JP6138018B2 - 赤外線固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、２次元配列した量子型半導体検知部画素で赤外光を検出する赤外線固体撮像素子に関し、特に、ＳｂまたはＩｎを必ず含み、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｓ、Ａｌの元素のうち少なくとも２種類の元素から成る、化合物半導体検知部画素、または、タイプ２超格子型検知部画素を備えた赤外線固体撮像素子に関する。

量子型赤外線固体撮像素子は、赤外光をフォトンとして扱い、半導体におけるフォトンと電子の相互作用を利用するため、高感度で応答速度が速いという利点を有し、この高感度・高応答速度性から、様々な用途においてキーデバイスとなっている。この量子型赤外線固体撮像素子の方式としては、赤外光吸収が可能なナローバンドギャップ材料を用いる真性方式があり、材料には、化合物半導体であるＨｇＣｄＴｅやＩｎＳｂ等が用いられる。また、近年注目を集めている他の方式としては、タイプ２超格子方式がある。タイプ２超格子方式は、ＧａＳｂ基板上で、例えばＩｎＡｓとＧａＳｂ（またはＧａＩｎＳｂ）の薄層からなるＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体系超格子を形成し、この超格子構造で生じるミニバンド間かつ層間遷移を利用して、赤外光吸収を行う。３〜２５μｍまでカットオフ波長が調整可能であり、ＨｇＣｄＴｅ真性方式のように組成でなく、膜厚で波長を調整可能である。タイプ２超格子方式は、ＨｇＣｄＴｅ真性方式に比べキャリアの有効質量が大きく、理論上同じカットオフ波長で波長１０μｍ帯では３０Ｋ、波長３〜５μｍ帯では１０Ｋ高温で動作するとされる。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体技術が適用可能であることから、ＨｇＣｄＴｅ真性方式と比較し、製造がより容易で低コスト化が望め、現在活発な開発が進められている。このような、真性方式の化合物半導体検知部、または、タイプ２超格子方式の検知部を有する、従来の量子型赤外線固体撮像素子画素では、溝（メサ）構造を形成し、その溝部に絶縁層を埋め込むことで画素間を分離している（非特許文献１）。

Manijeh Razeghi他 "State-of-the-art Type II Antimonide-based superlattice photodiodes for infrared detection and imaging", Proc. of SPIE, Vol. 7467, pp.74670T (Figure 4, Figure 7)

量子型赤外線固体撮像素子の材料にバンドギャップが狭い材料系を用いた場合、暗電流ノイズを低減するために７７〜１５０Ｋ程度に冷却しなくてはならず、冷凍手段が必要となる。このため、量子型赤外線固体撮像素子を赤外光カメラに応用した際のサイズや消費電力が増大する。ここで、同一温度での暗電流値を低減できれば、画像の高Ｓ／Ｎ化はもとより、高温での動作も可能となり、冷凍手段のサイズ縮小、消費電力の低減が実現できる。このため、暗電流ノイズの低減は非常に重要である。

しかしながら、ＳｂまたはＩｎを必ず含み、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｓ、Ａｌの元素のうち少なくとも２種類の元素から成る、化合物半導体検知部（例えば、ＩｎＳｂやＩｎＡｓＳｂやＩｎＡｓ等の化合物半導体検知部）、または、タイプ２超格子型検知部（例えば、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子、ＩｎＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂタイプ２超格子等を用いた検知部）を有する量子型赤外線固体撮像素子の画素では、上述のような利点を有する反面、ＳＲＨ（Schockley-Read-Hall）生成に起因した漏れ電流が高く、暗電流が高いという問題があった。特に、後者のタイプ２超格子型についての理論上の特性予測では、ＨｇＣｄＴｅ真性方式に比べ、同じカットオフ波長で、１０μｍ帯では３０Ｋ、３〜５μｍ帯では１０Ｋ高温で動作するとされるが、ＳＲＨ生成に起因した漏れ電流が高いため、理論上の特性予測値を達成できない。

そこで、本発明は、ＳｂまたはＩｎを必ず含み、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｓ、Ａｌの元素のうち少なくとも２種類の元素から成る、化合物半導体検知部、または、タイプ２超格子型検知部を有する、量子型の赤外線固体撮像素子であって、感度特性（量子効率）を損なうことなく、ＳＲＨ生成に起因した漏れ電流を含む全暗電流ノイズの総量を低減した赤外線固体撮像素子の提供を目的とする。

本発明は、複数の単位検知部をマトリックス状に設けた赤外線固体撮像素子であって、単位検知部は、赤外光誘導層と、赤外光誘導層の上に設けられた第１反射層と、第１反射層の上に設けられた赤外光検知部であって、赤外光を吸収する赤外光吸収層と、赤外光吸収層の上に設けられた上部コンタクト層と、赤外光吸収層の下に設けられた下部コンタクト層とを含む赤外光検知部と、上部コンタクト層に電気的に接続された第１メタル配線と、を含み、単位検知部の側壁は、赤外光誘導層の底面の法線方向に対して４５°未満のテーパ角で傾斜して、隣り合う単位検知部の間に溝部を形成し、単位検知部の側壁の上に第１絶縁層が設けられ、第１絶縁層の上に第２メタル配線が設けられ、第１反射層の屈折率は、下部コンタクト層の屈折率より小さいことを特徴とする赤外線固体撮像素子である。

本発明の赤外線固体撮像素子では、マルチパスによる長い光線距離で赤外光を吸収し、感度特性（量子効率）の向上が可能となる。この結果、赤外光吸収層の体積を従来に比べて低減でき、また赤外光吸収層の体積に比例して発生する暗電流を低減でき、高Ｓ／Ｎ化及び高温動作が可能になるとともに、隣接画素への赤外光の漏れに起因するクロストークも防止できる。

本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子の平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子の斜視図である。 従来の赤外線固体撮像素子の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。 第２の反射層が無い場合の隣接画素への赤外光の漏れ込みについての説明図である。 本発明の実施の形態２にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。 本発明の実施の形態５で用いられるシャローエッチ形状ｎＢｎ型検知部画素の断面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。また、図２は、図１と直交する方向における、赤外線固体撮像素子１００の断面図である。なお、図１の断面方向（紙面では横方向）を第１の方向、図２の断面方向を第２の方向という。

赤外線固体撮像素子１００は、第１方向および第２方向に、マトリックス状に配置された複数の単位画素１５を含む。単位画素１５は、赤外光を吸収する赤外光吸収層３と、赤外光吸収層３の上に形成された上部コンタクト層４と、赤外光吸収層３の下に形成された下部コンタクト層５とを有し、これらの層がｐｉｎ構造となる。上部コンタクト層４の上には、上部コンタクト層４に接続された第１のメタル配線１０、下部コンタクト層５の下には、下部コンタクト層５より屈折率が小さい第１の反射層６を有する。第１の反射層６の下には、第１の反射層６より屈折率が大きい赤外光誘導層７を、赤外光誘導層７の下には赤外光誘導層７より屈折率が小さい第２の反射層８を有する。第２の反射層８の下には、任意の層が存在しても構わない。

後述するように、単位画素１５は、化合物半導体基板（図示せず）の上に結晶成長により形成され、その後、化合物半導体基板は裏面側から薄膜化が行われる。図１、２には示されていないが、薄膜化された化合物半導体基板の一部が、第２の反射層８の下に残っていても構わないし、図１、２のように第２の反射層８より下に残った層が無くても良い。

単位画素１５は、ＳｂまたはＩｎを必ず含み、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｓ、Ａｌの元素のうち少なくとも２種類の元素から成る、化合物半導体検知部、または、タイプ２超格子型検知部により構成される。

化合物半導体検知部としては、例えば、ＩｎＳｂやＩｎＡｓＳｂやＩｎＡｓ等の化合物半導体検知部が用いられる。ＩｎＳｂを例としてあげると、検知部はｐｉｎ構造で形成され、すなわち、上部コンタクト層４はｐ型ＩｎＳｂ層、赤外光吸収層３は低不純物濃度ＩｎＳｂ層、下部コンタクト層５はｎ型ＩｎＳｂ層で形成される。もちろん、ｐ型とｎ型の位置を逆にし、ｎｉｐ構造として、上部コンタクト層４をｎ型ＩｎＳｂ層、下部コンタクト層５をｐ型ＩｎＳｂ層としても良い。

一方、タイプ２超格子型検知部としては、例えば、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子、ＩｎＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂタイプ２超格子等を用いた検知部が用いられる。ＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子を例としてあげると、検知部はｐｉｎ構造で形成され、すなわち、上部コンタクト層４はｐ型ＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子層、赤外光吸収層３は低不純物濃度ＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子層、下部コンタクト層５はｎ型ＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子層で形成される。

ＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子層は、例えば５μｍ以下の波長をカットオフ波長とする中波長赤外の波長帯を狙った設計の場合は、ＧａＳｂ膜とＩｎＡｓ膜の２種類の半導体薄層の組み合わせを用い、ＧａＳｂ膜４モノレイヤ、ＩｎＡｓ膜１０モノレイヤといった膜厚構成で、１００〜６００回積層を繰り返して積層構造を形成することにより得られる。ＧａＳｂ層とＩｎＡｓ層の膜厚構成を変えることにより、赤外光の吸収波長が調整可能となり、所望の吸収波長にあわせて、膜厚構成が形成される。

赤外線固体撮像素子１００では、第２の反射層８の上の単位画素１５をエッチングして溝部を形成し、溝部に区切られて２次元配列した画素アレイを形成する。溝部は、２次元画素アレイの第１の方向、および、第１の方向に垂直な第２の方向の両方向に、第２の反射層８の表面の方線に対して０°より大きく４５°未満の溝テーパ角１を有する。第２の反射層８の少なくともその一部が、溝部の最下部に接して位置する。

溝部の側壁上に第１の絶縁層９が形成され、その上に第２のメタル配線１１が形成される。第２のメタル配線１１は、電気的接続部１６で、下部コンタクト層５と電気的に接続される。電気的接続部１６は、第１の方向のみに形成され、第２の方向には形成されないが、もちろん、第１の方向、および、第２の方向の双方に形成しても良い。

また、図１では、電気的接続部１６は右側の溝部にのみ形成されているが、左側の溝部にのみ形成しても良いし、両側の溝部に形成しても良い。電気的接続部１６が形成された断面において、電気的接続部１６より上部の溝部も、溝テーパ角１と同じ角度の溝テーパ角２で形成される。

溝部は、第２の絶縁層１７で埋め込まれる。第１の絶縁層９には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、フッ化マグネシウム等の絶縁膜が用いられる。第１のメタル配線１０、第２のメタル配線１１には、例えば、金、アルミニウム、チタン、白金や、これらのメタル膜の幾つかを積層した膜等が用いられる。第２の絶縁層１７には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ポリイミド膜、または、これらの幾つかの膜の積層膜等が用いられる。

図３は、本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子１００の平面図であり、２×２の画素アレイを示す。上部平坦領域２６が中央にあり、その周囲に、溝テーパ角２の領域２７、溝テーパ角１の領域２８、第２のメタル配線の下部コンタクト層への電気的接続部を形成する平坦領域２９が存在する。図３では、上部平坦領域２６等の各パターンは矩形としたが、各パターンの角を丸くしても良い。

上述のように、ｐｉｎ構造の検知部、即ち化合物半導体検知部やタイプ２超格子型検知部は、一般的には、ＧａＳｂ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＳｂ基板、ＩｎＰ基板等の化合物半導体基板の上に形成される。

一般的な製造方法では、分子線エピタキシー装置、または、有機金属気相成長装置等を用いて、化合物半導体基板上にバッファ層の結晶成長を行ったあと、連続して、第２の反射層８、赤外光誘導層７、第１の反射層６、下部コンタクト層５、赤外光吸収層３、上部コンタクト層４の結晶成長を行う。

次に、写真製版によるパターニングとエッチング（プラズマを用いたドライエッチングまたは薬液を用いたウェットエッチングのいずれか、または、併用でも構わない。以下、単に「エッチング」と記載する。）等により、溝部を形成する。テーパ角１の溝部とテーパ角２の溝部の２つの溝部を形成するために、例えば、写真製版とエッチングの組み合わせを２段階行う必要がある。

形成された溝部中には、第１の絶縁層９を化学気相成長装置等の装置を用いて堆積させ、写真製版によるパターニングとエッチングにより、上部コンタクト層４を露出するための第１の絶縁層９の開口パターンと、下部コンタクト層５を露出するための第１の絶縁層９の開口パターン（第２のメタル配線の下部コンタクト層への電気的接続部１６の部分）を形成する。

次に、第１のメタル配線１０および第２のメタル配線１１となるメタル配線膜をスパッタ装置等で形成する。メタル配線膜は、写真製版によるパターニングとエッチングにより、第１のメタル配線１０と第２のメタル配線１１に切断される。さらに、化学気相成長装置やスパッタ装置等で、第２の絶縁層１７を埋め込み、写真製版によるパターニングとエッチングにより、第１のメタル配線１０への開口パターンを形成する。蒸着装置やスパッタ装置等で、バンプ電極となるインジウム等のメタル膜を、第１のメタル配線１０へ接続させて形成し、写真製版によるパターニングとエッチングによりバンプ電極１２を形成する。

このように化合物半導体基板上に各層が形成された後、ダイシングによりチップ毎に切り出され、化合物半導体検知部、または、タイプ２超格子型検知部から成る画素の２次元アレイ１８が形成される。形成された画素の２次元アレイ１８は、図４に示すように、従来の量子型赤外線固体撮像素子と同様、シリコン読み出し回路チップ１４と、ハイブリッド接続される。

２次元画素アレイの各画素の第１のメタル配線１０は、例えばインジウムから成るバンプ電極１２と接続されている。また、シリコン読み出し回路チップ１４においても、２次元画素アレイの各画素の電荷出力を読み出すべく、各画素に対応させ読み出し回路入力端子を引き出し、バンプ電極を形成する。

図４に示すように、２次元画素アレイ１８と、シリコン読み出し回路チップ１４は、画素毎に、対応するバンプ電極同志を、バンプ接続（ハイブリッド接続）により機械的かつ電気的に接続する。図４では、２次元アレイ１８の、第２の反射層８が上になるように、２次元アレイ１８とシリコン読み出し回路チップ１４が接続されている。

バンプ接続後に、バンプ接続領域（バンプ電極１２）の隙間に、一般的には、エポキシ樹脂から成るアンダーフィル膜１３が流しこまれる。

その後（または、バンプ接続前でも構わない）、一般的には、化合物半導体基板の裏面側から、研磨、研削またはエッチングのいずれか、もしくはこれらの組み合わせにより、化合物半導体基板の薄膜化が行われる。最終的には、図１、２に示されるように、単位画素１５を２次元配列した２次元アレイ１８が、シリコン読み出し回路チップ１４と、画素毎に、バンプ電極１２とアンダーフィル膜１３により、機械的かつ電気的に接続された、ハイブリッド構造の量子型赤外線固体撮像素子が形成される。図４は、完成したハイブリッド構造の量子型赤外線固体撮像素子の斜視図である。

次に、本実施の形態１にかかる量子型赤外線固体撮像素子の動作について、検知部がｐｉｎ構造で形成されている場合を例に、従来構造（図５）と比較して説明する。

図５は、従来の赤外線固体撮像素子の断面図である。従来の赤外線固体撮像素子では、単位画素１５は、赤外光の吸収を行う低不純物濃度の赤外光吸収層３と、赤外光吸収層３の上のｐ型の上部コンタクト層４と、赤外光吸収層３の下のｎ型の下部コンタクト層５を有し、上部コンタクト層４にはメタル配線２３が接続され、下部コンタクト層５の下にはｎ型のバッファ層２１が形成される。

画素間は、赤外光吸収層３、上部コンタクト層４、下部コンタクト層５に対して、溝部が形成されて分離され、溝部には絶縁層２２が埋め込まれる。上部コンタクト層４は、メタル配線２３で接続され、バンプ１２を介して、シリコン読み出し回路チップ１４とバンプ接続される。バンプ接続後、バンプ接続領域の隙間にエポキシ樹脂から成るアンダーフィル膜１３が流しこまれる。その後、裏面側から化合物半導体基板の薄膜化が行われる。

最終的には、図５に示すように、単位画素１５を２次元配列した２次元アレイ１８が、シリコン読み出し回路チップ１４と、画素毎に、バンプ電極１２とアンダーフィル膜１３により、機械的かつ電気的に接続された、ハイブリッド構造の量子型赤外線固体撮像素子が形成される。

従来の量子型赤外線固体撮像素子では、図５に示すように、裏面（図５の下側）から入射赤外光２０が入射された場合、バッファ層２１、下部コンタクト層５を介して、赤外光吸収層３に入り、更に上部コンタクト層４を介して、メタル配線２３で反射される。反射された赤外光は、逆の経路で、上部コンタクト層４、赤外光吸収層３、下部コンタクト層５、バッファ層２１へ進み、再び外部に出る。この赤外光の経路において、赤外光吸収層３での、下から上への光線経路と、反射後の上から下への光線経路（図５に太い矢印で示す）において、赤外光が赤外光吸収層３で吸収されて光電変換が起こる。このため、赤外光の吸収を高効率で行うためには、吸収層の膜厚を厚くする必要がある。即ち、下から上への光線経路と、反射後の上から下への光線経路の合計距離が十分長くなるように赤外光吸収層３の膜厚を厚くすることが必要となり、例えば、３μｍ以上の膜厚の赤外光吸収層３が用いられる。

次に、本発明の実施の形態にかかる量子型赤外線固体撮像素子１００の動作を、図６を参照しながら説明する。図６は、本発明の実施の形態１にかかる量子型赤外線固体撮像素子１００の断面図である。例えば、裏面（図６の下側）から入射した赤外光２０は、左側の溝側壁上に形成された第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１により反射される。この反射により、赤外光は、再び赤外光誘導層７に戻り、右斜め上方に進む。なお、溝テーパ角１が４５°以上であると、この反射光は水平方向または水平より斜め下方向に進むこととなり、上部の赤外光吸収層３へ光を入射させることができないため、溝テーパ角１は０°より大きく４５°未満とする必要がある。

反射された赤外光２０は赤外光吸収層３内に入射し、赤外光吸収層３内で、右側の溝側壁上に形成された第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１により再度反射され、赤外光吸収層３内を左斜め上方に進む。さらに、赤外光２０は左側の溝側壁上に形成された第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１により反射され、赤外光吸収層３内を右斜め下方に進む。最終的に下部コンタクト層５を介して、下部コンタクト層５と第１の反射層６の界面に到達する。

ここで、上述のように、第１の反射層６は、下部コンタクト層５より、屈折率の低い膜で形成されている。例えば、下部コンタクト層５として屈折率３．８の膜、第１の反射層６として屈折率３．１の膜を使用すると、臨界角は約５５°となる。すなわち、５５°より大きい角度で入射した赤外光は、反射されることとなる。

図６に示した赤外光２０では、下部コンタクト層５と第１の反射層６の界面に到達した赤外光は５５°以上の入射角を有し、この界面でさらに反射し、右斜め上方に進む。そして、再び、右側の溝側壁上に形成された第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１により反射され、左斜め下方に進み、左側の溝側壁上に形成された第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１により反射され、右斜め下方に進む。最後に、下部コンタクト層５と第１の反射層６の界面において、臨界角５５°より入射角が小さくなり、第１の反射層６を通過して赤外光誘導層７に入り、右側の溝側壁に形成された第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１により反射され、第２の反射層８を通って外部に出る。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる量子型赤外線固体撮像素子１００では、赤外光吸収層３内において、溝部上の第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１、および、上部に位置する第１のメタル配線１０（または、第１の絶縁層と第２のメタル配線）、および、下部に位置する第１の反射層により赤外光２０の多重反射が起こる。これにより、マルチパスによる長い光線距離（図６において太線の矢印で示す。）で赤外光吸収を起こすことができる。このように、マルチパスによる長い光線距離で赤外光吸収を実現することにより、吸収効率を向上させるために赤外光吸収層の膜厚を厚くする必要がなくなり、例えば、赤外光吸収層の膜厚を、従来の１／２にすることが可能となる。

更に、上部で反射された赤外光が下部に戻ってきて赤外光誘導層７と第２の反射層８の界面に到達したとき、この界面においても、第２の反射層８は、赤外光誘導層７より、屈折率の低い膜で形成されているため、臨界角より大きい角度でこの界面に入射した赤外光は、この界面で再反射される。例えば、赤外光誘導層７として屈折率３．８の膜、第２の反射層８として屈折率３．１の膜を使用した場合、臨界角は約５５°となり、約５５°より大きい角度で入射した赤外光は、この界面で再反射される。

ここで、図８に示すように、第２の反射膜８がなく、この部分も赤外光誘導層７で形成されている場合、赤外光誘導層７と外部との界面に高入射角度で入射した赤外光は、この界面での反射等により隣接画素に漏れ込み、画素間のクロストーク発生の原因となる。これに対して、本発明の実施の形態１にかかる量子型赤外線固体撮像素子１００では、第２の反射層８の存在により、高入射角度で下部に戻ってきた赤外光が、赤外光誘導層７と第２の反射層８との界面で再反射されて隣接画素には入射しないため、隣接画素への赤外光の漏れを防止できる。

例えば、検知部が、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ等の化合物半導体検知部や、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子、ＩｎＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂタイプ２超格子等を用いた検知部の場合、下部コンタクト層５と赤外光誘導層７には、例えば、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＧａＳｂといった、屈折率が３．５〜４．５の値の単一膜、または、複数の膜の積層膜を用い、第１の反射層６と第２の反射層８には、例えば、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂといった、屈折率が２．８〜３．５の値の単一膜、または、複数の膜の積層膜を用いると、上述の効果が得られる。

ここで、第１の反射層６と第２の反射層８の形成においては、形成する膜の格子定数を、基板および／または赤外光吸収層３の格子定数と極めて近い値にして、格子不整合から生じる格子緩和による転位欠陥の発生を防止する必要がある。なぜならば、赤外光吸収層３の付近において転位欠陥が発生した場合、赤外線固体撮像素子としての特性が著しく低下するためである。本発明の実施の形態１で扱う、ＳｂまたはＩｎを必ず含み、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｓ、Ａｌの元素のうち少なくとも２種類の元素から成る、化合物半導体検知部、または、タイプ２超格子型検知部では、上述のように、下部コンタクト層５と赤外光誘導層７に用いる材料は、例えば、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＧａＳｂとなり、屈折率が３．５〜４．５のように４前後の高い値となるが、これらの膜と格子定数が近く、かつ、屈折率が２．８〜３．５と３前後の低い値となる、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂといった本発明に好適な材料が存在することが、本発明を実現可能にしたといえる。

一方、例えば特開２０１１−７７１６５号公報に記載されたＱＷＩＰ方式では、赤外光吸収層やコンタクト層として、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓが用いられ、屈折率は３前後の低い値となるため、これらの材料と格子定数が近い材料で、これらの材料よりさらに屈折率が低い材料は存在しない。このため、特開２０１１−７７１６５号公報では、反射層の役割の一部を、表面の凹凸構造グレーティングによる反射により代用していたが、この場合、凹凸構造グレーティング領域は、溝部の最下部に接して形成することはできない。なぜならば、溝部の最下部に接して形成すると薄膜化された基板の強度不足が発生するからである。このため、コンタクト層や薄膜化後の基板の残りの層のような領域が、凹凸構造グレーティング領域と溝部の最下部との間に存在し、この領域を通して、横方向の隣接画素に赤外光の漏れ込みが発生してしまう。つまり、本発明の実施の形態１にかかる量子型赤外線固体撮像素子１００により、この隣接画素への赤外光の漏れ込み防止という問題が初めて解決された。

また、本発明の実施の形態１にかかる量子型赤外線固体撮像素子１００では、従来構造とは異なり、下部コンタクト層５よりさらに深く溝部を形成し、溝側壁上に形成された第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１による反射を用い、画素ピッチに対して小さい体積の赤外光吸収層３への赤外光の集光を可能にする。すなわち、赤外光吸収層やコンタクト層といった、光電変換を行う層、または、光電変換により生じた電荷を電気的にやり取りする層より、はるか下層に溝部が延伸していることが本発明の特徴である。

ここで、例えば、特開２０１１−７７１６５号公報に記載された従来の構造では、２次元画素アレイ１８の中で下部コンタクト層が切断されずに横方向につながって形成される。そして、２次元画素アレイ１８の端部で共通電極として電極に接続され、バンプ接続でシリコン読み出し回路チップ１４と接続される。これにより、下部電極を２次元画素アレイ１８の共通電極とすることができ、画素毎にバンプ接続によりシリコン読み出し回路チップ１４と接続するのは、上部コンタクト層４に接続されるメタル配線２３に対してのみとなり、画素毎に１個のバンプの形成となる。この結果、狭ピッチの画素ピッチ内で複数個のバンプを形成する場合に比べて製造工程が容易になる。

一方、本発明の実施の形態１にかかる量子型赤外線固体撮像素子１００のように、下部コンタクト層５よりさらに深く溝部を形成する場合、２次元画素アレイ１８内で下部コンタクト層５を横方向につなげて形成することができなくなり、２次元画素アレイ１８の端部で、共通電極として、バンプ接続でシリコン読み出し回路チップ１４と接続することができなくなる。また、従来構造では、図５のように、下部コンタクト層５を画素毎に切断したとしても、その下層の膜で横方向に接続されれば、共通電極として、バンプ接続でシリコン読み出し回路チップ１４と接続することができる。

しかし、本発明の実施の形態１にかかる量子型赤外線固体撮像素子１００では、下部コンタクト層５の下には、第１の反射層６が形成される。下部コンタクト層５より屈折率の低い材料で形成される第１の反射層６は、一般にバンドギャップが広くなる傾向にあり、キャリア（電子および正孔）に対するエネルギーバンド障壁が、下部コンタクト層５と第１の反射層６の界面に形成される。このため、下層での電気的接続も実現できなくなる。
このため、本発明の実施の形態１にかかる量子型赤外線固体撮像素子１００では、各画素の下部コンタクト層５は、第２のメタル配線の下部コンタクト層への電気的接続部１６を介して、溝側壁上に形成した第２のメタル配線１１に接続される。第２のメタル配線１１は、２次元画素アレイ１８内の全面でつながって形成されるから、２次元画素アレイ１８の端部で、共通電極として、バンプ接続でシリコン読み出し回路チップ１４と接続することが可能となる。すなわち、本発明の実施の形態１にかかる量子型赤外線固体撮像素子１００で溝側壁上に形成した第２のメタル配線１１は、溝部上に形成された反射膜としての機能と、各画素の下部コンタクト層５を２次元画素アレイ１８内全面で電気的に接続する機能を、同時に実現する。

図７は、本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子１００の断面図であり、図６とは異なる赤外光の入射経路を示す。かかる入射経路でも多重反射が生じ、図６と同様の効果が得られる。このように、溝側壁の傾斜部分に当たるように、入射赤外光２０が入射された場合、多重反射で形成されるマルチパスによる長い光線距離で、高効率な赤外光吸収が実現される。入射赤外光２０が画素の中央付近に入射した場合は、溝側壁の傾斜部分に当たらないため、図５に示すような従来通りの光線経路となり、多重反射は発生しない。従って、画素ピッチ内で、溝側壁の傾斜部分以外となる領域を、できるだけ短くすることで特性が向上する。

本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子１００では、溝側壁上に形成された第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１による赤外光の反射の動作により、画素ピッチ内に入射された赤外光を、画素ピッチより狭い幅の赤外光吸収層３に、赤外光を漏らすことなく集光することができる。すなわち、２次元画素アレイの第１の方向、および、第１の方向に垂直な第２の方向の両方向に、画素ピッチに比べ、著しく小さい幅（例えば画素ピッチの１／３の幅）で形成された赤外光吸収層に、入射光を漏らすことなく、すなわち、感度特性（量子効率）を損なうことなく、誘導できる。このような集光動作を効率良く実現するには、溝テーパ角１は、例えば１５〜３０°が最適である。

このように、従来、量子効率を大きくするには赤外光吸収層３を厚くする必要があったが、本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子１００では、マルチパスによる長い光線距離での赤外光吸収を行うことにより、赤外光吸収層を従来構造の１／２程度の膜厚としても同程度の赤外光吸収が可能となる。

また、本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子１００では、２次元画素アレイの第１の方向および第２の方向の両方向に、画素ピッチに比べ、著しく小さい幅（例えば画素ピッチの１／３の幅）の赤外光吸収層３を用いることが可能となる。これにより、赤外光吸収層３の体積は、従来構造に比べて、１／（３ｘ３ｘ２）＝１／１８程度に大幅に低減できる。この結果、赤外光吸収層の体積に比例して発生する暗電流（主にＳＲＨ発生の漏れ電流に起因）を著しく低減でき、高Ｓ／Ｎ化、ならびに、高温動作を実現できる。

更に、本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子１００では、第２の反射層８の形成により、高入射角度で画素最下部に戻ってきた赤外光を再反射でき、赤外光吸収をさらに増大できるとともに、隣接画素への赤外光の漏れも防止できる。

なお、赤外光が集光されて、化合物半導体検知部やタイプ２超格子検知部から成る赤外光吸収層３により効率的に吸収されると、光電変換が発生し、赤外光吸収層３内で電荷が発生する。発生した電荷は、上部コンタクト層４、第１のメタル配線１０、バンプ電極１２を通って、シリコン読み出し回路チップ１４の画素毎の電荷読み出し回路に流れる。ここで、第２のメタル配線１１に接続された下部コンタクト層５には、シリコン読み出し回路チップ１４を介して、例えば、接地電位が供給される。他の適切な電位を印加しても構わない。第２のメタル配線１１とシリコン読み出し回路チップ１４の電気的接続は、必ずしも画素毎に行う必要はなく、画素２次元アレイの外周付近で行えば良い。

シリコン読み出し回路チップ１４の画素毎の電荷読み出し回路は、対応するバンプ電極１２に、所望のバイアスを印加しながら、電荷を読み出す機能を実行する。例えば、ｐｉｎ構造の場合、バンプ電極１２には−０．１Ｖ〜―２Ｖのような負バイアスが印加される。シリコン読み出し回路チップ１４では、画素毎の電荷読み出し回路での電荷読み取りを行い、積分回路での積分読み出し、増幅回路での増幅等を経て、読み取ったデータを電気信号として出力する。出力は、入出力パッド１９から行われる。入出力パッド１９では、また、シリコン読み出し回路チップ１４への電源供給やクロック供給等も行われる。

また、本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子１００では、ｐｉｎ構造の検知部を例として説明したが、赤外光の検知機能を有する検知部であれば、ｐｉｎ構造以外の構造を用いても構わない。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子１００では、マルチパスによる長い光線距離で赤外光を吸収し、感度特性（量子効率）の向上が可能となる。この結果、赤外光吸収層の体積を従来に比べて著しく低減でき、また赤外光吸収層の体積に比例して発生する暗電流（主にＳＲＨ発生の漏れ電流に起因）を著しく低減でき、高Ｓ／Ｎ化及び動作温度の高温化を実現できる。また、隣接画素への赤外光の漏れも防止される。

実施の形態２．
図９は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。また、図１０は、図９と直交する方向における、赤外線固体撮像素子２００の断面図である。図９、１０中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

本発明の実施の形態２にかかる赤外線固体撮像素子２００では、溝部により分離された単位検知部２５を、複数個電気的に接続することにより、単位画素１５を形成する。具体的には、図９、１０に示すように、２次元画素アレイの第１の方向に２個、第１の方向に垂直な第２の方向に２個の、合計４個（２×２）の単位検知部２５を電気的に接続することにより、単位画素１５を形成する。

第１の方向に隣接する２個の単位検知部２５の第１のメタル配線１０と、第２の方向にて隣接する２個の単位検知部２５の第１のメタル配線１０との間は、バンプ電極１２で電気的に接続される。

本発明の実施の形態２にかかる赤外線固体撮像素子２００では、単位検知部のピッチを画素ピッチより縮小できるため、単位検知部のピッチに対する赤外光吸収層３の幅の比を同一にして、溝側壁上に形成した第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１による反射を用いた集光効果を同じにすると、単位検知部のピッチが画素ピッチと等しい実施の形態１の場合に比べて、溝部の深さを浅くすることが可能となる。

溝部が深くなるほど、エッチングでの溝形成や、第１の絶縁層９と第２のメタル配線１１の溝への埋め込みが難しくなるが、本実施の形態２では、その制約をなくすことができ、大きな集光効果や赤外光吸収層３の体積削減を実現できる。この結果、暗電流ノイズをより多く低減でき、より高温での動作が実現できる。

実施の形態３．
図１１は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。図１１中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

本発明の実施の形態３にかかる赤外線固体撮像素子３００では、図１１に直交する断面で、図１０のように、第２のメタル配線の下部コンタクト層への電気的接続部を形成しない。

本発明の実施の形態３にかかる赤外線固体撮像素子３００では、溝テーパ角２を、溝テーパ角１より大きくし、下部コンタクト層５より上方の溝部を、下方の溝部より緩やかな傾斜で形成する。これにより、赤外光吸収層３の上部の幅をより狭くすることができ、赤外光吸収層３の体積をより大きく削減できる。この結果、暗電流ノイズをより低減でき、より高温での動作が可能となる。

実施の形態４．
図１２は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態４にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。図１２中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

本発明の実施の形態４にかかる赤外線固体撮像素子４００では、図１２に直交する断面では、図１０のように、第２のメタル配線の下部コンタクト層への電気的接続部を形成しない。

本発明の実施の形態４にかかる赤外線固体撮像素子４００では、図１２に示すように、上部コンタクト層４の上面形状を上に凸の球面状とする。実施の形態１では、上部コンタクト層４の上面に赤外光が直接入射した場合、溝側壁の傾斜部分に当たらないため、図５に示すような従来通りの光線経路となり、集光効果が生まれない赤外光入射領域が存在する。

これに対して、本発明の実施の形態４にかかる赤外線固体撮像素子４００では、上部コンタクト層４の上面形状を上に凸の球面状にすることにより、上部コンタクト層４の上面で反射した入射光も斜め方向に反射し、赤外光吸収の起こる光線距離を長くすることができる。これにより、赤外光吸収層３の膜厚をより薄くすることが可能となり、赤外光吸収層３の体積をより低減でき、暗電流ノイズをより低減でき、より高温での動作が可能となる。

実施の形態５．
図１３は、全体が５００で表される、本発明の実施の形態５にかかる赤外線固体撮像素子の断面図である。図１３中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

本発明の実施の形態５にかかる赤外線固体撮像素子５００では、図１３に直交する断面では、図１０のように、第２のメタル配線の下部コンタクト層への電気的接続部を形成しない。

本発明の実施の形態５にかかる赤外線固体撮像素子５００では、実施の形態１の赤外線固体撮像素子１００に比べて、赤外光吸収層３と上部コンタクト層４との間に、バリア層２４を挟む構造となっている。他の構造は、赤外線固体撮像素子１００と同様である。

単位画素１５は、ＳｂまたはＩｎを必ず含み、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｓ、Ａｌの元素のうち少なくとも２種類の元素から成る、化合物半導体赤外光吸収層、または、タイプ２超格子型赤外光吸収層を用いた、バリア構造型検知部により構成される。バリア型検知部とは、バリアダイオード、通称、バリオードと呼ばれるユニポーラデバイスを適用したｎＢｎ構造のことを指し、S. Maimonらが提案している（S. Maimon et al., “nBn detector, an infrared detector with reduced dark current and higher operating temperature”, Appl. Phys. Lett.,89, 151109(2006)）。

タイプ２超格子型赤外光吸収層としては、例えば、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子、ＩｎＧａＳｂ／ＩｎＡｓタイプ２超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂタイプ２超格子等を用いた赤外光吸収層がある。化合物半導体赤外光吸収層としては、例えば、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ等の化合物半導体赤外光吸収層がある。ＩｎＡｓＳｂを例とすると、まず、上部コンタクト層４、赤外光吸収層３、下部コンタクト層５をｎ型ＩｎＡｓＳｂ層で形成する。ただし、一般的には、赤外光吸収層３のｎ型不純物濃度は、上部コンタクト層４と下部コンタクト層５のｎ型不純物濃度より、低濃度で形成される。バリア層２４は、バリア層２４と上部コンタクト層４の界面において、多数キャリア（電子）に対して（導電帯バンドにおいては）エネルギーバンド障壁が形成されるように、そして少数キャリア（正孔）に対して（価電子帯バンドにおいては）エネルギーバンド障壁が全く形成されないように、バリア層の材料を選定して形成する。例えば、ｎ型ＡｌＳｂＡｓ層がこの条件を満たす。

ｎ型でなくｐ型を用いたｐＢｐ構造としても良い。この場合、バリア層２４は、バリア層２４と上部コンタクト層４の界面において、多数キャリア（正孔）に対して（価電子帯バンドにおいては）エネルギーバンド障壁が形成されるように、そして少数キャリア（電子）に対して（導電帯バンドにおいては）エネルギーバンド障壁が全く形成されないように、バリア層の材料を選定して形成して良い。また、バリア層を用いた様々なバリア構造型検知部のうち、どのようなタイプを用いても構わない。

ｎＢｎ構造を適用した本実施の形態５においても、実施の形態１と同様に、マルチパスによる長い光線距離での赤外光吸収により、赤外光吸収層３の膜厚の低減が可能となる。また、溝部の側壁上の第１の絶縁層９および第２のメタル配線１１の反射による、赤外光の集光により、赤外光吸収層３の体積を著しく低減することができ、赤外光吸収層の体積に比例して発生する暗電流（主にＳＲＨ発生の漏れ電流に起因）を著しく低減し、高Ｓ／Ｎ化、ならびに、高温動作を実現できる。さらには、第２の反射層８の形成により、高入射角度で画素最下部に戻ってきた赤外光を再反射でき、赤外光吸収をさらに増大させるとともに、隣接画素への赤外光の漏れも防止できる。

また、図１３から分かるように、上部コンタクト層４とバリア層２４の一部は、溝テーパ角２の溝より内側でパターニングされている。これは、上述のS. Maimonらも示しているｎＢｎ構造特有のシャローエッチ形状である。すなわち、ｎＢｎ構造では、通常のｐｉｎ構造と異なり、溝部による画素分離を行う際、上部コンタクト層４と同時に、赤外光吸収層３を必ずしもパターニングする必要がなく、上部コンタクト層４（または、上部コンタクト層４とバリア層２４の一部）をパターニングすれば画素分離が実現できる。このシャローエッチ形状を採用すると、光電変換電流が流れる領域は、この上部コンタクト層４のパターニング領域で決定され（正確には、上部コンタクト層４のパターニング領域から、少数キャリアの横方向拡散長だけ外側の領域となる）、この上部コンタクト層４のパターニング領域よりさらに外側に位置する、溝テーパ角１ならびに溝テーパ角２の溝部の界面には、光電変換電流が流れないこととなる。図１４は、シャローエッチ形状ｎＢｎ型検知部画素において光電変換電流が流れる領域３０（破線で表す）を示したものである。

従って、通常のｐｉｎ構造において溝テーパ角１ならびに溝テーパ角２の溝部の界面に電流が流れた際に発生する表面リーク電流が、このシャローエッチ形状のｎＢｎ構造では発生しなくなる。本発明の実施の形態５にかかる赤外線固体撮像素子５００では、ｎＢｎ構造を有することにより、溝部の形成により発生する溝部界面での表面リーク電流を防止することができ、暗電流ノイズをより低減し、より高温での動作が可能となる。

１ 溝テーパ角１、２ 溝テーパ角２、３ 赤外光吸収層、４ 上部コンタクト層、５ 下部コンタクト層、６ 第１の反射層、７ 赤外光誘導層、８ 第２の反射層、９ 第１の絶縁層、１０ 第１のメタル配線、１１ 第２のメタル配線、１２ バンプ電極、１３ アンダーフィル膜、１４ シリコン読み出し回路チップ、１５ 画素、１６ 第２のメタル配線の下部コンタクト層への電気的接続部、１７ 第２の絶縁層、１８ ２次元アレイ、１９ シリコン読み出し回路チップの入出力パッド、２０ 入射赤外光、２１ バッファ層、２２ 絶縁層、２３ メタル配線、２４ バリア層、２５ 単位検知部、２６ 上部平坦領域、２７ 溝テーパ角２の領域、２８ 溝テーパ角１の領域、２９ 平坦領域、３０ 光電変換電流が流れる領域、１００、２００、３００、４００、５００ 赤外線固体撮像素子。

Claims (9)

1. 複数の単位検知部をマトリックス状に設けた赤外線固体撮像素子であって、
   該単位検知部は、
   赤外光誘導層と、
   該赤外光誘導層の上に設けられた第１反射層と、
   該第１反射層の上に設けられた赤外光検知部であって、赤外光を吸収する赤外光吸収層と、該赤外光吸収層の上に設けられた上部コンタクト層と、該赤外光吸収層の下に設けられた下部コンタクト層とを含む該赤外光検知部と、
   該上部コンタクト層に電気的に接続された第１メタル配線と、を含み、
   該単位検知部の側壁は、該赤外光誘導層の底面の法線方向に対して４５°未満のテーパ角で傾斜して、隣り合う該単位検知部の間に溝部を形成し、
   該単位検知部の側壁の上に第１絶縁層が設けられ、該第１絶縁層の上に第２メタル配線が設けられ、
   該第１反射層の屈折率は、該下部コンタクト層の屈折率より小さいことを特徴とする赤外線固体撮像素子。
2. 複数の単位検知部をマトリックス状に設けた赤外線固体撮像素子であって、
   該単位検知部は、
   赤外光誘導層と、
   該赤外光誘導層の上に設けられた第１反射層と、
   該第１反射層の上に設けられた赤外光検知部であって、赤外光を吸収する赤外光吸収層と、該赤外光吸収層の上に設けられた上部コンタクト層と、該赤外光吸収層の下に設けられた下部コンタクト層とを含む該赤外光検知部と、
   該上部コンタクト層に電気的に接続された第１メタル配線と、を含み、
   該単位検知部は、第２反射層の上に配置され、
   該単位検知部の側壁は、該赤外光誘導層の底面の法線に対して４５°未満の第１テーパ角で傾斜して、隣り合う該単位検知部の間に溝部を備え、
   該単位検知部の側壁の上に第１絶縁層が設けられ、該第１絶縁層の上に第２メタル配線が設けられ、
   該第１反射層の屈折率は、該下部コンタクト層の屈折率より小さく、該第２反射層の屈折率は、該赤外光誘導層の屈折率より小さいことを特徴とする赤外線固体撮像素子。
3. 上記赤外光検知部は、化合物半導体検知部、またはタイプ２超格子型検知部であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線固体撮像素子。
4. 上記第２メタル配線は、上記下部コンタクト層と電気的に接続されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
5. 上記赤外光吸収層と、上記上部コンタクト層または上記下部コンタクト層との間に、バリア層を含み、該バリア層は、該赤外光吸収層から該上部コンタクト層または該下部コンタクト層に流れる多数キャリアに対してエネルギーバンド障壁を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
6. 上記単位検知部の側壁は、上記赤外光吸収層と上記下部コンタクト層との界面より上方の上記テーパ角が、該界面より下方の該テーパ角より大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の赤外線固体撮像素子。
7. 上記上部コンタクトの上部形状は、上に凸の球面状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の赤外線固体撮像素子。
8. 複数の上記単位検知部から１つの画素が構成され、
   該画素内において、全ての該単位検知部の第１のメタル配線が共通に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
9. 上記赤外光検知部は、Ｇａ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｓ、およびＡｌからなる群から選択された、ＳｂまたはＩｎを必ず含む２種類以上の元素からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。