JP3049015B2 - バンドギャップ設計型アクティブ・ピクセル・セル - Google Patents
バンドギャップ設計型アクティブ・ピクセル・セルInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体画像センサ
に関し、具体的には、アクティブ・ピクセル・センサ
（ＡＰＳ）技法に関する。
に関し、具体的には、アクティブ・ピクセル・センサ
（ＡＰＳ）技法に関する。
【０００２】
【従来の技術】アクティブ・ピクセル・センサは、電荷
結合素子（ＣＣＤ）と同様に、半導体感光性素子であ
る。典型的には、この素子は感光セルのアレイとして配
列され、アレイ内の各セルは１ピクセルに対応する。Ｃ
ＣＤまたはＡＰＳ画像センシング・アレイの典型的な応
用分野はディジタル・カメラであるが、他にも多くの周
知の応用分野がある。
結合素子（ＣＣＤ）と同様に、半導体感光性素子であ
る。典型的には、この素子は感光セルのアレイとして配
列され、アレイ内の各セルは１ピクセルに対応する。Ｃ
ＣＤまたはＡＰＳ画像センシング・アレイの典型的な応
用分野はディジタル・カメラであるが、他にも多くの周
知の応用分野がある。
【０００３】ＡＰＳ素子がＣＣＤより優れている利点
は、ＡＰＳ技法の方が金属酸化物半導体（ＭＯＳ）技法
との対応性がより高いことである。これによって、ＡＰ
Ｓアレイから信号の読取りと、それらの信号の処理に必
要なサポート電子回路を、ＡＰＳアレイ自体と同じチッ
プ上にＡＰＳアレイ自体と同時に製作することができ
る。これによって、撮像素子に基づくＡＰＳ技法の総費
用を大幅に削減することができる。
は、ＡＰＳ技法の方が金属酸化物半導体（ＭＯＳ）技法
との対応性がより高いことである。これによって、ＡＰ
Ｓアレイから信号の読取りと、それらの信号の処理に必
要なサポート電子回路を、ＡＰＳアレイ自体と同じチッ
プ上にＡＰＳアレイ自体と同時に製作することができ
る。これによって、撮像素子に基づくＡＰＳ技法の総費
用を大幅に削減することができる。
【０００４】基本的な従来技術のＡＰＳ素子は、入射電
磁放射線を吸収し、正孔−電子の対を生成する半導体材
料の逆方向バイアス感光領域を含む。入射光によって生
成された電子は、素子の入射面におけるピン止め領域と
感光領域内の半導体材料との間に形成されたピン・ダイ
オードの動作によって感光領域内で収集され、保持され
る。
磁放射線を吸収し、正孔−電子の対を生成する半導体材
料の逆方向バイアス感光領域を含む。入射光によって生
成された電子は、素子の入射面におけるピン止め領域と
感光領域内の半導体材料との間に形成されたピン・ダイ
オードの動作によって感光領域内で収集され、保持され
る。
【０００５】入射電磁放射線はまず、ピン止め層を通過
し、次に感光領域を形成する半導体材料の基板内に入
る。入射電磁放射線が吸収されるときに生成された正孔
は、ピン止め層と、逆方向バイアス感光領域と基板との
間に形成されたフォトダイオードとによって収集され、
除去される。ピン止め層は、格納された電子を、シリコ
ン基板よりも格段に多い再結合場所を備えることが知ら
れている半導体表面から分離する役割も果たす。
し、次に感光領域を形成する半導体材料の基板内に入
る。入射電磁放射線が吸収されるときに生成された正孔
は、ピン止め層と、逆方向バイアス感光領域と基板との
間に形成されたフォトダイオードとによって収集され、
除去される。ピン止め層は、格納された電子を、シリコ
ン基板よりも格段に多い再結合場所を備えることが知ら
れている半導体表面から分離する役割も果たす。
【０００６】しかし、電子は伝達素子がそれらの電子を
除去するまで感光領域にトラップされたままである。伝
達素子は、典型的はポリシリコン・ゲートおよび隣接半
導体領域である。ポリシリコン・ゲートは、電位源を印
加して、感光領域と隣接半導体領域との間に電流が流れ
るようにすることによってトリガすることができる。感
光領域内にトラップされる電子の数は、吸収された電磁
放射線の強度と、ＡＰＳ素子が入射放射線にさらされた
期間とに関係する。
除去するまで感光領域にトラップされたままである。伝
達素子は、典型的はポリシリコン・ゲートおよび隣接半
導体領域である。ポリシリコン・ゲートは、電位源を印
加して、感光領域と隣接半導体領域との間に電流が流れ
るようにすることによってトリガすることができる。感
光領域内にトラップされる電子の数は、吸収された電磁
放射線の強度と、ＡＰＳ素子が入射放射線にさらされた
期間とに関係する。
【０００７】したがって、伝達素子がアクティブにされ
たときに発生する電流の流れによって、ＡＰＳ素子に対
応するピクセルにおける輝度が決まる。各素子が単一の
ピクセルに対応する複数のＡＰＳ素子をアレイ内に備え
ることにより、ＡＰＳアレイを走査し、各セルごとに伝
達素子をアクティブにして各ピクセルにおける画像の輝
度を決定することによって、複数ピクセル画像を形成す
ることができる。
たときに発生する電流の流れによって、ＡＰＳ素子に対
応するピクセルにおける輝度が決まる。各素子が単一の
ピクセルに対応する複数のＡＰＳ素子をアレイ内に備え
ることにより、ＡＰＳアレイを走査し、各セルごとに伝
達素子をアクティブにして各ピクセルにおける画像の輝
度を決定することによって、複数ピクセル画像を形成す
ることができる。
【０００８】従来技術のＡＰＳ設計に付随する１つの問
題は、多くの正孔を備えるピン止め領域に短波長の放射
線が容易に吸収されることである。この層の半導体材料
のバンドギャップ・エネルギーは、青色光子が効率的に
吸収されるようになっている。ピン止め層における吸収
によって生成される電子が多くの使用可能な正孔とすば
やく再結合するため、この光子吸収によって生成される
電子−正孔対は、伝達素子がアクティブにされたときの
検出電流の流れに寄与しない。したがって、ＡＰＳセル
の製作における目標は、ピン止め層の深さを最小限にし
てピン止め層に吸収される青色光子の数を減らすことで
ある。
題は、多くの正孔を備えるピン止め領域に短波長の放射
線が容易に吸収されることである。この層の半導体材料
のバンドギャップ・エネルギーは、青色光子が効率的に
吸収されるようになっている。ピン止め層における吸収
によって生成される電子が多くの使用可能な正孔とすば
やく再結合するため、この光子吸収によって生成される
電子−正孔対は、伝達素子がアクティブにされたときの
検出電流の流れに寄与しない。したがって、ＡＰＳセル
の製作における目標は、ピン止め層の深さを最小限にし
てピン止め層に吸収される青色光子の数を減らすことで
ある。
【０００９】ピン止め層を形成する典型的な方法はイオ
ン注入を使用するものである。イオンを注入した後、熱
を加えてこの層をアクティブにしなければならない。し
かし、この熱によって注入イオンが拡散し、所望の厚さ
よりも厚いピン止め層が形成される。このようにして形
成されたピン止め層は、ＭＯＳ素子内の他の層より比較
的浅いが、それでもまだ望ましくないほど高い割合の入
射短波長青色光が吸収される厚さである。
ン注入を使用するものである。イオンを注入した後、熱
を加えてこの層をアクティブにしなければならない。し
かし、この熱によって注入イオンが拡散し、所望の厚さ
よりも厚いピン止め層が形成される。このようにして形
成されたピン止め層は、ＭＯＳ素子内の他の層より比較
的浅いが、それでもまだ望ましくないほど高い割合の入
射短波長青色光が吸収される厚さである。
【００１０】ピン止め層の半導体材料のバンドギャップ
・エネルギーは青色光内の光子のエネルギーに匹敵し、
その結果、比較的浅いピン止め層でもそれらの光子の多
くが効率的に吸収される。吸収された光子は下の感光領
域に達しないため、感光領域内で必要な正孔−電子対を
生成することができない。したがって、従来技術のＡＰ
Ｓ素子の青色感度が低下する。
・エネルギーは青色光内の光子のエネルギーに匹敵し、
その結果、比較的浅いピン止め層でもそれらの光子の多
くが効率的に吸収される。吸収された光子は下の感光領
域に達しないため、感光領域内で必要な正孔−電子対を
生成することができない。したがって、従来技術のＡＰ
Ｓ素子の青色感度が低下する。
【００１１】従来技術のＡＰＳ素子の他の問題は、長波
長放射線の吸収に関するものである。長波長の赤色光子
のエネルギーは、シリコン・ピン止め層のバンドギャッ
プ・エネルギーより小さい。したがって、ピン止め層に
容易に浸透する。しかし、それと同じ理由で、感光領域
の半導体材料での吸収も比較的悪い。従来技術のＡＰＳ
素子の感光領域は、感光領域に高い割合の入射赤色光が
吸収されるようにし、伝達素子がアクティブにされたと
きの検出電流に寄与するようにするために、かなり厚く
する必要がある。
長放射線の吸収に関するものである。長波長の赤色光子
のエネルギーは、シリコン・ピン止め層のバンドギャッ
プ・エネルギーより小さい。したがって、ピン止め層に
容易に浸透する。しかし、それと同じ理由で、感光領域
の半導体材料での吸収も比較的悪い。従来技術のＡＰＳ
素子の感光領域は、感光領域に高い割合の入射赤色光が
吸収されるようにし、伝達素子がアクティブにされたと
きの検出電流に寄与するようにするために、かなり厚く
する必要がある。
【００１２】従来技術のＡＰＳの感光領域は、一般には
エピタキシャル成長半導体層に形成される。この層の厚
さは、基板上の他の場所にある他のＭＯＳ素子に必要な
厚さよりもかなり厚くなければならない。ＡＰＳセルの
製作に必要なステップを、それに付随するサポート電子
回路の製作に使用される標準ＭＯＳプロセスに簡単に組
み込めるようにするために、この層の厚さを薄くすれば
有利であろう。しかし、この厚さを薄くすると感光領域
深さが浅くなり、ＡＰＳ素子の赤色光感度がそれに応じ
て低下する。
エピタキシャル成長半導体層に形成される。この層の厚
さは、基板上の他の場所にある他のＭＯＳ素子に必要な
厚さよりもかなり厚くなければならない。ＡＰＳセルの
製作に必要なステップを、それに付随するサポート電子
回路の製作に使用される標準ＭＯＳプロセスに簡単に組
み込めるようにするために、この層の厚さを薄くすれば
有利であろう。しかし、この厚さを薄くすると感光領域
深さが浅くなり、ＡＰＳ素子の赤色光感度がそれに応じ
て低下する。
【００１３】たとえば、従来のＡＰＳセルは、０．１マ
イクロメートルの厚さのピン止め層と５〜８マイクロメ
ートルの厚さのエピタキシャル成長ｐ−層とを有する。
イクロメートルの厚さのピン止め層と５〜８マイクロメ
ートルの厚さのエピタキシャル成長ｐ−層とを有する。
【００１４】これらの問題を解決するための試みは、段
差のあるエピタキシャル厚さの使用、または各ハーフ・
セルが赤色または青色の吸収用に設計されている二重並
列ゲート・ハーフ・セル設計の使用を必要としていた。
しかし、これらの各手法は、費用がかかり過ぎるか、標
準ＭＯＳ製造プロセスに組み込むのが困難である。
差のあるエピタキシャル厚さの使用、または各ハーフ・
セルが赤色または青色の吸収用に設計されている二重並
列ゲート・ハーフ・セル設計の使用を必要としていた。
しかし、これらの各手法は、費用がかかり過ぎるか、標
準ＭＯＳ製造プロセスに組み込むのが困難である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】したがって、従来技術
のこれらの問題および難点を念頭に置き、本発明の目的
は青色光感度と赤色光感度を向上させた感光素子を提供
することである。具体的には、本発明の目的は、アクテ
ィブ・ピクセル・センサにおけるピン止め層の厚さを薄
くして青色光感度を向上させ、感光領域の厚さを薄くす
ることができるように、浅い深度での赤色光の吸収を向
上させることである。
のこれらの問題および難点を念頭に置き、本発明の目的
は青色光感度と赤色光感度を向上させた感光素子を提供
することである。具体的には、本発明の目的は、アクテ
ィブ・ピクセル・センサにおけるピン止め層の厚さを薄
くして青色光感度を向上させ、感光領域の厚さを薄くす
ることができるように、浅い深度での赤色光の吸収を向
上させることである。
【００１６】本発明の他の目的および利点は、本明細書
を読めば一部明らかになろう。
を読めば一部明らかになろう。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は、ピン止め層の
厚さを格段に薄くすることによって青色光感度を向上さ
せた感光素子を含む。これは、感光領域の表面の局所反
転によって「仮想」ピン止め層を形成することによって
実現される。本発明は、深さ０．０１マイクロメートル
以下という浅さにすることが可能な、きわめて浅いピン
止め層を形成する。このきわめて浅いピン止め層によ
り、青色光吸収はほとんど無視できるほどになる。
厚さを格段に薄くすることによって青色光感度を向上さ
せた感光素子を含む。これは、感光領域の表面の局所反
転によって「仮想」ピン止め層を形成することによって
実現される。本発明は、深さ０．０１マイクロメートル
以下という浅さにすることが可能な、きわめて浅いピン
止め層を形成する。このきわめて浅いピン止め層によ
り、青色光吸収はほとんど無視できるほどになる。
【００１８】感光領域の表面における局所反転を実現す
るためには、表面とその下の領域との間に電位を印加す
る必要がある。この電位を印加する好ましい方法は、感
光領域の表面の少なくとも一部の上の透明絶縁層と、こ
の薄い絶縁層の上の透明導電層を形成することである。
次に、この透明導電層に電位源を印加して、表面反転を
実現し、ピン止め層を形成する。
るためには、表面とその下の領域との間に電位を印加す
る必要がある。この電位を印加する好ましい方法は、感
光領域の表面の少なくとも一部の上の透明絶縁層と、こ
の薄い絶縁層の上の透明導電層を形成することである。
次に、この透明導電層に電位源を印加して、表面反転を
実現し、ピン止め層を形成する。
【００１９】ＡＰＳ素子の赤色光吸収の向上は、狭くし
たバンドギャップを有するひずみ層を使用して実現され
る。このひずみ層は、感光領域の表面の下に配置され
る。ひずみ層はシリコン・ゲルマニウムひずみ層である
ことが好ましい。この層は、イオン注入で形成すること
もエピタキシャル成長させることもできる。
たバンドギャップを有するひずみ層を使用して実現され
る。このひずみ層は、感光領域の表面の下に配置され
る。ひずみ層はシリコン・ゲルマニウムひずみ層である
ことが好ましい。この層は、イオン注入で形成すること
もエピタキシャル成長させることもできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態につい
て、図１ないし図４を参照して説明する。これらの図面
では、同様の番号は本発明の同様の機構を示す。
て、図１ないし図４を参照して説明する。これらの図面
では、同様の番号は本発明の同様の機構を示す。
【００２１】図３および図４に示す本発明の利点は、ま
ず図１および図２に示す従来技術のＡＰＳ素子の構成を
考えれば、最もよくわかるであろう。図１および図２に
示す従来の技術は、参照番号１０で全体が示されてい
る。このセルは、浅いトレンチ分離（ＳＴＩ）障壁によ
って、上下左右にある同じＡＰＳセルのアレイ内の隣接
ＡＰＳセルから分離されている。周囲のＳＴＩ障壁の左
側および右側は、それぞれ参照番号１２および１４で示
されている。
ず図１および図２に示す従来技術のＡＰＳ素子の構成を
考えれば、最もよくわかるであろう。図１および図２に
示す従来の技術は、参照番号１０で全体が示されてい
る。このセルは、浅いトレンチ分離（ＳＴＩ）障壁によ
って、上下左右にある同じＡＰＳセルのアレイ内の隣接
ＡＰＳセルから分離されている。周囲のＳＴＩ障壁の左
側および右側は、それぞれ参照番号１２および１４で示
されている。
【００２２】従来技術のＡＰＳ素子１０は、基板１６上
に製作され、ｎ−半導体材料の比較的深い感光領域１８
を含む。ｐ＋半導体材料のピン止め層２０は接地されて
おり、感光領域１８で波長λの入射放射線２２が吸収さ
れると発生する正孔を除去するために使用される。
に製作され、ｎ−半導体材料の比較的深い感光領域１８
を含む。ｐ＋半導体材料のピン止め層２０は接地されて
おり、感光領域１８で波長λの入射放射線２２が吸収さ
れると発生する正孔を除去するために使用される。
【００２３】前述のように、短波長青色光放射線はｐ＋
ピン止め層２０に容易に吸収される。典型的には、ｐ＋
層２０の厚さは、イオン注入によって形成した場合、約
０．１マイクロメートル以上である。このような厚さの
層は、青色光が感光領域１８に達する前に、望ましくな
いほど高い割合の青色光を吸収する。
ピン止め層２０に容易に吸収される。典型的には、ｐ＋
層２０の厚さは、イオン注入によって形成した場合、約
０．１マイクロメートル以上である。このような厚さの
層は、青色光が感光領域１８に達する前に、望ましくな
いほど高い割合の青色光を吸収する。
【００２４】感光領域１８の深さは、典型的には５〜８
マイクロメートル以上であり、それに匹敵する厚さのｐ
−半導体材料のエピタキシャル成長層に形成される。こ
のような従来技術の素子における感光領域の厚さは、入
射赤色光のかなりの部分を吸収する必要によって決ま
る。１マイクロメートル以上の波長の光は、ｎ−感光領
域１８には吸収されにくい。この領域の深さが十分でな
いと、赤色光放射線は吸収されずに感光領域１８を完全
に通過する。
マイクロメートル以上であり、それに匹敵する厚さのｐ
−半導体材料のエピタキシャル成長層に形成される。こ
のような従来技術の素子における感光領域の厚さは、入
射赤色光のかなりの部分を吸収する必要によって決ま
る。１マイクロメートル以上の波長の光は、ｎ−感光領
域１８には吸収されにくい。この領域の深さが十分でな
いと、赤色光放射線は吸収されずに感光領域１８を完全
に通過する。
【００２５】感光領域１８に吸収された入射電磁放射線
は、正孔−電子の対を生成する。よく知られているよう
に、正孔は、感光領域およびそれを取巻く半導体材料間
に形成された逆方向バイアス・フォトダイオードおよび
ピン止め層２０を介して除去され、一方、電子は、感光
領域内に蓄積される。これらの電子は、ポリシリコン・
ゲート２６と、絶縁酸化層２８と、隣接半導体層３０と
を含む伝達素子を介して除去される。
は、正孔−電子の対を生成する。よく知られているよう
に、正孔は、感光領域およびそれを取巻く半導体材料間
に形成された逆方向バイアス・フォトダイオードおよび
ピン止め層２０を介して除去され、一方、電子は、感光
領域内に蓄積される。これらの電子は、ポリシリコン・
ゲート２６と、絶縁酸化層２８と、隣接半導体層３０と
を含む伝達素子を介して除去される。
【００２６】伝達素子は、本質的にＭＯＳトランジスタ
で、ポリシリコン・ゲート２６に電位源が接続される
と、領域２４のｐ−半導体材料内のゲートの下にチャネ
ルを形成する。次に、領域１８と３０の間に電流が流
れ、入射放射線２２によって生成された収集電子を排出
する。領域３０は、ｎ＋半導体領域としてドーピングさ
れており、ポリシリコン・ゲート２６もｎ＋半導体材料
である。ポリシリコン・ゲートの両側の領域３２および
３４は、伝達ゲート２６のための従来の絶縁ポリシリコ
ン−ゲート・スペーサである。
で、ポリシリコン・ゲート２６に電位源が接続される
と、領域２４のｐ−半導体材料内のゲートの下にチャネ
ルを形成する。次に、領域１８と３０の間に電流が流
れ、入射放射線２２によって生成された収集電子を排出
する。領域３０は、ｎ＋半導体領域としてドーピングさ
れており、ポリシリコン・ゲート２６もｎ＋半導体材料
である。ポリシリコン・ゲートの両側の領域３２および
３４は、伝達ゲート２６のための従来の絶縁ポリシリコ
ン−ゲート・スペーサである。
【００２７】上述し、図１に図示した個々のＡＰＳ素子
が四方全部で繰り返される。このようなセンサ・アレイ
を使用する典型的なカメラは、各セルの伝達ゲートを連
続して走査し、付随するピクセルの輝度を判断する。
が四方全部で繰り返される。このようなセンサ・アレイ
を使用する典型的なカメラは、各セルの伝達ゲートを連
続して走査し、付随するピクセルの輝度を判断する。
【００２８】図３および図４を参照すると、本発明のＡ
ＰＳ素子が図示されている。前述の従来技術の素子と同
様、本発明のＡＰＳ素子は隣接セルから分離されたＳＴ
Ｉである。ＳＴＩ領域１２および１４がＳＴＩ分離トレ
ンチの左右の側にある。
ＰＳ素子が図示されている。前述の従来技術の素子と同
様、本発明のＡＰＳ素子は隣接セルから分離されたＳＴ
Ｉである。ＳＴＩ領域１２および１４がＳＴＩ分離トレ
ンチの左右の側にある。
【００２９】領域２６、２８、および３０を含む伝達素
子も従来のものであり、素子が形成されている基板１６
も従来のものである。しかし、基板１６の上に、シリコ
ン・ゲルマニウムひずみ層３６と比較的薄いｐ−エピタ
キシャル成長層３８とがある。シリコン・ゲルマニウム
ひずみ層３６は、基板１６上にエピタキシャル成長させ
ることができ、その上にｐ−層３８をエピタキシャル成
長させることができる。あるいは、図の層構造は、まず
ｐ−エピタキシャル層３８を成長させ、次に、層３８の
表面を通って層３６の所望の深さまでイオンを注入する
イオン注入によってひずみ層を形成することによって形
成することもできる。
子も従来のものであり、素子が形成されている基板１６
も従来のものである。しかし、基板１６の上に、シリコ
ン・ゲルマニウムひずみ層３６と比較的薄いｐ−エピタ
キシャル成長層３８とがある。シリコン・ゲルマニウム
ひずみ層３６は、基板１６上にエピタキシャル成長させ
ることができ、その上にｐ−層３８をエピタキシャル成
長させることができる。あるいは、図の層構造は、まず
ｐ−エピタキシャル層３８を成長させ、次に、層３８の
表面を通って層３６の所望の深さまでイオンを注入する
イオン注入によってひずみ層を形成することによって形
成することもできる。
【００３０】層３８は、本質的には（図１および図２に
関して前述した）層２４と同じであるが、それよりも薄
く、好ましくは格段に薄い。層３８と３６を合わせた厚
さは、好ましい実施形態では２〜３マイクロメートルで
ある。これは、図１および図２の、典型的には５〜８マ
イクロメートル以上である層２４の厚さと比較すること
ができる。
関して前述した）層２４と同じであるが、それよりも薄
く、好ましくは格段に薄い。層３８と３６を合わせた厚
さは、好ましい実施形態では２〜３マイクロメートルで
ある。これは、図１および図２の、典型的には５〜８マ
イクロメートル以上である層２４の厚さと比較すること
ができる。
【００３１】ひずみ層３６は、この領域内の半導体材料
のバンドギャップが感光領域４０内の他の場所よりも狭
くなるように、ゲルマニウムを加えることによって形成
する。このより大きなバンドギャップは赤色光内の光子
のエネルギーによりよく整合し、これによって長波長の
赤色光の吸収率が向上する。
のバンドギャップが感光領域４０内の他の場所よりも狭
くなるように、ゲルマニウムを加えることによって形成
する。このより大きなバンドギャップは赤色光内の光子
のエネルギーによりよく整合し、これによって長波長の
赤色光の吸収率が向上する。
【００３２】したがって、感光領域４０の厚さは、従来
技術のＡＰＳ素子の厚さより格段に薄くすることができ
る。これによって、本発明のＡＰＳ素子の形成を、基板
の他の部分にあるサポート回路の製作に使用される標準
ＭＯＳプロセスにより容易に組み込めるようになる。
技術のＡＰＳ素子の厚さより格段に薄くすることができ
る。これによって、本発明のＡＰＳ素子の形成を、基板
の他の部分にあるサポート回路の製作に使用される標準
ＭＯＳプロセスにより容易に組み込めるようになる。
【００３３】感光ｎ−領域４０における長波長赤色光の
吸収の向上に加えて、図３および図４に示す本発明の感
光素子は、感光領域４０の表面部分には、表面の左上隅
に露出しているｐ−結合領域５０と、該結合領域を除く
表面の大半を覆っている透明絶縁層４４と、その上に配
置され側縁がトレンチ分離障壁上に延びている透明導電
層４２とを含む。透明導電層はゲートとして機能し、イ
ンジウム錫酸化物（ＩＴＯ）で形成されることが好まし
い。負電位源４８に接続すると、感光領域４０の表面
（絶縁層４４の直下）の半導体材料が反転し、ｐ−導電
型ピン止め層（図示していない）を形成してｐ−結合領
域５０へ電気的に導通する。
吸収の向上に加えて、図３および図４に示す本発明の感
光素子は、感光領域４０の表面部分には、表面の左上隅
に露出しているｐ−結合領域５０と、該結合領域を除く
表面の大半を覆っている透明絶縁層４４と、その上に配
置され側縁がトレンチ分離障壁上に延びている透明導電
層４２とを含む。透明導電層はゲートとして機能し、イ
ンジウム錫酸化物（ＩＴＯ）で形成されることが好まし
い。負電位源４８に接続すると、感光領域４０の表面
（絶縁層４４の直下）の半導体材料が反転し、ｐ−導電
型ピン止め層（図示していない）を形成してｐ−結合領
域５０へ電気的に導通する。
【００３４】負電位４８が接続されたままである限り、
この反転によって形成された「仮想」ピン止め層は、図
１および図２に示すイオン注入ピン止め層２０と同様の
役割を果たす。しかし、この方法によって形成されたピ
ン止め層の厚さは、ピン止め層を従来技術の方法で形成
した場合に達成可能なもっとも薄い厚さよりもかなり薄
い。仮想ピン止め層の厚さは典型的には０．０５マイク
ロメートル以下である。従来技術の１０分の１の０．０
１マイクロメートル以下の厚さが達成される。
この反転によって形成された「仮想」ピン止め層は、図
１および図２に示すイオン注入ピン止め層２０と同様の
役割を果たす。しかし、この方法によって形成されたピ
ン止め層の厚さは、ピン止め層を従来技術の方法で形成
した場合に達成可能なもっとも薄い厚さよりもかなり薄
い。仮想ピン止め層の厚さは典型的には０．０５マイク
ロメートル以下である。従来技術の１０分の１の０．０
１マイクロメートル以下の厚さが達成される。
【００３５】さらに、ピン止め層を形成する反転領域内
の量子力学効果によって、この領域内のバンドギャップ
が有効に広くなる。したがって、青色光光子が仮想ピン
止め層を移動しなければならない距離が短いことと、そ
の領域内のバンドギャップと青色光の光子エネルギーと
の不整合とによって、青色光光子の吸収が最小限にな
る。その結果、感光領域に達する青色光子の数が大幅に
増え、素子の青色感度が向上する。
の量子力学効果によって、この領域内のバンドギャップ
が有効に広くなる。したがって、青色光光子が仮想ピン
止め層を移動しなければならない距離が短いことと、そ
の領域内のバンドギャップと青色光の光子エネルギーと
の不整合とによって、青色光光子の吸収が最小限にな
る。その結果、感光領域に達する青色光子の数が大幅に
増え、素子の青色感度が向上する。
【００３６】図３の平面図に示すように、透明導電層４
２が感光領域４０の大半の上に延びている。しかし、こ
の領域の隅の参照番号５０が付してある部分はｐ−結合
領域としてドーピングされている。このｐ−結合領域５
０は接地され、仮想ピン止め層に電気的に結合されてい
る。領域５０は、従来技術の接地されたピン止め層２０
とまったく同様にして、正孔反転生成ピン止め層を介し
て、感光領域４０から正孔を取り出す役割を果たす。
２が感光領域４０の大半の上に延びている。しかし、こ
の領域の隅の参照番号５０が付してある部分はｐ−結合
領域としてドーピングされている。このｐ−結合領域５
０は接地され、仮想ピン止め層に電気的に結合されてい
る。領域５０は、従来技術の接地されたピン止め層２０
とまったく同様にして、正孔反転生成ピン止め層を介し
て、感光領域４０から正孔を取り出す役割を果たす。
【００３７】図４に示す実施形態の代替実施形態では、
ＩＴＯ透明導電層４２および負電位源４８をなくし、埋
め込み負電荷を有する酸化層などの絶縁層によって置き
換えることができる。従来の方式で酸化層に十分な負電
荷を埋め込むことによって、負電位源４８を必要とせず
に、ピン止め層を形成するのに必要な反転を実現するこ
とができる。
ＩＴＯ透明導電層４２および負電位源４８をなくし、埋
め込み負電荷を有する酸化層などの絶縁層によって置き
換えることができる。従来の方式で酸化層に十分な負電
荷を埋め込むことによって、負電位源４８を必要とせず
に、ピン止め層を形成するのに必要な反転を実現するこ
とができる。
【００３８】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
の事項を開示する。
【００３９】（１）基板と、前記基板の上に配置され、
電磁エネルギーにさらされる表面を有し、電磁エネルギ
ーにさらされると正孔−電子対を生成する、半導体材料
の感光領域と、前記感光領域の前記表面の少なくとも一
部の上に配置された透明絶縁層と、薄い絶縁層の上に配
置された透明導電層と、前記透明導電層が電位源に接続
されると前記感光領域の表面における半導体材料を反転
させることによって前記感光領域の前記表面にピン止め
層を生成する透明導電層とを含む感光素子。 （２）前記感光領域の前記表面の下に配置されたひずみ
層をさらに含み、前記ひずみ層が、赤色光の吸収を向上
させるために前記感光領域内の他の場所の半導体材料の
バンドギャップと比較して狭くされたバンドギャップを
有する、上記（１）に記載の素子。 （３）前記ひずみ層がシリコン−ゲルマニウムひずみ層
である、上記（２）に記載の素子。 （４）前記ひずみ層がイオン注入によって形成される、
上記（２）に記載の素子。 （５）前記ひずみ層がエピタキシによって形成される、
上記（２）に記載の素子。 （６）前記感光領域がエピタキシによって前記基板上に
成長させた層に形成される、上記（２）に記載の素子。 （７）前記ひずみ層が前記感光領域の前記表面より約５
マイクロメートル未満だけ下にある、上記（２）に記載
の素子。 （８）前記透明導電層がインジウム錫酸化物の層であ
る、上記（１）に記載の素子。 （９）ピン止め層が形成されると前記感光領域の前記表
面にある前記ピン止め層に結合される結合領域をさらに
含む、上記（１）に記載の素子。 （１０）前記透明絶縁層が、前記感光領域の前記表面の
第１の上に配置され、前記結合領域が前記感光領域の前
記表面の第２の部分の上に配置されている、上記（９）
に記載の素子。 （１１）前記結合領域がイオン注入によって形成され
る、上記（１０）に記載の素子。 （１２）前記結合領域が設置され、前記透明導電層が負
電位源に接続される、上記（９）に記載の素子。 （１３）形成される前記ピン止め層がイオン注入によっ
て形成されるピン止め層の深さよりも格段に浅い深さを
有する、上記（１）に記載の素子。 （１４）前記ピン止め層が０．０５マイクロメートル未
満の深さを有する、上記（１）に記載の素子。 （１５）基板と、前記基板の上に配置され、電磁エネル
ギーにさらされる表面を有し、電磁エネルギーにさらさ
れると電磁エネルギーを吸収し、その結果として正孔−
電子対を生成する、半導体材料の感光領域と、前記感光
領域の前記表面の下に配置され、赤色光の吸収を高くす
るために、前記感光領域内の他の場所の半導体材料のバ
ンドギャップと比較して低いバンドギャップを有するひ
ずみ層とを含む感光素子。 （１６）前記ひずみ層がシリコン−ゲルマニウムひずみ
層である、上記（１５）に記載の素子。 （１７）前記ひずみ層がイオン注入によって形成され
る、上記（１６）に記載の素子。 （１８）前記ひずみ層がエピタキシによって形成され
る、上記（１６）に記載の素子。 （１９）シリコンの基板と、前記基板の上に配置された
シリコン−ゲルマニウムひずみ層と、前記ひずみ層まで
延び、電磁エネルギーにさらされる表面を有する感光領
域がその中に形成された、前記ひずみ層の上のシリコン
のエピタキシャル成長層と、前記感光領域の前記表面の
第１の部分の上に配置された透明絶縁層と、前記薄い絶
縁層の上に配置された透明導電層と、前記感光領域の前
記表面の第２の部分の上に配置された結合領域と、前記
感光領域に接続された伝達素子とを含み、前記透明導電
層が、前記透明導電層が負電位源に接続されると前記感
光領域の前記表面における前記半導体材料を反転させる
ことによって前記感光領域の前記表面にピン止め層を形
成し、前記結合領域が設置され前記ピン止め層に結合さ
れる、感光素子。 （２０）基板と、前記基板の上に配置され、電磁エネル
ギーにさらされる表面を有し、電磁エネルギーにさらさ
れると正孔−電子対を生成する半導体材料の感光領域
と、前記感光領域の前記表面の少なくとも一部の上に配
置され、前記感光領域の前記表面における半導体材料を
反転させることによって前記感光領域の前記表面にピン
止め層を形成するのに十分な埋め込み負電荷を有する、
透明絶縁層と、前記感光領域の前記表面の前記ピン止め
層に結合された結合領域と、前記感光領域に接続された
伝達素子とを含む、アクティブ・ピクセル・センサ感光
素子。 （２１）基板と、前記基板内に配置され、その中に電磁
エネルギーの存在に応答して電荷を生成する電荷生成領
域を有する感光素子と、前記電荷生成領域の少なくとも
一部の上にあり、通過する電磁エネルギーの一部を吸収
するピン止め層と、前記ピン止め層の少なくとも一部の
上にある透明導電層と、前記透明導電層に結合され、前
記透明導電層に電位が印加されると前記ピン止め層によ
って吸収される前記電磁エネルギーの前記一部を減少さ
せる電位源とを含む装置。 （２２）前記基板が、前記ピン止め層を通過する前記電
磁エネルギーの第２の部分を吸収する、前記電荷生成領
域を通過する事前選択されたドーパントの層を含む、上
記（２１）に記載の装置。
電磁エネルギーにさらされる表面を有し、電磁エネルギ
ーにさらされると正孔−電子対を生成する、半導体材料
の感光領域と、前記感光領域の前記表面の少なくとも一
部の上に配置された透明絶縁層と、薄い絶縁層の上に配
置された透明導電層と、前記透明導電層が電位源に接続
されると前記感光領域の表面における半導体材料を反転
させることによって前記感光領域の前記表面にピン止め
層を生成する透明導電層とを含む感光素子。 （２）前記感光領域の前記表面の下に配置されたひずみ
層をさらに含み、前記ひずみ層が、赤色光の吸収を向上
させるために前記感光領域内の他の場所の半導体材料の
バンドギャップと比較して狭くされたバンドギャップを
有する、上記（１）に記載の素子。 （３）前記ひずみ層がシリコン−ゲルマニウムひずみ層
である、上記（２）に記載の素子。 （４）前記ひずみ層がイオン注入によって形成される、
上記（２）に記載の素子。 （５）前記ひずみ層がエピタキシによって形成される、
上記（２）に記載の素子。 （６）前記感光領域がエピタキシによって前記基板上に
成長させた層に形成される、上記（２）に記載の素子。 （７）前記ひずみ層が前記感光領域の前記表面より約５
マイクロメートル未満だけ下にある、上記（２）に記載
の素子。 （８）前記透明導電層がインジウム錫酸化物の層であ
る、上記（１）に記載の素子。 （９）ピン止め層が形成されると前記感光領域の前記表
面にある前記ピン止め層に結合される結合領域をさらに
含む、上記（１）に記載の素子。 （１０）前記透明絶縁層が、前記感光領域の前記表面の
第１の上に配置され、前記結合領域が前記感光領域の前
記表面の第２の部分の上に配置されている、上記（９）
に記載の素子。 （１１）前記結合領域がイオン注入によって形成され
る、上記（１０）に記載の素子。 （１２）前記結合領域が設置され、前記透明導電層が負
電位源に接続される、上記（９）に記載の素子。 （１３）形成される前記ピン止め層がイオン注入によっ
て形成されるピン止め層の深さよりも格段に浅い深さを
有する、上記（１）に記載の素子。 （１４）前記ピン止め層が０．０５マイクロメートル未
満の深さを有する、上記（１）に記載の素子。 （１５）基板と、前記基板の上に配置され、電磁エネル
ギーにさらされる表面を有し、電磁エネルギーにさらさ
れると電磁エネルギーを吸収し、その結果として正孔−
電子対を生成する、半導体材料の感光領域と、前記感光
領域の前記表面の下に配置され、赤色光の吸収を高くす
るために、前記感光領域内の他の場所の半導体材料のバ
ンドギャップと比較して低いバンドギャップを有するひ
ずみ層とを含む感光素子。 （１６）前記ひずみ層がシリコン−ゲルマニウムひずみ
層である、上記（１５）に記載の素子。 （１７）前記ひずみ層がイオン注入によって形成され
る、上記（１６）に記載の素子。 （１８）前記ひずみ層がエピタキシによって形成され
る、上記（１６）に記載の素子。 （１９）シリコンの基板と、前記基板の上に配置された
シリコン−ゲルマニウムひずみ層と、前記ひずみ層まで
延び、電磁エネルギーにさらされる表面を有する感光領
域がその中に形成された、前記ひずみ層の上のシリコン
のエピタキシャル成長層と、前記感光領域の前記表面の
第１の部分の上に配置された透明絶縁層と、前記薄い絶
縁層の上に配置された透明導電層と、前記感光領域の前
記表面の第２の部分の上に配置された結合領域と、前記
感光領域に接続された伝達素子とを含み、前記透明導電
層が、前記透明導電層が負電位源に接続されると前記感
光領域の前記表面における前記半導体材料を反転させる
ことによって前記感光領域の前記表面にピン止め層を形
成し、前記結合領域が設置され前記ピン止め層に結合さ
れる、感光素子。 （２０）基板と、前記基板の上に配置され、電磁エネル
ギーにさらされる表面を有し、電磁エネルギーにさらさ
れると正孔−電子対を生成する半導体材料の感光領域
と、前記感光領域の前記表面の少なくとも一部の上に配
置され、前記感光領域の前記表面における半導体材料を
反転させることによって前記感光領域の前記表面にピン
止め層を形成するのに十分な埋め込み負電荷を有する、
透明絶縁層と、前記感光領域の前記表面の前記ピン止め
層に結合された結合領域と、前記感光領域に接続された
伝達素子とを含む、アクティブ・ピクセル・センサ感光
素子。 （２１）基板と、前記基板内に配置され、その中に電磁
エネルギーの存在に応答して電荷を生成する電荷生成領
域を有する感光素子と、前記電荷生成領域の少なくとも
一部の上にあり、通過する電磁エネルギーの一部を吸収
するピン止め層と、前記ピン止め層の少なくとも一部の
上にある透明導電層と、前記透明導電層に結合され、前
記透明導電層に電位が印加されると前記ピン止め層によ
って吸収される前記電磁エネルギーの前記一部を減少さ
せる電位源とを含む装置。 （２２）前記基板が、前記ピン止め層を通過する前記電
磁エネルギーの第２の部分を吸収する、前記電荷生成領
域を通過する事前選択されたドーパントの層を含む、上
記（２１）に記載の装置。
【図１】従来の技術により製作されたＡＰＳ素子の上面
図である。
図である。
【図２】図１の線２−２に沿って切り取った、図１の従
来技術のＡＰＳ素子の断面図である。
来技術のＡＰＳ素子の断面図である。
【図３】本発明により製作されたＡＰＳ素子の上面図で
ある。
ある。
【図４】図３の線４−４に沿って切り取った、本発明の
ＡＰＳ素子の断面図である。
ＡＰＳ素子の断面図である。
１２ 浅いトレンチ分離領域 １４ 浅いトレンチ分離領域 １６ 基板 ３６ シリコン・ゲルマニウムひずみ層 ３８ ｐ−エピタキシャル成長層 ４０ 感光領域 ４２ 透明導電層 ４４ 透明絶縁層 ４８ 負電位源 ５０ 結合領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェフリー・ビー・ジョンソン アメリカ合衆国 05452 バーモント州 エセックス・ジャンクション サウスヒ ル・ドライブ 41 (72)発明者 ロバート・ライディー アメリカ合衆国 05401 バーモント州 バーリントン タワー・テラス 11 (72)発明者 ホンスン・ピー・ウォン アメリカ合衆国 10514 ニューヨーク 州チャパキア バレー・ビュー・ロード 15 (56)参考文献 特開 昭60−214172（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−227470（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−65565（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−218162（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−108284（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−122285（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−335688（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/146 H01L 31/10
Claims (12)
- 【請求項１】基板と、 前記基板の上に配置され、電磁エネルギーにさらされる
表面を有し、電磁エネルギーにさらされると正孔−電子
対を生成する、一方の導電型の半導体材料の感光領域
と、 前記感光領域の前記表面の第１の部分の上に配置された
透明絶縁層と、前記透明 絶縁層の上に配置された透明導電層と、前記透明導電層への所定電位の印加に応働して前記透明
絶縁層の直下の前記感光領域表面上に生成される反転層
のピン止め層と、 前記透明絶縁層の周縁の一部に隣接している前記感光領
域表面の第２の部分に前記ピン止め層と電気的に接触し
て配置され、接地電位に接続された反対導電型の結合領
域と、 前記感光領域に結合され該領域から電子を転送してその
電流を検知するための転送デバイスと、 前記感光領域および前記転送デバイスを取囲んで前記基
板表面に配置された分離領域と、 を含む感光素子。 - 【請求項２】前記感光領域の下部位置に配置され、赤色
光の吸収を高めるために前記感光領域内の任意の場所の
半導体材料と比較して狭くされたバンドギャップを有す
るひずみ層と、 をさらに含む請求項１に記載の素子。 - 【請求項３】前記ひずみ層がシリコン−ゲルマニウムひ
ずみ層である、請求項２に記載の素子。 - 【請求項４】基板と、 前記基板の上に配置され、電磁エネルギーにさらされる
表面を有し、電磁エネルギーにさらされると正孔−電子
対を生成する、半導体材料の感光領域と、 前記感光領域の前記表面の少なくとも一部の上に配置さ
れた透明絶縁層と、 薄い絶縁層の上に配置された透明導電層と、 前記透明導電層が電位源に接続されると前記感光領域の
表面における半導体材料を反転させることによって前記
感光領域の前記表面にピン止め層を生成する透明導電層
と、 イオン注入によって前記感光領域の下部位置に形成さ
れ、赤色光の吸収を高めるために前記感光領域内の任意
の場所の半導体材料と比較して狭くされたバンドギャッ
プを有するひずみ層と、 を含む感光素子。 - 【請求項５】前記透明導電層がインジウム錫酸化物の層
である請求項１または４に記載の素子。 - 【請求項６】前記結合領域がイオン注入によって形成さ
れる請求項１または４に記載の素子。 - 【請求項７】基板と、 前記基板の上に配置され、電磁エネルギーにさらされる
表面を有し、電磁エネルギーにさらされると正孔−電子
対を生成する、一方の導電型の半導体材料の感光領域
と、 前記感光領域の前記表面の第１の部分の上に配置された
透明絶縁層と、前記透明 絶縁層の上に配置された透明導電層と、前記透明導電層への所定電位の印加に応働して前記透明
絶縁層の直下の前記感光領域表面上に生成される反転層
のピン止め層と、 前記透明絶縁層の周縁の一部に隣接している前記感光領
域表面の第２の部分に前記ピン止め層と電気的に接触し
て配置され、接地電位に接続された反対導電型の結合領
域と、 前記感光領域に接続され該領域から電子を転送してその
電流を検知するための 転送デバイスと、 前記ピン止め層の下方における 前記感光領域に配置さ
れ、赤色光の吸収を高くするために、前記感光領域内の
任意の場所の半導体材料と比較して低いバンドギャップ
を有するひずみ層と、前記感光領域および前記転送デバイスを取囲んで前記基
板表面に配置された分離領域と、 を含む感光素子。 - 【請求項８】前記ひずみ層がシリコン−ゲルマニウムひ
ずみ層である請求項７に記載の素子。 - 【請求項９】前記ひずみ層がエピタキシによって形成さ
れる請求項７に記載の素子。 - 【請求項１０】基板と、 前記基板の上に配置され、電磁エネルギーにさらされる
表面を有し、電磁エネルギーにさらされると電磁エネル
ギーを吸収し、その結果として正孔−電子対を生成す
る、半導体材料の感光領域と、イオン注入によって 前記感光領域の下部位置に形成さ
れ、赤色光の吸収を高くするために、前記感光領域内の
任意の場所の半導体材料と比較して低いバンドギャップ
を有するひずみ層と、 を含む感光素子。 - 【請求項１１】シリコンの基板と、 前記基板の上に配置されたシリコン−ゲルマニウムひず
み層と、 前記ひずみ層まで延び、電磁エネルギーにさらされる表
面を有する感光領域がその中に形成された、前記ひずみ
層の上のシリコンのエピタキシャル成長層と、 前記感光領域の前記表面の第１の部分の上に配置された
透明絶縁層と、 前記透明絶縁層の上に配置された透明導電層と、前記透明導電層への所定電位の印加に応働して前記透明
絶縁層の直下の前記感 光領域表面上に生成される反転層
のピン止め層と、 前記透明絶縁層の周縁の一部に隣接している前記感光領
域表面の第２の部分に前記ピン止め層と電気的に接触し
て配置され、接地電位に接続された反対導電型の結合領
域と、 前記エピタキシャル成長層の表面に前記感光領域に隣接
して配置され電気的に結合され、該領域から電子を転送
してその電流を検知するための転送デバイスと、 前記感光領域および前記転送デバイスを取囲んで前記エ
ピタキシャル成長層表面に配置された分離領域と、 を含む感光素子。 - 【請求項１２】基板と、 前記基板の上に配置され、電磁エネルギーにさらされる
表面を有し、電磁エネルギーにさらされると正孔−電子
対を生成する半導体材料の感光領域と、 前記感光領域の前記表面の第１の部分の上に配置され、
埋め込み負電荷を有する透明絶縁層と、前記埋め込み負電荷が前記第１の部分の前記感光領域表
面の半導体材料を反転させて形成したピン止め層と、 前記透明絶縁層の周縁の一部に隣接している前記感光領
域表面の第２の部分に前記ピン止め層と電気的に接触し
て配置され、接地電位に接続された反対導電型の 結合領
域と、前記感光領域に接続され該領域から電子を転送してその
電流を検知するための転送デバイスと、 前記感光領域および前記転送デバイスを取囲んで前記基
板表面に配置された分離領域と、 を含むアクティブ・ピクセル・センサ感光素子。
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1999
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