JP6457755B2

JP6457755B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP6457755B2
Application number: JP2014142635A
Authority: JP
Inventors: 森山　孝志; 孝志森山; 坂口　清文; 清文坂口
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Filing date: 2014-07-10
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Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

固体撮像装置は、基板に形成された光電変換部を備え、この光電変換部に入射した光により生じた電荷を読み出す。特許文献１では、電荷に変換されずに光電変換部を透過した光を、光電変換部の下方に配置した反射層で反射させることによって光電変換部へ戻す固体撮像装置の構造が記載されている。この結果、光電変換部に入射した光を電荷へ変換する効率が向上する。

特開２００４−７１８１７号公報

特許文献１の構造において、反射層で反射された光は主に基板の深部において電荷に変換される。発明者は、特許文献１の構造では、基板の深部で発生した電荷を収集することは困難であり、収集効率が落ちることを見出した。この結果、特許文献１の構造では感度の向上が十分ではない。本発明は、固体撮像装置の電荷の収集効率を向上させる技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、電極層と、前記電極層の上に配された絶縁層と、前記絶縁層の上に配された半導体層と、を有する基板と、転送ゲート電極とを備え、前記半導体層及び前記絶縁層は、前記電極層と前記転送ゲート電極との間に配され、前記半導体層は、第１の導電型の第１の半導体領域と、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型を有し、光電変換によって発生した電荷を蓄積する第２の半導体領域と、前記第２の半導体領域に蓄積された電荷が前記転送ゲート電極によって転送される前記第２の導電型の第３の半導体領域と、を含み、前記第１の半導体領域は、前記第２の半導体領域と前記絶縁層との間に配され、第１モードにおいて前記電極層に第１電位が供給され、第２モードにおいて前記電極層に前記第１電位とは異なる第２電位が供給されることを特徴とする。

上記手段により、固体撮像装置の電荷の収集効率を向上させる技術が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の断面図。図１の固体撮像装置の不純物濃度分布を説明する図。図１の固体撮像装置の深さ方向のエネルギーバンドを説明する図。本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の断面図。図４の固体撮像装置の深さ方向のエネルギーバンドを説明する図。本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の断面図。図６の固体撮像装置の不純物濃度分布を説明する図。図６の固体撮像装置の深さ方向のエネルギーバンドを説明する図。本発明の固体撮像装置と支持台との接続を説明する図。図１の固体撮像装置の構成を説明するためのブロック図。

以下、本発明に係る固体撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。以下の実施形態で製造される固体撮像装置は、いわゆるＣＭＯＳ型の固体撮像装置である。しかし、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明はＣＣＤ型の固体撮像装置にも適用されうる。

第１の実施形態
図１、図２及び図３を参照して、本発明の一部の実施形態による固体撮像装置１００の構造及び製造方法を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置１００の構成例を模式的に示す断面図である。固体撮像装置１００は、画素が配列された画素領域１５１と、各画素との間で信号の授受を行うための周辺回路が配された周辺領域１５２とを有する。図１には画素領域１５１に配列された複数の画素のうちの２つの画素を示す。また周辺領域１５２は、例えば各画素を駆動するための駆動回路部や各画素から読み出された信号を処理するための信号処理回路部、各画素から読み出された信号を出力するための出力回路部などを含む。

本実施形態による固体撮像装置１００は、第２の導電型であるｎ型の基板半導体層１０１と、基板半導体層１０１の下に設けられた電極層１１５と、を備える。これらの電極層１１５と基板半導体層１０１とで基板層１５３が構成される。固体撮像装置１００は、この基板層１５３の上に設けられた絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に設けられた半導体層１５４とをさらに備える。この半導体層１５４はｎ型の半導体領域１０４と第１の導電型であるｐ型の半導体領域１０５とを含む。

固体撮像装置１００は、画素領域１５１にｐ型の半導体領域１０５を備える。半導体領域１０５は半導体領域１０４と隣接する。本実施形態において半導体領域１０５は、絶縁層１０２に隣接した位置にあるが、例えば絶縁層１０２の上部にｎ型の半導体領域１０４を介して形成されてもよい。画素領域１５１の各々の画素を構成する素子などは半導体領域１０５に形成される。

さらに本実施形態において半導体領域１０５には、ｎ型の半導体領域１０６と、ｐ型の半導体領域１０７と、ｎ型の半導体領域１０８とが形成される。また、半導体領域１０５の上にゲート絶縁膜（不図示）を介してゲート電極１１４が形成される。また、各々の素子は素子分離部１１３によって分離されている。また、画素を構成するトランジスタのソース領域及びドレイン領域が、半導体領域１０５に形成される。

さらに固体撮像装置１００は、周辺領域１５２にｎ型の半導体領域１０４を備える。ｎ型の半導体領域１０４にはｎ型の半導体領域１０９とｐ型の半導体領域１１０とが形成される。ｎ型の半導体領域１０９には、２つのｐ型の半導体領域１１１が配され、半導体領域１０９の上に絶縁膜（不図示）を介してゲート電極１１６が形成されており、これらがｐＭＯＳトランジスタを構成する。またｐ型の半導体領域１１０の上には、２つのｎ型の半導体領域１１２が配され、半導体領域１１０の上に絶縁膜（不図示）を介してゲート電極１１６が形成されており、これらがｎＭＯＳトランジスタを構成する。また各々のトランジスタは素子分離部１１３によって分離されている。

本実施形態では、上述の図１の構造を用いているが、本発明はこの構造に限られるものではない。例えば各半導体領域の導電型であるｐ型とｎ型とを逆にした構造でもよい。また、ｎ型の半導体領域１０４の導電型だけを、ｎ型ではなく、ｐ型やイントリンジック型にしてもよい。

本実施形態において画素領域１５１の半導体領域１０５はｐ型のウェル、半導体領域１０６はｎ型の高濃度な不純物領域、半導体領域１０７はｐ型の高濃度な不純物領域である。半導体領域１０５と半導体領域１０６とは、ｐｎ接合を構成し、これによって光電変換素子であるｐｎフォトダイオードを形成している。半導体領域１０６は、ｐｎフォトダイオードで発生したｎ型の多数キャリアとしての電荷を蓄積する電荷蓄積領域である。また半導体領域１０７は、半導体領域１０６が半導体と絶縁膜との界面から隔離されるように形成される。これによって暗電流の成分が低減される。これら半導体領域１０５、１０６及び１０７によって光電変換部が形成されており、光電変換部に入射した光は光電変換され、光量に応じた量の電荷が生じる。ここで例えば半導体層１５４にｎ型の半導体領域１０４が形成されず、半導体領域１０５、半導体領域１０６及び半導体領域１０７の各々が、ｐ型の半導体領域に形成されてもよい。

またｎ型の半導体領域１０８は、フローティングディフュージョン領域であり、その電位は、光電変換部で生じた電荷を読み出す前に、例えばリセットトランジスタ（不図示）によって初期化される。ゲート電極１１４に所定の電圧が印加されることによってゲート絶縁膜（不図示）の下の半導体領域１０５の表面付近にｎ型のチャネルが形成される。光電変換部で生じ、半導体領域１０６に蓄積された電荷は、このチャネルを介してフローティングディフュージョン領域である半導体領域１０８に転送される。この半導体領域１０８に転送された電荷による電位の変動量に応じた信号が、画素信号として読み出される。

周辺領域１５２は、各画素との間で信号の授受を行うための周辺回路を構成する。周辺回路に含まれるトランジスタは、本実施形態ではｎ型の半導体領域１０４に形成されるが、例えばｎ型の半導体領域１０４に、さらに適当な不純物濃度を有する半導体領域を形成し、ここに周辺回路に含まれるトランジスタが形成されてもよい。この構成によって、周辺領域１５２で生じたノイズの成分が画素領域１５１の半導体領域１０５に混入し難くなる。これによって画素領域１５１へのノイズの影響が、低減される。

続いて、固体撮像装置１００の製造方法について説明する。固体撮像装置１００は、例えばＳＯＩ（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて形成される。

基板層１５３のうち基板半導体層１０１は、ＳＯＩ基板の絶縁層１０２及びＳＯＩ層である半導体層１５４を支持する半導体基板を用いてよい。この半導体基板である基板半導体層１０１の裏面に例えばスパッタリング法や蒸着法などを用いて金属層などの導電層を設け、電極層１１５を形成する。また電極層１１５は、イオン注入法や固相拡散法などによって形成された基板半導体層１０１と同じ導電型の高濃度の半導体層であってもよい。

半導体層１５４は、例えば貼り合わせ法によってＳＯＩ基板を作製する際の張り合わせの工程の前にエピタキシャル成長法によって形成されたエピタキシャル層である。エピタキシャル成長法によると格子欠陥密度の低い半導体領域を形成することができ、格子欠陥に起因する画素領域１５１及び周辺領域１５２でのノイズの発生を抑制できる。半導体層１５４のうちｎ型の半導体領域１０４は、このエピタキシャル成長法によって形成したものでもよい。このとき半導体領域１０４の不純物濃度はエピタキシャル成長の際のチャンバ内のドーパントの濃度を制御することによって決定される。また半導体領域１０４は、エピタキシャル成長によって形成された半導体層１５４に例えばイオン注入法によってイオンを注入して形成されてもよい。

次いで、この半導体領域１０４が形成された半導体層１５４に光電変換部や周辺回路を形成する。画素領域の１５１の半導体領域１０５はイオン注入法などによって半導体層１５４に形成されたｐ型のウェルである。ここにさらに画素を構成する半導体領域１０６、１０７及び１０８をイオン注入法などによって形成する。また周辺領域１５２の半導体領域１０４にはイオン注入法などによってｐ型のウェルである半導体領域１１０及びｎ型のウェルである半導体領域１０９が形成される。さらに半導体領域１１０にはｎ型の半導体領域１１２及び半導体領域１０９にはｐ型の半導体領域が、それぞれ高濃度の不純物領域としてイオン注入法などによって形成されトランジスタのソース領域及びドレイン領域となる。

この後、ゲート絶縁膜（不図示）及びゲート電極１１４、１１６を形成する。さらに各々の画素と周辺回路との間や周辺回路同士の間などで信号の授受を行うための配線パターン（不図示）などを形成し、さらにパッケージ（不図示）などに搭載するが、これらの構成は既存の手法を用いて形成できるため、その詳細な説明は、ここでは省略する。以上の工程によって、図１に示される固体撮像装置１００の各構成要素が形成されるが、本発明はこの製造方法に限られるものではなく、固体撮像装置１００の各構成要素が形成されればよい。

図２は、図１の破線Ａ−Ａ’における各々の半導体領域及び絶縁層の不純物濃度分布を説明する図である。基板半導体層１０１には、例えば１×１０^１４〜１×１０^１５ｃｍ^−３程度のｎ型の不純物濃度を有する基板が用いられる。絶縁層１０２は、ｎ型の基板半導体層１０１の上に形成されている。絶縁層１０２は、光によって生成された電荷のキャリアである電子またはホールにとって高いポテンシャル障壁を形成する。このためキャリアは絶縁層１０２に注入されない。またキャリアは絶縁層１０２の中を移動することができない。

半導体領域１０５は、例えば１×１０^１５〜１×１０^１８ｃｍ^−３の不純物濃度を有する。半導体領域１０５の不純物濃度は、絶縁層１０２の側から表面に向かって濃度が低くなるように変化する勾配を設けてもよく、また深さ方向に一定であってもよい。本実施形態においては、図２に示すように濃度勾配が設けられている。半導体領域１０５に濃度勾配を設けることによって、キャリアの移動がより容易となり光によって生成されたキャリアの収集効率が改善される。

図３はそれぞれ本実施形態における非動作状態、光電変換モード、及びリフレッシュモードでの半導体領域１０５、絶縁層１０２及び基板半導体層１０１のエネルギーバンド図である。画素領域１５１の半導体領域１０５、絶縁層１０２及び基板半導体層１０１の深さ方向のエネルギーバンドの状態を表している。

図３（ａ）に、固体撮像装置１００が非動作状態である場合のエネルギーバンド図を示す。非動作状態とは、固体撮像装置１００が動作しておらず、固体撮像装置１００へ外部から信号及び電力が供給されていない状態のことである。非動作状態では、電極層１１５に電位が与えられていない。そのため、基板半導体層１０１と半導体領域１０５とには、各々の不純物濃度に応じたエネルギーバンドが形成されている。

図３（ｂ）に、固体撮像装置１００が光電変換モードである場合のエネルギーバンド図を示す。光電変換モードとは、光電変換部で発生した電荷を電荷蓄積領域（半導体領域１０６）に蓄積するモードのことである。このモードでは、各画素の転送トランジスタがオフになっている。光電変換モードでは、固体撮像装置１００の外部から電極層１１５に負の電位が与えられる。電極層１１５の電位に応じて、基板半導体層１０１の電位は半導体領域１０５の電位よりも低くなる。これによって半導体領域１０５のエネルギーバンドは、電位分布によって絶縁層１０２に近接する部分が上に曲げられる。この状態において光電変換部に光が入射したとき、半導体領域１０５においても光が吸収され電子・ホール対が発生する。図３において電子は黒丸、ホールは白丸で図示する。

発生した電子はエネルギーバンドの曲りによってｐｎフォトダイオードの表面側に導かれ、光生成キャリアとして電荷蓄積領域である半導体領域１０６に蓄積される。一方、発生したホールは半導体領域１０５を移動し絶縁層１０２の界面に達する。ホールは、絶縁層１０２の高いポテンシャル障壁によって絶縁層１０２を越えて移動できない。このため半導体領域１０５に留まる。この蓄積されたホールによって半導体領域１０５の絶縁層１０２に隣接する部分のエネルギーバンドの曲がりは緩和される。しかし、発生した電子はｐｎフォトダイオードの電荷蓄積領域である半導体領域１０６に十分に蓄積される。この基板半導体層１０１に負の電位を与えることによる光生成キャリアの収集効果は、半導体領域１０５の深さ方向の不純物濃度の分布が濃度勾配を有する場合でも、また一定であっても同様に発生する。

図３（ｃ）に、固体撮像装置１００がリフレッシュモードである場合のエネルギーバンド図を示す。リフレッシュモードとは、電荷蓄積領域（半導体領域１０６）に蓄積された電荷がフローティングディフュージョン領域（半導体領域１０８）に転送された後に電荷蓄積領域に残存している電荷を除去するためのモードのことである。リフレッシュモードでは、固体撮像装置１００の外部から電極層１１５に正の電位が与えられる。電極層１１５の電位に応じて、基板半導体層１０１の電位は半導体領域１０５の電位よりも高くなる。これによって半導体領域１０５のエネルギーバンドは、電位分布によって絶縁層１０２に近接する部分が下に曲げられる。リフレッシュモードでは、半導体領域１０５のうち絶縁層１０２の近傍に蓄積されたホールは電界によって表面側に導かれる。また半導体領域１０５はリセット電位を供給するために設けられた端子に電気的に接続される。このためホールはこの端子に流れ出る。これと同時に電子は半導体領域１０５のうち絶縁層１０２の近傍に蓄えられる。十分に長い時間この状態が続くと、半導体領域１０５のホールが掃出される。

図１０は本実施形態における固体撮像装置１００の構成を説明するためのブロック図である。ここでは簡単のため１つの画素１００３を示す。固体撮像装置１００には外部から固体撮像装置１００の動作を制御するための外部コントローラ１０００が接続される。この外部コントローラ１０００からの信号と周辺領域１５２に設けられた制御部である垂直周辺回路１００１及び水平周辺回路１００２とは同期して動作する。外部コントローラ１０００は、制御部に対して固体撮像装置１００を光電変換モードにするための信号を入力するとともに、外部コントローラ１０００に接続された電源１００４より電極層１１５に負の電位を印加する。制御部の垂直周辺回路１００１は、この信号に応じて、画素１００３の転送トランジスタ１０５１をオフにし、それによって電荷蓄積領域（半導体領域１０６）に光電変換素子１０１１で生成された光生成キャリアが蓄積される。この後、外部コントローラ１０００は、制御部に対して固体撮像装置１００を電荷転送モードにするための信号を入力するとともに、電極層１１５に印加している負の電位を維持する。制御部の垂直周辺回路１００１は、この信号に応じて、各画素の転送トランジスタ１０５１及び選択トランジスタ１０５３をオンにすることによって、電荷蓄積領域（半導体領域１０６）に蓄積された電荷を水平周辺回路１００２に転送する。電荷が転送された後、外部コントローラ１０００は制御部に対して固体撮像装置１００をリフレッシュモードにするための信号を入力するとともに、電極層１１５に正の電位を印加する。制御部の垂直周辺回路１００１は、この信号に応じて、転送トランジスタ１０５１及びリセットトランジスタ１０５２をオンにし、これによって、半導体領域１０５のうち絶縁層１０２の近傍に蓄積されたホールが放出される。上述した外部コントローラ１０００と固体撮像装置１００とは、例えばカメラに含まれる。

上述したように、本実施形態において、電極層１１５によって基板半導体層１０１の電位を制御し、光電変換部で生じた光生成キャリアを効率的に表面側の電荷蓄積領域である半導体領域１０６に導くことができる。これによって光生成キャリアの収集効率が向上し、固体撮像装置１００の感度が向上する。また、電極層１１５に与える電位を変化させることで、光生成キャリアの収集効率を変化させ、固体撮像装置１００の感度を自由に変えることが可能となる。特に半導体領域１０５の下の絶縁層１０２の近傍で吸収される長波長光（近赤外光）によるキャリアの収集効率を可変とすることで、赤外光の感度を制御できる。これによって、可視光のみの撮像や可視光と赤外光を含む撮像など、同一の固体撮像装置において用途に応じた使い分けをすることが可能となる。

第２の実施形態
図４及び図５を参照して本発明の第２の実施形態による固体撮像装置４００の構造及び製造方法を説明する。図４は、本発明の第２の実施形態における固体撮像装置４００の構成例を模式的に示す断面図である。図４において本実施形態における固体撮像装置４００は、第１の実施形態における固体撮像装置１００と比較して、基板層４５３が電極層１１５のみで構成され、基板半導体層１０１を備えていない点で異なり、他の点は同じであってよい。このため固体撮像装置１００と同様の構成要素は重複する説明を省略する。電極層１１５は絶縁層１０２に接している。

続いて、固体撮像装置４００の製造方法について説明する。固体撮像装置４００は、固体撮像装置１００と同様に、例えばＳＯＩ基板を用いて形成される。ＳＯＩ基板の支持基板をＣＭＰ法などによって取り除く。支持基板の取り除かれたＳＯＩ基板の絶縁層１０２の下にスパッタリング法や蒸着法などを用いて金属層などの導電層を設け電極層１１５を形成する。さらに例えば支持基板を完全に取り除かず、残った支持基板の半導体層にイオン注入法や固相拡散法などによって高濃度の半導体層を形成し電極層１１５としてもよい。また固体撮像装置４００は、例えば通常の半導体基板を用いて形成されてもよい。半導体基板の裏面に絶縁層１０２を形成する。その下にスパッタリング法や蒸着法などを用いて金属層などの導電層を設け電極層１１５を形成する。このようにして基板層４５３を構成する電極層１１５が形成される。

基板層４５３を形成する工程以外は、固体撮像装置１００の製造方法と同様に画素領域１５１及び周辺領域１５２を形成する。以上の工程によって、図４に示される固体撮像装置４００の各構成要素が形成されるが、本発明はこの製造方法に限られるものではなく、固体撮像装置４００の各構成要素が形成されればよい。

図５はそれぞれ本実施形態における非動作状態、光電変換モード、及びリフレッシュモードでの半導体領域１０５、絶縁層１０２及び電極層１１５のエネルギーバンド図である。画素領域１５１の半導体領域１０５、絶縁層１０２及び電極層１１５の深さ方向のエネルギーバンドの状態を表している。

図５（ａ）に、固体撮像装置４００が非動作状態である場合のエネルギーバンド図を示す。非動作状態では、電極層１１５に電位が与えられていない。そのため、半導体領域１０５と電極層１１５とには、それぞれの仕事関数や半導体の不純物濃度に応じたエネルギーバンドが形成されている。

図５（ｂ）に、固体撮像装置４００が光電変換モードである場合のエネルギーバンド図を示す。光電変換モードでは、固体撮像装置４００の外部から電極層１１５に負の電位が与えられる。電極層１１５の電位に応じて、半導体領域１０５のエネルギーバンドは、電位分布によって絶縁層１０２に近接する部分が上に曲げられる。この状態において光電変換部に光が入射したとき、半導体領域１０５においても光が吸収され電子・ホール対が発生する。図５において電子は黒丸、ホールは白丸で図示する。

図５（ｃ）に、固体撮像装置４００がリフレッシュモードである場合のエネルギーバンド図を示す。リフレッシュモードでは、固体撮像装置４００の外部から電極層１１５に正の電位が与えられる。電極層１１５の電位に応じて、半導体領域１０５のエネルギーバンドは、電位分布によって絶縁層１０２に近接する部分が下に曲げられる。リフレッシュモードでは、半導体領域１０５のうち絶縁層１０２の近傍に蓄積されたホールは電界によって表面側に導かれる。また半導体領域１０５はリセット電位を供給するために設けられた端子に電気的に接続される。このためホールはこの端子に流れ出る。これと同時に電子は半導体領域１０５のうち絶縁層１０２の近傍に蓄えられる。充分に長い時間この状態が続くと、半導体領域１０５のホールが掃出される。

上述したように、本実施形態において、電極層１１５の電位を制御し、光電変換部で生じた光生成キャリアを効率的に表面側の電荷蓄積領域である半導体領域１０６に導くことができる。従って、固体撮像装置４００においても、上述の固体撮像装置１００と同様の効果が得られる。

第３の実施形態
図６、図７及び図８を参照して本発明の第３の実施形態による固体撮像装置６００の構造及び製造方法を説明する。図６は、本発明の第３の実施形態における固体撮像装置６００の構成例を模式的に示す断面図である。図６において本実施形態における固体撮像装置６００は、第１の実施形態における固体撮像装置１００と比較して、半導体層６５４のうち絶縁層１０２と半導体領域１０４、１０５との間にｐ型の半導体領域１０３が形成されている点で異なる。この他の点は固体撮像装置１００と同じであってよい。このため固体撮像装置１００と同様の構成要素は重複する説明を省略する。

本実施形態における固体撮像装置６００は、第１の実施形態と比較して、このｐ型の半導体領域１０３を設けることによって、入射した光が光電変換部を通る距離が長くなる。この構造を適用することによって、半導体層６５４への侵入深さの深い長波長の光をより多く吸収し、光電変換することが可能となる。

続いて、固体撮像装置６００の製造方法について説明する。固体撮像装置６００は、固体撮像装置１００と同様に、例えばＳＯＩ基板を用いて形成される。このうち基板層１５３は固体撮像装置１００と同様の工程を用いて形成される。次に半導体層６５４はＳＯＩ基板を形成する際に例えばエピタキシャル成長法によって形成されたエピタキシャル層である。ｐ型の半導体領域１０３の不純物濃度は、エピタキシャル成長の際のチャンバ内のドーパントの濃度を制御することによって決定される。この半導体領域１０３が形成された半導体層６５４の表面側にイオン注入法などによってｎ型の半導体領域１０４及びｐ型の半導体領域１０５が形成される。この後、固体撮像装置１００の製造方法と同様に画素領域１５１及び周辺領域１５２を形成する。以上の工程によって、図６に示される固体撮像装置６００の各構成要素が形成されるが、本発明はこの製造方法に限られるものではなく、固体撮像装置６００の各構成要素が形成されればよい。

図７は、図６の破線Ａ−Ａ’における各々の半導体領域及び絶縁層の不純物濃度分布を説明する図である。半導体領域１０３は、例えば１×１０^１５〜１×１０^１８ｃｍ^−３の不純物濃度を有する。半導体領域１０３の不純物濃度は、本実施形態において深さ方向に一定である。また例えばエピタキシャル成長の際のチャンバ内のドーパント濃度を制御することによって濃度勾配を設けてもよい。またｐ型の半導体領域１０３以外の半導体領域の不純物濃度は、固体撮像装置１００と同じであってよい。

図８はそれぞれ本実施形態における非動作状態、光電変換モード、及びリフレッシュモードでのｐ型の半導体領域１０３、絶縁層１０２及び基板半導体層１０１のエネルギーバンド図である。画素領域１５１のｐ型の半導体領域１０３、絶縁層１０２及び基板半導体層１０１の深さ方向のエネルギーバンドの状態を表している。

図８（ａ）に、固体撮像装置６００が非動作状態である場合のエネルギーバンド図を示す。非動作状態では、電極層１１５に電位が与えられていない。そのため、基板半導体層１０１とｐ型の半導体領域１０３とには、各々の不純物濃度に応じたエネルギーバンドが形成されている。

図８（ｂ）に、固体撮像装置６００が光電変換モードである場合のエネルギーバンド図を示す。光電変換モードでは、電極層１１５の電位に応じて、基板半導体層１０１の電位はｐ型の半導体領域１０３の電位よりも低くなる。これによってｐ型の半導体領域１０３のエネルギーバンドは、電位分布によって絶縁層１０２に近接する部分が上に曲げられる。この状態において光電変換部に光が入射したとき、ｐ型の半導体領域１０３においても光が吸収され電子・ホール対が発生する。図８において電子は黒丸、ホールは白丸で図示する。

発生した電子はエネルギーバンドの曲りによってｐｎフォトダイオードの表面側に導かれ、光生成キャリアとして電荷蓄積領域である半導体領域１０６に蓄積される。一方、発生したホールは半導体領域１０５及びｐ型の半導体領域１０３を移動し絶縁層１０２の界面に達する。ホールは、絶縁層１０２の高いポテンシャル障壁によって絶縁層１０２を越えて移動できない。このためｐ型の半導体領域１０３に留まる。この蓄積されたホールによってｐ型の半導体領域１０３の絶縁層１０２に隣接する部分のエネルギーバンドの曲がりは緩和される。しかし、発生した電子はｐｎフォトダイオードの電荷蓄積領域である半導体領域１０６に十分に蓄積される。

図８（ｃ）に、固体撮像装置６００がリフレッシュモードである場合のエネルギーバンド図を示す。リフレッシュモードでは、固体撮像装置１００の外部から電極層１１５に正の電位が与えられる。電極層１１５の電位に応じて、基板半導体層１０１の電位はｐ型の半導体領域１０３の電位よりも高くなる。これによってｐ型の半導体領域１０３のエネルギーバンドは、電位分布によって絶縁層１０２に近接する部分が下に曲げられる。リフレッシュモードでは、ｐ型の半導体領域１０３のうち絶縁層１０２の近傍に蓄積されたホールは電界によって半導体領域１０５の表面側に導かれる。また半導体領域１０５はリセット電位を供給するために設けられた端子に電気的に接続される。このためホールはこの端子に流れ出る。これと同時に電子はｐ型の半導体領域１０３のうち絶縁層１０２の近傍に蓄えられる。十分に長い時間この状態が続くと、ｐ型の半導体領域１０３及び半導体領域１０５のホールが掃出される。

上述したように、本実施形態において、電極層１１５によって基板半導体層１０１の電位を制御し、光電変換部で生じた光生成キャリアを効率的に表面側の電荷蓄積領域である半導体領域１０６に導くことができる。従って、固体撮像装置６００においても、上述の固体撮像装置１００及び４００と同様の効果が得られる。また、固体撮像装置６００において、基板層１５３の代わりに図４の基板層４５３を用いてもよい。この場合にも、上述の効果が得られる。

上述のように、固体撮像装置６００はｐ型の半導体領域１０３を有するので、長波長光の感度を向上できる。また本実施形態において、１０Ｖ程度以下の低い電圧を電極層１１５に印加することによってｐ型の半導体領域１０３のエネルギーバンドを曲げるために、ｐ型の半導体領域１０３の厚さは５０μｍ以下でよい。さらにｐ型の半導体領域１０３の厚さは１０μｍ以下でもよい。

以上、本発明に係る実施形態を３形態、示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば電極層１１５は電極としての機能だけでなく光を反射する機能を有してもよい。例えばアルミニウムなどの金属材料を用いることで光電変換部において入射時に吸収されなかった光を反射させることができる。これによって吸収されなかった光を再度、光電変換部へと導くことが可能となり、結果として固体撮像装置の感度が向上する。さらに電極層１１５は図１、図４及び図６に示したように固体撮像装置の全体にわたって形成されなくてもよい。例えば電極層１１５は、平面視において画素領域１５１の光電変換部の電荷蓄積領域であるｎ型の半導体領域１０６と重なる位置にのみ配されてもよい。さらに例えば画素ごとに別個の電極層１１５を設けてもよい。電極層１１５へ印加する電圧を画素ごとに設定することによって、画素ごとに可視光のみの撮像や可視光と赤外光を含む撮像など用途に応じた使い分けをすることが可能となる。

また上述した実施形態には図示しなかったが、図９に示すように各工程によって各々の画素や周辺回路などを形成した基板９００を、例えばパッケージ９０１などに搭載する。パッケージ９０１の支持台９０３の表面には電極９０２が取り付けられており、この電極９０２と基板９００の電極層１１５とを電気的に接触させる。電極９０２に印加する電圧を制御することによって、固体撮像装置１００、４００及び６００の半導体領域１０５の電位分布を制御することが可能となる。

以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、この固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に有する装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末等）も含まれる。また、カメラは例えばカメラヘッドなどのモジュール部品であってもよい。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、この固体撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。この信号処理部は、例えば、固体撮像装置からで得られた信号に基づくデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。このデジタルデータを生成するためのＡ／Ｄ変換器を、固体撮像装置の半導体基板に設けてもよいし、別の半導体基板に設けてもよい。

１００固体撮像装置、１０２絶縁層、１０５半導体領域、１０６半導体領域、１０８半導体領域、１１５電極層、１５４半導体層

Claims

固体撮像装置であって、
電極層と、前記電極層の上に配された絶縁層と、前記絶縁層の上に配された半導体層と、を有する基板と、
転送ゲート電極とを備え、
前記半導体層及び前記絶縁層は、前記電極層と前記転送ゲート電極との間に配され、
前記半導体層は、
第１の導電型の第１の半導体領域と、
前記第１の導電型とは逆の第２の導電型を有し、光電変換によって発生した電荷を蓄積する第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域に蓄積された電荷が前記転送ゲート電極によって転送される前記第２の導電型の第３の半導体領域と、を含み、
前記第１の半導体領域は、前記第２の半導体領域と前記絶縁層との間に配され、
第１モードにおいて前記電極層に第１電位が供給され、第２モードにおいて前記電極層に前記第１電位とは異なる第２電位が供給されることを特徴とする固体撮像装置。
前記電極層は、前記電極層に印加された電圧に応じて前記絶縁層を介して前記第１の半導体領域の電位分布が変化するように配されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記電極層に第１の電圧が印加された場合に、前記第１の半導体領域の前記第２の導電型における多数キャリアとしての電荷を前記第２の半導体領域へ移動させる電位分布が前記第１の半導体領域に形成され、
前記電極層に第２の電圧が印加された場合に、前記第１の半導体領域の前記第１の導電型の電荷を前記第２の半導体領域へ移動させる電位分布が前記第１の半導体領域に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
前記第１の電圧が前記電極層に印加される場合に前記第２の半導体領域に電荷を蓄積させ、
前記第２の電圧が前記電極層に印加される場合に前記第１の半導体領域に蓄積された電荷を放出させる制御部を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
前記第１の半導体領域の不純物濃度が、前記第１の半導体領域の前記第２の導電型の電荷を前記第２の半導体領域へ移動させる濃度分布を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１の半導体領域が、不純物濃度が一定な部分と、当該一定な部分の上に位置し、不純物濃度が前記第１の半導体領域の前記第２の導電型の電荷を前記第２の半導体領域へ移動させる濃度分布を有する層と、を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１の半導体領域の不純物濃度が一定な部分の厚さが、５０μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
前記第１の半導体領域の不純物濃度が一定な部分の厚さが、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
前記電極層と前記絶縁層との間に半導体による基板半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記基板半導体層が、前記第２の導電型であることを特徴とする請求項９に記載の固体撮像装置。
前記電極層と、前記絶縁層と、が互いに接していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記電極層が、平面視において少なくとも前記第２の半導体領域と重なる位置に配されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記電極層が、金属であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記基板を搭載するパッケージをさらに備え、
前記パッケージは、前記基板を支持する支持台と、前記支持台に取り付けられた電極とを有し、
前記電極層と、前記電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第２の半導体領域の上に、前記第１の導電型の第４の半導体領域をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
前記第１の半導体領域は、前記第２の半導体領域と前記絶縁層との間および前記第３の半導体領域と前記絶縁層との間に配され、
前記第２の半導体領域及び前記第３の半導体領域は、前記第１の半導体領域によって前記絶縁層から離れて配されることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
を備えることを特徴とするカメラ。