する、第１面Ｐ１と第２面Ｐ２の間の距離Ｄ３は検出する光の波長に応じて決まり、例えば、可視光用の光電変換装置の場合には、距離Ｄ３が５μｍ以内であり、約２〜４μｍであることが望ましい。距離Ｄ１は、距離Ｄ３以下で設けること（Ｄ１≦Ｄ３）が可能であり、距離Ｄ１＝Ｄ３とすることで、第２面Ｐ２から入射した光により発生した電荷を効率よく分離することが可能となる。特に、画素内分離領域４００において、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数の不純物元素を第２面Ｐ２から約１μｍ以内の深さに設けることが望ましい。これにより、幅Ｗ２の広がりを抑えて狭く高い不純物濃度の画素内分離領域４００を形成し、これによって、微細な画素でも十分な分離性能を得ることができる。
一方、画素内分離領域４００において、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数の不純物元素を第１面Ｐ１からの深さ１μｍ以下の範囲に設けることが望ましい。これにより、急峻な不純物濃度勾配をもつ画素内分離領域４００を形成し、光電変換領域１０１，２との空乏層が広がることを防ぎ、微細な画素でも十分な飽和電荷数を有する光電変換装置を得ることができる。
また、画素内分離領域４００には、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数の不純物元素を単位面積当たり１×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上有することが望ましい。分離性能を高めつつ、半導体層１００が一度アモルファス化されたのちに再結晶化することが期待でき、結晶性の良い画素内分離領域４００を形成し、より暗電流の少ない光電変換装置を得ることができる。
また、画素内分離領域４００には、同族の元素の総濃度に占める半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数の不純物元素の割合が５０％以上有することが望ましい。より分離性能を高め、微細な素子分離構造を有する光電変換装置を得ることが可能となる。
また、画素内分離領域４００には、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数の不純物元素を含む同型不純物の最大総濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上を有することが望ましい。より分離性能を高め、微細な素子分離構造を有する光電変換装置を得ることが可能となる。
（第２実施例）
図２を用いて第２実施例を説明する。第２実施例において第１実施例と同様であってよい事項については、説明を省略する。
図２を用いて第２実施例を説明する。第２実施例において第１実施例と同様であってよい事項については、説明を省略する。
画素間分離領域３００には、半導体層１００の第２面Ｐ２側から画素間の光透過を阻止する画素間分離部３５０を設けることが望ましい。画素間分離部３５０は、絶縁体領域および導電体領域の少なくとも一方で構成されてもよい。つまり、光電変換領域１０１と光電変換領域１０２との間には、絶縁体領域および導電体領域の少なくとも一方が設けられていてもよい。画素間分離部３５０は、斜入射光による画素間の解像度低下や、異色画素間の混色を抑制することが可能となる。また、画素間分離部３５０は、画素内分離領域４００は不純物領域で形成しており、光電変換領域１０１に過剰な光量が入射し飽和した際に、溢れ出す電荷が隣接画素に拡散するのを抑制する。そして、隣接する同一画素内にある光電変換領域１０２へ必ず漏れるようになり、ニー特性が改善し、ブルーミングが抑制され、またダイナミックレンジを拡大した光電変換装置を得ることができる。
本実施例では、画素内分離領域４００に含有される不純物元素γが、第３面Ｐ３と第２面Ｐ２との間にも存在する。また、画素内分離領域４００に、半導体層１００の第１面Ｐ１側から２μｍより小さい深さの画素内分離部４５０を設けることが望ましい。画素内分離部４５０の深さは素子分離部１０９の深さと同じであってもよい。画素内分離部４５０は、絶縁体領域および導電体領域の少なくとも一方で構成されてもよい。つまり、複数の画素のうちの互いに隣接する２つの画素の一方に含まれる光電変換領域１０１と、２つの画素の他方に含まれる光電変換領域との間には、絶縁体領域および導電体領域の少なくとも一方が設けられていてもよい。
画素間分離部３５０や画素内分離部４５０は、半導体層１００に溝を形成し、その溝の中にシリコン化合物や金属化合物（例えば金属酸化物）などの絶縁体や、金属やポリシリコンなどの導電体を埋め込むことで形成できる。
画素内分離部４５０を形成する溝を半導体層１００の第１面Ｐ１に形成した後、当該溝を介したイオン注入法を用いて、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数の不純物元素により画素内分離領域４００を形成することができる。このようにすることで、たとえ質量数の大きい不純物元素であってもより容易に距離Ｄ１が大きくすることができ、さらに注入対象となる半導体層１００中の射程が小さく済むことから、散乱が抑えられる。そして、距離Ｄ１における幅Ｗ２をさらに狭くすることが可能になり、より分離性能を高めた微細な素子分離構造を有する光電変換装置を得ることが可能となる。
（第３実施例）
本実施例について、図３を用いて説明する。光電変換装置９３０について説明する。図３は光電変換装置９３０の断面模式図であり、第２実施例において第１実施例と同様であってよい事項については、説明を省略する。
本実施例について、図３を用いて説明する。光電変換装置９３０について説明する。図３は光電変換装置９３０の断面模式図であり、第２実施例において第１実施例と同様であってよい事項については、説明を省略する。
光電変換装置９３０は、少なくとも半導体層１００を有する。半導体層１００は、例えばケイ素からなる。半導体層１００は、第１面Ｐ１を有する。図３において、半導体層１００は、例えばＮ型の半導体領域であり、光電変換領域１０１と光電変換領域１０２が設けられている。光電変換領域１０１と光電変換領域１０２は、Ｎ型の半導体領域であり、生じた電荷を蓄積しうる。ここで、電荷とは信号として使用される電荷のことを意味する。少なくとも半導体領域１０１と光電変換領域１０２と半導体層１００は、他のＰ型の半導体領域とＰＮ接合を形成し、光電変換領域として機能する。ここで、説明においては、半導体領域１０１を光電変換領域１０１とし、光電変換領域１０２を光電変換領域１０２とする。光電変換装置９３０として使用する際には、第１面Ｐ１側から光が入射し、光によって生じた電荷は光電変換領域１０１や光電変換領域１０２へ蓄積されうる。第３実施例は、いわゆる表面照射型の光電変換装置である。
更に、半導体層１００の第１面Ｐ１側に、光電変換領域１０１に対応して、ゲート電極ＴＲ１が配されている。同様に、半導体層１００の第１面Ｐ１側に、光電変換領域１０２に対応して、ゲート電極ＴＲ２が配されている。さらに絶縁層２１０、導電層５１０が配され、光反射防止や光路を形成する絶縁体層２２１、カラーフィルタアレイ２３１、マイクロレンズアレイ２３２が配されている。
半導体層１００の画素間には第１素子分離部１０９と画素間分離領域３００、絶縁層２１０の画素間には導体層５３０が配されている。
画素間分離領域３００は、半導体層１００に設けられ、例えばＰ型の半導体領域であり、光によって生じた電荷を隣接する他の画素に拡散するのを防ぐ。また第１素子分離部１０９を覆うように半導体領域１１０、半導体層１００の第１面Ｐ１側界面を覆うように半導体領域１１１が配されており、ともに例えばＰ型の半導体領域であり、界面準位起因の暗電流を防ぐピニング層となりうる。
更に、半導体層１００の光電変換領域１０１と光電変換領域１０２との間には、画素内分離領域４００が設けられている。
画素内分離領域４００は、半導体層１００第１面Ｐ１から第３面Ｐ３に設けられ、例えばＰ型の半導体領域であり、光によって生じた電荷を隣接する光電変換領域に過度に拡散するのを防ぐ。不純物元素としては、少なくとも１種類に半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数である元素を含む。たとえば、半導体層１００の主構成元素αが質量数２８−３０のケイ素であり、画素内分離領域４００のＰ型不純物元素として質量数１１３、１１５のインジウムや質量数６９、７１のガリウムである。画素内分離領域４００のＮ型不純物元素としては質量数７５のヒ素や質量数１２１、１２３のアンチモンなどの元素を含む。
ここで、本実施例の効果について説明する。仮に、画素内分離領域４００は半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍未満の質量数の不純物元素であっても、光電変換領域同士の分離を行うことは可能である。しかし、画素を微細化する場合に、距離Ｄ１の深さのままその幅を狭くすることは困難である。仮に、画素の幅Ｗ１を４μｍとすると、光電変換領域１０１，２の飽和電荷数を確保するためにも画素内分離領域４００の幅Ｗ２は１μｍ以下が望まれる。一方、距離Ｄ１は光電変換領域１０１、１０２の深さに依存するため、画素の微細化に伴って小さくするということはできない。具体的には距離Ｄ１＞Ｄ２とする必要がある。従って、画素の微細化に伴って画素内分離領域４００のアスペクト比は高くなる。これは、画素内分離領域４００は半導体層１００の第１面Ｐ１側からのイオン注入法によって形成するため、このアスペクト比に応じて、レジストの開口アスペクト比が高くなる。さらに、イオン注入法において、距離Ｄ１が大きくなるほど、横方向の幅Ｗ２が大きくなる特性を有する。そのため、レジスト規定の開口アスペクト比を高めた場合にも、距離Ｄ１における幅Ｗ２には、限界が存在する。この限界は、注入不純物元素の質量および、非注入半導体元素の質量や結晶方位に対する注入角度、温度などに依存する。そこで、本実施例のように画素内分離領域４００の不純物元素として、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数である元素を含むことで、距離Ｄ１における幅Ｗ２を狭くすることが可能になる。そのため、分離性能を維持しつつ、微細な素子分離構造を有する光電変換装置を得ることが可能となる。
ここで、画素内分離領域４００において、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数の不純物元素を第１面Ｐ１から１μｍ以上の深さに設けることが望ましい。幅Ｗ２の広がりを抑えて狭く高い不純物濃度の画素内分離領域４００を形成し、第１面Ｐ１から離れた深い領域で発生した電荷を分離することができ、微細な画素でも十分な分離性能を得ることができる。一方、画素内分離領域４００において、距離Ｄ２の深さ以下に半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍未満の質量数の不純物元素を設ける。こうすることで、急峻な不純物濃度の画素内分離領域４００を形成し、これによって、微細な画素でも十分な飽和電荷数を有する光電変換装置を得ることができる。たとえば、半導体層１００の主構成元素αが質量数２８−３０のケイ素であり、画素間分離領域３００のＰ型の不純物元素δとして質量数１０，１１のホウ素、またはＮ型の不純物元素δとして質量数３１のリンを含む。
また、画素間分離領域３００は、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍未満の質量数の不純物元素を含むことが望ましい。たとえば、半導体層１００の主構成元素αが質量数２８−３０のケイ素であり、画素間分離領域３００のＰ型不純物元素として質量数１０，１１のホウ素、またはＮ型不純物元素として質量数３１のリンを含む。さらには、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数の不純物元素を含まないことが望ましい。たとえば、半導体層１００の主構成元素αが質量数２８−３０のケイ素であり、画素間分離領域３００のＰ型不純物元素として質量数１０，１１のホウ素を含有する。または画素間分離領域３００のＮ型不純物元素として質量数３１のリンを含む。画素間分離領域３００は、質量数１１３、１１５のインジウムや質量数６９、７１のガリウム、またＮ型不純物元素としては質量数７５のヒ素や質量数１２１、１２３のアンチモンなどの元素を含まなくてよい。画素間分離領域３００の不純物濃度は例えば１×１０１５〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度であり、好ましくは１×１０１６〜１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。より好ましくは画素内分離領域４００の不純物濃度が１×１０１５〜１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、画素間分離領域３００の不純物濃度より小さくすることが望ましい。仮に、画素間分離領域３００は半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍以上の質量数の不純物元素であっても、微細な素子分離構造を有する光電変換装置を得ることは可能である。ここで、光電変換領域１０１に過剰な光量が入射し飽和した際に、溢れ出す電荷が隣接画素に拡散するのを防ぎ、隣接する同一画素内にある光電変換領域１０２へ必ず漏れるようにすることが光電変換装置に求められる。つまり、画素内分離領域４００以上の分離性能をもつ画素間分離領域３００を形成することが求められる。一方、イオン注入法において、質量数の大きな不純物元素の不純物濃度勾配は急峻になりやすく、複数の深さに対する複数回のイオン注入を行い不純物領域を形成する場合、不純物濃度が低下する部分が電荷の拡散経路になる場合がある。よって、画素間分離領域３００は、半導体層１００の主構成元素αの質量数の２倍未満の質量数の不純物元素を用いることで、イオン注入の回数を増やすことなく、電荷の拡散経路を低減することができる。また、光電変換領域１０１に過剰な光量が入射し飽和した際に、溢れ出す電荷が隣接画素に拡散するのを抑制する。そして、隣接する同一画素内にある光電変換領域１０２へ必ず漏れるようになり、ニー特性が改善し、ブルーミングが抑制され、またダイナミックレンジを拡大した光電変換装置を得ることができる。
（第４実施例）
以下、光電変換装置９３０を備える機器９１９１について図４を用いて説明する。光電変換装置９３０は、上述のように、半導体層１００を有する半導体デバイス９１０のほかに、半導体デバイス９１０を収容するパッケージ９２０を含むことができる。パッケージ９２０は、半導体デバイス９１０が固定された基体と、半導体デバイス９１０に対向するガラスなどの蓋体と、を含むことができる。パッケージ９２０は、さらに、基体に設けられた端子と半導体デバイス９１０に設けられた端子とを接続するボンディングワイヤやバンプなどの接合部材を含むことができる。
以下、光電変換装置９３０を備える機器９１９１について図４を用いて説明する。光電変換装置９３０は、上述のように、半導体層１００を有する半導体デバイス９１０のほかに、半導体デバイス９１０を収容するパッケージ９２０を含むことができる。パッケージ９２０は、半導体デバイス９１０が固定された基体と、半導体デバイス９１０に対向するガラスなどの蓋体と、を含むことができる。パッケージ９２０は、さらに、基体に設けられた端子と半導体デバイス９１０に設けられた端子とを接続するボンディングワイヤやバンプなどの接合部材を含むことができる。
機器９１９１は、光学装置９４０、制御装置９５０、処理装置９６０、表示装置９７０、記憶装置９８０、機械装置９９０の少なくともいずれかを備えることができる。光学装置９４０は、光電変換装置９３０に対応する。光学装置９４０は、例えばレンズやシャッター、ミラーである。制御装置９５０は、光電変換装置９３０を制御する。制御装置９５０は、例えばＡＳＩＣなどの光電変換装置である。
処理装置９６０は、光電変換装置９３０から出力された信号を処理する。処理装置９６０は、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）あるいはＤＦＥ（デジタルフロントエンド）を構成するための、ＣＰＵやＡＳＩＣなどの光電変換装置である。表示装置９７０は、光電変換装置９３０で得られた情報（画像）を表示する、ＥＬ表示装置や液晶表示装置である。記憶装置９８０は、光電変換装置９３０で得られた情報（画像）を記憶する、磁気デバイスや半導体デバイスである。記憶装置９８０は、ＳＲＡＭやＤＲＡＭなどの揮発性メモリ、あるいは、フラッシュメモリやハードディスクドライブなどの不揮発性メモリである。
機械装置９９０は、モーターやエンジンなどの可動部あるいは推進部を有する。機器９１９１では、光電変換装置９３０から出力された信号を表示装置９７０に表示したり、機器９１９１が備える通信装置（不図示）によって外部に送信したりする。そのために、機器９１９１は、光電変換装置９３０が有する記憶回路や演算回路とは別に、記憶装置９８０や処理装置９６０をさらに備えることが好ましい。機械装置９９０は、光電変換装置９３０から出力され信号に基づいて制御されてもよい。
また、機器９１９１は、撮影機能を有する情報端末（例えばスマートフォンやウエアラブル端末）やカメラ（例えばレンズ交換式カメラ、コンパクトカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ）などの電子機器に適する。カメラにおける機械装置９９０はズーミングや合焦、シャッター動作のために光学装置９４０の部品を駆動することができる。あるいは、カメラにおける機械装置９９０は防振動作のために光電変換装置９３０を移動することができる。
また、機器９１９１は、車両や船舶、飛行体などの輸送機器であり得る。輸送機器における機械装置９９０は移動装置として用いられうる。輸送機器としての機器９１９１は、光電変換装置９３０を輸送するものや、撮影機能により運転（操縦）の補助および／または自動化を行うものに好適である。運転（操縦）の補助および／または自動化のための処理装置９６０は、光電変換装置９３０で得られた情報に基づいて移動装置としての機械装置９９０を操作するための処理を行うことができる。あるいは、機器９１９１は内視鏡などの医療機器や、測距センサなどの計測機器、電子顕微鏡のような分析機器、複写機などの事務機器であってもよい。
本実施形態によれば、光電変換領域の間の分離構造を改良できる。従って、光電変換装置における画素特性を向上することができる。
従って、本実施形態に係る光電変換装置を用いれば、光電変換装置の高性能化が可能である。そのため、例えば、光電変換装置を輸送機器に搭載して、輸送機器の外部の撮影や外部環境の測定を行う際に優れた信頼性を得ることができる。よって、輸送機器の製造、販売を行う上で、本実施形態に係る光電変換装置を輸送機器へ搭載することを決定することは、輸送機器自体の性能を高める上で有利である。
１０００ 光電変換装置
１００ 半導体層
１０１、１０２ 光電変換領域
２００ 絶縁体層
３００ 画素間分離領域
４００ 画素内分離領域
５００ 導体層
Ｐ１ 第１面（表面）
Ｐ２ 第２面（裏面）
Ｐ３ 第３面
Ｐ４ 第４面
１０１ 光電変換領域
１０２ 光電変換領域
１０９ 素子分離部
３５０ 画素間分離部
４５０ 画素内分離部
１００ 半導体層
１０１、１０２ 光電変換領域
２００ 絶縁体層
３００ 画素間分離領域
４００ 画素内分離領域
５００ 導体層
Ｐ１ 第１面（表面）
Ｐ２ 第２面（裏面）
Ｐ３ 第３面
Ｐ４ 第４面
１０１ 光電変換領域
１０２ 光電変換領域
１０９ 素子分離部
３５０ 画素間分離部
４５０ 画素内分離部
Claims (20)
- 複数の画素を備えた光電変換装置において、
前記複数の画素の各々が第１光電変換領域および第２光電変換領域を有し、
前記第１光電変換領域と第２光電変換領域との間には第１半導体領域が設けられており、
前記第１光電変換領域および前記第２光電変換領域は、前記第１光電変換領域および前記第２光電変換領域を主に構成する第１の元素と、第２の元素と、を含有し、
前記第１半導体領域は、前記第１の元素と、第３の元素と、を含有し、
前記第３の元素の質量数は、前記第１の元素の質量数の２倍以上であることを特徴とする光電変換装置。 - 前記複数の画素のうちの互いに隣接する２つの画素の一方に含まれる光電変換領域と、前記２つの画素の他方に含まれる光電変換領域との間には第２半導体領域が設けられており、
前記第２半導体領域は、前記第１の元素と、第４の元素と、を含有し、
前記第４の元素の質量数は、前記第２の元素の質量数よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。 - 前記第１半導体領域は、前記第３の元素と前記第４の元素のうちの前記第４の元素のみを有することを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
- 前記複数の画素のうちの互いに隣接する２つの画素の一方に含まれる光電変換領域と、前記２つの画素の他方に含まれる光電変換領域との間には、絶縁体で構成された素子分離部が設けられており、前記素子分離部に前記第２半導体領域が重なることを特徴とする請求項２または３に記載の光電変換装置。
- 前記複数の画素のうちの互いに隣接する２つの画素の一方に含まれる光電変換領域と、前記２つの画素の他方に含まれる光電変換領域との間には、絶縁体領域および導電体領域の少なくとも一方が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記第１光電変換領域と前記第２光電変換領域との間には、絶縁体領域および導電体領域の少なくとも一方が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記第１光電変換領域および前記第２光電変換領域および前記第１半導体領域は、主に前記第１の元素で構成された半導体領域に設けられており、
前記半導体領域は、トランジスタが設けられた表面と、前記表面とは反対側の裏面と、を有し、
前記第３の元素は、前記表面から１μｍだけ離れた平面と前記表面との間に存在することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 前記第１光電変換領域および前記第２光電変換領域および前記第１半導体領域は、主に前記第１の元素で構成された半導体領域に設けられており、
前記半導体領域は、トランジスタが設けられた表面と、前記表面とは反対側の裏面と、を有し、
前記第３の元素は、前記表面から１μｍだけ離れた平面と前記裏面との間に存在することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 前記第１光電変換領域および前記第２光電変換領域および前記第１半導体領域は、主に前記第１の元素で構成された半導体領域に設けられており、
前記半導体領域は、トランジスタが設けられた表面と、前記表面とは反対側の裏面と、を有し、
前記第３の元素は、前記表面から２μｍだけ離れた平面と前記裏面との間に存在することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。 - 前記第１半導体領域における、前記第３の元素の濃度が１×１０１５〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記第１半導体領域において、前記第３の元素と同族の元素に占める第３の元素の割合が５０％以上であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記第１半導体領域において、前記第３の元素と同族の元素の濃度が１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記第３の元素がインジウムであり、前記第４の元素がホウ素である、請求項２に記載の光電変換装置。
- 前記第２の元素がリンまたはヒ素であり、前記第３の元素がインジウムである、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記第２の元素がホウ素であり、前記第３の元素がヒ素またはアンチモンである、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記第１の元素がケイ素である、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記複数の画素は第１画素と第２画素と第３画素を含み、前記第１画素と前記第３画素の間に前記第２画素が位置し、前記第１画素と前記第３画素の距離が４μｍ以下である、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記半導体領域の光入射面の上には複数のマイクロレンズからなるレンズアレイが配置されており、前記複数のマイクロレンズの１つのマイクロレンズが、１つの画素が有する前記第１光電変換領域および前記第２光電変換領域の上に配置されている、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 前記半導体領域の光入射面の上には複数色のカラーフィルタからなるカラーフィルタアレイが配置されており、前記複数色のカラーフィルタの１色のカラーフィルタが、１つの画素が有する前記第１光電変換領域および前記第２光電変換領域の上に配置されている、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
- 請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置に対応する光学装置、
前記光電変換装置を制御する制御装置、
前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置、
前記光電変換装置から得られた情報を表示する表示装置、
前記光電変換装置から得られた情報を記憶する記憶装置、
前記光電変換装置から得られた情報に基づいて動作する機械装置、
の６つのうちの少なくともいずれかと、を備える機器。
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