JP4130815B2 - 半導体受光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体受光素子及びその製造方法に関し、特にＣＣＤ（Charge coupled device）あるいはＣＭＯＳ（complementary metal-oxide-semiconductor）型固体撮像素子等の半導体受光素子及びその製造方法に関するものである。
デジタルスチルカメラやビデオカメラ等には、ＣＣＤ型あるいはＭＯＳ型の固体撮像素子が搭載されている。このような固体撮像素子は、半導体材料から構成される半導体受光素子にて受けた光を光電変換し、その光電変換により生じた信号電荷をＣＣＤ型においてはポテンシャルの井戸に蓄積しつつ転送し、ＭＯＳ型においてはＭＯＳトランジスタを通して直接読み出す。ここで、半導体受光素子が２次元状に配設されてなる固体撮像素子の撮像面には、ベイヤ型やストライプ型の色配列をしたＲＧＢ原色フィルタが配設されており、カラー化が図られている（例えば、特許文献１参照）。
図６は、従来のＭＯＳ型固体撮像素子の半導体受光素子周辺の構造を示す概略断面図である。
従来の固体撮像素子は、ｐ型のシリコン基板２０に形成された複数のｎ型の領域である複数の半導体受光素子２１と、各半導体受光素子２１の光入射側に設けられたカラーフィルタ２２と、ＭＯＳトランジスタ２４を有し、各半導体受光素子２１と接続され、信号電荷を電圧に変換、増幅して出力する複数の出力アンプ２３とから構成される。
従来の固体撮像素子は、ｐ型のシリコン基板２０に形成された複数のｎ型の領域である複数の半導体受光素子２１と、各半導体受光素子２１の光入射側に設けられたカラーフィルタ２２と、ＭＯＳトランジスタ２４を有し、各半導体受光素子２１と接続され、信号電荷を電圧に変換、増幅して出力する複数の出力アンプ２３とから構成される。
ここで、カラーフィルタ２２においては、図７に示すように、ＲＧＢはベイヤ型の色配列で配置される。
特開平５−１８３１３９号公報
ところで、近年、固体撮像素子には更なる高性能化、つまり高画質化、低コスト化、小面積化等が求められている。
しかしながら、従来の固体撮像素子では、カラーフィルタにより各半導体受光素子に入射する光を選択し、ＲＧＢ３色に対応するそれぞれの受光素子を平面内にそれぞれ配置しているため、小チップ化しようとした場合に、それぞれの画素に対応する受光領域が小さくなり、感度が低下するという問題があり、この場合は撮像画像の色再現性が低下するため、更なる高画質化あるいは低コスト化の要求に応えることができないという問題がある。
しかしながら、従来の固体撮像素子では、カラーフィルタにより各半導体受光素子に入射する光を選択し、ＲＧＢ３色に対応するそれぞれの受光素子を平面内にそれぞれ配置しているため、小チップ化しようとした場合に、それぞれの画素に対応する受光領域が小さくなり、感度が低下するという問題があり、この場合は撮像画像の色再現性が低下するため、更なる高画質化あるいは低コスト化の要求に応えることができないという問題がある。
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、固体撮像素子に対する更なる高画質化・低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の半導体受光素子は、入射光を光電変換する半導体受光素子であって、積層された複数のｐｎ接合部と、隣り合う前記ｐｎ接合部の間に形成されたｐｎ接合分離層とを備え、前記ｐｎ接合分離層は、開口部を有し、前記複数のｐｎ接合部は、前記開口部を介して隣り合い、前記開口部は、前記ｐｎ接合分離層の面内方向において同心状で相似な形状を有し、前記ｐｎ接合分離層は、前記ｐｎ接合分離層を通過する光の焦点を前記ｐｎ接合分離層下方に位置する前記ｐｎ接合部のｐｎ接合面で結ばせることを特徴とする。ここで、前記第１のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、赤色光に対して感度が最大となる位置に形成され、前記第２のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、緑色光に対して感度が最大となる位置に形成され、前記第３のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、青色光に対して感度が最大となる位置に形成されてもよい。また、前記ｐｎ接合分離層は、Ｏを含む材料により構成されてもよいし、前記ｐｎ接合分離層は、ＳｉＯ2あるいはＳｉＮにより構成されてもよい。また、前記複数のｐｎ接合部は、それぞれＳｉを含む半導体材料により構成されてもよいし、前記複数のｐｎ接合部のうちの少なくとも１つは、アモルファスＳｉ、微結晶Ｓｉ、単結晶ＳｉＣ、アモルファスＳｉＣ、微結晶ＳｉＣにより構成されてもよい。また、前記ｐｎ接合分離層は、隣り合う前記ｐｎ接合部と異なる屈折率を有する材質を含み、集光機能を有してもよい。
これによって、ｐｎ接合部を少なくとも３つ積層して、それぞれを赤色光を光電変換するフォトダイオード、緑色光を光電変換するフォトダイオード、青色光を光電変換するフォトダイオードとすることで、１つの半導体受光素子への入射光に含まれる赤色光成分、緑色光成分及び青色光成分を全て利用することができ、光の利用効率を高めることができるので、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を高め、固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。また、同一位置での光３原色のセンシングが可能となるので、固体撮像素子の高解像度化を可能にする半導体受光素子を実現することができる。また、カラー化を行うために、固体撮像素子にカラーフィルタを用意し、さらに赤色光、緑色光および青色光を光電変換するための半導体受光素子を別々に用意する必要が無くなるので、固体撮像素子に対する更なる小型化の要求、及び低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。また、ｐｎ接合部は半導体層の開口部を介して下方のｐｎ接合部上に再成長させるように半導体層上に形成され、ｐｎ接合部の結晶性が損なわれないので、高感度の半導体受光素子を実現することができる。また、ｐｎ接合部形成に際して結晶性等の下地の半導体層による制限を受けないので、高い自由度を持ってｐｎ接合部を構成する半導体材料を選択できる、つまり高い設計自由度を有する半導体受光素子を実現することができる。
これによって、半導体層にレンズ機能を持たせ、ｐｎ接合部に対し光を効率よく集めることができ、ｐｎ接合部の受光効率を向上させることができるので、高感度の半導体受光素子を実現することができる。すなわち、この構成により、受光素子と集光機能を有する素子とをモノリシックに形成することができる。
また、前記ｐｎ接合分離層は、絶縁層を含んでもよい。
これによって、各ｐｎ接合部におけるｐ型層およびｎ型層の配置を、他のｐｎ接合部におけるｐ型層およびｎ型層の配置に影響されること無く自由に設定することができるので、設計自由度の高い半導体受光素子を実現することができる。
これによって、各ｐｎ接合部におけるｐ型層およびｎ型層の配置を、他のｐｎ接合部におけるｐ型層およびｎ型層の配置に影響されること無く自由に設定することができるので、設計自由度の高い半導体受光素子を実現することができる。
また、前記半導体受光素子は、第１のｐｎ接合部と、前記第１のｐｎ接合部上方の第２のｐｎ接合部と、前記第２のｐｎ接合部上方の第３のｐｎ接合部とを有し、前記第１のｐｎ接合部の禁制帯幅は、前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅より小さく、前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅は、前記第３のｐｎ接合部の禁制帯幅より小さくてもよいし、前記第１のｐｎ接合部の禁制帯幅は、赤色光の波長に相当するエネルギーよりも小さく、前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅は、緑色光の波長に相当するエネルギーよりも小さく、前記第３のｐｎ接合部の禁制帯幅は、青色光の波長に相当するエネルギーよりも小さくてもよい。
これによって、第１のｐｎ接合部が赤色光の波長域に吸収ピークを持ち、第２のｐｎ接合部が緑色光の波長域に吸収ピークを持ち、第３のｐｎ接合部が青色光の波長域に吸収ピークを持つように設計することができるので、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を更に高める半導体受光素子を実現することができる。
また、前記ｐｎ接合分離層は、所定の波長の光を選択的に透過させてもよいし、前記ｐｎ接合分離層は、屈折率の異なる少なくとも２種類の層を積層させて構成されてもよい。
これによって、他のｐｎ接合部に染み出る光を完全にカットすることができるので、より鮮明に光の色分離ができ、固体撮像素子の画像の鮮明度の向上を可能にする半導体受光素子を実現することができる。
これによって、他のｐｎ接合部に染み出る光を完全にカットすることができるので、より鮮明に光の色分離ができ、固体撮像素子の画像の鮮明度の向上を可能にする半導体受光素子を実現することができる。
また、本発明は、基板上に第１のｐｎ接合部を形成する第１のｐｎ接合部形成工程と、前記第１のｐｎ接合部上に第１のｐｎ接合分離層を形成する第１のｐｎ接合分離層形成工程と、前記第１のｐｎ接合分離層に開口部を形成する第１の開口部形成工程と、前記第１のｐｎ接合分離層上に第２のｐｎ接合部を形成する第２のｐｎ接合部形成工程とを含むことを特徴とする半導体受光素子の製造方法とすることもできる。ここで、前記第１のｐｎ接合部形成工程において、赤色光に対して感度が最大となる位置にｐｎ接合面を形成して前記第１のｐｎ接合部を形成し、前記第２のｐｎ接合部形成工程において、緑色光に対して感度が最大となる位置にｐｎ接合面を形成して前記第２のｐｎ接合部を形成し、前記第３のｐｎ接合部形成工程において、青色光に対して感度が最大となる位置にｐｎ接合面を形成して前記第３のｐｎ接合部を形成してもよい。
これによって、固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子の製造方法を実現することができる。また、固体撮像素子の高解像度化を可能にする半導体受光素子の製造方法を実現することができる。また、固体撮像素子に対する更なる小型化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子の製造方法を実現することができる。また、高い設計自由度を有する半導体受光素子の製造方法を実現することができる。
また、前記第１のｐｎ接合部形成工程及び前記第２のｐｎ接合部形成工程において、エピタキシャル成長法により前記第１のｐｎ接合部及び前記第２のｐｎ接合部を形成してもよいし、前記第３のｐｎ接合部形成工程において、エピタキシャル成長法により前記第３のｐｎ接合部を形成してもよい。
これによって、半導体受光素子を簡易に作製することができるので、歩留まりによるコストの上昇を抑制する半導体受光素子の製造方法を実現することができる。また、結晶性が良好な半導体受光素子の製造方法を実現することができる。
また、前記第１のｐｎ接合分離層形成工程において、前記第１のｐｎ接合分離層の面内方向において同心状で相似な形状を有する開口部を形成してもよい。
これによって、高感度の半導体受光素子の製造方法を実現することができる。
これによって、高感度の半導体受光素子の製造方法を実現することができる。
また、前記半導体受光素子は、さらに、第２のｐｎ接合部上に第２のｐｎ接合分離層を形成する第２のｐｎ接合分離層形成工程と、前記第２のｐｎ接合分離層に開口部を形成する第２の開口部形成工程と、前記第２のｐｎ接合分離層上に第３のｐｎ接合部を形成する第３のｐｎ接合部形成工程とを含み、前記第１のｐｎ接合部形成工程、前記第２のｐｎ接合部形成工程及び前記第３のｐｎ接合部形成工程において、それぞれ禁制帯幅の異なる前記第１のｐｎ接合部、前記第２のｐｎ接合部及び前記第３のｐｎ接合部を形成してもよい。
これによって、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を更に高める半導体受光素子の製造方法を実現することができる。
また、前記ｐｎ接合分離層は、絶縁層であってもよい。
また、前記ｐｎ接合分離層は、絶縁層であってもよい。
これによって、設計自由度の高い半導体受光素子の製造方法を実現することができる。
以上説明したように、本発明に係る半導体受光素子によれば、固体撮像素子に対する更なる高画質化・低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子及びその製造方法を実現することができる。また、高感度の半導体受光素子及びその製造方法を実現することができる。また、固体撮像素子の高解像度化を可能にする半導体受光素子及びその製造方法を実現することができる。また、固体撮像素子の小型化を可能にする半導体受光素子及びその製造方法を実現することができる。また、設計自由度の高い半導体受光素子及びその製造方法を実現することができる。
よって、本発明により、固体撮像素子に対する更なる高画質化、小型化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子及びその製造方法を提供することが可能となり、高性能な固体撮像素子を実現することができ、実用的価値は極めて高い。
以下、本発明の実施の形態における半導体受光素子について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第1の実施の形態の半導体受光素子の構造を示す概略断面図である。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第1の実施の形態の半導体受光素子の構造を示す概略断面図である。
半導体受光素子は、Ｓｉ等から構成される半導体基板（図外）と、エピタキシャル成長法により半導体基板上に形成されたエピタキシャル層１とを有する。エピタキシャル層１は、第１のｐｎ接合部２と、第１の絶縁層３と、第２のｐｎ接合部４と、第２の絶縁層５と、第３のｐｎ接合部６とが順次積層されてなる。このとき、半導体受光素子への入射光は、第３のｐｎ接合部６、第２のｐｎ接合部４、第１のｐｎ接合部２に順次入る。
第１のｐｎ接合部２は、ｎ型層２ａとｐ型層２ｂとから構成され、第２のｐｎ接合部４は、ｎ型層４ａとｐ型層４ｂとから構成され、第３のｐｎ接合部６は、ｎ型層６ａとｐ型層６ｂとから構成される。
ここで、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６は、その全てが単結晶Ｓｉで形成されていても良いし、それぞれ異なる禁制帯幅を有している場合でも良い。すなわち、第１のｐｎ接合部２は、赤色光の波長に相当するエネルギーよりも小さい禁制帯幅を有しており、第２のｐｎ接合部４は、第１のｐｎ接合部２の禁制帯幅より大きく、緑色光の波長に相当するエネルギーより小さい禁制帯幅を有しており、さらに、第３のｐｎ接合部６は、第２のｐｎ接合部４の禁制帯幅より大きく、青色光の波長に相当するエネルギーより小さい禁制帯幅を有している。
第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６を構成する半導体材料としては、例えばＳｉあるいはアモルファスＳｉ、微結晶Ｓｉ、ＳｉＣ、アモルファスＳｉＣ、微結晶ＳｉＣの中から、感度ができるだけ大きくなる材料・組成を選ぶことが望ましい。具体例としては、第１のｐｎ接合部２を構成する半導体材料として単結晶Ｓｉ、第２のｐｎ接合部４を構成する半導体材料として微結晶あるいはアモルファスＳｉ、第３のｐｎ接合部６を構成する半導体材料として単結晶ＳｉＣ（立方晶が望ましい）がある。
第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６はそれぞれ異なる位置にｐｎ接合面を有し、半導体受光素子の光入射面と各ｐｎ接合部のｐｎ接合面との相対位置は各ｐｎ接合部でそれぞれ異なる。すなわち、第１のｐｎ接合部２は、第１のｐｎ接合部２を構成する半導体材料の赤色光の吸収深さにより決定された位置、つまり赤色光に感度が最大となる位置にｐｎ接合面を有する。また、第２のｐｎ接合部４は、第２のｐｎ接合部４を構成する半導体材料の緑色光の吸収深さにより決定された位置、つまり緑色光に感度が最大となる位置にｐｎ接合面を有する。さらに、第３のｐｎ接合部６は、第３のｐｎ接合部６を構成する半導体材料の青色光の吸収深さにより決定された位置、つまり青色光に感度が最大となる位置にｐｎ接合面を有する。
第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６を構成する半導体材料として、例えばそれぞれ、単結晶Ｓｉ、微結晶あるいはアモルファスＳｉ、単結晶ＳｉＣが用いられた場合には、半導体受光素子の光入射面からの第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６のｐｎ接合深さは、それぞれ３μｍ、１μｍ、０．４μｍとされる。
第１の絶縁層３は、第１のｐｎ接合部２と第２のｐｎ接合部４とを電気的に分離する。第１の絶縁層３には開口部が形成されており、第１のｐｎ接合部２と第２のｐｎ接合部４とはこの開口部を介して接する。
第２の絶縁層５は、第２のｐｎ接合部４と第３のｐｎ接合部６とを電気的に分離する。第２の絶縁層５には開口部が形成されており、第２のｐｎ接合部４と第３のｐｎ接合部６とはこの開口部を介して接する。
第１の絶縁層３及び第２の絶縁層５を構成する材料としては、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5等がある。なお、吸収による損失を避けるため、可視光で透明な材料であることが望ましい。
以上のような構造を有する半導体受光素子において、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６は、それぞれ異なる波長域の光を光電変換するフォトダイオードを形成する。すなわち、第１のｐｎ接合部２は、入射光のうちの例えば５７５〜７００ｎｍの波長域の光、つまり赤色光を光電変換するフォトダイオードを形成する。また、第２のｐｎ接合部４は、例えば４９０〜５７５ｎｍ波長域の光、つまり緑色光を光電変換するフォトダイオードを形成する。さらに、第３のｐｎ接合部６は、例えば４００〜４９０ｎｍの波長域の光、つまり青色光を光電変換するフォトダイオードを形成する。
次に、上記構造を有する半導体受光素子の製造方法について図２に示す半導体受光素子の概略断面図に沿って説明する。
まず、図２（ａ）に示されるように、エピタキシャル成長法によりＳｉ基板（図外）上に、単結晶Ｓｉから構成される第１のｐｎ接合部２を形成する。その後、プラズマＣＶＤ法（気相堆積法）により第１のｐｎ接合部２上、第１の絶縁層３を形成する。そして、電子ビーム露光等によるリソグラフィーとエッチングにより、ドーナツ状あるいはストライプ状の開口部を第１の絶縁層３に形成する。
まず、図２（ａ）に示されるように、エピタキシャル成長法によりＳｉ基板（図外）上に、単結晶Ｓｉから構成される第１のｐｎ接合部２を形成する。その後、プラズマＣＶＤ法（気相堆積法）により第１のｐｎ接合部２上、第１の絶縁層３を形成する。そして、電子ビーム露光等によるリソグラフィーとエッチングにより、ドーナツ状あるいはストライプ状の開口部を第１の絶縁層３に形成する。
次に、図２（ｂ）に示されるように、第１の絶縁膜３の開口部を介して第１のｐｎ接合部２上に再成長させるように、気相成長法により第１の絶縁層３上に、微結晶Ｓｉから構成される第２のｐｎ接合部４を形成する。
次に、図２（ｃ）に示されるように、プラズマＣＶＤ法（気相堆積法）により第２の絶縁層５を形成する。その後、電子ビーム露光等によるリソグラフィーとエッチングにより、ストライプ状あるいはドーナツ状の開口部を第２の絶縁層５に形成する。
次に、図２（ｄ）に示されるように、第２の絶縁膜５の開口部を介して第２のｐｎ接合部４上に再成長させるように、エピタキシャル成長法により第２の絶縁層５上に、単結晶ＳｉＣから構成される第３のｐｎ接合部６を形成する。
ここで、エピタキシャル成長法あるいは気相成長法において、Ｓｉ原料としてはモノシランをＣ原料としてはプロパンが用いられる。
以上のように本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１のｐｎ接合部２は赤色光を光電変換し、第２のｐｎ接合部４は緑色光を光電変換し、第３のｐｎ接合部６は青色光を光電変換する。よって、１つの半導体受光素子への入射光に含まれる赤色光成分、緑色光成分および青色光成分を全て利用することができ、光の利用効率を高めることができるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を高めることができるため、固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。また、同一位置での光３原色のセンシングが可能となるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子の高解像度化を可能にする半導体受光素子を実現することができる。さらに、カラー化を行うために、固体撮像素子にカラーフィルタを用意し、さらに赤色光、緑色光および青色光を光電変換するための半導体受光素子を別々に、同一平面内に用意する必要が無くなるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子に対する更なる小型化の要求、及び低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。
以上のように本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１のｐｎ接合部２は赤色光を光電変換し、第２のｐｎ接合部４は緑色光を光電変換し、第３のｐｎ接合部６は青色光を光電変換する。よって、１つの半導体受光素子への入射光に含まれる赤色光成分、緑色光成分および青色光成分を全て利用することができ、光の利用効率を高めることができるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を高めることができるため、固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。また、同一位置での光３原色のセンシングが可能となるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子の高解像度化を可能にする半導体受光素子を実現することができる。さらに、カラー化を行うために、固体撮像素子にカラーフィルタを用意し、さらに赤色光、緑色光および青色光を光電変換するための半導体受光素子を別々に、同一平面内に用意する必要が無くなるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子に対する更なる小型化の要求、及び低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。
また、本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６は異なる禁制帯幅を有する。よって、第１のｐｎ接合部２が赤色光の波長域に吸収ピークを持ち、第２のｐｎ接合部４が緑色光の波長域に吸収ピークを持ち、第３のｐｎ接合部６が青色光の波長域に吸収ピークを持つように設計することができるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を更に高める半導体受光素子を実現することができる。
例えば、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６を構成する半導体材料としてそれぞれＳｉ、微結晶あるいはアモルファスＳｉ、単結晶ＳｉＣを用いた場合には、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６の最大感度波長はそれぞれ７５０ｎｍ、５５０ｎｍ、４５０ｎｍとなる。
また、本実施の形態の半導体受光素子は、エピタキシャル成長法により作製される。よって、半導体受光素子の結晶性が向上し感度を向上させることができるので、撮像画像の色再現性をさらに高めることができる。また、チップ面積を低減でき、低コストの半導体受光素子を実現することができる。
また、本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６の間には、第１の絶縁層３及び第２の絶縁層５が形成される。よって、ｐｎ接合部おけるｐ型およびｎ型の領域の配置を、他のｐｎ接合部におけるｐ型およびｎ型の領域の配置に影響されること無く自由に設定することができるので、本実施の形態の半導体受光素子は、設計自由度の高い半導体受光素子を実現することができる。また、ｐｎ接合部同士を完全に絶縁することができるので、漏れ電流を低減でき、固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。
また、本実施の形態の半導体受光素子によれば、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６は、第１の絶縁膜３及び第２の絶縁膜５の開口部を介して第１のｐｎ接合部２及び第２のｐｎ接合部４上に再成長させるように、第１の絶縁膜３及び第２の絶縁膜５上に形成される。よって、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６の結晶性が損なわれないので、本実施の形態の半導体受光素子は、高感度の半導体受光素子を実現することができる。また、エピタキシャル成長層は絶縁膜の開口部にある下地結晶を種として横方向に成長し形成され、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６形成に際して結晶性等の下地の第１の絶縁層３及び第２の絶縁層５による制限を受けないので、高い自由度を持ってｐｎ接合部を構成する半導体材料を選択できる、つまり高い設計自由度を有する半導体受光素子を実現することができる。
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態の半導体受光素子の構造を示す概略断面図である。なお、図１と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
図３は、本発明の第２の実施の形態の半導体受光素子の構造を示す概略断面図である。なお、図１と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
半導体受光素子は、半導体基板（図外）と、エピタキシャル成長法あるいは気相成長法により半導体基板上に形成されたエピタキシャル層１１とを有する。エピタキシャル層１１は、第１のｐｎ接合部２と、第１のｐｎ接合部２及び第２のｐｎ接合部４と異なる屈折率を有する第１の絶縁層１２と、第２のｐｎ接合部４と、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６と異なる屈折率を有する第２の絶縁層１３と、第３のｐｎ接合部６と、第３のｐｎ接合部６と異なる屈折率を有する第３の絶縁層１４とが順次積層されてなる。
図４（ａ）は、第１の絶縁層１２の外観図であり、図４（ｂ）は、第２の絶縁層１３の外観図であり、図４（ｃ）は、第３の絶縁層１４の外観図である。
第１の絶縁層１２は、積層構造を含み、第１のｐｎ接合部２と第２のｐｎ接合部４とを電気的に分離する。積層方向には、屈折率周期構造が形成される。すなわち、最上層をはじめ奇数層には低屈折率材料からなる低屈折率層１２ａが、上から２番目の層をはじめ偶数層には高屈折率材料からなる高屈折率層１２ｂが交互に配置される。一方、面内方向には、同心状で相似な円形状を呈する周期構造が形成される。すなわち、最上層の中央の開口及びそれを囲むドーナツ状の開口が、それぞれ第１の絶縁層１２を貫通するように、最下層に向けて垂直に空けられている。開口幅（図４（ａ）におけるＡ）は一定であり、隣り合う２つの開口の間隔（図４（ａ）におけるＢ）は、外側になるほど小さくなる。
第１の絶縁層１２は、積層構造を含み、第１のｐｎ接合部２と第２のｐｎ接合部４とを電気的に分離する。積層方向には、屈折率周期構造が形成される。すなわち、最上層をはじめ奇数層には低屈折率材料からなる低屈折率層１２ａが、上から２番目の層をはじめ偶数層には高屈折率材料からなる高屈折率層１２ｂが交互に配置される。一方、面内方向には、同心状で相似な円形状を呈する周期構造が形成される。すなわち、最上層の中央の開口及びそれを囲むドーナツ状の開口が、それぞれ第１の絶縁層１２を貫通するように、最下層に向けて垂直に空けられている。開口幅（図４（ａ）におけるＡ）は一定であり、隣り合う２つの開口の間隔（図４（ａ）におけるＢ）は、外側になるほど小さくなる。
第２の絶縁層１３は、積層構造を含み、第２のｐｎ接合部４と第３のｐｎ接合部６とを電気的に分離する。積層方向には、屈折率周期構造が形成される。すなわち、最上層をはじめ奇数層には低屈折率材料からなる低屈折率層１３ａが、上から２番目の層をはじめ偶数層には高屈折率材料からなる高屈折率層１３ｂが交互に配置される。一方、面内方向には、第１の絶縁層１２と同様の同心状で相似な円形状を呈する周期構造が形成される。
第３の絶縁層１４は、積層構造を有する。積層方向には、屈折率周期構造が形成される。すなわち、最上層をはじめ奇数層には低屈折率材料からなる低屈折率層１４ａが、上から２番目の層をはじめ偶数層には高屈折率材料からなる高屈折率層１４ｂが交互に配置される。一方、面内方向には、第１の絶縁層１２と同様の同心状で相似な円形状を呈する周期構造が形成される。
低屈折率層１２ａ、１３ａ、１４ａを構成する材料としては、例えばＳｉＯ2等があり、高屈折率層１２ｂ、１３ｂ、１４ｂを構成する材料としては、例えばＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5等がある。なお、吸収による損失を避けるため、可視光で透明な材料であることが好ましい。低屈折率層１２ａ、１３ａ、１４ａを構成する材料としてＳｉＯ2、高屈折率層１２ｂ、１３ｂ、１４ｂを構成する材料としてＴｉＯ2を用いた場合には、低屈折率層１２ａの層厚は９４ｎｍ、高屈折率層１２ｂの層厚は５５ｎｍとされ、低屈折率層１３ａの層厚は７７ｎｍ、高屈折率層１３ｂの層厚は４５ｎｍとされ、低屈折率層１４ａの層厚は６０ｎｍ、高屈折率層１４ｂの層厚は３５ｎｍとされる。このような膜厚構成とすることで、絶縁層１２は波長５５０ｎｍの光に対して高反射率を有し、絶縁層１３は波長４５０ｎｍの光に対して高反射率を有し、絶縁層１４は波長３５０ｎｍの光に対して高反射率を有する構成とすることができる。すなわち、このような構成とすることで、第３のｐｎ接合部、第２のｐｎ接合部及び第1の接合部での受光感度をさらに向上させることができる。このとき、この同心円状の開口部を有する構造はいわゆるフォトニック結晶と呼ばれる周期構造であり、前述の縦方向の屈折率周期構造と合わせて色分離及び集光機能を実現する。絶縁膜１２の開口幅は１８０ｎｍ、絶縁膜１３の開口幅は１５０nm、絶縁膜１４の開口幅は１２０nmであることが望ましい。
以下、本実施の形態の半導体受光素子の製造方法について、図５に示す半導体受光素子の概略断面図に沿って説明する。なお、図１と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
まず、図５（ａ）に示されるように、エピタキシャル成長法によりＳｉ基板（図外）上に、単結晶Ｓｉから構成される第１のｐｎ接合部２を形成する。その後、プラズマＣＶＤ法（気相堆積法）により第１のｐｎ接合部２上に、ＳｉＯ2から構成される低屈折率層１２ａ及びＴｉＯ2から構成される高屈折率層１２ｂを交互に形成し、第１の絶縁層１２を形成する。そして、電子ビーム露光等によるリソグラフィーとエッチングにより、面内方向において同心状で相似な円状の空洞を第１の絶縁層１２に形成し、第１の絶縁層１２を開口する。
次に、図５（ｂ）に示されるように、気相成長あるいはプラズマ気相成長法により第１の絶縁層１２上に、第１の絶縁膜１２の開口部を介して第１のｐｎ接合部２上に再成長させるように、微結晶Ｓｉから構成される第２のｐｎ接合部４を形成する。
次に、図５（ｃ）に示されるように、プラズマＣＶＤ法により第２のｐｎ接合部４上に、ＳｉＯ2から構成される低屈折率層１３ａ及びＴｉＯ2から構成される高屈折率層１３ｂを交互に形成し、第２の絶縁層１３を形成する。そして、電子ビーム露光等によるリソグラフィーとエッチングにより、面内方向において同心状で相似な円状の空洞を第２の絶縁層１３に形成し、第２の絶縁層１３を開口する。
次に、図５（ｄ）に示されるように、エピタキシャル成長法により第２の絶縁層１３上に、第２の絶縁膜１３の開口部を介して第２のｐｎ接合部４上に再成長させるように、単結晶ＳｉＣ（立方晶が望ましい）から構成される第３のｐｎ接合部６を形成する。その後、プラズマＣＶＤ法により第２のｐｎ接合部４上に、ＳｉＯ2から構成される低屈折率層１４ａ及びＴｉＯ2から構成される高屈折率層１４ｂを交互に形成し、第３の絶縁層１４を形成する。そして、電子ビーム露光等によるリソグラフィーとエッチングにより、面内方向において同心状で相似な円状の空洞を第３の絶縁層１４に形成し、第３の絶縁層１４を開口する。
以上のように本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１の実施の形態の半導体受光素子と同様の理由により、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を高め、固体撮像素子に対する更なる高画質化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。また、固体撮像素子の高解像度化を可能にする半導体受光素子を実現することができる。さらに、固体撮像素子に対する更なる小型化の要求、及び低コスト化の要求に応えることを可能にする半導体受光素子を実現することができる。
また、本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１の絶縁層１２、第２の絶縁層１３及び第３の絶縁層１４は、積層方向に屈折率周期構造を有し、低屈折率層１２ａ、１３ａ、１４ａ高屈折率層１２ｂ、１３ｂ、１４ｂのそれぞれの層厚と屈折率とによって透過波長が決まるため、第１の絶縁層１２、第２の絶縁層１３及び第３の絶縁層１４は、特定の光に対し大きな反射率を有する、いわゆるフィルタとして機能する。よって、第１のｐｎ接合部２、第２のｐｎ接合部４及び第３のｐｎ接合部６のそれぞれに赤色光、緑色光、青色光を確実に導くことができるので、本実施の形態の半導体受光素子は、固体撮像素子の撮像画像の色再現性を更に高める半導体受光素子を実現することができる。
また、本実施の形態の半導体受光素子によれば、第１の絶縁層１２、第２の絶縁層１３及び第３の絶縁層１４は、面内方向に同心状で相似な円形状を呈する周期構造、いわゆるフォトニック結晶構造を有する。よって、第１の絶縁層１２、第２の絶縁層１３及び第３の絶縁層１４にいわゆるデジタルマイクロレンズ機能を持たせ、入射光をｐｎ接合部で集光させることができるので、本実施の形態の半導体受光素子は、高感度の半導体受光素子を実現することができる。すなわち、この構成により、受光素子と集光機能を有する素子とをモノリシックに形成することができる。
以上、本発明に係る半導体受光素子について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形または修正が可能であることはいうまでもない。
例えば、上記実施の形態では、第１のｐｎ接合部、第２のｐｎ接合部及び第３のｐｎ接合部の間及び第３のｐｎ接合部上には、第１の絶縁層、第２の絶縁層及び第３の絶縁層が形成されるとした。しかし、第１のｐｎ接合部、第２のｐｎ接合部及び第３のｐｎ接合部の間及び第３のｐｎ接合部上には、上記３層のｐｎ接合受光素子の機能が損なわれない限りは低抵抗の層が形成されても構わない。
本発明は、半導体受光素子に利用でき、特にＣＣＤあるいはＣＭＯＳ型固体撮像素子の半導体受光素子等に利用することができる。
１、１１ エピタキシャル層
２ 第１のｐｎ接合部
２ａ、４ａ、６ａ ｎ型層
２ｂ、４ｂ、６ｂ ｐ型層
３、１２ 第１の絶縁層
４ 第２のｐｎ接合部
５、１３ 第２の絶縁層
６ 第３のｐｎ接合部
１２ａ、１３ａ、１４ａ 低屈折率層
１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ 高屈折率層
１４ 第３の絶縁層
２０ シリコン基板
２１ 半導体受光素子
２２ カラーフィルタ
２３ 出力アンプ
２４ ＭＯＳトランジスタ
２ 第１のｐｎ接合部
２ａ、４ａ、６ａ ｎ型層
２ｂ、４ｂ、６ｂ ｐ型層
３、１２ 第１の絶縁層
４ 第２のｐｎ接合部
５、１３ 第２の絶縁層
６ 第３のｐｎ接合部
１２ａ、１３ａ、１４ａ 低屈折率層
１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ 高屈折率層
１４ 第３の絶縁層
２０ シリコン基板
２１ 半導体受光素子
２２ カラーフィルタ
２３ 出力アンプ
２４ ＭＯＳトランジスタ
Claims (12)
- 入射光を光電変換する半導体受光素子であって、
積層された複数のｐｎ接合部と、
隣り合う前記ｐｎ接合部の間に形成されたｐｎ接合分離層とを備え、
前記ｐｎ接合分離層は、開口部を有し、
前記複数のｐｎ接合部は、前記開口部を介して隣り合い、
前記開口部は、前記ｐｎ接合分離層の面内方向において同心状で相似な形状を有し、
前記ｐｎ接合分離層は、前記ｐｎ接合分離層を通過する光の焦点を前記ｐｎ接合分離層下方に位置する前記ｐｎ接合部のｐｎ接合面で結ばせる
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 前記ｐｎ接合分離層は、隣り合う前記ｐｎ接合部と異なる屈折率を有する材質を含み、集光機能を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。 - 前記ｐｎ接合分離層は、絶縁層を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体受光素子。 - 前記半導体受光素子は、第１のｐｎ接合部と、前記第１のｐｎ接合部上方の第２のｐｎ接合部と、前記第２のｐｎ接合部上方の第３のｐｎ接合部とを有し、
前記第１のｐｎ接合部の禁制帯幅は、前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅より小さく、
前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅は、前記第３のｐｎ接合部の禁制帯幅より小さい
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体受光素子。 - 前記第１のｐｎ接合部の禁制帯幅は、赤色光の波長に相当するエネルギーよりも小さく、
前記第２のｐｎ接合部の禁制帯幅は、緑色光の波長に相当するエネルギーよりも小さく、
前記第３のｐｎ接合部の禁制帯幅は、青色光の波長に相当するエネルギーよりも小さい
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体受光素子。 - 前記第１のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、赤色光に対して感度が最大となる位置に形成され、
前記第２のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、緑色光に対して感度が最大となる位置に形成され、
前記第３のｐｎ接合部のｐｎ接合面は、青色光に対して感度が最大となる位置に形成される
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体受光素子。 - 前記ｐｎ接合分離層は、Ｏを含む材料により構成される
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体受光素子。 - 前記ｐｎ接合分離層は、ＳｉＯ2あるいはＳｉＮにより構成される
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体受光素子。 - 前記ｐｎ接合分離層は、所定の波長の光を選択的に透過させる
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体受光素子。 - 前記ｐｎ接合分離層は、屈折率の異なる少なくとも２種類の層を積層させて構成される
ことを特徴とする請求９に記載の半導体受光素子。 - 前記複数のｐｎ接合部は、それぞれＳｉを含む半導体材料により構成される
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体受光素子。 - 前記複数のｐｎ接合部のうちの少なくとも１つは、アモルファスＳｉ、微結晶Ｓｉ、単結晶ＳｉＣ、アモルファスＳｉＣ、微結晶ＳｉＣにより構成される
ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体受光素子。
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