JPWO2013157180A1 - 固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
高感度で、暗電流が少ない固体撮像装置及びその製造方法を提供する。本発明の固体撮像装置は、撮像領域と周辺回路領域とを有する半導体基板と、半導体基板の上に形成された配線層と、撮像領域の上方であって、配線層の上に、行列状に配置された複数の画素電極と、撮像領域の上方であって、配線層及び複数の画素電極の上に形成された光電変換膜と、光電変換膜の上に形成された上部電極とを有する。光電変換膜は、近赤外よりも長い波長域に基礎吸収端を有する第一の半導体からなる複数の井戸層と、第一の半導体よりもバンドギャップが広い第二の半導体または絶縁体からなる複数のバリア層とが交互に積層された積層構造を含んでいる。
Description
本発明は固体撮像装置およびその製造方法において、特に、積層型の固体撮像装置における光電変換部に関する。
現在、固体撮像装置は多画素化が進められており、それに伴って画素サイズを小さくする開発が盛んに行われている。そして、画素サイズが小さくなると、一つの画素に入射する光子数が減少して感度が低下するが、監視カメラ等では暗所でも撮影できる固体撮像素子が必要である。これらの背景により、固体撮像素子の感度向上はかねてからの研究対象になっている。
特許文献1には、感度が高い固体撮像装置として、光電変換膜を半導体基板の上方に配置した光電変換膜積層型固体撮像素子が記載されている。
また、特許文献2には、感度を高くするために、フォトダイオードにGeを用いた固体撮像装置が記載されている。
しかしながら、光電変換膜積層型の固体撮像素子の光電変換膜に、Geを用いたとしても、近赤外光波長よりも長い波長域に基礎吸収端を有する半導体はバンドギャップが狭い。そのため、真性キャリア濃度niが大きくなり、かつ、障壁高さΦが小さくなるので暗電流が大きくなる。従って、Geを光電変換膜積層型の固体撮像素子の光電変換膜として用いると、暗電流が大きく室温での使用は困難である。
本発明では、吸収係数の高い近赤外光波長よりも長い波長域に基礎吸収端を有する半導体を光電変換膜に用いた固体撮像素子において、暗電流を抑制することを目的とする。
本発明の固体撮像装置は、撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板と、半導体基板の上に形成された配線層とを有する。さらに、本発明の固体撮像装置は、撮像領域の上方であって、配線層の上に、行列状に配置された複数の画素電極と、撮像領域の上方であって、配線層及び複数の画素電極の上に形成された光電変換膜と、光電変換膜の上に形成された上部電極とを有する。光電変換膜は、近赤外よりも長い波長域に基礎吸収端を有する第一の半導体からなる複数の井戸層と、第一の半導体よりもバンドギャップが広い第二の半導体または絶縁体からなる複数のバリア層とが交互に積層された積層構造を含んでいる。
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板の上に配線層を形成する工程と、撮像領域の上方であって、配線層の上に、行列状に配置された複数の画素電極を形成する工程とを有する。さらに、本発明の固体撮像装置の製造方法は、撮像領域の上方であって、配線層及び複数の画素電極の上に光電変換膜を形成する工程と、光電変換膜の上に上部電極を形成する工程とを有する。光電変換膜を形成する工程は、近赤外よりも長い波長域に基礎吸収端を有する第一の半導体からなる複数の井戸層と、第一の半導体よりもバンドギャップが広い第二の半導体または絶縁体からなる複数のバリア層とを交互に積層する。
本発明の固体撮像装置及びその製造方法により、高感度で、かつ、暗電流を低減した固体撮像装置が実現できる。
(実施の形態1)
本発明に関わる第一の実施形態について図1から図10を用いて説明する。
本発明に関わる第一の実施形態について図1から図10を用いて説明する。
図1は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の固体撮像装置101は、行列状に複数の画素が配列された撮像領域102、撮像領域102に行信号を送る垂直駆動回路103a、103bを有する。
また、固体撮像装置101は、撮像領域102の列ごとに対応して、複数の増幅機能とフィードバック機能を有する回路が配置された水平フィードバックアンプ回路104を有する。また、固体撮像装置101は、水平フィードバックアンプ回路104からの信号のノイズを低減するノイズキャンセラ回路105、ノイズキャンセラ回路105からの信号を水平方向に送る水平駆動回路106を有する。そして、固体撮像装置101は、水平駆動回路106からの信号を増幅する出力段アンプ107を介して、出力108によって固体撮像装置101の外部に信号を出力する。
ここで水平フィードバックアンプ回路104は、撮像領域102からの出力信号を受け取り、かつ、フィードバックするので信号の流れの方向は109で示したように撮像領域102に対して双方向となる。
図2は、撮像領域102の3画素分の領域の断面図である。実際の固体撮像装置101は行列状に1000万画素分の画素が配列されている。入射光を効率よく集光するために最表面にマイクロレンズ201が形成されている。
カラー画像を撮像するために、各マイクロレンズの直下には赤色カラーフィルタ202、緑色カラーフィルタ203、青色カラーフィルタ204が保護膜205内に形成されている。1000万画素分にわたって集光ムラおよび色ムラのないマイクロレンズ201とカラーフィルタ群を形成するために、これらの光学素子はシリコン窒化膜よりなる平坦化膜206の上に形成されている。平坦化膜206の下には可視光を透過するITO(Indium Tin Oxide)よりなる上部電極207が撮像領域102全面にわたって形成されている。
上部電極207の下に、GeとSiO2をそれぞれ交互に積層した光電変換膜208が形成されている。この光電変換膜208は、特に、Ge/SiO2超格子光電変換膜とも呼ばれる。Ge/SiO2光電変換膜は、波長650nmの赤色光を99%吸収する。光電変換膜208の下にはAlよりなる画素電極211を平坦化された厚さ100nmの拡散防止膜212上に形成されている。それぞれの画素電極211は0.2μmの間隔で分離されている。画素電極211の間には、絶縁膜210が形成されている。
画素電極211の下には、配線213と、ビア214と、層間絶縁膜221と、拡散防止膜212からなる配線層が形成されている。配線213とビア214は銅からなり、拡散防止膜212は銅が層間絶縁膜221に拡散することを防止する。
それぞれの画素電極211は、配線層の配線213およびビア214を介して、シリコン基板218のP型のウェル219に形成されたフローティングディフュージョン部215、および、増幅トランジスタ216の入力ゲートに接続されている。
さらにフローティングディフュージョン部215は、リセットトランジスタ217のソース部と領域を共有し、電気的に接続されている。増幅トランジスタ216、リセットトランジスタ217、選択トランジスタ(図示せず)、フローティングディフュージョン部215はP型のウェル219内に形成されている。各トランジスタは、シリコン酸化膜よりなるSTI領域220(Shallow Trench Isolation)によって電気的に分離されている。
図3は、上部電極207と光電変換膜208と画素電極211の拡大図である。
図3に示すように、光電変換膜208は、超格子光電変換膜であり、厚さ2nmのシリコン酸化膜層が76層と、厚さ1.2nmのGe層が75層とをそれぞれ交互に積層している。本実施形態では、厚みと層数を例示しているが、これに限られるものではない。超格子光電変化膜は、バンドギャップが異なるシリコン酸化膜層の薄膜とGe層の薄膜とを交互に積層することで、擬似的に両者の間のバンドギャップの光電変換膜を形成するものである。これについては、以下にさらに具体的に説明する。
また、図3に示すように、上部電極207は負の電圧が印加され、光電変換膜208で発生した電子がキャリアとなって画素電極211に移動し、信号となる。
図4は、図3の上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。縦軸にエネルギーを、横軸に上部電極207から画素電極211までの距離をとったものである。
図4に示すように、シリコン酸化膜層41とGe層42とが交互に積層された超格子光電変換膜の終端は、共にシリコン酸化膜層41である。上部電極207のITOと画素電極211のAlは共にシリコン酸化膜層41を介してコンタクトされている。
すなわち、光電変換膜208において、画素電極211と接する層および上部電極207と接する層は、それぞれが複数のバリア層のうちの1つである。
シリコン酸化膜層41とGe層42の価電子帯の上端と伝導帯の下端からなる矩形周期ポテンシャルが確認される。隣り合う井戸同士での相互作用が生じる程、シリコン酸化膜層41の膜厚が薄い(約5nm以下)と、隣接井戸間の共鳴が起こり、ミニバンド43が価電子帯と伝導帯に形成される。そして、価電子帯の上端と伝導帯の下端からなるバンドギャップについては、ゲルマニウムのバンドギャップは0.66eVであるが、シリコン酸化膜の薄膜が挿入されることにより、超格子光電変換膜のバンドギャップが1.7eVまで広がる。
光電変換によって発生した電荷(本実施形態では電子)は、上部電極207と画素電極211間に印加されている電界によって超格子のミニバンド43を介して画素電極211まで加速され、画素電極211からフローティングディフュージョン部215に転送される。なお、Ge層42はノンドープ(イントリンジック)な半導体にしておくことで、図4のようなエネルギー形状になる。
(実施の形態1の変形例1)
図5は、本実施の形態1の変形例1を説明するエネルギー図である。具体的には、図5は、Ge層51をN型の半導体とした、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。縦軸にエネルギーを、横軸に上部電極207から画素電極211までの距離をとったものである。
図5は、本実施の形態1の変形例1を説明するエネルギー図である。具体的には、図5は、Ge層51をN型の半導体とした、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。縦軸にエネルギーを、横軸に上部電極207から画素電極211までの距離をとったものである。
図5に示すように、井戸層にN型のGe層51を用いて上部電極207とショットキーコンタクトを形成することで接合部付近のGeを空乏化し、ショットキーダイオードを形成して逆方向飽和電流値を暗電流とすることができる。
すなわち、複数の井戸層のうち、少なくとも上部電極207に近い井戸層は、第一導電型であり、光電変換膜208は、上部電極207と接するバリア層を介して上部電極207とショットキーコンタクトを形成する。また、井戸層全体が第一導電型であっても構わない。
N型のGe層51は、リンや砒素などの不純物をGeに導入することで得ることができる。
(実施の形態1の変形例2)
図6は、本実施の形態1の変形例2を説明するエネルギー図である。図6は、Ge層51をN型の半導体とし、Ge層61をP型の半導体とし、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。
図6は、本実施の形態1の変形例2を説明するエネルギー図である。図6は、Ge層51をN型の半導体とし、Ge層61をP型の半導体とし、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。
また、図6のバンド構造に示すように、上部電極207に近い井戸層にP型のGe層61を用い、画素電極211に近い井戸層にN型のGe層51を用いれば、ノンドープのGe層42を中心に空乏化し、P−I−Nダイオードを形成して逆方向飽和電流値を暗電流とすることもできる。
すなわち、複数の井戸層のうち、画素電極211に近い井戸層は第一導電型であり、光電変換膜208は、画素電極211と接するバリア層を介して画素電極211とオーミックコンタクトを形成する。複数の井戸層のうち、上部電極207に近い井戸層は、第一導電型とは反対の第二導電型であり、光電変換膜208は、上部電極207と接するバリア層を介して上部電極207とオーミックコンタクトを形成する。
P型のGe層61は、ホウ素などの不純物をGeに導入することで、N型のGe層51は、リンや砒素などの不純物をGeに導入することで得ることができる。
(実施の形態1の変形例3)
図7は、本実施の形態1の変形例3を説明するエネルギー図である。図7は、さらに、超格子光電変換膜の終端をGe層71とし、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。
図7は、本実施の形態1の変形例3を説明するエネルギー図である。図7は、さらに、超格子光電変換膜の終端をGe層71とし、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。
上部電極207および画素電極211を井戸層のGe層42に直接コンタクトしても同様の効果が得られる。さらに、電極とコンタクトしている層の半導体材料は変えることが可能であり、特に、Ge層71よりも大きなバンドギャップを有するSi窓層を用いれば窓効果が表れ、表面再結合による信号電荷の損失を防ぐことができる。
すなわち、光電変換膜208において、画素電極211と接する層および上部電極207と接する層は、それぞれがバリア層よりもバンドギャップが狭い第三の半導体からなる。
加えて、超格子層の見かけのバンド構造とSiのバンド構造でバンド不連続のない界面になるので、光によって励起した信号電荷の取り出しを容易にできる。
(実施の形態1の変形例4)
図8は、本実施の形態1の変形例4を説明するエネルギー図である。図8は、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。変形例1のように、Ge層51はN型の半導体であり、変形例3のように、超格子光電変換膜の終端はN型Si窓層81である。
図8は、本実施の形態1の変形例4を説明するエネルギー図である。図8は、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。変形例1のように、Ge層51はN型の半導体であり、変形例3のように、超格子光電変換膜の終端はN型Si窓層81である。
図8では、暗電流の低減のため、上部電極207と終端のN型Si窓層81がショットキー接合を形成し、ショットキーダイオードを形成する。
すなわち、上部電極207と接する第三の半導体は第一導電型であって、上部電極207とショットキーコンタクトを形成する。
これにより、逆方向飽和電流を暗電流とすることができる。
(実施の形態1の変形例5)
図9は、本実施の形態1の変形例5を説明するエネルギー図である。図9は、Ge層42をノンドープとし、さらに、超格子光電変換膜の終端の2つの半導体であるSi窓層81、91を不純物ドープによって異なる伝導型にしてP−I−Nダイオードを形成する。
図9は、本実施の形態1の変形例5を説明するエネルギー図である。図9は、Ge層42をノンドープとし、さらに、超格子光電変換膜の終端の2つの半導体であるSi窓層81、91を不純物ドープによって異なる伝導型にしてP−I−Nダイオードを形成する。
すなわち、画素電極211と接する第三の半導体は第一導電型であって、画素電極211とオーミックコンタクトを形成し、上部電極207と接する第三の半導体は第一導電型とは反対の第二導電型であって、上部電極207とオーミックコンタクトを形成する。
これにより、逆方向飽和電流を暗電流とすることもできる。
図10は、本実施の形態1の構造の暗電流のGe膜厚依存のグラフである。Ge膜厚a=2nmの超格子構造で、ダイオードを形成しなくても10−6A/cm2まで低減したことがわかる。上述のようにダイオードを形成すればさらなる暗電流低減効果があり、固体撮像装置の光電変換膜として室温で使用可能になる。さらに、シリコンフォトダイオードでは暗電流は10−10A/cm2であるが、これについても、Ge膜厚a=1.2nmの超格子構造を形成すれば、シリコンフォトダイオード以上の暗電流低減効果があることがわかる。そして、光電変換効率は、Geの吸収係数が大きいため、シリコンよりも高くなり、固体撮像装置の感度としても向上できる。
なお、第三の半導体である窓層には、Ge、SiGe、Si、InSb、InAs、GaSb、HgTe、HgSe、PbSe、PbS、PbTe、HgCdTe、InGaAs、AsSex、AsSx、SiCx、SiNx、GeNx、Se、GaAs、InP、AlAs、BP、InN、AlAs、GaP、AlP、GaN、BN、AlN、CdTe、CdSe、HgS、ZnTe、CdS、ZnSe、MnSe、MnTe、MgTe、MnS、MgSe、ZnS、MgS、HgI2、PbI2、TlBrのいずれかを含んだ材料を用いることができる。
また、第一の半導体である井戸層には、Ge、SiGe、InSb、InAs、GaSb、HgTe、HgSe、PbSe、PbS、PbTe、HgCdTe、InGaAsのいずれかを含んだ材料を用いることができる。
また、バリア層には、Si、C、AsSex、AsSx、SiOx、GeOx、MgOx、AlOx、ZrOx、HfOx、YOx、LaOx、SiCx、SiOxNy、SiNx、GeNx、Se、GaAs、InP、AlAs、BP、InN、AlAs、GaP、AlP、GaN、BN、AlN、CdTe、CdSe、HgS、ZnTe、CdS、ZnSe、MnSe、MnTe、MgTe、MnS、MgSe、ZnS、MgS、HgI2、PbI2、TlBrのいずれかを含んだ材料を用いることができる。
さらに、バリア層には、SiOx、GeOx、MgOx、AlOx、ZrOx、HfOx、YOx、LaOx、SiOxNy、SiNx、BN、AlN、Cのいずれかを含んだ材料を用いた方がより好ましい。
(実施の形態2)
次に本発明に関わる第二の実施形態について図11および図12を用いて説明する。
次に本発明に関わる第二の実施形態について図11および図12を用いて説明する。
本実施の形態2は、実施の形態1との差異点のみを説明し、共通する点については、その説明を省略する。
図11は、本実施の形態2の光電変換膜308の拡大図である。図3に示した実施の形態1との差異は、上部電極207と画素電極211で挟まれた光電変換膜308の井戸層の膜厚が中央部において、厚くなっている点である。
すなわち、積層構造の井戸層のうちの少なくとも1つは、他の井戸層よりも膜厚が厚い。
これにより、本実施の形態2光電変換膜308は波長が1300nmの赤外光に対しても、約55%の吸収率を達成する。
すなわち、他の井戸層よりも膜厚が厚い井戸層は、バンドギャップが近赤外から赤外光の波長域にある。
これにより、暗所でも高感度に撮影することができ、監視カメラなどに有用である。この点について、さらに詳細に説明する。
図11に示すように、上部電極207と光電変換膜308、その下に形成された画素電極211で構成されている。超格子光電変換膜は、画素電極211からSiO2 2nm/(Ge 2nm/SiO2 2nm)×5/(Ge 3nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 4nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 5nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 6nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 7nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 8nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 9nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 10nm/SiO2 2nm)×30/(Ge 9nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 8nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 7nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 6nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 5nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 4nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 3nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 2nm/SiO2 2nm)×5/で積層してある。
図12は、図11における上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造の模式図である。光電変換で発生した電荷は上部電極207と画素電極211間に印加されている電界によって超格子のミニバンド43を介して画素電極211まで加速され、画素電極211からフローティングディフュージョン部215に転送される。超格子光電変換膜の終端は共にシリコン酸化膜層41であり、上部電極207のITOと画素電極211のAlは共にSiO2を介してコンタクトされている。
図12に示すように、シリコン酸化膜層41とGe層42の価電子帯の上端と伝導帯の下端からなる矩形ポテンシャルが確認されるが、井戸層であるGe層42の膜厚が変化しており、井戸層の薄い領域ではバリア層の影響が大きくなるためミニバンドによる見かけのバンドギャップはより広くなる。それに対し、井戸層の厚い領域ではバリア層の影響が小さくなるため、バンドギャップは小さくなる。したがって、上部電極207および画素電極211に近い井戸層の膜厚をより薄くすることによって、バンドギャップを広くして暗電流抑制効果を実現する。そして、上部電極207と画素電極211の中間部では感度が向上するとともに、赤外光を検出することができた。
さらに、図13に示すように本実施の形態2においても、実施の形態1の変形例2に示した不純物ドープによるP−I−Nダイオードの形成による暗電流低減も可能である。そして、実施の形態1の他の変形例のように、ショットキーダイオードやP−I−Nダイオードの形成、または超格子の終端をSiなどの半導体にすることで窓効果による信号電荷の損失低減も実現できる。
以上の実施形態1,2ではGe/SiO2超格子を例に挙げたが、バンドギャップが狭い半導体と比較的バンドギャップが大きい半導体や絶縁体との超格子を作製すればミニバンドが形成され、同様の暗電流抑制効果が得られる。
(実施の形態3)
次に、本発明の固体撮像装置の製造方法について、図14〜16を用いて説明する。図14〜16は本実施の形態3の固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。なお、実施の形態1と共通する符号については説明を省略する。
次に、本発明の固体撮像装置の製造方法について、図14〜16を用いて説明する。図14〜16は本実施の形態3の固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。なお、実施の形態1と共通する符号については説明を省略する。
図14に示すように、シリコン基板218の上に配線層とAlからなる画素電極211を従来の方法により製造する。
次に、図15に示すように、光電変換膜208を画素電極211及び配線層の上に成膜する。まずスパッタ法によって、室温にてシリコン酸化膜層およびGe層のそれぞれを膜厚制御しながら、交互に積層する。このとき、実施の形態1の変形例のようにGe層に不純物を導入する場合は、Ge層の成膜時に、B2H6,PH3,H2の気体をチャンバーに導入することで実現できる。また、光電変換膜208の両端に実施の形態1の変形例に示すような第三の半導体を形成することも可能である。さらには、実施の形態2のように、Ge層の膜厚を、光電変換膜208の中央付近で厚く形成することも可能である。また、窓層を用いた固体撮像装置を製造する場合は、超格子光電変換膜を成膜する前と、上部電極207を成膜する前に、スパッタ法でSiを成膜する。不純物ドープの方法は同様である。
続いて、図16に示すように、ITOからなる上部電極207からマイクロレンズ201までを従来の方法で形成することで、本発明の固体撮像装置を製造することが可能である。
本発明の固体撮像装置は、画素サイズを微細化しても、感度特性、混色特性を改善し、高画質を実現することが可能であり、特に、小型、高画素化が求められるデジタルスチルカメラなどの撮像装置に利用可能であり、特に夜間の画質向上を実現可能とする。
41 シリコン酸化膜層
42,51,61,71 Ge層
43 ミニバンド
81 窓層
101 固体撮像装置
102 撮像領域
103a,103b 垂直駆動回路
104 水平フィードバックアンプ回路
105 ノイズキャンセラ回路
106 水平駆動回路
107 出力段アンプ
108 出力
201 マイクロレンズ
202 赤色カラーフィルタ
203 緑色カラーフィルタ
204 青色カラーフィルタ
205 保護膜
206 平坦化膜
207 上部電極
208 光電変換膜
210 絶縁膜
211 画素電極
212 拡散防止膜
213 配線
214 ビア
215 フローティングディフュージョン部
216 増幅トランジスタ
217 リセットトランジスタ
218 シリコン基板
219 ウェル
221 層間絶縁膜
308 光電変換膜
42,51,61,71 Ge層
43 ミニバンド
81 窓層
101 固体撮像装置
102 撮像領域
103a,103b 垂直駆動回路
104 水平フィードバックアンプ回路
105 ノイズキャンセラ回路
106 水平駆動回路
107 出力段アンプ
108 出力
201 マイクロレンズ
202 赤色カラーフィルタ
203 緑色カラーフィルタ
204 青色カラーフィルタ
205 保護膜
206 平坦化膜
207 上部電極
208 光電変換膜
210 絶縁膜
211 画素電極
212 拡散防止膜
213 配線
214 ビア
215 フローティングディフュージョン部
216 増幅トランジスタ
217 リセットトランジスタ
218 シリコン基板
219 ウェル
221 層間絶縁膜
308 光電変換膜
【書類名】明細書
【発明の名称】固体撮像装置及びその製造方法
【技術分野】
【0001】
本発明は固体撮像装置およびその製造方法において、特に、積層型の固体撮像装置における光電変換部に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、固体撮像装置は多画素化が進められており、それに伴って画素サイズを小さくする開発が盛んに行われている。そして、画素サイズが小さくなると、一つの画素に入射する光子数が減少して感度が低下するが、監視カメラ等では暗所でも撮影できる固体撮像装置が必要である。これらの背景により、固体撮像装置の感度向上はかねてからの研究対象になっている。
【0003】
特許文献1には、感度が高い固体撮像装置として、光電変換膜を半導体基板の上方に配置した光電変換膜積層型の固体撮像装置が記載されている。
【0004】
また、非特許文献1には、感度を高くするために、フォトダイオードにGeを用いた固体撮像装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第2959460号公報
【非特許文献】
【非特許文献1】 INTERNATIONAL ELECTRON DEVICES MEETING 10−344〜347
【発明の概要】
【0006】
しかしながら、光電変換膜積層型の固体撮像装置の光電変換膜に、Geを用いたとしても、近赤外光波長よりも長い波長域に基礎吸収端を有する半導体はバンドギャップが狭い。そのため、真性キャリア濃度niが大きくなり、かつ、障壁高さΦが小さくなるので暗電流が大きくなる。従って、Geを光電変換膜積層型の固体撮像装置の光電変換膜として用いると、暗電流が大きく室温での使用は困難である。
【0007】
本発明では、吸収係数の高い近赤外光波長よりも長い波長域に基礎吸収端を有する半導体を光電変換膜に用いた固体撮像装置において、暗電流を抑制することを目的とする。
【0008】
本発明の固体撮像装置は、撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板と、半導体基板の上に形成された配線層とを有する。さらに、本発明の固体撮像装置は、撮像領域の上方であって、配線層の上に、行列状に配置された複数の画素電極と、撮像領域の上方であって、配線層及び複数の画素電極の上に形成された光電変換膜と、光電変換膜の上に形成された上部電極とを有する。光電変換膜は、近赤外光波長よりも長い波長域に基礎吸収端を有する第一の半導体からなる複数の井戸層と、第一の半導体よりもバンドギャップが広い第二の半導体または絶縁体からなる複数のバリア層とが交互に積層された積層構造を含んでいる。
【0009】
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板の上に配線層を形成する工程と、撮像領域の上方であって、配線層の上に、行列状に配置された複数の画素電極を形成する工程とを有する。さらに、本発明の固体撮像装置の製造方法は、撮像領域の上方であって、配線層及び複数の画素電極の上に光電変換膜を形成する工程と、光電変換膜の上に上部電極を形成する工程とを有する。光電変換膜を形成する工程は、近赤外光波長よりも長い波長域に基礎吸収端を有する第一の半導体からなる複数の井戸層と、第一の半導体よりもバンドギャップが広い第二の半導体または絶縁体からなる複数のバリア層とを交互に積層する。
【0010】
本発明の固体撮像装置及びその製造方法により、高感度で、かつ、暗電流を低減した固体撮像装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】図1は、実施の形態1に係る固体撮像装置のブロック図である。
【図2】図2は、実施の形態1に係る固体撮像装置の撮像領域の断面図である。
【図3】図3は、実施の形態1に係る固体撮像装置の光電変換部の拡大図である。
【図4】図4は、実施の形態1に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図5】図5は、実施の形態1の変形例1に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図6】図6は、実施の形態1の変形例2に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図7】図7は、実施の形態1の変形例3に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図8】図8は、実施の形態1の変形例4に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図9】図9は、実施の形態1の変形例5に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図10】図10は、実施の形態1に係る固体撮像装置の光電変換部における暗電流のGe膜厚依存のグラフである。
【図11】図11は、実施の形態2に係る固体撮像装置の光電変換部の拡大図である。
【図12】図12は、実施の形態2に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図13】図13は、実施の形態2に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図14】図14は、実施の形態3に係る固体撮像装置の製造方法の断面図である。
【図15】図15は、実施の形態3に係る固体撮像装置の製造方法の断面図である。
【図16】図16は、実施の形態3に係る固体撮像装置の製造方法の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
(実施の形態1)
本発明に関わる第一の実施形態について図1から図10を用いて説明する。
【0013】
図1は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の固体撮像装置101は、行列状に複数の画素が配列された撮像領域102、撮像領域102に行信号を送る垂直駆動回路103a、103bを有する。
【0014】
また、固体撮像装置101は、撮像領域102の列ごとに対応して、複数の増幅機能とフィードバック機能を有する回路が配置された水平フィードバックアンプ回路104を有する。また、固体撮像装置101は、水平フィードバックアンプ回路104からの信号のノイズを低減するノイズキャンセラ回路105、ノイズキャンセラ回路105からの信号を水平方向に送る水平駆動回路106を有する。そして、固体撮像装置101は、水平駆動回路106からの信号を増幅する出力段アンプ107を介して、出力108によって固体撮像装置101の外部に信号を出力する。
【0015】
ここで水平フィードバックアンプ回路104は、撮像領域102からの出力信号を受け取り、かつ、フィードバックするので信号の流れの方向は109で示したように撮像領域102に対して双方向となる。
【0016】
図2は、撮像領域102の3画素分の領域の断面図である。実際の固体撮像装置101は行列状に1000万画素分の画素が配列されている。入射光を効率よく集光するために最表面にマイクロレンズ201が形成されている。
【0017】
カラー画像を撮像するために、各マイクロレンズの直下には赤色カラーフィルタ202、緑色カラーフィルタ203、青色カラーフィルタ204が保護膜205内に形成されている。1000万画素分にわたって集光ムラおよび色ムラのないマイクロレンズ201とカラーフィルタ群を形成するために、これらの光学素子はシリコン窒化膜よりなる平坦化膜206の上に形成されている。平坦化膜206の下には可視光を透過するITO(Indium Tin Oxide)よりなる上部電極207が撮像領域102全面にわたって形成されている。
【0018】
上部電極207の下に、GeとSiO2をそれぞれ交互に積層した光電変換膜208が形成されている。この光電変換膜208は、特に、Ge/SiO2超格子光電変換膜とも呼ばれる。Ge/SiO2光電変換膜は、波長650nmの赤色光を99%吸収する。光電変換膜208の下には、Alよりなる画素電極211が、平坦化された厚さ100nmの拡散防止膜212上に形成されている。それぞれの画素電極211は0.2μmの間隔で分離されている。画素電極211の間には、絶縁膜210が形成されている。
【0019】
画素電極211の下には、配線213と、ビア214と、層間絶縁膜221と、拡散防止膜212からなる配線層が形成されている。配線213とビア214は銅からなり、拡散防止膜212は銅が層間絶縁膜221に拡散することを防止する。
【0020】
それぞれの画素電極211は、配線層の配線213およびビア214を介して、シリコン基板218のP型のウェル219に形成されたフローティングディフュージョン部215、および、増幅トランジスタ216の入力ゲートに接続されている。
【0021】
さらにフローティングディフュージョン部215は、リセットトランジスタ217のソース部と領域を共有し、電気的に接続されている。増幅トランジスタ216、リセットトランジスタ217、選択トランジスタ(図示せず)のそれぞれのソースとドレイン、フローティングディフュージョン部215はP型のウェル219内に形成されている。各トランジスタは、シリコン酸化膜よりなるSTI領域220(Shallow Trench Isolation)によって電気的に分離されている。
【0022】
図3は、上部電極207と光電変換膜208と画素電極211の拡大図である。
【0023】
図3に示すように、光電変換膜208は、超格子光電変換膜であり、厚さ2nmのシリコン酸化膜層が76層と、厚さ1.2nmのGe層が75層とをそれぞれ交互に積層している。本実施形態では、厚みと層数を例示しているが、これに限られるものではない。超格子光電変換膜は、バンドギャップが異なるシリコン酸化膜層の薄膜とGe層の薄膜とを交互に積層することで、擬似的に両者の間のバンドギャップの光電変換膜を形成するものである。これについては、以下にさらに具体的に説明する。
【0024】
また、図3に示すように、上部電極207は負の電圧が印加され、光電変換膜208で発生した電子がキャリアとなって画素電極211に移動し、信号となる。
【0025】
図4は、図3の上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。縦軸にエネルギーを、横軸に上部電極207から画素電極211までの距離をとったものである。
【0026】
図4に示すように、シリコン酸化膜層41とGe層42とが交互に積層された超格子光電変換膜の終端は、共にシリコン酸化膜層41である。上部電極207のITOと画素電極211のAlは共にシリコン酸化膜層41を介してコンタクトされている。
【0027】
すなわち、光電変換膜208において、画素電極211と接する層および上部電極207と接する層は、それぞれが複数のバリア層のうちの1つである。
【0028】
シリコン酸化膜層41とGe層42の価電子帯の上端と伝導帯の下端からなる矩形周期ポテンシャルが確認される。隣り合う井戸同士での相互作用が生じる程、シリコン酸化膜層41の膜厚が薄い(約5nm以下)と、隣接井戸間の共鳴が起こり、ミニバンド43が価電子帯と伝導帯に形成される。そして、価電子帯の上端と伝導帯の下端からなるバンドギャップについては、ゲルマニウムのバンドギャップは0.66eVであるが、シリコン酸化膜の薄膜が挿入されることにより、超格子光電変換膜のバンドギャップが1.7eVまで広がる。
【0029】
光電変換によって発生した電荷(本実施形態では電子)は、上部電極207と画素電極211間に印加されている電界によって超格子のミニバンド43を介して画素電極211まで加速され、画素電極211からフローティングディフュージョン部215に転送される。なお、Ge層42はノンドープ(イントリンジック)な半導体にしておくことで、図4のようなエネルギー形状になる。
【0030】
(実施の形態1の変形例1)
図5は、本実施の形態1の変形例1を説明するエネルギー図である。具体的には、図5は、Ge層51をN型の半導体とした、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。縦軸にエネルギーを、横軸に上部電極207から画素電極211までの距離をとったものである。
【0031】
図5に示すように、井戸層にN型のGe層51を用いて上部電極207とショットキーコンタクトを形成することで接合部付近のGeを空乏化し、ショットキーダイオードを形成して逆方向飽和電流を暗電流とすることができる。
【0032】
すなわち、複数の井戸層のうち、少なくとも上部電極207に近い井戸層は、第一導電型であり、光電変換膜208は、上部電極207と接するバリア層を介して上部電極207とショットキーコンタクトを形成する。また、井戸層全体が第一導電型であっても構わない。
【0033】
N型のGe層51は、リンや砒素などの不純物をGeに導入することで得ることができる。
【0034】
(実施の形態1の変形例2)
図6は、本実施の形態1の変形例2を説明するエネルギー図である。図6は、Ge層51をN型の半導体とし、Ge層61をP型の半導体とし、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。
【0035】
また、図6のバンド構造に示すように、上部電極207に近い井戸層にP型のGe層61を用い、画素電極211に近い井戸層にN型のGe層51を用いれば、ノンドープのGe層42を中心に空乏化し、P−I−Nダイオードを形成して逆方向飽和電流を暗電流とすることもできる。
【0036】
すなわち、複数の井戸層のうち、画素電極211に近い井戸層は第一導電型であり、光電変換膜208は、画素電極211と接するバリア層を介して画素電極211とオーミックコンタクトを形成する。複数の井戸層のうち、上部電極207に近い井戸層は、第一導電型とは反対の第二導電型であり、光電変換膜208は、上部電極207と接するバリア層を介して上部電極207とオーミックコンタクトを形成する。
【0037】
P型のGe層61は、ホウ素などの不純物をGeに導入することで、N型のGe層51は、リンや砒素などの不純物をGeに導入することで得ることができる。
【0038】
(実施の形態1の変形例3)
図7は、本実施の形態1の変形例3を説明するエネルギー図である。図7は、さらに、超格子光電変換膜の終端をGe層71とし、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。
【0039】
上部電極207および画素電極211を井戸層のGe層42に直接コンタクトしても同様の効果が得られる。さらに、電極とコンタクトしている層の半導体材料は変えることが可能であり、特に、Ge層71よりも大きなバンドギャップを有するSi窓層を用いれば窓効果が表れ、表面再結合による信号電荷の損失を防ぐことができる。
【0040】
すなわち、光電変換膜208において、画素電極211と接する層および上部電極207と接する層は、それぞれがバリア層よりもバンドギャップが狭い第三の半導体からなる。
【0041】
加えて、超格子層の見かけのバンド構造とSiのバンド構造でバンド不連続のない界面になるので、光によって励起した信号電荷の取り出しを容易にできる。
【0042】
(実施の形態1の変形例4)
図8は、本実施の形態1の変形例4を説明するエネルギー図である。図8は、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。変形例1のように、Ge層51はN型の半導体であり、変形例3のように、超格子光電変換膜の終端はN型Si窓層81である。
【0043】
図8では、暗電流の低減のため、上部電極207と終端のN型Si窓層81がショットキー接合を形成し、ショットキーダイオードを形成する。
【0044】
すなわち、上部電極207と接する第三の半導体は第一導電型であって、上部電極207とショットキーコンタクトを形成する。
【0045】
これにより、逆方向飽和電流を暗電流とすることができる。
【0046】
(実施の形態1の変形例5)
図9は、本実施の形態1の変形例5を説明するエネルギー図である。図9は、Ge層42をノンドープとし、さらに、超格子光電変換膜の終端の2つの半導体であるSi窓層81、91を不純物ドープによって異なる伝導型にしてP−I−Nダイオードを形成する。
【0047】
すなわち、画素電極211と接する第三の半導体は第一導電型であって、画素電極211とオーミックコンタクトを形成し、上部電極207と接する第三の半導体は第一導電型とは反対の第二導電型であって、上部電極207とオーミックコンタクトを形成する。
【0048】
これにより、逆方向飽和電流を暗電流とすることもできる。
【0049】
図10は、本実施の形態1の構造の暗電流のGe膜厚依存のグラフである。Ge膜厚a=2nmの超格子構造で、ダイオードを形成しなくても10−6A/cm2まで低減したことがわかる。上述のようにダイオードを形成すればさらなる暗電流低減効果があり、固体撮像装置の光電変換膜として室温で使用可能になる。さらに、シリコンフォトダイオードでは暗電流は10−10A/cm2であるが、これについても、Ge膜厚a=1.2nmの超格子構造を形成すれば、シリコンフォトダイオード以上の暗電流低減効果があることがわかる。そして、光電変換効率は、Geの吸収係数が大きいため、シリコンよりも高くなり、固体撮像装置の感度としても向上できる。
【0050】
なお、第三の半導体である窓層には、Ge、SiGe、Si、InSb、InAs、GaSb、HgTe、HgSe、PbSe、PbS、PbTe、HgCdTe、InGaAs、AsSex、AsSx、SiCx、SiNx、GeNx、Se、GaAs、InP、AlAs、BP、InN、AlAs、GaP、AlP、GaN、BN、AlN、CdTe、CdSe、HgS、ZnTe、CdS、ZnSe、MnSe、MnTe、MgTe、MnS、MgSe、ZnS、MgS、HgI2、PbI2、TlBrのいずれかを含んだ材料を用いることができる。
【0051】
また、第一の半導体である井戸層には、Ge、SiGe、InSb、InAs、GaSb、HgTe、HgSe、PbSe、PbS、PbTe、HgCdTe、InGaAsのいずれかを含んだ材料を用いることができる。
【0052】
また、バリア層には、Si、C、AsSex、AsSx、SiOx、GeOx、MgOx、AlOx、ZrOx、HfOx、YOx、LaOx、SiCx、SiOxNy、SiNx、GeNx、Se、GaAs、InP、AlAs、BP、InN、AlAs、GaP、AlP、GaN、BN、AlN、CdTe、CdSe、HgS、ZnTe、CdS、ZnSe、MnSe、MnTe、MgTe、MnS、MgSe、ZnS、MgS、HgI2、PbI2、TlBrのいずれかを含んだ材料を用いることができる。
【0053】
さらに、バリア層には、SiOx、GeOx、MgOx、AlOx、ZrOx、HfOx、YOx、LaOx、SiOxNy、SiNx、BN、AlN、Cのいずれかを含んだ材料を用いた方がより好ましい。
【0054】
(実施の形態2)
次に本発明に関わる第二の実施形態について図11および図12を用いて説明する。
【0055】
本実施の形態2は、実施の形態1との差異点のみを説明し、共通する点については、その説明を省略する。
【0056】
図11は、本実施の形態2の光電変換膜308の拡大図である。図3に示した実施の形態1との差異は、上部電極207と画素電極211で挟まれた光電変換膜308の井戸層の膜厚が中央部において、厚くなっている点である。
【0057】
すなわち、積層構造の井戸層のうちの少なくとも1つは、他の井戸層よりも膜厚が厚い。
【0058】
これにより、本実施の形態2光電変換膜308は波長が1300nmの赤外光に対しても、約55%の吸収率を達成する。
【0059】
すなわち、他の井戸層よりも膜厚が厚い井戸層は、バンドギャップが近赤外から赤外光の波長域にある。
【0060】
これにより、暗所でも高感度に撮影することができ、監視カメラなどに有用である。この点について、さらに詳細に説明する。
【0061】
図11に示すように、上部電極207と光電変換膜308、その下に形成された画素電極211で構成されている。超格子光電変換膜は、画素電極211からSiO2 2nm/(Ge 2nm/SiO2 2nm)×5/(Ge 3nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 4nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 5nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 6nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 7nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 8nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 9nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 10nm/SiO2 2nm)×30/(Ge 9nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 8nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 7nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 6nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 5nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 4nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 3nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 2nm/SiO2 2nm)×5/で積層してある。
【0062】
図12は、図11における上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造の模式図である。光電変換で発生した電荷は上部電極207と画素電極211間に印加されている電界によって超格子のミニバンド43を介して画素電極211まで加速され、画素電極211からフローティングディフュージョン部215に転送される。超格子光電変換膜の終端は共にシリコン酸化膜層41であり、上部電極207のITOと画素電極211のAlは共にSiO2を介してコンタクトされている。
【0063】
図12に示すように、シリコン酸化膜層41とGe層42の価電子帯の上端と伝導帯の下端からなる矩形ポテンシャルが確認されるが、井戸層であるGe層42の膜厚が変化しており、井戸層の薄い領域ではバリア層の影響が大きくなるためミニバンドによる見かけのバンドギャップはより広くなる。それに対し、井戸層の厚い領域ではバリア層の影響が小さくなるため、バンドギャップは小さくなる。したがって、上部電極207および画素電極211に近い井戸層の膜厚をより薄くすることによって、バンドギャップを広くして暗電流抑制効果を実現する。そして、上部電極207と画素電極211の中間部では感度が向上するとともに、赤外光を検出することができた。
【0064】
さらに、図13に示すように本実施の形態2においても、実施の形態1の変形例2に示した不純物ドープによるP−I−Nダイオードの形成による暗電流低減も可能である。そして、実施の形態1の他の変形例のように、ショットキーダイオードやP−I−Nダイオードの形成、または超格子の終端をSiなどの半導体にすることで窓効果による信号電荷の損失低減も実現できる。
【0065】
以上の実施形態1,2ではGe/SiO2超格子を例に挙げたが、バンドギャップが狭い半導体と比較的バンドギャップが大きい半導体や絶縁体との超格子を作製すればミニバンドが形成され、同様の暗電流抑制効果が得られる。
【0066】
(実施の形態3)
次に、本発明の固体撮像装置の製造方法について、図14〜16を用いて説明する。図14〜16は本実施の形態3の固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。なお、実施の形態1と共通する符号については説明を省略する。
【0067】
図14に示すように、シリコン基板218の上に配線層とAlからなる画素電極211を従来の方法により製造する。
【0068】
次に、図15に示すように、光電変換膜208を画素電極211及び配線層の上に成膜する。まずスパッタ法によって、室温にてシリコン酸化膜層およびGe層のそれぞれを膜厚制御しながら、交互に積層する。このとき、実施の形態1の変形例のようにGe層に不純物を導入する場合は、Ge層の成膜時に、B2H6,PH3,H2の気体をチャンバーに導入することで実現できる。また、光電変換膜208の両端に実施の形態1の変形例に示すような第三の半導体を形成することも可能である。さらには、実施の形態2のように、Ge層の膜厚を、光電変換膜208の中央付近で厚く形成することも可能である。また、窓層を用いた固体撮像装置を製造する場合は、超格子光電変換膜を成膜する前と、上部電極207を成膜する前に、スパッタ法でSiを成膜する。不純物ドープの方法は同様である。
【0069】
続いて、図16に示すように、ITOからなる上部電極207からマイクロレンズ201までを従来の方法で形成することで、本発明の固体撮像装置を製造することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0070】
本発明の固体撮像装置は、画素サイズを微細化しても、感度特性、混色特性を改善し、高画質を実現することが可能であり、特に、小型、高画素化が求められるデジタルスチルカメラなどの撮像装置に利用可能であり、特に夜間の画質向上を実現可能とする。
【符号の説明】
【0071】
41 シリコン酸化膜層
42,51,61,71 Ge層
43 ミニバンド
81 窓層
101 固体撮像装置
102 撮像領域
103a,103b 垂直駆動回路
104 水平フィードバックアンプ回路
105 ノイズキャンセラ回路
106 水平駆動回路
107 出力段アンプ
108 出力
201 マイクロレンズ
202 赤色カラーフィルタ
203 緑色カラーフィルタ
204 青色カラーフィルタ
205 保護膜
206 平坦化膜
207 上部電極
208 光電変換膜
210 絶縁膜
211 画素電極
212 拡散防止膜
213 配線
214 ビア
215 フローティングディフュージョン部
216 増幅トランジスタ
217 リセットトランジスタ
218 シリコン基板
219 ウェル
221 層間絶縁膜
308 光電変換膜
【発明の名称】固体撮像装置及びその製造方法
【技術分野】
【0001】
本発明は固体撮像装置およびその製造方法において、特に、積層型の固体撮像装置における光電変換部に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、固体撮像装置は多画素化が進められており、それに伴って画素サイズを小さくする開発が盛んに行われている。そして、画素サイズが小さくなると、一つの画素に入射する光子数が減少して感度が低下するが、監視カメラ等では暗所でも撮影できる固体撮像装置が必要である。これらの背景により、固体撮像装置の感度向上はかねてからの研究対象になっている。
【0003】
特許文献1には、感度が高い固体撮像装置として、光電変換膜を半導体基板の上方に配置した光電変換膜積層型の固体撮像装置が記載されている。
【0004】
また、非特許文献1には、感度を高くするために、フォトダイオードにGeを用いた固体撮像装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第2959460号公報
【非特許文献】
【非特許文献1】 INTERNATIONAL ELECTRON DEVICES MEETING 10−344〜347
【発明の概要】
【0006】
しかしながら、光電変換膜積層型の固体撮像装置の光電変換膜に、Geを用いたとしても、近赤外光波長よりも長い波長域に基礎吸収端を有する半導体はバンドギャップが狭い。そのため、真性キャリア濃度niが大きくなり、かつ、障壁高さΦが小さくなるので暗電流が大きくなる。従って、Geを光電変換膜積層型の固体撮像装置の光電変換膜として用いると、暗電流が大きく室温での使用は困難である。
【0007】
本発明では、吸収係数の高い近赤外光波長よりも長い波長域に基礎吸収端を有する半導体を光電変換膜に用いた固体撮像装置において、暗電流を抑制することを目的とする。
【0008】
本発明の固体撮像装置は、撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板と、半導体基板の上に形成された配線層とを有する。さらに、本発明の固体撮像装置は、撮像領域の上方であって、配線層の上に、行列状に配置された複数の画素電極と、撮像領域の上方であって、配線層及び複数の画素電極の上に形成された光電変換膜と、光電変換膜の上に形成された上部電極とを有する。光電変換膜は、近赤外光波長よりも長い波長域に基礎吸収端を有する第一の半導体からなる複数の井戸層と、第一の半導体よりもバンドギャップが広い第二の半導体または絶縁体からなる複数のバリア層とが交互に積層された積層構造を含んでいる。
【0009】
また、本発明の固体撮像装置の製造方法は、撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板の上に配線層を形成する工程と、撮像領域の上方であって、配線層の上に、行列状に配置された複数の画素電極を形成する工程とを有する。さらに、本発明の固体撮像装置の製造方法は、撮像領域の上方であって、配線層及び複数の画素電極の上に光電変換膜を形成する工程と、光電変換膜の上に上部電極を形成する工程とを有する。光電変換膜を形成する工程は、近赤外光波長よりも長い波長域に基礎吸収端を有する第一の半導体からなる複数の井戸層と、第一の半導体よりもバンドギャップが広い第二の半導体または絶縁体からなる複数のバリア層とを交互に積層する。
【0010】
本発明の固体撮像装置及びその製造方法により、高感度で、かつ、暗電流を低減した固体撮像装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】図1は、実施の形態1に係る固体撮像装置のブロック図である。
【図2】図2は、実施の形態1に係る固体撮像装置の撮像領域の断面図である。
【図3】図3は、実施の形態1に係る固体撮像装置の光電変換部の拡大図である。
【図4】図4は、実施の形態1に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図5】図5は、実施の形態1の変形例1に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図6】図6は、実施の形態1の変形例2に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図7】図7は、実施の形態1の変形例3に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図8】図8は、実施の形態1の変形例4に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図9】図9は、実施の形態1の変形例5に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図10】図10は、実施の形態1に係る固体撮像装置の光電変換部における暗電流のGe膜厚依存のグラフである。
【図11】図11は、実施の形態2に係る固体撮像装置の光電変換部の拡大図である。
【図12】図12は、実施の形態2に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図13】図13は、実施の形態2に係る固体撮像装置の上部電極、光電変換部、画素電極のエネルギー図である。
【図14】図14は、実施の形態3に係る固体撮像装置の製造方法の断面図である。
【図15】図15は、実施の形態3に係る固体撮像装置の製造方法の断面図である。
【図16】図16は、実施の形態3に係る固体撮像装置の製造方法の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
(実施の形態1)
本発明に関わる第一の実施形態について図1から図10を用いて説明する。
【0013】
図1は、本実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の固体撮像装置101は、行列状に複数の画素が配列された撮像領域102、撮像領域102に行信号を送る垂直駆動回路103a、103bを有する。
【0014】
また、固体撮像装置101は、撮像領域102の列ごとに対応して、複数の増幅機能とフィードバック機能を有する回路が配置された水平フィードバックアンプ回路104を有する。また、固体撮像装置101は、水平フィードバックアンプ回路104からの信号のノイズを低減するノイズキャンセラ回路105、ノイズキャンセラ回路105からの信号を水平方向に送る水平駆動回路106を有する。そして、固体撮像装置101は、水平駆動回路106からの信号を増幅する出力段アンプ107を介して、出力108によって固体撮像装置101の外部に信号を出力する。
【0015】
ここで水平フィードバックアンプ回路104は、撮像領域102からの出力信号を受け取り、かつ、フィードバックするので信号の流れの方向は109で示したように撮像領域102に対して双方向となる。
【0016】
図2は、撮像領域102の3画素分の領域の断面図である。実際の固体撮像装置101は行列状に1000万画素分の画素が配列されている。入射光を効率よく集光するために最表面にマイクロレンズ201が形成されている。
【0017】
カラー画像を撮像するために、各マイクロレンズの直下には赤色カラーフィルタ202、緑色カラーフィルタ203、青色カラーフィルタ204が保護膜205内に形成されている。1000万画素分にわたって集光ムラおよび色ムラのないマイクロレンズ201とカラーフィルタ群を形成するために、これらの光学素子はシリコン窒化膜よりなる平坦化膜206の上に形成されている。平坦化膜206の下には可視光を透過するITO(Indium Tin Oxide)よりなる上部電極207が撮像領域102全面にわたって形成されている。
【0018】
上部電極207の下に、GeとSiO2をそれぞれ交互に積層した光電変換膜208が形成されている。この光電変換膜208は、特に、Ge/SiO2超格子光電変換膜とも呼ばれる。Ge/SiO2光電変換膜は、波長650nmの赤色光を99%吸収する。光電変換膜208の下には、Alよりなる画素電極211が、平坦化された厚さ100nmの拡散防止膜212上に形成されている。それぞれの画素電極211は0.2μmの間隔で分離されている。画素電極211の間には、絶縁膜210が形成されている。
【0019】
画素電極211の下には、配線213と、ビア214と、層間絶縁膜221と、拡散防止膜212からなる配線層が形成されている。配線213とビア214は銅からなり、拡散防止膜212は銅が層間絶縁膜221に拡散することを防止する。
【0020】
それぞれの画素電極211は、配線層の配線213およびビア214を介して、シリコン基板218のP型のウェル219に形成されたフローティングディフュージョン部215、および、増幅トランジスタ216の入力ゲートに接続されている。
【0021】
さらにフローティングディフュージョン部215は、リセットトランジスタ217のソース部と領域を共有し、電気的に接続されている。増幅トランジスタ216、リセットトランジスタ217、選択トランジスタ(図示せず)のそれぞれのソースとドレイン、フローティングディフュージョン部215はP型のウェル219内に形成されている。各トランジスタは、シリコン酸化膜よりなるSTI領域220(Shallow Trench Isolation)によって電気的に分離されている。
【0022】
図3は、上部電極207と光電変換膜208と画素電極211の拡大図である。
【0023】
図3に示すように、光電変換膜208は、超格子光電変換膜であり、厚さ2nmのシリコン酸化膜層が76層と、厚さ1.2nmのGe層が75層とをそれぞれ交互に積層している。本実施形態では、厚みと層数を例示しているが、これに限られるものではない。超格子光電変換膜は、バンドギャップが異なるシリコン酸化膜層の薄膜とGe層の薄膜とを交互に積層することで、擬似的に両者の間のバンドギャップの光電変換膜を形成するものである。これについては、以下にさらに具体的に説明する。
【0024】
また、図3に示すように、上部電極207は負の電圧が印加され、光電変換膜208で発生した電子がキャリアとなって画素電極211に移動し、信号となる。
【0025】
図4は、図3の上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。縦軸にエネルギーを、横軸に上部電極207から画素電極211までの距離をとったものである。
【0026】
図4に示すように、シリコン酸化膜層41とGe層42とが交互に積層された超格子光電変換膜の終端は、共にシリコン酸化膜層41である。上部電極207のITOと画素電極211のAlは共にシリコン酸化膜層41を介してコンタクトされている。
【0027】
すなわち、光電変換膜208において、画素電極211と接する層および上部電極207と接する層は、それぞれが複数のバリア層のうちの1つである。
【0028】
シリコン酸化膜層41とGe層42の価電子帯の上端と伝導帯の下端からなる矩形周期ポテンシャルが確認される。隣り合う井戸同士での相互作用が生じる程、シリコン酸化膜層41の膜厚が薄い(約5nm以下)と、隣接井戸間の共鳴が起こり、ミニバンド43が価電子帯と伝導帯に形成される。そして、価電子帯の上端と伝導帯の下端からなるバンドギャップについては、ゲルマニウムのバンドギャップは0.66eVであるが、シリコン酸化膜の薄膜が挿入されることにより、超格子光電変換膜のバンドギャップが1.7eVまで広がる。
【0029】
光電変換によって発生した電荷(本実施形態では電子)は、上部電極207と画素電極211間に印加されている電界によって超格子のミニバンド43を介して画素電極211まで加速され、画素電極211からフローティングディフュージョン部215に転送される。なお、Ge層42はノンドープ(イントリンジック)な半導体にしておくことで、図4のようなエネルギー形状になる。
【0030】
(実施の形態1の変形例1)
図5は、本実施の形態1の変形例1を説明するエネルギー図である。具体的には、図5は、Ge層51をN型の半導体とした、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。縦軸にエネルギーを、横軸に上部電極207から画素電極211までの距離をとったものである。
【0031】
図5に示すように、井戸層にN型のGe層51を用いて上部電極207とショットキーコンタクトを形成することで接合部付近のGeを空乏化し、ショットキーダイオードを形成して逆方向飽和電流を暗電流とすることができる。
【0032】
すなわち、複数の井戸層のうち、少なくとも上部電極207に近い井戸層は、第一導電型であり、光電変換膜208は、上部電極207と接するバリア層を介して上部電極207とショットキーコンタクトを形成する。また、井戸層全体が第一導電型であっても構わない。
【0033】
N型のGe層51は、リンや砒素などの不純物をGeに導入することで得ることができる。
【0034】
(実施の形態1の変形例2)
図6は、本実施の形態1の変形例2を説明するエネルギー図である。図6は、Ge層51をN型の半導体とし、Ge層61をP型の半導体とし、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。
【0035】
また、図6のバンド構造に示すように、上部電極207に近い井戸層にP型のGe層61を用い、画素電極211に近い井戸層にN型のGe層51を用いれば、ノンドープのGe層42を中心に空乏化し、P−I−Nダイオードを形成して逆方向飽和電流を暗電流とすることもできる。
【0036】
すなわち、複数の井戸層のうち、画素電極211に近い井戸層は第一導電型であり、光電変換膜208は、画素電極211と接するバリア層を介して画素電極211とオーミックコンタクトを形成する。複数の井戸層のうち、上部電極207に近い井戸層は、第一導電型とは反対の第二導電型であり、光電変換膜208は、上部電極207と接するバリア層を介して上部電極207とオーミックコンタクトを形成する。
【0037】
P型のGe層61は、ホウ素などの不純物をGeに導入することで、N型のGe層51は、リンや砒素などの不純物をGeに導入することで得ることができる。
【0038】
(実施の形態1の変形例3)
図7は、本実施の形態1の変形例3を説明するエネルギー図である。図7は、さらに、超格子光電変換膜の終端をGe層71とし、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。
【0039】
上部電極207および画素電極211を井戸層のGe層42に直接コンタクトしても同様の効果が得られる。さらに、電極とコンタクトしている層の半導体材料は変えることが可能であり、特に、Ge層71よりも大きなバンドギャップを有するSi窓層を用いれば窓効果が表れ、表面再結合による信号電荷の損失を防ぐことができる。
【0040】
すなわち、光電変換膜208において、画素電極211と接する層および上部電極207と接する層は、それぞれがバリア層よりもバンドギャップが狭い第三の半導体からなる。
【0041】
加えて、超格子層の見かけのバンド構造とSiのバンド構造でバンド不連続のない界面になるので、光によって励起した信号電荷の取り出しを容易にできる。
【0042】
(実施の形態1の変形例4)
図8は、本実施の形態1の変形例4を説明するエネルギー図である。図8は、上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造を示すエネルギー図である。変形例1のように、Ge層51はN型の半導体であり、変形例3のように、超格子光電変換膜の終端はN型Si窓層81である。
【0043】
図8では、暗電流の低減のため、上部電極207と終端のN型Si窓層81がショットキー接合を形成し、ショットキーダイオードを形成する。
【0044】
すなわち、上部電極207と接する第三の半導体は第一導電型であって、上部電極207とショットキーコンタクトを形成する。
【0045】
これにより、逆方向飽和電流を暗電流とすることができる。
【0046】
(実施の形態1の変形例5)
図9は、本実施の形態1の変形例5を説明するエネルギー図である。図9は、Ge層42をノンドープとし、さらに、超格子光電変換膜の終端の2つの半導体であるSi窓層81、91を不純物ドープによって異なる伝導型にしてP−I−Nダイオードを形成する。
【0047】
すなわち、画素電極211と接する第三の半導体は第一導電型であって、画素電極211とオーミックコンタクトを形成し、上部電極207と接する第三の半導体は第一導電型とは反対の第二導電型であって、上部電極207とオーミックコンタクトを形成する。
【0048】
これにより、逆方向飽和電流を暗電流とすることもできる。
【0049】
図10は、本実施の形態1の構造の暗電流のGe膜厚依存のグラフである。Ge膜厚a=2nmの超格子構造で、ダイオードを形成しなくても10−6A/cm2まで低減したことがわかる。上述のようにダイオードを形成すればさらなる暗電流低減効果があり、固体撮像装置の光電変換膜として室温で使用可能になる。さらに、シリコンフォトダイオードでは暗電流は10−10A/cm2であるが、これについても、Ge膜厚a=1.2nmの超格子構造を形成すれば、シリコンフォトダイオード以上の暗電流低減効果があることがわかる。そして、光電変換効率は、Geの吸収係数が大きいため、シリコンよりも高くなり、固体撮像装置の感度としても向上できる。
【0050】
なお、第三の半導体である窓層には、Ge、SiGe、Si、InSb、InAs、GaSb、HgTe、HgSe、PbSe、PbS、PbTe、HgCdTe、InGaAs、AsSex、AsSx、SiCx、SiNx、GeNx、Se、GaAs、InP、AlAs、BP、InN、AlAs、GaP、AlP、GaN、BN、AlN、CdTe、CdSe、HgS、ZnTe、CdS、ZnSe、MnSe、MnTe、MgTe、MnS、MgSe、ZnS、MgS、HgI2、PbI2、TlBrのいずれかを含んだ材料を用いることができる。
【0051】
また、第一の半導体である井戸層には、Ge、SiGe、InSb、InAs、GaSb、HgTe、HgSe、PbSe、PbS、PbTe、HgCdTe、InGaAsのいずれかを含んだ材料を用いることができる。
【0052】
また、バリア層には、Si、C、AsSex、AsSx、SiOx、GeOx、MgOx、AlOx、ZrOx、HfOx、YOx、LaOx、SiCx、SiOxNy、SiNx、GeNx、Se、GaAs、InP、AlAs、BP、InN、AlAs、GaP、AlP、GaN、BN、AlN、CdTe、CdSe、HgS、ZnTe、CdS、ZnSe、MnSe、MnTe、MgTe、MnS、MgSe、ZnS、MgS、HgI2、PbI2、TlBrのいずれかを含んだ材料を用いることができる。
【0053】
さらに、バリア層には、SiOx、GeOx、MgOx、AlOx、ZrOx、HfOx、YOx、LaOx、SiOxNy、SiNx、BN、AlN、Cのいずれかを含んだ材料を用いた方がより好ましい。
【0054】
(実施の形態2)
次に本発明に関わる第二の実施形態について図11および図12を用いて説明する。
【0055】
本実施の形態2は、実施の形態1との差異点のみを説明し、共通する点については、その説明を省略する。
【0056】
図11は、本実施の形態2の光電変換膜308の拡大図である。図3に示した実施の形態1との差異は、上部電極207と画素電極211で挟まれた光電変換膜308の井戸層の膜厚が中央部において、厚くなっている点である。
【0057】
すなわち、積層構造の井戸層のうちの少なくとも1つは、他の井戸層よりも膜厚が厚い。
【0058】
これにより、本実施の形態2光電変換膜308は波長が1300nmの赤外光に対しても、約55%の吸収率を達成する。
【0059】
すなわち、他の井戸層よりも膜厚が厚い井戸層は、バンドギャップが近赤外から赤外光の波長域にある。
【0060】
これにより、暗所でも高感度に撮影することができ、監視カメラなどに有用である。この点について、さらに詳細に説明する。
【0061】
図11に示すように、上部電極207と光電変換膜308、その下に形成された画素電極211で構成されている。超格子光電変換膜は、画素電極211からSiO2 2nm/(Ge 2nm/SiO2 2nm)×5/(Ge 3nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 4nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 5nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 6nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 7nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 8nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 9nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 10nm/SiO2 2nm)×30/(Ge 9nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 8nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 7nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 6nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 5nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 4nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 3nm/SiO2 2nm)×2/(Ge 2nm/SiO2 2nm)×5/で積層してある。
【0062】
図12は、図11における上部電極207から画素電極211までの断面方向(A−B)のエネルギーバンド構造の模式図である。光電変換で発生した電荷は上部電極207と画素電極211間に印加されている電界によって超格子のミニバンド43を介して画素電極211まで加速され、画素電極211からフローティングディフュージョン部215に転送される。超格子光電変換膜の終端は共にシリコン酸化膜層41であり、上部電極207のITOと画素電極211のAlは共にSiO2を介してコンタクトされている。
【0063】
図12に示すように、シリコン酸化膜層41とGe層42の価電子帯の上端と伝導帯の下端からなる矩形ポテンシャルが確認されるが、井戸層であるGe層42の膜厚が変化しており、井戸層の薄い領域ではバリア層の影響が大きくなるためミニバンドによる見かけのバンドギャップはより広くなる。それに対し、井戸層の厚い領域ではバリア層の影響が小さくなるため、バンドギャップは小さくなる。したがって、上部電極207および画素電極211に近い井戸層の膜厚をより薄くすることによって、バンドギャップを広くして暗電流抑制効果を実現する。そして、上部電極207と画素電極211の中間部では感度が向上するとともに、赤外光を検出することができた。
【0064】
さらに、図13に示すように本実施の形態2においても、実施の形態1の変形例2に示した不純物ドープによるP−I−Nダイオードの形成による暗電流低減も可能である。そして、実施の形態1の他の変形例のように、ショットキーダイオードやP−I−Nダイオードの形成、または超格子の終端をSiなどの半導体にすることで窓効果による信号電荷の損失低減も実現できる。
【0065】
以上の実施形態1,2ではGe/SiO2超格子を例に挙げたが、バンドギャップが狭い半導体と比較的バンドギャップが大きい半導体や絶縁体との超格子を作製すればミニバンドが形成され、同様の暗電流抑制効果が得られる。
【0066】
(実施の形態3)
次に、本発明の固体撮像装置の製造方法について、図14〜16を用いて説明する。図14〜16は本実施の形態3の固体撮像装置の製造工程を示す断面図である。なお、実施の形態1と共通する符号については説明を省略する。
【0067】
図14に示すように、シリコン基板218の上に配線層とAlからなる画素電極211を従来の方法により製造する。
【0068】
次に、図15に示すように、光電変換膜208を画素電極211及び配線層の上に成膜する。まずスパッタ法によって、室温にてシリコン酸化膜層およびGe層のそれぞれを膜厚制御しながら、交互に積層する。このとき、実施の形態1の変形例のようにGe層に不純物を導入する場合は、Ge層の成膜時に、B2H6,PH3,H2の気体をチャンバーに導入することで実現できる。また、光電変換膜208の両端に実施の形態1の変形例に示すような第三の半導体を形成することも可能である。さらには、実施の形態2のように、Ge層の膜厚を、光電変換膜208の中央付近で厚く形成することも可能である。また、窓層を用いた固体撮像装置を製造する場合は、超格子光電変換膜を成膜する前と、上部電極207を成膜する前に、スパッタ法でSiを成膜する。不純物ドープの方法は同様である。
【0069】
続いて、図16に示すように、ITOからなる上部電極207からマイクロレンズ201までを従来の方法で形成することで、本発明の固体撮像装置を製造することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0070】
本発明の固体撮像装置は、画素サイズを微細化しても、感度特性、混色特性を改善し、高画質を実現することが可能であり、特に、小型、高画素化が求められるデジタルスチルカメラなどの撮像装置に利用可能であり、特に夜間の画質向上を実現可能とする。
【符号の説明】
【0071】
41 シリコン酸化膜層
42,51,61,71 Ge層
43 ミニバンド
81 窓層
101 固体撮像装置
102 撮像領域
103a,103b 垂直駆動回路
104 水平フィードバックアンプ回路
105 ノイズキャンセラ回路
106 水平駆動回路
107 出力段アンプ
108 出力
201 マイクロレンズ
202 赤色カラーフィルタ
203 緑色カラーフィルタ
204 青色カラーフィルタ
205 保護膜
206 平坦化膜
207 上部電極
208 光電変換膜
210 絶縁膜
211 画素電極
212 拡散防止膜
213 配線
214 ビア
215 フローティングディフュージョン部
216 増幅トランジスタ
217 リセットトランジスタ
218 シリコン基板
219 ウェル
221 層間絶縁膜
308 光電変換膜
Claims (14)
- 撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された配線層と、
前記撮像領域の上方であって、前記配線層の上に、行列状に配置された複数の画素電極と、
前記撮像領域の上方であって、前記配線層および前記複数の画素電極の上に形成された光電変換膜と、
前記光電変換膜の上に形成された上部電極とを備え、
前記光電変換膜は、近赤外よりも長い波長域に基礎吸収端を有する第一の半導体からなる複数の井戸層と、前記第一の半導体よりもバンドギャップが広い第二の半導体または絶縁体からなる複数のバリア層とが交互に積層された積層構造を含んでいる固体撮像装置。 - 前記光電変換膜において、前記画素電極と接する層および前記上部電極と接する層は、それぞれが前記複数のバリア層のうちの1つである請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記複数の井戸層のうち、前記画素電極に近い井戸層は第一導電型であり、
前記光電変換膜は、前記画素電極と接するバリア層を介して前記画素電極とオーミックコンタクトを形成し、
前記複数の井戸層のうち、前記上部電極に近い井戸層は、第一導電型とは反対の第二導電型であり、
前記光電変換膜は、前記上部電極と接するバリア層を介して前記上部電極とオーミックコンタクトを形成する請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の井戸層のうち、前記上部電極に近い井戸層は、前記第一導電型であり、
前記光電変換膜は、前記上部電極と接するバリア層を介して前記上部電極とショットキーコンタクトを形成する請求項2に記載の固体撮像装置。 - 前記光電変換膜において、前記画素電極と接する層および前記上部電極と接する層は、それぞれが前記バリア層よりもバンドギャップが狭い第三の半導体からなる請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記画素電極と接する第三の半導体は第一導電型であって、前記画素電極とオーミックコンタクトを形成し、
前記上部電極と接する第三の半導体は前記第一導電型とは反対の第二導電型であって、前記上部電極とオーミックコンタクトを形成する請求項5に記載の固体撮像装置。 - 前記上部電極と接する第三の半導体は前記第一導電型であって、前記上部電極とショットキーコンタクトを形成する請求項5に記載の固体撮像装置。
- 前記第三の半導体は、Ge、SiGe、Si、InSb、InAs、GaSb、HgTe、HgSe、PbSe、PbS、PbTe、HgCdTe、InGaAs、AsSex、AsSx、SiCx、SiNx、GeNx、Se、GaAs、InP、AlAs、BP、InN、AlAs、GaP、AlP、GaN、BN、AlN、CdTe、CdSe、HgS、ZnTe、CdS、ZnSe、MnSe、MnTe、MgTe、MnS、MgSe、ZnS、MgS、HgI2、PbI2、TlBrのいずれかを含む請求項5〜7のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記第一の半導体は、Ge、SiGe、InSb、InAs、GaSb、HgTe、HgSe、PbSe、PbS、PbTe、HgCdTe、InGaAsのいずれかを含む請求項1〜8のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記バリア層は、Si、C、AsSex、AsSx、SiOx、GeOx、MgOx、AlOx、ZrOx、HfOx、YOx、LaOx、SiCx、SiOxNy、SiNx、GeNx、Se、GaAs、InP、AlAs、BP、InN、AlAs、GaP、AlP、GaN、BN、AlN、CdTe、CdSe、HgS、ZnTe、CdS、ZnSe、MnSe、MnTe、MgTe、MnS、MgSe、ZnS、MgS、HgI2、PbI2、TlBrのいずれかを含む請求項1〜9のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 前記バリア層は、SiOx、GeOx、MgOx、AlOx、ZrOx、HfOx、YOx、LaOx、SiOxNy、SiNx、BN、AlN、Cのいずれかを含む請求項10に記載の固体撮像装置。
- 前記積層構造の前記井戸層のうちの少なくとも1つは、他の井戸層よりも膜厚が厚い請求項1〜11に記載の固体撮像装置。
- 他の井戸層よりも膜厚が厚い前記井戸層は、バンドギャップが近赤外から赤外光の波長域にある請求項12に記載の固体撮像装置。
- 撮像領域と周辺回路領域とを備えた半導体基板の上に配線層を形成する工程と、
前記撮像領域の上方であって、前記配線層の上に、行列状に配置された複数の画素電極を形成する工程と、
前記撮像領域の上方であって、前記配線層および前記複数の画素電極の上に光電変換膜を形成する工程と、
前記光電変換膜の上に上部電極を形成する工程とを備え、
前記光電変換膜を形成する工程は、近赤外よりも長い波長域に基礎吸収端を有する第一の半導体からなる複数の井戸層と、前記第一の半導体よりもバンドギャップが広い第二の半導体または絶縁体からなる複数のバリア層とを交互に積層する固体撮像装置の製造方法。
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