JP6862129B2 - 光電変換装置および撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置に関する。

近年、画像処理の高速化、高解像度化等が求められてきている。動きの早い被写体の映像を電気信号に変換した場合や、強い光が特定の画素に入射した場合、光電変換部に残留信号として電荷が残り、残像として出力されてしまい、画像品質を損なうという問題があった。

特許文献１には、ＣＭＯＳイメージセンサーの残像がシリコン基板の酸素濃度に依存することが開示されている。

特開２００７−２５１０７４号公報

シリコン基板の酸素濃度を低くすると、転位発生に伴う白キズなどが生じやすく、仮に残像を抑制できても、画像品質が向上するとは限らない。

本発明は、白キズと残像の双方を抑制し、高い画像品質を実現可能な光電変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、シリコン層の受光面から入射した光によって生じた電子を信号電荷として生成する光電変換部を備える光電変換装置であって、前記光電変換部は、前記シリコン層の中に配されたＮ型の第１不純物領域の少なくとも一部と、前記シリコン層の中であって前記受光面に対して垂直な方向において前記第１不純物領域に対して前記受光面とは反対側の部位に配され硼素および酸素を含むＰ型の第２不純物領域の少なくとも一部と、を含み、前記第２不純物領域は、前記部位のうちで硼素濃度が最大値を示す第１部分と、前記方向において前記第１部分に対して前記第１不純物領域の側とは反対側に位置する第２部分と、前記方向において前記第１部分に対して前記第１不純物領域の側に位置する第３部分を有し、前記第１部分の硼素濃度をＢａ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、酸素濃度をＯａ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、前記第２部分の硼素濃度をＢｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、酸素濃度をＯｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、前記第３部分の硼素濃度をＢｃ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ ）、酸素濃度をＯｃ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ ）として、Ｂａ×Ｏａ^２＜Ｂｂ×Ｏｂ^２と、Ｂｃ×Ｏｃ ^２ ＜Ｂａ×Ｏａ ^２ と、Ｂａ＜Ｏａを満たすことを特徴とする。

本発明によれば、白キズと残像の双方を抑制し、高い画像品質を実現可能な光電変換装置を提供することができる。

光電変換装置を模式的に説明する図。 光電変換装置の不純物分布を模式的に説明する図。 光電変換装置の不純物分布を模式的に説明する図。 光電変換装置の不純物分布を模式的に説明する図。 光電変換装置の不純物濃度と残像の関係を説明する図。 光電変換装置の不純物分布と電子との関係を模式的に説明する図。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。なお、以下の説明および図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。

図１（ａ）は光電変換装置ＩＳが備える光電変換部ＰＤを含む断面構造を示す図である。

光電変換装置ＩＳはシリコン層１０を備える。シリコン層１０は基体２０の上に設けられている。シリコン層１０は基体２０の上にエピタキシャル成長法で形成された単結晶シリコン層（エピタキシャル層）でありうる。基体２０もまた単結晶シリコンで構成されることから、シリコン層１０と基体２０とを含めてシリコン基板３０と称する。シリコン層１０の厚さは例えば５〜２０μｍであり、基体２０の厚さは例えば２０〜８０００μｍである。

シリコン層１０の表面が受光面１１であり、光電変換部ＰＤは、受光面１１に入射した光によって、電子を信号電荷として生成する。受光面１１に垂直な方向を深さ方向Ｚとする。

シリコン層１０の中には、不純物領域１００と、表面領域１０１と、電荷蓄積領域１０２と、光電変換領域１０３と、電荷排出領域１１２とが設けられている。図１（ａ）に示したシリコン層１０は、深さ方向Ｚにおいて、表面領域１０１と、電荷排出領域１１２と、表面領域１０１と電荷排出領域１１２との間の各種の半導体領域と、を含む。不純物領域１００はシリコン層１０の中に配された、Ｐ型の半導体領域である。以下、Ｐ型またはＮ型の不純物領域とは、アクセプタとドナーのネット濃度によってＰ型またはＮ型に定まる半導体領域を意味する。Ｐ型の不純物領域１００は、光電変換部ＰＤの信号電荷である電子に対して、ポテンシャルウエルを形成する。電荷蓄積領域１０２はシリコン層１０の中に配されたＮ型の不純物領域であり、深さ方向Ｚにおいて受光面１１と不純物領域１００との間に配されている。電荷蓄積領域１０２は光電変換部ＰＤで光電変換によって生成された電子を蓄積する。不純物領域１００はシリコン層１０の中で、電荷蓄積領域１０２に対して受光面１１とは反対側の部位に配さていることになる。表面領域１０１は、受光面１１と電荷蓄積領域１０２との間に配された、Ｐ型の不純物領域である。表面領域１０１は信号電荷である電子を受光面１１から分離するためのピニング領域である。光電変換領域１０３は、深さ方向Ｚにおいて電荷蓄積領域１０２と不純物領域１００との間に配されたＰ型またはＮ型の不純物領域である。光電変換領域１０３で光電変換された電子はポテンシャル勾配に従って電荷蓄積領域１０２に移動し、電荷蓄積領域１０２で蓄積される。電荷排出領域１１２は、深さ方向Ｚにおいて不純物領域１００に対して電荷蓄積領域１０２の側とは反対側に位置するＮ型の不純物領域である。電荷排出領域１１２は基体２０と接し得る。

光電変換部ＰＤは、不純物領域１００の少なくとも一部と、電荷蓄積領域１０２の少なくとも一部を含む。光電変換領域１０３の少なくとも一部も光電変換部ＰＤに含まれる。表面領域１０１の一部が光電変換部ＰＤとして機能する場合もある。

シリコン層１０の上にはゲート絶縁膜１０５を介して転送ゲート電極１０４が設けられている。電荷蓄積領域１０２に蓄積された電子は転送ゲート電極１０４によって形成されたチャネルを介してＮ型の不純物領域である浮遊拡散領域１０６（フローティングディフュージョン）に転送される。浮遊拡散領域１０６の電荷量に応じた電位が不図示の増幅トランジスタのゲートに入力される。増幅トランジスタはソースフォロワ回路を構成しており、浮遊拡散領域１０６の電荷量に基づく信号が出力線に出力される。

光電変換装置ＩＳには複数の光電変換部ＰＤが設けられており、隣接する光電変換部ＰＤ同士の間は分離されている。この分離は、ＳＴＩ構造やＬＯＣＯＳ構造を有する絶縁体分離部１０７および／またはＰＮ接合分離による半導体分離部１０８によって成される。受光面１１はゲート絶縁膜１０５や層間絶縁膜などの絶縁膜で覆われている。層間絶縁膜の上には、多層配線構造や、カラーフィルタやマイクレンズなどの光学構造が設けられている（不図示）。

図１（ｂ）を用いて光電変換装置ＩＳの構成について説明する。図１（ｂ）は光電変換装置ＩＳを用いて構築された撮像システムＳＹＳの構成の一例を示す。撮像システムＳＹＳは、カメラや撮影機能を有する情報端末である。光電変換装置ＩＳは基板３０を含む半導体デバイスＩＣだけでなく、さらに半導体デバイスＩＣを収容するパッケージＰＫＧをさらに備えることもできる。パッケージＰＫＧは、半導体デバイスＩＣが固定された基体と、半導体基板に対向するガラス等の蓋体と、基体に設けられた端子は半導体デバイスＩＣ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等の接続部材と、を含みうる。

撮像システムＳＹＳは、光学系ＯＵ、制御装置ＣＵ，処理装置ＰＵ、表示装置ＤＵ、記憶装置ＭＵの少なくともいずれかを備え得る。光学系ＯＵは光電変換装置ＩＳに結像する。制御装置ＣＵは光電変換装置ＩＳを制御する。処理装置ＰＵは光電変換装置ＩＳから出力された信号を処理する。表示装置ＤＵは光電変換装置ＩＳで得られた画像を表示し、記憶装置ＭＵは、光電変換装置ＩＳで得られた画像を記憶する。

不純物領域１００は、硼素および酸素を含む。本発明者は、光電変換装置における残像メカニズムを解析し、光電変換装置において残像をもたらす欠陥密度は格子間の酸素濃度の２乗と置換位置の硼素濃度の積に比例するということを発見した。すなわち残像欠陥組成はこの積によって定義されうる。本実施形態はこの発見に着想を得て、とりわけ不純物領域１００の不純物に着目したものである。

図２には実施例に係る光電変換装置ＩＳの、深さ方向Ｚにおける各部分の酸素濃度Ｏｉ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）の分布と硼素濃度Ｂｓ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）の分布を示している。図３には比較例に係る光電変換装置ＩＳの、深さ方向Ｚにおける各部分の酸素濃度Ｏｉ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）の分布と硼素濃度Ｂｓ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）の分布を示している。図２、３に示した不純物の濃度分布は、ＳＩＭＳ測定によって測定、計算することができる。図２、図３において、深さ０（μｍ）が受光面１１に相当する。深さ方向Ｚにおける各部分は、ＳＩＭＳ測定における深さ方向の測定点に対応する。ＳＩＭＳ測定では基板３０を裏面（受光面１１は反対の面）から測定する位置の直前までエッチングして除去し、裏面側に現れた面に対してＳＩＭＳ測定を行う。これにより受光面１１の界面近傍の不純物濃度を精度よく測定できる。受光面１１側からＳＩＭＳ測定を行うと、１次イオンによるノックオン・ミキシングの効果により、十分な精度を得ることができない。従って、ＳＩＭＳ測定における深さ方向の測定点の分解能は基板３０のエッチング量によって決まる。なお、図２、図３において、１Ｅ＋１６のように示されるｍＥｎ（ｍ：「１」、ｎ：「＋１６」）とはｍ×１０^ｎを意味している。ｍが「１．」であることは、ｍ＝１．０であり有効数字が２桁であることを意味している。

図１（ａ）と図２、図３を併せて不純物領域１００について説明する。不純物領域１００は、Ｐ型である不純物領域１００のうちで深さ方向Ｚにおいて硼素濃度が最大値を示す部分である基準部１１０を有する。つまり、電荷蓄積領域１０２に対して受光面１１とは反対側の部位のうちで、硼素濃度が最大値を示す部分が基準部１１０である。表面領域１０１は、基準部１１０より高い硼素濃度を示す部分を有しうるが、電荷蓄積領域１０２に対して受光面１１とは反対側の部位ではないため、基準部１１０とはならない。また、不純物領域１００は、深さ方向Ｚにおいて基準部１１０に対して電荷蓄積領域１０２の側と反対側に位置する深部１１１を有する。また、不純物領域１００は、深さ方向Ｚにおいて基準部１１０に対して電荷蓄積領域１０２の側に位置する浅部１０９を有する。主に基準部１１０を最大値として形成されるポテンシャル分布によって、浅部１０９で生成された光電子は電荷蓄積領域１０２に蓄積され、深部１１１は過剰な光電子を電荷排出領域１１２に排出する構成となる。そのため、浅部１０９は電荷蓄積領域１０２に蓄積される信号電荷を生成するため、光電変換部ＰＤに含まれる。信号電荷を排出する深部１１１は光電変換部ＰＤに含まれなくてよい。

浅部１０９と深部１１１は基準部１１０よりも低い硼素濃度を有することになる。なお、基準部１１０は硼素濃度の最大値を示すためその深さ方向Ｚにおける幅は極めて狭く、実際には浅部１０９と深部１１１は接しているように観察されうる。そのため、図２、図３では基準部１１０を線で示している。ただし、深さ方向Ｚにおいて、硼素濃度がある程度の幅に渡って一定の最大値を示す場合もあり、その場合には浅部１０９と深部１１１は基準部１１０を介して離間することになる。

実施例では光電変換領域１０３がＮ型であり、さらに、浅部１０９が存在する範囲は深部１１１が存在する範囲よりも狭い。そのため、深さ方向Ｚにおいて基準部１１０に対して電荷蓄積領域１０２の側にＰ型の半導体領域が存在する範囲は、基準部１１０に対して電荷蓄積領域１０２の側と反対側に位置するＰ型の半導体領域が存在する範囲よりも狭い。このような構成は感度を高める上で好ましい。比較例では、光電変換領域１０３がＰ型であるから、Ｐ型の半導体領域は光電変換領域１０３と浅部１０９に渡って広がる。

基体２０は単結晶シリコンであり、Ｎ型でもＰ型でもよいが、Ｎ型であることが、残像や白キズを低減する上で好ましい。Ｎ型の基体２０を用いることで電荷排出領域１１２からの電荷排出を良好に行えるため、不純物領域１００の構成において電荷排出を行うための制約を小さくできる。その結果、電荷排出や電荷蓄積を適切行うことができ、かつ、不純物領域１００を残像や白キズを低減するために最適化することが可能となる。

深さ方向Ｚにおける各部分の酸素濃度Ｏｉ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）について部分ごとに下記のように定義する。基準部１１０における酸素濃度をＯａ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、深部１１１に含まれる部分の酸素濃度をＯｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、浅部１０９に含まれる部分の酸素濃度をＯｃ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）とする。表面領域１０１に含まれる部分の酸素濃度をＯｄ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）とする。

深さ方向Ｚにおける各部分の硼素濃度Ｂｓ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）について部分ごとに下記のように定義する。基準部１１０の硼素濃度Ｂａ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、深部１１１に含まれる部分の硼素濃度をＢｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、浅部１０９に含まれる部分の硼素濃度をＢｃ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）とする。表面領域１０１に含まれる部分の硼素濃度をＢｄ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）とする。

深部１１１、浅部１０９、表面領域１０１などのように、ＳＩＭＳ測定における測定点の深さ方向Ｚの分解能よりも深さ方向Ｚで広い幅を持つ領域においては、上述した各部分の不純物濃度は、その領域のなかの１つの測定点における不純物濃度である。後述する不純物濃度に関する条件は、領域の中の複数の測定点の少なくとも１つの測定点で満たしていればよいが、領域の中の全ての測定点で満たすことが好ましい。

図２、３には、深さ方向Ｚにおける各部分の酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓとの積Ｂｓ×Ｏｉ^２を示している。積Ｂｓ×Ｏｉ^２の単位は（／ｃｍ^９）と記載することができるが、この単位自体には大きな意味はないため、積については単位の記載を省略する（任意単位とする）ことができる。方向Ｚにおける各部分の酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓとの積Ｂｓ×Ｏｉ^２について部分ごとに下記のように定義する。基準部１１０における積はＢａ×Ｏａ^２、深部１１１に含まれる部分の積はＢｂ×Ｏｂ^２、浅部１０９に含まれる部分の積はＢｃ×Ｏｃ^２となる。表面領域１０１に含まれる部分の積はＢｄ×Ｏｄ^２となる。

図４には、図２に示した実施例（分布１）と、図３に示した比較例（分布２）の深さ方向Ｚの各領域（浅部、深部）について、積Ｂｓ×Ｏｉ^２の平均を示している。図４において、深さＺ：０．０−０．３μｍが表面領域１０１に対応し、深さＺ：０．３−０．２．５μｍが電荷蓄積領域１０２および光電変換領域１０３に対応する。深さＺ：３．０−３．５μｍが浅部１０９に対応し、深さＺ＝３．５μｍが基準部１１０に対応し、深さＺ：３．５−３．４．３μｍが深部１１１に対応する。

図２に示す実施例は、下記に示す関係（０１）〜（１５）を満たしている。関係（０１）〜（１５）の少なくともいずれかを満たすことは、光電変換特性に関わる白キズと残像の低減を両立し、光電変換部ＰＤで得られる信号の質を向上する上で有利である。なお、図２、４に示した事項およびそれら把握できる事項であって、下記の関係として説明しない事項についても、感度や飽和の向上、白キズや暗電流、残像の低減など、光電変換装置において高い光電変換特性を実現する上で有利な事項であり、本実施形態の一部を構成する。また本実施例に示した事項は、長期信頼性の確保、特性変動の抑制、製造歩留まりの向上など、光電変換装置への産業上の要求に応える上でも有利な事項でもある。
（０１） Ｂａ×Ｏａ^２＜Ｂｂ×Ｏｂ^２
（０２） Ｂａ＜Ｏａ
（０３） Ｂｂ＜Ｏｂ
（０４） １×１０^１６≦Ｏａ≦１×１０^１８
（０５） １×１０^４６≦Ｂａ×Ｏａ^２≦１×１０^５２
（０６） Ｂｃ×Ｏｃ^２＜Ｂａ×Ｏａ^２
（０７） １×１０^４６≦Ｂｃ×Ｏｃ^２≦１×１０^５０
（０８） １×１０^５０＜Ｂｂ×Ｏｂ^２≦１×１０^５２
（０９） Ｂｃ×Ｏｃ^２＜Ｂｄ×Ｏｄ^２
（１０） Ｂｂ×Ｏｂ^２＜Ｂｄ×Ｏｄ^２
（１１） Ｂｃ×Ｏｃ^２＜Ｂｂ×Ｏｂ^２
（１２） １×１０^５０＜Ｂｄ×Ｏｄ^２≦１×１０^５２
（１３） Ｏｄ≧６×１０^１６

残像の原因は光電子がシリコン層１０中の欠陥にトラップされ、一定の時間遅れで光電子が欠陥から放出されることにある。またシリコン層１０の酸素濃度Ｏｉが低いほど残像が少ない。一方、ＣＭＯＳイメージセンサーの製造プロセスでは、シリコン層１０中の酸素は製造プロセス中で発生するストレスによる転位の成長を阻止することで白キズ低減の役も担っている。残像を抑制するために酸素濃度Ｏｉが低すぎる状態でＣＭＯＳイメージセンサーを製造してしまうと、プロセス熱処理中や使用時の温度変化のストレスでクラック、スリップや転位などによる白キズが発生しやすくなる。

図５（ａ）には、不純物領域１００の硼素濃度Ｂｓおよび酸素濃度Ｏｉを振った場合の残像電子数を示している。硼素濃度Ｂｓについては、条件１＜条件２＝条件３＝条件４＝条件５＝条件６＜条件７である。酸素濃度Ｏｉについては、条件１＝条件２＜条件３＜条件４＜条件５＜条件６＝条件７である。図２で示した実施例は条件１に相当し、図３に示した比較例は条件４に相当する。

そして、図５（ｂ）に示すように、酸素濃度Ｏｉと硼素濃度Ｂｓのいくつかの関数について、残像電子数の測定値とシミュレーションの相関関係を示している。欠陥組成比として酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓの積Ｂｓ×Ｏｉ^２に比例する場合が最も相関係数が高いことがわかる。このことは、欠陥の組成は［Ｂｓ］［Ｏｉ］^２であることを示している。

そして、浅部１０９が残像を与える欠陥が最も多く、また捕獲される電子が多いので、残像電子数を大きく左右する領域である。残像を減少させるには浅部１０９の欠陥を減らすことが重要である。また残像を増やさず白キズを低減するためには、表面領域１０１ならびに深部１１１およびさらに深い電荷排出領域１１２に渡って、酸素濃度Ｏｉをあげておくことが望ましい。

浅部１０９の酸素濃度Ｏｉを低くし、深部１１１の酸素濃度Ｏｉを高めるため、酸素濃度Ｏｉの基体２０上に低温でエピ成長を行い、深部１１１で酸素濃度Ｏｉに急峻な勾配を持たせる。ポテンシャルウエルの障壁を形成する硼素の濃度が最大となる基準部１１０では、酸素濃度Ｏｉが大きく下がることになる。これにより酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓの積が、硼素濃度が最大値を示す基準部１１０における値より、深部１１１において大きな値を持つことができる。これが関係（０１）の意味するところであり、これにより、白キズが少なく、残像の少ないイメージセンサーを得ることができる。

関係（０２）〜（０５）、（０８）は、このような関係を満たしつつ、高い感度を確保するために必要な実用的な条件を示している。関係（０２）、（０３）は、基準部１１０あるいは深部１１１では、酸素が有意に多く含まれていることを意味している。実施例のように光電変換領域１０３がＮ型である場合に、関係（０２）、（０３）は残像と白キズ、特に白キズを低減する上で好適である。関係（０４）は、浅部１０９や光電変換領域１０３での酸素の低減を達成するために、基準部１１０や深部１１１でも、酸素濃度Ｏｉを制限する必要があることを示している。関係（０４）のより適切な例としては、５×１０^１６≦Ｏａ≦５×１０^１７であり、実施例では、Ｏａ＜１×１０^１７である。

浅部１０９および深部１１１の硼素濃度は不純物領域１００の形成のイオン注入条件によって制御できるが、イオン注入条件を強く反映したパラメーターが、硼素分布の極大値を示す、基準部１１０の硼素濃度（Ｂａ）である。よって、基準部１１０の硼素濃度Ｂａは不純物領域１１０の硼素分布を特徴付けるパラメーターであると言える。また、基準部１１０における硼素濃度は１×１０^１４≦Ｂａ≦１×１０^１８であり、実用的には、１×１０^１５≦Ｂａ≦１×１０^１７、実施例では１×１０^１６＜Ｂａ＜１×１０^１７である。

さらに関係（０６）および／または（０７）を満たすことは、光電変換部ＰＤに含まれる浅部１０９に関する条件である。光電変換部ＰＤの感度を十分に確保しつつ、かつ、白キズと残像を低減するために、有利である。

深部１１１はフォトダイオードの電子ポテンシャルウエルの障壁の外側に位置するので、欠陥に補足された電子はその後排出されるので、画像信号として読み出されることはなく残像に与える影響は小さい。

深部１１１および電荷排出領域１１２においての酸素濃度Ｏｉは、シリコン層１０のバルクとしてのストレス耐性を決めるので、この部分での酸素濃度Ｏｉを高く保つことで、スリップ耐性やクラック耐性が向上する。

関係（０９）、（１０）、（１１）で表されるように、酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓの積Ｂｓ×Ｏｉ^２は、光電変換領域１０３＜浅部１０９＜深部１１１＜表面領域１０１である。この技術的意義は酸素濃度Ｏｉおよび硼素濃度Ｂｓを必要最小限に抑えたことに由来する。酸素濃度Ｏｉは、ストレス耐性の観点からは表層素子分離領域である表面領域１０１と深部１１１で必要であり、蓄積領域１０２および光電変換領域１０３では不要である。白キズ低減の観点からは蓄積領域１０２、光電変換領域１０３および浅部１０９において、少ないことが望ましい。それに対して、硼素濃度Ｂｓは白キズ低減の観点から、表面領域１０１の表層ピニング層形成のために最も高い濃度が必要とされる。表面領域１０１の次に高濃度となるのは、感度領域確保の観点からポテンシャルウエル底形成のために必要となる、浅部１０９と深部１１１の間の最大値の部分（基準部１１０）である。酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓの積が、光電変換領域１０３＜浅部１０９＜深部１１１＜表面領域１０１の順序となることで、酸素濃度Ｏｉおよび硼素濃度Ｂｓを十分に最適化することができる。この最適化により、白キズ低減、残像低減および感度確保が高いレベルで可能となる。

関係（１２）のように、表面領域１０１での酸素濃度Ｏｉと硼素濃度Ｂｓの積は１×１０^５２ａｔｏｍｓ^３／ｃｍ^９以下とすることで、残像低減を達成できる。また、硼素濃度Ｂｓに関して、表面領域１０１はシリコン界面準位をピンニングさせるために硼素濃度Ｂｓを２×１０^１８／ｃｍ^３以上する。また、表面領域１０１で硼素濃度Ｂｓは２×１０^１８／ｃｍ^３以上である。

関係（１３）のように、表面領域１０１に関して、絶縁体分離部１０７の近傍でのストレス耐性を上げるためイオン注入で酸素濃度Ｏｉを６×１０^１６／ｃｍ^３以上に高めている。表面領域１０１において、酸素濃度Ｏｉは６×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。これにより表層での転位発生を抑制し白キズの低減を達成できる。

また深部１１１は、浅部１０９と深部１１１形成時の硼素高加速イオンインプランテーション時にもっとも点欠陥が入る領域であり、転位発生の起点となる可能性が高い。よって、この領域で発生した転位がその後のプロセス熱処理や使用時の熱環境の変化で成長して、浅部１０９から光電変換領域１０３さらに蓄積領域１０２にまで転位が到達すると、白傷を起こす。よってこの深部１１１の酸素濃度Ｏｉを高くすることで白キズを低減できる。

また、表面領域１０１に関して、酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓの積は１×１０^５２ａｔｏｍｓ^３／ｃｍ^９以下である。浅部１０９の酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓの積に対して、表面領域１０１での酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓの積が２桁多く許されるのは、電子密度の影響である。換言すると、不純物領域１００では積Ｂｓ×Ｏｉ^２の僅かな違いが残像に大きく影響するものであり、特に浅部１０９における積Ｂｓ×Ｏｉ^２が１×１０^５０以下であることは、１×１０^５０を超えることと残像の低減に関して、十分な差が生じるものであり、例えば積Ｂｓ×Ｏｉ^２が１桁違うことは残像の低減について顕著な差が生じることを意味する。

比較例は、上記実施例のようにはなっていない。とくに、比較例は浅部１０９と深部１１１が接する位置、すなわち硼素のピーク位置で、残像を与える欠陥濃度もピーク密度となっている。これに対して、実施例は浅部１０９と深部１１１が接する位置、すなわち硼素のピークよりも深部において、残像を与える欠陥濃度がピーク密度を示している。

残像をもたらす欠陥分布と光電子の欠陥への捕獲に関して、以下考察する。浅部１０９は、基体２０からプロセス中の熱工程により拡散してきた酸素が多量にあり、またポテンシャルウエルの障壁を形成させるため多量の硼素がイオン注入されていることより、残像をもたらす欠陥が多量に存在する。

それに比べて、表面領域１０１は基体２０からの拡散による酸素濃度Ｏｉは低いが、硼素濃度Ｂｓが高いので、無視できない濃度の欠陥が存在する。しかし、蓄積領域１０２と表面領域１０１の接合によって形成されるポテンシャル勾配のために、表面領域１０１の光電子密度は低く抑えられる。そのため、表面領域１０１に欠陥が存在しても、トラップされる確率は低く、残像に与える影響は少ない。

これにより表面領域１０１では酸素濃度Ｏｉを上げて素子分離工程における転位発生を防ぐストレス耐性を増しても、ポテンシャル勾配により電子が排出される分だけ、残像を増大さえる可能性は低い。

光電変換領域１０３は酸素濃度Ｏｉも硼素濃度Ｂｓも低いので、残像に与える影響は少ない。蓄積領域１０２は硼素濃度Ｂｓが低く設定されており、さらに酸素濃度Ｏｉも低いので残像に与える影響は光電変換領域１０３よりもさらに低い。

以上説明したように、本実施形態の光電変換装置ＩＳは、酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓの積Ｂｓ×Ｏｉ^２が、基準部１１０よりも深部１１１において大きい。また、本実施形態の光電変換装置ＩＳは、酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓの積Ｂｓ×Ｏｉ^２が１×１０^５２以下である。

残像と［Ｂｓ］［Ｏｉ］^２との関係について詳細に説明する。本発明者による検討では、硼素濃度分布および酸素濃度分布をＳＩＭＳ測定データでキャリブレーションした３Ｄシミュレーションを用いて、実測残像データのフィッテングを行った。ＣＭＯＳイメージセンサーの残像原因欠陥密度は格子間酸素濃度Ｏｉの２乗と硼素濃度Ｂｓの積に比例する。そして、残像特性の温度依存性からは欠陥の準位はＥｔ−Ｅｖ＝０．５±０．１ｅＶ，電子捕獲断面積σｎ〜１０^−１５ｃｍ^２程度であることが判明した。

本発明者はまず、受光面１１に異なる波長の光を入射し、同じ残像電子数を与える光強度を測定し、それぞれの波長でのシリコン層１０内の光電子の発生レートおよび電子フェルミ準位のシリコン層１０内での深さ方向分布をシミュレーションした。図６がその結果を示している。図６（ａ）で示した光が入射したときの光電子のフェルミ準位Ｅｆと荷電子帯エネルギーＥｖの差［Ｅｆ−Ｅｖ］は、電子濃度をあらわすパラメーターである。この［Ｅｆ−Ｅｖ］深さ方向分布は電荷蓄積領域１０２でもっとも大きく、その次が３領域１０３および浅部１０９である。表面領域１０１はこれらの領域と比較して、ポテンシャル勾配により電子が蓄積せず、電子濃度は高くなりにくく、よって、［Ｅｆ−Ｅｖ］は小さく、電子捕獲が起こりにくいことを表している。これらにより、浅部１０９が残像を与える欠陥が最も多く、また捕獲される電子が多いので、残像電子数を大きく左右する領域であることがわかる。

光電子発生レートは光の波長に大きく依存し、シリコン層１０の深さ方向Ｚに対して指数関数的に減少してゆく。例えば電荷蓄積領域１０２における光電子発生レートは１．００×１０^１７（ｃｍ^−３／ｓｅｃ）である。そして、不純物領域１００に向かって、おおむね等間隔で、１．００×１０^１６（ｃｍ^−３／ｓｅｃ）、１．００×１０^１５（ｃｍ^−３／ｓｅｃ）と減少していく。しかるに、異なる波長で同じ残像出力を与える光を入射した場合、光電変換部ＰＤ内の光電変換領域１０３および浅部１０９のフェルミ準位は一致する。このことから、残像のメカニズムは以下のように推察できる。シリコン層１０中で、光入射により発生した光電子はシリコン層１０内に拡散する。拡散した光電子は、残像をもたらす欠陥の準位と光電子のフェルミ準位の相対エネルギー差に応じて電子捕獲される確率が決まる。その後、光消灯後に、捕獲された電子は、欠陥の準位から伝導帯に放出される。

図５（ａ）から分かるように、残像は酸素濃度Ｏｉのみに依存するのではなく硼素濃度Ｂｓにも影響を受ける。残像をもたらす欠陥組成と欠陥の作る準位を求めるために、３Ｄプロセスシミュレーションにより、酸素濃度Ｏｉと硼素濃度Ｂｓの関数として、残像を起こす欠陥濃度を分布させた。そして、さまざまな関数に対して、光入射時の３Ｄデバイスシミュレーションで欠陥に電子を捕獲させ、その後の光を消灯させたデバイスシミュレーションにより、残像電子放出を計算させた。

さらに欠陥の準位Ｅｔ−Ｅｖについても、シミュレーション上で水準計算を行い、シミュレーションの結果と水準実験の残像測定データのフィッティングから、割り出した。図６（ｂ）に示すように、これらのシミュレーション水準計算と実験水準の比較から、欠陥の準位はＥｔ−Ｅｖ＝０．５±０．１ｅＶと算出できる。

これらによりＣＭＯＳイメージセンサーで観察される残像は基体２０から拡散してきた格子間酸素と置換位置硼素の複合欠陥に起因していると考えられる。電子によるフェルミレベルの上昇に伴って電子がトラップされ、光消灯後、ＳＲＨモデルに基づく欠陥準位に応じた時定数で電子放出が起きている可能性が高い。

以上のような考察から、図５（ｂ）に示した残像電子数の測定値とシミュレーションの相関関係から、欠陥の組成は［Ｂｓ］［Ｏｉ］^２であると言える。この着想に基づく、上述した実施形態によれば、高い画像品質を実現できる光電変換装置を提供することができる。

上述の実施形態は、本発明の思想を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。例えば、上述した実施例は表面照射型のＣＭＯＳイメージセンサーであるが、本発明は、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサーにも適用することができるし、ＣＣＤイメージセンサーに適用することもできる。

１０ シリコン層
１１ 受光面
ＩＳ 光電変換装置
ＰＤ 光電変換部
１００ 不純物領域
１０２ 電荷蓄積領域
１０９ 浅部
１１０ 基準部
１１１ 深部

Claims (14)

1. シリコン層の受光面から入射した光によって生じた電子を信号電荷として生成する光電変換部を備える光電変換装置であって、
   前記光電変換部は、前記シリコン層の中に配されたＮ型の第１不純物領域の少なくとも一部と、前記シリコン層の中であって前記受光面に対して垂直な方向において前記第１不純物領域に対して前記受光面とは反対側の部位に配され硼素および酸素を含むＰ型の第２不純物領域の少なくとも一部と、を含み、
   前記第２不純物領域は、前記部位のうちで硼素濃度が最大値を示す第１部分と、前記方向において前記第１部分に対して前記第１不純物領域の側とは反対側に位置する第２部分と、前記方向において前記第１部分に対して前記第１不純物領域の側に位置する第３部分を有し、
   前記第１部分の硼素濃度をＢａ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、酸素濃度をＯａ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、前記第２部分の硼素濃度をＢｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、酸素濃度をＯｂ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、前記第３部分の硼素濃度をＢｃ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ ）、酸素濃度をＯｃ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ ）として、
   Ｂａ×Ｏａ^２＜Ｂｂ×Ｏｂ^２と、
   Ｂｃ×Ｏｃ ^２ ＜Ｂａ×Ｏａ ^２ と、
   Ｂａ＜Ｏａを満たすことを特徴とする光電変換装置。
2. 前記シリコン層は、前記方向において前記第２不純物領域に対して前記第１不純物領域の側とは反対側に位置するＮ型の第３不純物領域を有し、
   前記第１部分から前記第３不純物領域までの前記方向に沿った長さよりも、前記第１部分から前記第２不純物領域の前記第１不純物領域側の面までの前記方向に沿った長さが短いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. Ｂｂ＜Ｏｂを満たす、請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. １×１０^１６≦Ｏａ≦１×１０^１８を満たす、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. １×１０^４６≦Ｂａ×Ｏａ^２≦１×１０^５２を満たす、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
6. １×１０^４６≦Ｂｃ×Ｏｃ^２≦１×１０^５０を満たす、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. １×１０^５０＜Ｂｂ×Ｏｂ^２≦１×１０^５２
   を満たす、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記受光面と前記第１不純物領域との間には、硼素および酸素を含むＰ型の第４不純物領域が配されており、前記第４不純物領域の硼素濃度をＢｄ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、酸素濃度をＯｄ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）として、
   Ｂｃ×Ｏｃ^２＜Ｂｄ×Ｏｄ^２を満たす、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記受光面と前記第１不純物領域との間には、硼素および酸素を含むＰ型の第４不純物領域が配されており、前記第４不純物領域の硼素濃度をＢｄ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、酸素濃度をＯｄ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）として、
   Ｂｂ×Ｏｂ^２＜Ｂｄ×Ｏｄ^２を満たす、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
10. 前記受光面と前記第１不純物領域との間には、硼素および酸素を含むＰ型の第４不純物領域が配されており、前記第４不純物領域の硼素濃度をＢｄ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、酸素濃度をＯｄ（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）として、
    １×１０^５０＜Ｂｄ×Ｏｄ^２≦１×１０^５２を満たす、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
11. Ｏｄ≧６×１０^１６を満たす、請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
12. 前記第３部分は、前記シリコン層の中の前記受光面から３．０μｍの深さの位置と前記第１部分との間に配されている、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
13. 前記方向において前記第１部分に対して前記第１不純物領域の側にＰ型の半導体領域が存在する範囲は、前記第１部分に対して前記第１不純物領域の側と反対側にＰ型の半導体領域が存在する範囲よりも狭い、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置を備える撮像システムであって、
    前記光電変換装置に結像する光学系と、
    前記光電変換装置を制御する制御装置と、
    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と、
    前記光電変換装置で得られた画像を表示する表示装置と、
    前記光電変換装置で得られた画像を記憶する記憶装置と、
    の少なくともいずれかを備える撮像システム。

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