JPH07245383A

JPH07245383A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH07245383A
Application number: JP6034703A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hamana; 隆濱名
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 1995-09-19
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JP3292583B2

Abstract

(57)【要約】【目的】撮像素子のストレス・歪の低減及び光信号ク
ロストークの低減、光検出感度の向上を可能とする光学
的共鳴構造を与えることを目的としている。【構成】光検出部３の表面上に入射赤外線の波長より
薄い絶縁膜で第１の層間膜４を形成し、第１の層間膜４
の表面上に光学的共鳴条件を満足する厚さを持ち、屈折
率が高く、赤外線吸収率の低い第２の層間膜５Ａを形成
し、第２の層間膜５Ａの表面上に赤外線反射率の高いア
ルミニウム反射膜６を形成するようにしたものである。【効果】第１の層間膜４は、光検出部３で生成された
光キャリアを反射し、半導体への光キャリア注入効率を
高めて、高い光感度を維持する。第２の層間膜５Ａは、
屈折率が大きく、赤外線吸収率が小さいため、層間膜厚
の低減と赤外線吸収量の低減が可能となり、素子のスト
レス・歪の低減及び光信号のクロストークの低減及び光
検出感度の向上が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体撮像装置に関
し、特に赤外線固体撮像装置（ＩＲＣＣＤ）の光学的共
鳴構造の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の固体撮像装置の構成について図６
を参照しながら説明する。図６は、従来の裏面光入射型
赤外線固体撮像装置の光学的共鳴構造の断面を示す図で
ある。

【０００３】図６において、１はｐ型シリコン基板、２
は画素分離のためのシリコン酸化膜である。また、３は
光検出を行うショットキー接合を形成するための、例え
ば、プラチナ（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属、
プラチナシリサイド、イリジウムシリサイド等の金属化
合物などの金属薄膜、あるいは、ヘテロ接合を形成する
ための、例えば、ｐ型ドーパントが１×１０¹⁹〜１×１
０²¹個／ｃｍ³の高濃度にｐ型ドーピングを行なったシ
リコン−ゲルマニウム混晶（Ｓｉ₁−ｘＧｅｘ）などの
光検出部である。さらに、５は層間を充填するためのシ
リコン酸化膜、あるいは、シリコン窒化膜などの層間
膜、６は光検出部３を透過した赤外線を再び光検出部３
へ反射させるためのアルミニウム反射膜、９は固体撮像
素子の裏面から入射した赤外線、１０は赤外線９の反射
光である。なお、ｄは層間膜５の膜厚である。

【０００４】つぎに、前述した従来の固体撮像装置の光
学的共鳴構造の作用について説明する。

【０００５】図６に示すように、固体撮像素子の裏面よ
り入射した赤外線９は、ｐ型シリコン基板１で殆ど吸収
されることなく光検出部３に入射する。光検出部３によ
り光電変換が行われるが、効率は１００％ではないので
一部の赤外線９は光検出部３を透過する。この透過した
赤外線９を再利用するためにアルミニウム反射膜６によ
り赤外線９を反射し、反射光１０として光検出部３へ戻
す。

【０００６】以上の作用において重要な設計パラメータ
は、層間膜５の屈折率「ｎ」と膜厚「ｄ」である。

【０００７】入射光９と反射光１０とは、互いに進行方
向が逆であるから定在波を形成するわけであるが、光検
出部３の場所で定在波の腹を形成するように設計パラメ
ータを選択すれば最も効率よく赤外線を光電変換するこ
とができるのである。その条件は、真空中での赤外線の
波長を「λ₀」とすれば、以下の式１で表される。

【０００８】ｄ＝（１／４）・（λ₀／ｎ）・・・式１

【０００９】現在、実用化されているショットキー接合
型赤外線固体撮像素子では、３〜５μｍ帯に対して光感
度を有しているが、この場合について層間膜５の膜厚ｄ
を以下のように算出する。

【００１０】層間膜５の材料としてシリコン酸化膜を使
用すれば屈折率ｎは、１．４６であるから赤外線の波長
λ₀を４μｍとすると、以下のようになる。

【００１１】ｄ＝（１／４）・（４／１．４６）≒０．６８μｍ

【００１２】また、層間膜５の材料としてシリコン窒化
膜を用いれば、屈折率ｎは、２．０５であるから、以下
のようになる。

【００１３】ｄ＝（１／４）・（４／２．０５）≒０．４９μｍ

【００１４】この程度の膜厚の層間膜５は、各種のシリ
コン半導体素子において使用されており、何ら問題は引
き起こさない。

【００１５】つづいて、前述した従来の固体撮像装置の
層間膜５のもう１つの重要な作用について図７を参照し
ながら説明する。図７は、従来の固体撮像装置の光検出
動作状態にある光検出部３近傍のエネルギーポテンシャ
ルを示す図である。

【００１６】図７において、１はｐ型シリコン基板、３
は光検出部（金属薄膜）、５は層間膜（シリコン酸化
膜、あるいは、シリコン窒化膜）のそれぞれのエネルギ
ーポテンシャルを示す。また、７は赤外線を吸収して生
成された正孔、８は赤外線を吸収して励起された電子で
ある。なお、Ｅ_Fはフェルミレベル、Ｅ_Vは価電子帯上端
のレベルをそれぞれ示す。

【００１７】金属薄膜３の内部において赤外線を吸収し
光励起された電子の「空孔」として生成された正孔７
は、運動エネルギーを持つので四方八方へ進行する。こ
のうち、ｐ型シリコン基板１の方向へ進行した正孔７
は、ショットキー障壁を越えて、ｐ型シリコン基板１へ
注入され、光電流として検出される。

【００１８】一方、ｐ型シリコン基板１と逆の方向へ進
行した正孔７は本来ならば光電流として検出されない
が、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁物を用
いた層間膜５は、図７に示すように、正孔７に対する高
いポテンシャル障壁となり、量子力学的な反射が起こ
る。このため正孔７の進行方向が逆になりｐ型シリコン
基板１内へ注入されて光電流として検出される。すなわ
ち、光の検出感度が高くなる。

【００１９】この正孔７の反射による注入過程は、正孔
７の平均自由行程以内で行われなければならない。なぜ
ならば、正孔７の運動が平均自由行程を越えると正孔７
は、フォノン等との衝突を経験し、運動エネルギーを失
うため、ショットキー障壁を越えることができなくなる
からである。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
裏面光入射型赤外線固体撮像装置では、式１から解るよ
うに検出波長が長波長化されると層間膜５の膜厚ｄが大
となるため、種々の問題が発生する。その問題点につい
て以下に説明する。

【００２１】検出波長が１０μｍ帯の場合、例えば光学
的共鳴のピークを１２μｍに設定した場合、式１によれ
ばシリコン酸化膜を層間膜５として使用したときは、層
間膜５の厚さは約２．０μｍ、シリコン窒化膜を使用し
たときには、約１．５μｍとなる。以上のように層間膜
５の膜厚ｄが大であると以下の問題点が発生する。

【００２２】通常のシリコン半導体素子製造において使
用する層間膜の材料であるシリコン酸化膜及びシリコン
窒化膜は、シリコン基板と熱膨張係数が異なっている。
これら層間膜の形成は、ＣＶＤ等の方法によって数百℃
の高温で行われる。したがって、膜形成後室温まで温度
を下げると熱膨張係数の差のためにウエハの反りが生じ
る。この現象は、層間膜が厚くなる程著しくなる。さら
に、ウエハの反りが生じるということは、ウエハ上に形
成した各回路素子に多大なストレスが与えられているこ
とであり、各回路素子の信頼性上の観点からも非常に大
きな問題となる。赤外線検出素子の動作は、通常８０ｋ
以下の極低温で行われるために特にこの作用は顕著であ
る。

【００２３】次に、層間膜の材料として使用するシリコ
ン酸化物やシリコン窒化物は、赤外線をよく吸収する材
料であるため、その膜厚が大となれば層間膜による赤外
線の吸収が増加し、反射光強度が減少し、赤外線の検出
感度が低下する。

【００２４】さらに、光信号のクロストークの問題が存
在する。光検出部３を透過した赤外線は、アルミニウム
反射膜６により反射されるわけであるが、全部が垂直に
反射されるわけではなく、一部の赤外線は、散乱や回折
により斜め方向へ反射される。その赤外線は層間膜５中
を数回反射を繰り返して、隣接した画素へ入射し、クロ
ストークの原因となる。この光信号のクロストークは、
層間膜の膜厚が大きくなる程増加する。

【００２５】以上のように層間膜の膜厚ｄが大となる
と、ウエハの反りが生じ、また赤外線の検出感度が低下
し、さらにクロストークが発生するという問題点があっ
た。

【００２６】この発明は、前述した問題点を解決するた
めになされたもので、層間膜の膜厚を低減でき、かつ、
赤外線によって生成された正孔の収集効率を低下させな
い光学的共鳴構造を備える固体撮像装置を得ることを目
的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る固体撮像装置は、次に掲げる手段を備えたものであ
る。〔１〕半導体基板上に設けられ入射光を光電変換する
光検出部。〔２〕この光検出部上に設けられ前記入射光により発
生したキャリアを反射する障壁膜。〔３〕この障壁膜上に設けられた層間膜。〔４〕前記層間膜上に設けられ前記光検出部を透過し
た入射光を反射する反射膜。

【００２８】この発明の請求項２に係る固体撮像装置
は、前記障壁膜が絶縁物により構成されるものである。

【００２９】この発明の請求項３に係る固体撮像装置
は、前記障壁膜が、シリコン酸化物、又はシリコン窒化
物により構成され、前記層間膜が、シリコン、ゲルマニ
ウム、又ははシリコン−ゲルマニウム混晶により構成さ
れるものである。

【００３０】この発明の請求項４に係る固体撮像装置
は、前記障壁膜がドーピングされた半導体により構成さ
れるものである。

【００３１】この発明の請求項５に係る固体撮像装置
は、前記障壁膜が、ドーピングされたシリコン、ゲルマ
ニウム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶により構成さ
れ、前記層間膜が、シリコン、ゲルマニウム、又はシリ
コン−ゲルマニウム混晶により構成されるものである。

【００３２】

【作用】この発明の請求項１に係る固体撮像装置におい
ては、半導体基板上に設けられた光検出部によって、入
射光が光電変換される。また、この光検出部上に設けら
れた障壁膜によって、前記入射光により発生したキャリ
アが反射される。さらに、この障壁膜上に設けられた層
間膜によって、膜厚が低減される。そして、前記層間膜
上に設けられた反射膜によって、前記光検出部を透過し
た入射光が反射される。

【００３３】この発明の請求項２に係る固体撮像装置に
おいては、絶縁物により構成される障壁膜によって、前
記入射光により発生したキャリアが反射される。

【００３４】この発明の請求項３に係る固体撮像装置に
おいては、シリコン酸化物、又はシリコン窒化物により
構成された障壁膜によって、前記入射光により発生した
キャリアが反射される。また、シリコン、ゲルマニウ
ム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶により構成された
層間膜によって、膜厚が低減される。

【００３５】この発明の請求項４に係る固体撮像装置に
おいては、ドーピングされた半導体により構成される障
壁膜によって、前記入射光により発生したキャリアが反
射される。

【００３６】この発明の請求項５に係る固体撮像装置に
おいては、ドーピングされたシリコン、ゲルマニウム、
又はシリコン−ゲルマニウム混晶により構成された障壁
膜によって、前記入射光により発生したキャリアが反射
される。また、シリコン、ゲルマニウム、又はシリコン
−ゲルマニウム混晶により構成された層間膜によって、
膜厚が低減される。

【００３７】

【実施例】

実施例１．この発明の実施例１の構成について図１を参
照しながら説明する。図１は、この発明の実施例１に係
る赤外線固体撮像装置の光学的共鳴構造の断面を示す図
であり、ｐ型シリコン基板１、シリコン酸化膜２、光検
出部３及びアルミニウム反射膜６は上述した従来装置の
ものと同様である。なお、各図中、同一符号は同一又は
相当部分を示す。

【００３８】図１において、４は光検出部３上にシリコ
ン酸化膜又はシリコン窒化膜の絶縁物で形成され、例え
ば、数百Å（０．０２〜０．０６μ）程度の極めて薄い
第１の層間膜である。５Ａは第１の層間膜４上に形成さ
れ、屈折率が大きく、赤外線吸収の小さい材料である、
例えば、不純物をドーピングしない、又はｐ型若しくは
ｎ型ドーパントが１×１０¹⁷個／ｃｍ³以下の低濃度に
ドーピングしたシリコン、ゲルマニウム、あるいはシリ
コン−ゲルマニウム混晶の第２の層間膜である。これら
の材料の屈折率は、シリコン酸化膜が１．４６、シリコ
ン窒化膜が２．０５であるのに対して、シリコンが３．
５、ゲルマニウムが４．１、シリコン−ゲルマニウム混
晶が３．５〜４．１である。この第２の層間膜５Ａは光
学的共鳴の条件を満たすような膜厚で形成されている。
なお、この発明の請求項１〜３に係る光検出部は、この
実施例１では光検出部３に相当し、この発明の請求項１
〜３に係る障壁膜は、この実施例１では第１の層間膜４
に相当し、この発明の請求項１〜３に係る層間膜は、こ
の実施例１では第２の層間膜５Ａに相当し、この発明の
請求項１〜３に係る反射膜は、この実施例１ではアルミ
ニウム反射膜６に相当する。

【００３９】つぎに、前述した実施例１の光学的共鳴構
造の作用について説明する。図１に示すように、固体撮
像素子の裏面より入射した赤外線９は、ｐ型シリコン基
板１でほとんど吸収されることなく光検出部３に入射す
る。光検出部３により光電変換が行われるが、効率は１
００％ではないので一部の赤外線は光検出部３を透過す
る。この透過した赤外線を再利用するためにアルミニウ
ム反射膜６により赤外線を反射し、光検出部３へ戻す。

【００４０】以上の作用において重要な設計パラメータ
は、第１の層間膜４及び第２の層間膜５Ａの屈折率
「ｎ」と膜厚「ｄ」である。

【００４１】入射光９と反射光１０とは、互いに進行方
向が逆であるから定在波を形成するわけであるが、光検
出部３の場所で定在波の腹を形成するように設計パラメ
ータを選択すれば最も効率よく赤外線を光電変換するこ
とができるのである。

【００４２】この実施例１の構造においては、第１の層
間膜４は、前述したように数百Å（０．０２〜０．０６
μｍ）程度と極めて薄いので透過した入射赤外線に対す
る光学的距離に与える寄与分は無視することができる。
また、極めて薄いことから、たとえ第１の層間膜４の材
料が赤外線吸収率の高いものであっても吸収量は無視す
ることができる。さらに、第１の層間膜４と光検出部３
の境界での反射光と、第１の層間膜４と第２の層間膜５
Ａの境界での反射光は、第１の層間膜４が薄ければほぼ
逆位相となるので打ち消し合う。

【００４３】すなわち、第１の層間膜４は極めて薄けれ
ば光学的にはその存在を無視してよいわけである。なぜ
ならば、前述したように赤外線の吸収が少なく、また第
１の層間膜４と光検出部３の境界での反射光と、第１の
層間膜４と第２の層間膜５Ａの境界での反射光の干渉の
影響が少ないからである。なお、光学的に無視しうる厚
さは、入射赤外線の波長より薄い、例えば１０００Å
（０．１μｍ）以下である。

【００４４】従って、第１の層間膜４の存在を無視し、
第２の層間膜５Ａの屈折率を「ｎ₂」、その膜厚を
「ｄ₂」、真空中での赤外線の波長を「λ₀」とすれば、
最も高い光電変換効率を与える条件は、以下の式２で表
される。

【００４５】ｄ₂＝（１／４）・（λ₀／ｎ₂）・・・式２

【００４６】例えば、光学的共鳴のピークを１２μｍに
設定した場合、第２の層間膜５Ａの材料としてシリコン
を使用すれば、屈折率ｎ₂は３．５であるからその膜厚
ｄ₂は次のようになる。つまり、ｄ₂＝（１／４）・（１
２／３．５）≒０．８６μｍとなる。また、第２の層間
膜５Ａの材料としてゲルマニウムを使用すれば、屈折率
ｎ₂は４．１であるからその膜厚ｄ₂は次のようになる。
つまり、ｄ₂＝（１／４）・（１２／４．１）≒０．７
３μｍとなる。さらに、第２の層間膜５Ａの材料として
シリコン−ゲルマニウム混晶を使用すれば、屈折率ｎ₂
は３．５〜４．１であるからその膜厚ｄ₂は上記の二値
の中間的な値をとる。従って、従来の構造よりも層間膜
厚が小さく、かつ層間膜での赤外線吸収量の小さい光学
的共鳴構造が得られる。また、厚い第２の層間膜５Ａの
材料としてシリコン基板と熱膨張係数の同じ、あるいは
近い材料を使用するのでストレス及び歪は無くなる、又
は著しく低減されることとなる。

【００４７】前述したように、この実施例１の第１の層
間膜４は極めて薄いので光学的にはほとんど無視するこ
とができるが、重要な働きをする。そこで、その重要な
働きを説明するために第１の層間膜４がない場合につい
て図５を参照しながら説明する。図５は、第１の層間膜
４がない場合の光検出部３近傍のエネルギーポテンシャ
ルを示す図である。同図において、１はｐ型シリコン基
板、３は光検出部（シリコン−ゲルマニウム混晶）、５
Ａは第２の層間膜（シリコン）のそれぞれのエネルギー
ポテンシャルを示し、７は赤外線を吸収して生成された
正孔、８は赤外線を吸収して励起された電子であり、Ｅ
_Fはフェルミレベル、Ｅ_Vは価電子帯上端のレベルをそれ
ぞれ示す。例えば、光検出部３としてシリコン−ゲルマ
ニウム混晶を使用した場合、このシリコン−ゲルマニウ
ム混晶３は、高濃度にｐ型ドーピングされているので空
乏層はほとんど延びない。一方、第２の層間膜５Ａは、
不純物ドーピングされていない（あるいは、低濃度にド
ーピングを行っている）ので厚い空乏層が延びている。
このことは、空乏層中のポテンシャルがゆるやかに傾斜
していることを意味している。入射光により生成された
正孔７が第２の層間膜５Ａ側（Ｘ）へ進行した場合、界
面部にポテンシャル障壁が存在しないのでそのまま第２
の層間膜５Ａ中へ侵入する。侵入した正孔７は、衝突に
よる散乱がなければ、第２の層間膜５Ａ内部に形成され
たポテンシャル障壁に衝突し、反射される。しかし、正
孔７の平均自由行程は、シリコン中で高々１００Å程度
であるからポテンシャル障壁に衝突する前にフォノン等
により散乱されて運動エネルギーを失ってしまう。この
不都合を解消するためには、界面部に正孔７に対する高
いポテンシャル障壁を設ければよい。

【００４８】この実施例１の第１の層間膜４の重要な働
きについて図２を参照しながら説明する。図２は、この
発明の実施例１の光検出動作状態にある光検出部３近傍
のエネルギーポテンシャルを示す図である。同図におい
て、１はｐ型シリコン基板、３は光検出部（シリコン−
ゲルマニウム混晶）、４は第１の層間膜、５Ａは第２の
層間膜のそれぞれのエネルギーポテンシャルを示し、７
は赤外線を吸収して生成された正孔、８は赤外線を吸収
して励起された電子であり、Ｅ_Fはフェルミレベル、Ｅ_V
は価電子帯上端のレベルをそれぞれ示す。

【００４９】シリコン−ゲルマニウム混晶３の内部にお
いて赤外線を吸収し光励起された電子の「空孔」として
生成された正孔７は、運動エネルギーを持つので四方八
方へ進行する。このうち、ｐ型シリコン基板１の方向へ
進行した正孔７は、ヘテロ障壁を越えて、ｐ型シリコン
基板１へ注入され、光電流として検出される。

【００５０】ｐ型シリコン基板１と逆の方向へ進行した
正孔７は、本来ならば光電流として検出されないのであ
るが、第１の層間膜４は絶縁物を用いているので正孔７
に対して高いポテンシャル障壁となり、図２に矢印で示
したように量子力学的な反射が起こる。このため、正孔
７の進行方向は逆になり、ｐ型シリコン基板１内へ注入
されて光電流として検出される。

【００５１】もし、第１の層間膜４が存在しなければ、
正孔７は反射されることなく第２の層間膜５Ａ中へ注入
され、光電流として検出されないことは言うまでもな
い。すなわち、この実施例１においても従来構造の持つ
正孔の反射による光検出感度向上の作用は、全く失われ
ることはない。

【００５２】前述したように、光学的共鳴のピークを１
２μｍに設定した場合、従来の光学的共鳴構造では、式
１によればシリコン酸化膜を層間膜５として使用したと
きは、層間膜５の膜厚ｄは２．０μｍ、シリコン窒化膜
を使用したときには、１．５μｍとなる。それに対して
この実施例１の光学的共鳴構造では、第２の層間膜５Ａ
として、シリコンを使用すれば、式２に従って第２の層
間膜５Ａの膜厚ｄ₂は、０．８６μｍ、ゲルマニウムを
使用すれば０．７３μｍ、シリコン−ゲルマニウム混晶
を使用すれば上記の二値の中間的な値をとる。つまり、
従来の構造に比べれば半分以下となる。

【００５３】従って、層間膜の膜厚が減少すれば、シリ
コン基板と層間膜との熱膨張係数の差に起因する機械的
ストレス及び歪の問題が低減され、また層間膜内での散
乱・回折・多重反射による光信号のクロストークは低減
される。さらに、層間膜の材料として赤外線吸収率の小
さいものを使用するので層間膜での赤外線強度の損失を
抑えることができる。

【００５４】この発明の実施例１は、前述したように、
入射赤外線の光電変換を行う光検出部３と、この光検出
部３の表面上に前記入射赤外線の波長よりも薄く絶縁物
で形成された第１の層間膜４と、前記第１の層間膜４の
表面上に光学的共鳴条件を満足する厚さで形成され、屈
折率が高く赤外線吸収率の低い第２の層間膜５Ａと、前
記第２の層間膜５Ａの表面上に形成され、赤外線反射率
の高いアルミニウム反射膜６とを備えたものである。

【００５５】すなわち、上記光検出部３として、ショッ
トキー接合を形成するための、例えば、プラチナ（Ｐ
ｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属、プラチナシリサイ
ド、イリジウムシリサイド等の金属化合物などの金属薄
膜、あるいは、ヘテロ接合を形成するための、例えば、
ｐ型ドーパントが１×１０¹⁹〜１×１０²¹個／ｃｍ³の
高濃度にｐ型ドーピングを行なったシリコン−ゲルマニ
ウム混晶（Ｓｉ₁−ｘＧｅｘ）を用い、上記第１の層間
膜４として、シリコン酸化物又はシリコン窒化物を用
い、上記第２の層間膜５Ａとして、不純物をドーピング
しない、又はｐ型若しくはｎ型ドーパントが１×１０¹⁷
個／ｃｍ³以下の低濃度にｐ型若しくはｎ型ドーピング
したシリコン、ゲルマニウム、あるいはシリコン−ゲル
マニウム混晶を用いたものである。

【００５６】つまり、この実施例１は、赤外線固体撮像
装置において素子のストレス・歪の低減及び光信号クロ
ストークの低減、光検出感度の向上を可能とする光学的
共鳴構造を与えることを目的としている。そのために、
光検出部３の表面上に入射赤外線の波長より薄い数百Å
（０．０２〜０．０６μｍ）程度の薄い絶縁膜で第１の
層間膜４を形成し、この第１の層間膜４の表面上に光学
的共鳴条件を満足する厚さを持ち、屈折率が高く、赤外
線吸収率の低い第２の層間膜５Ａを形成し、第２の層間
膜５Ａの表面上に赤外線反射率の高いアルミニウム反射
膜６を形成するようにしたものである。その結果、第１
の層間膜４は、光検出部３で生成された光キャリアを反
射し、半導体への光キャリア注入効率を高めて、高い光
感度を維持する。また、第２の層間膜５Ａは、屈折率が
大きく、赤外線吸収率が小さいため、層間膜の膜厚の低
減と赤外線吸収量の低減が可能となり、素子のストレス
・歪の低減及び光信号のクロストークの低減及び光検出
感度の向上が可能となる。

【００５７】実施例２．上記実施例１では、光検出部３
上に一旦、絶縁物による第１の層間膜４を形成した後
に、屈折率が大きく、赤外線吸収の小さい第２の層間膜
５Ａを形成していた。この実施例２は、実施例１の製造
プロセス工程を減らし、素子製造工程を簡単化する光学
的共鳴構造を提供するものである。

【００５８】この発明の実施例２の構成について図３を
参照しながら説明する。図３は、この発明の実施例２の
構造断面を示す図であり、ｐ型シリコン基板１、シリコ
ン酸化膜２、光検出部３、第２の層間膜５Ａ及びアルミ
ニウム反射膜６は上述した実施例１のものと同様であ
る。

【００５９】図３において、４Ａは光検出部３上に形成
され、ｎ型ドーパントが１×１０¹⁹〜１×１０²¹個／ｃ
ｍ³の高濃度にｎ型ドーピングを行なったシリコン、ゲ
ルマニウム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶で形成さ
れ、例えば、数百Å（０．０２〜０．０６μ）程度の極
めて薄い第１の層間膜である。なお、この発明の請求項
１、４及び５に係る光検出部は、この実施例２では光検
出部３に相当し、この発明の請求項１、４及び５に係る
障壁膜は、この実施例２では第１の層間膜４Ａに相当
し、この発明の請求項１、４及び５に係る層間膜は、こ
の実施例２では第２の層間膜５Ａに相当し、この発明の
請求項１、４及び５に係る反射膜は、この実施例２では
アルミニウム反射膜６に相当する。

【００６０】この実施例２の光学的共鳴構造の製造工程
では、光検出部３上の第１の層間膜４Ａは、シリコンや
ゲルマニウムを使用したので上記実施例１のように絶縁
膜と半導体膜という具合に二種類の堆積装置及びエッチ
ング装置を備える必要はなく、製造工程の簡単化、装置
の節約を行うことができる。

【００６１】つぎに、前述したこの実施例２の光学的共
鳴構造の作用について説明する。光学的な作用について
は、前述した実施例１と殆んど変わることはない。第１
の層間膜４Ａの材料として、絶縁物に代わり、前述した
ようにｎ型ドーパントが１×１０¹⁹〜１×１０²¹個／ｃ
ｍ³の高濃度にｎ型ドーピングしたシリコン、ゲルマニ
ウム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶を使用してい
る。これらの高濃度にドーピングした半導体材料は赤外
線を良く吸収するが、膜厚を数百Å（０．０２〜０．０
６μ）程度に極めて薄く作ることによって吸収量を低く
抑えている。

【００６２】つづいて、この実施例２の光学的共鳴構造
以外のもう１つの作用である光キャリア収集効率の向上
の作用について図４を参照しながら説明する。図４は、
この発明の実施例２の光検出動作状態にある光検出部３
近傍のエネルギーポテンシャルを示す図である。

【００６３】図４において、１はｐ型シリコン基板、３
は光検出部（シリコン−ゲルマニウム混晶）、４Ａは第
１の層間膜、５Ａは第２の層間膜のそれぞれのエネルギ
ーポテンシャルを示し、７は赤外線を吸収して生成され
た正孔、８は赤外線を吸収して励起された電子であり、
Ｅ_Fはフェルミレベル、Ｅ_Vは価電子帯上端のレベルをそ
れぞれ示す。

【００６４】まず、光検出器部３、第１の層間膜４Ａ及
び第２の層間膜５Ａが作り出すポテンシャル形状につい
て説明する。

【００６５】第１の層間膜４Ａは、ｎ型ドーピングして
いるので電荷中性状態においてフェルミレベルＥ_Fは、
バンドギャップ内の上端近傍にある。第２の層間膜５Ａ
は、不純物ドーピングを行っていない（あるいは、低濃
度にドーピングを行っている）ので電荷中性状態におい
てフェルミレベルＥ_Fは、バンドギャップ内の中間付近
にある。シリコン−ゲルマニウム混晶（光検出部）３
は、高濃度にｐ型ドーピングを行っているので不純物レ
ベルが縮退し、フェルミレベルＥ_Fは価電子帯中にあ
る。第１の層間膜４Ａと第２の層間膜５Ａとシリコン−
ゲルマニウム混晶３を接触させるとそれぞれの半導体に
よって異なっているフェルミレベルを一致させるように
キャリアの移動が起こる。

【００６６】その結果、平衡状態においてフェルミレベ
ルは、一定値を持つようになる。このポテンシャル形成
に関しては、ｎ型ドーピングされた第１の層間膜４Ａが
重要な働きをする。その働きを説明するために第１の層
間膜４Ａがない場合について説明する。

【００６７】図５は、第１の層間膜４Ａがない場合のエ
ネルギーポテンシャルを示す図である。シリコン−ゲル
マニウム混晶３は、高濃度にｐ型ドーピングされている
ので空乏層はほとんど延びない。一方、第２の層間膜５
Ａは、不純物ドーピングされていない（あるいは、低濃
度にドーピングを行っている）ので厚い空乏層が延びて
いる。このことは、空乏層中のポテンシャルがゆるやか
に傾斜していることを意味している。

【００６８】入射光により生成された正孔７が第２の層
間膜５Ａ側へ進行した場合、界面にポテンシャル障壁が
存在しないのでそのまま第２の層間膜５Ａ中へ侵入す
る。侵入した正孔７は、衝突による散乱がなければ、第
２の層間膜５Ａ内部に形成されたポテンシャル障壁に衝
突し、反射される。しかし、正孔７の平均自由行程は、
シリコン中で高々１００Å程度であるからポテンシャル
障壁に衝突する前にフォノン等により散乱されて運動エ
ネルギーを失ってしまう。

【００６９】この不都合を解消するためには、第２の層
間膜５Ａのポテンシャルを正孔７の平均自由行程より短
い距離で急激に立上げればよい。ポテンシャルを急にす
るためには、密度の高い正の空間電荷が必要であり、高
密度の正の空間電荷を形成するためには、高濃度にｎ型
ドーピングした半導体層を界面部に設ければよい。

【００７０】したがって、第１の層間膜４Ａとして高濃
度にドーピングしたｎ型半導体層を設けると図４に示し
たような界面で急峻に立上るポテンシャルが形成され
る。このようなポテンシャル形状では、入射光により生
成され、第１の層間膜４Ａ側へ進行した正孔７は、第１
の層間膜４Ａに侵入した後、平行自由行程を経ることな
くすぐにポテンシャル障壁に衝突し、反射されるわけで
ある。ただし、第１の層間膜４Ａは、高濃度に不純物が
ドーピングされているため赤外線吸収率が高いので、で
きるだけ薄く作らなければならない。

【００７１】さらに、この実施例２の構造では、以上述
べた効果の他に、次のように優れた効果も合わせ持って
いる。

【００７２】光検出部３が、シリコン−ゲルマニウム混
晶により形成された場合、ｐ型シリコン基板１とシリコ
ン−ゲルマニウム混晶３との格子定数の差により、シリ
コン−ゲルマニウム混晶３の内部には、強いストレスが
生じている。このストレスは、光検出カットオフ波長に
影響しているのでストレスが安定していることが必要で
あるが、熱処理等の工程を経るとストレスが緩和してし
まい、光検出カットオフ波長が変化してしまう。

【００７３】第１の層間膜４Ａ及び第２の層間膜５Ａを
シリコンにより形成した場合は、ｐ型シリコン基板１、
シリコン−ゲルマニウム混晶３、シリコンの第１及び第
２の層間膜４Ａ及び５Ａというように、真中にシリコン
−ゲルマニウム混晶を挟み、両側にシリコン層を設けた
サンドウィッチ構造となるので機械的に安定し熱処理等
のストレス緩和に対して、極めて強くなる。したがっ
て、光検出特性が安定するという優れた効果も有してい
る。

【００７４】この発明の実施例２は、前述したように、
入射赤外線の光電変換を行う光検出部３と、前記光検出
部３の表面上に前記入射赤外線の波長よりも薄く形成さ
れた第１の層間膜４Ａと、前記第１の層間膜４Ａの表面
上に光学的共鳴条件を満足する厚さで形成され、屈折率
が高く赤外線吸収率の低い第２の層間膜５Ａと、前記第
２の層間膜５Ａの表面上に形成され、赤外線反射率の高
いアルミニウム反射膜６とを備えたものである。

【００７５】つまり、上記光検出部３として、例えば、
プラチナ（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属、プラ
チナシリサイド、イリジウムシリサイド等の金属化合物
などの金属薄膜、あるいは、ヘテロ接合を形成するため
の、例えば、ｐ型ドーパントが１×１０¹⁹〜１×１０²¹
個／ｃｍ³の高濃度にｐ型ドーピングを行なったシリコ
ン−ゲルマニウム混晶（Ｓｉ₁−ｘＧｅｘ）を用い、上
記第１の層間膜４Ａとして、ｎ型ドーパントが１×１０
¹⁹〜１×１０²¹個／ｃｍ³の高濃度にｎ型ドーピングを
行なったシリコン、ゲルマニウム、又はシリコン−ゲル
マニウム混晶を用い、上記第２の層間膜５Ａとして、不
純物をドーピングしない、又はｐ型若しくはｎ型ドーパ
ントが１×１０¹⁷個／ｃｍ³以下の低濃度にｐ型若しく
はｎ型ドーピングしたシリコン、ゲルマニウム、あるい
はシリコン−ゲルマニウム混晶を用いたものである。

【００７６】

【発明の効果】この発明の請求項１に係る固体撮像装置
は、以上説明したとおり、半導体基板上に設けられ入射
光を光電変換する光検出部と、この光検出部上に設けら
れ前記入射光により発生したキャリアを反射する障壁膜
と、この障壁膜上に設けられた層間膜と、前記層間膜上
に設けられ前記光検出部を透過した入射光を反射する反
射膜とを備えたので、キャリアの収集効率を減ずること
なく、同じ波長の光の検出に対して層間膜の膜厚を低減
することができるという効果を奏する。

【００７７】この発明の請求項２に係る固体撮像装置
は、以上説明したとおり、前記障壁膜が絶縁物により構
成されるので、光キャリアの収集効率を減ずることな
く、同じ波長の光の検出に対して層間膜の膜厚を低減す
ることができるという効果を奏する。

【００７８】この発明の請求項３に係る固体撮像装置
は、以上説明したとおり、前記障壁膜が、シリコン酸化
物、又はシリコン窒化物により構成され、前記層間膜
が、シリコン、ゲルマニウム、又ははシリコン−ゲルマ
ニウム混晶により構成されるので、キャリアの収集効率
を減ずることなく、同じ波長の光の検出に対して層間膜
の膜厚を低減することができるという効果を奏する。

【００７９】この発明の請求項４に係る固体撮像装置
は、以上説明したとおり、前記障壁膜がドーピングされ
た半導体により構成されるので、キャリアの収集効率を
減ずることなく、同じ波長の光の検出に対して簡単な製
造プロセスにより層間膜の膜厚を低減することができる
という効果を奏する。

【００８０】この発明の請求項５に係る固体撮像装置
は、以上説明したとおり、前記障壁膜が、ドーピングさ
れたシリコン、ゲルマニウム、又はシリコン−ゲルマニ
ウム混晶により構成され、前記層間膜が、シリコン、ゲ
ルマニウム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶により構
成されるので、キャリアの収集効率を減ずることなく、
同じ波長の光の検出に対して簡単な製造プロセスにより
層間膜の膜厚を低減することができるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１の光学的共鳴構造の断面を
示す図である。

【図２】この発明の実施例１の光検出部近傍のエネルギ
ーポテンシャルを示す図である。

【図３】この発明の実施例２の光学的共鳴構造の断面を
示す図である。

【図４】この発明の実施例２の光検出部近傍のエネルギ
ーポテンシャルを示す図である。

【図５】この発明の実施例２の第１の層間膜がない場合
の光検出部近傍のエネルギーポテンシャルを説明するた
めの図である。

【図６】従来の固体撮像装置の光学的共鳴構造の断面を
示す図である。

【図７】従来の固体撮像装置の光検出部近傍のエネルギ
ーポテンシャルを示す図である。

【符号の説明】

１Ｐ型シリコン基板２シリコン酸化膜３光検出部４第１の層間膜４Ａ第１の層間膜５Ａ第２の層間膜６アルミニウム反射膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に設けられ入射光を光電変
換する光検出部、この光検出部上に設けられ前記入射光
により発生したキャリアを反射する障壁膜、この障壁膜
上に設けられた層間膜、及び前記層間膜上に設けられ前
記光検出部を透過した入射光を反射する反射膜を備えた
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】前記障壁膜は絶縁物により構成されるこ
とを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】前記障壁膜は、シリコン酸化物、又はシ
リコン窒化物により構成され、前記層間膜は、シリコ
ン、ゲルマニウム、又ははシリコン−ゲルマニウム混晶
により構成されることを特徴とする請求項１記載の固体
撮像装置。
【請求項４】前記障壁膜はドーピングされた半導体に
より構成されることを特徴とする請求項１記載の固体撮
像装置。
【請求項５】前記障壁膜は、ドーピングされたシリコ
ン、ゲルマニウム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶に
より構成され、前記層間膜は、シリコン、ゲルマニウ
ム、又はシリコン−ゲルマニウム混晶により構成される
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。