JP7493250B2 - 画素、固体撮像装置及び画素の製造方法 - Google Patents

画素、固体撮像装置及び画素の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、画素、固体撮像装置及び画素の製造方法に関する。
近赤外光を対象とした画素および固体撮像装置の開発が進められている。近赤外光は、人間の目に感知されることがない、また、近赤外光は、空気中において散乱されにくいといった特徴を有する。そこで、近赤外光を対象とした画素および固体撮像装置は、自動運転技術およびセキュリティ技術などの分野への利用が検討されている。
特開２０１１－１８７８５７号公報
押山到、横川創造、池田晴美、姥子芳樹、平野智之、大井上昴志、斎藤卓、萩本賢哉、岩元勇人、「PSD構造を用いた裏面照射型CMOSイメージセンサの赤外線感度向上」、映像情報メディア学会技術報告、Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．１０、映像情報メディア学会、２０１８年３月。
当該技術分野では、近赤外光を対象とした画素および固体撮像装置から良好な画像を得る技術が検討されている。良好な画像を得るためには、第１に受光感度を高める必要があり、第２にノイズを低減する必要がある。
画素および固体撮像装置は、シリコンを素材とする基板を用いて形成されている。シリコンは、光を吸収すると共に吸収した光に対応するキャリアを発生させる。図１２に示すように、シリコンが光を吸収する性質は、光の波長に対応する。例えば、シリコンは、波長が３６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下程度である可視光を良好に吸収する。一方、シリコンは、波長が８３０ｎｍ以上である近赤外光を吸収しにくい。そこで、シリコンを用いた画素および固体撮像装置を用いて良好な画像を得るためには、受光感度を向上させる必要がある。
例えば、非特許文献１が開示する撮像装置は、光の入射面に設けられた凹凸構造を有する。この凹凸構造によれば、シリコンの内部における実質的な光の透過距離が延びる。透過距離が延びると光がシリコンに吸収される機会が増加する。その結果、受光感度が向上する。特許文献１が開示する撮像装置は、近赤外光をエバネセント光に変換する構成を有する。エバネセント光は、近赤外光よりもシリコンに吸収されやすい。従って、特許文献１が開示する撮像装置は、受光感度が向上している。
ノイズの要因として、クロストークと暗電流とが挙げられる。クロストークは、第１の画素が、第１の画素に隣接する第２の画素に影響を及ぼす現象をいう。例えば、受光感度を高めるために、シリコンの厚みを増加させた場合には、クロストークが生じやすくなる。また、エバネセント光を生じさせる構成は、金属により形成される。そうすると、撮像装置は、半導体が金属に接触する界面を有する。このような界面は、ショットキバリア接合又はオーミック接合を形成する。これらの接合形態は、暗電流を生じさせる要因となる。
本発明は、良好な画像を得ることが可能な近赤外光を対象とした画素、固体撮像装置及び画素の製造方法を提供する。
本発明の一形態である画素は、光入力面から受けた被吸収光に応じた信号電圧を発生する光電変換部と、入射光を受けて被吸収光を生じさせる光変換部と、を備える。光電変換部は、第１の不純物濃度を有する第１の領域と、第１の不純物濃度よりも大きい第２の不純物濃度を有する第２の領域と、を有する。第２の領域は、光入力面を含むと共に光変換部に直接に接触する。光変換部は、入射光を受けて、エバネセント光を含む被吸収光を発生する。
この画素の光変換部は、入射光を受けて光電変換部に出力される被吸収光を発生する。光電変換部の光入力面は、光変換部に直接に接している。従って、被吸収光は減衰することなく光電変換部に入力される。そして、この被吸収光は、光電変換部において入射光よりも吸収されやすい。従って、受光感度を高めることができる。さらに、光電変換部は、光入力面を含む第２の領域を有する。第２の領域は、第１の領域よりも不純物濃度が大きい。この構成によれば、界面に生じ得る暗電流を抑制することができる。つまり、画素は、受光感度を高めることができると共に暗電流を抑制することができる。その結果、画素によれば、良好な画像を得ることができる。
一形態において、第２の領域における第２の不純物濃度は、第１の領域に近づくに従って減少してもよい。この構成によれば、第２の領域における被吸収光の吸収によって生じた少数キャリアを、第１の領域に速やかに移動させることが可能になる。その結果、少数キャリアに起因する信号電圧は、良好に捉えられる。つまり、被吸収光からの少数キャリアが再結合されずに信号電圧に寄与する割合が高まる。その結果、受光感度をさらに高めることができる。
一形態において、第２の領域は、ドーズ量を１×１０１４ｃｍ－２以上３×１０１５ｃｍ－２以下とするイオン注入によって形成されてもよい。さらに、第２の領域は、注入エネルギを０．２ｋｅＶ以上１ｋｅＶ以下とするイオン注入によって形成されてもよい。１ｋｅＶ以下の低エネルギにすることによって、第２の領域におけるアニール後の濃度プロファイルは、光入射面から光電変換部の内部に向かって単調に減少する。第２の領域は、後述するように、光入力面から発生する暗電流を防ぐためには１×１０１４ｃｍ－２以上のドーズ量としてもよい。第２の領域は、結晶欠陥の発生を防ぐためには、３×１０１５ｃｍ－２以下のドーズ量としてもよい。この構成によれば、第２の領域における結晶欠陥の発生を抑制することが可能である。従って、被吸収光に応じて発生した少数キャリアの寿命を長くすることができる。その結果、少数キャリアに起因する信号電圧を良好に捉えられることができる。つまり、被吸収光から少数キャリアに起因する信号電圧への変換効率が高まる。その結果、受光感度をさらに高めることができる。
本発明の別の形態である固体撮像装置は、二次元状に配置された複数の画素、および、互いに隣接し合う画素の間に設けられた隔離壁を有する画素部と、画素部の動作を制御する制御信号を発生する画素制御部と、画素部が発生する信号電圧を受ける信号処理部と、を備える。画素は、光入力面から受けた被吸収光に応じた信号電圧を発生する光電変換部と、入射光を受けて被吸収光を生じさせるように、光電変換部の光入力面上に設けられた光変換部と、を有する。光電変換部は、第１の不純物濃度を有する第１の領域と、第１の不純物濃度よりも大きい第２の不純物濃度を有する第２の領域と、を有する。第２の領域は、光入力面を含むと共に光変換部に直接に接触する。光変換部は、入射光を受けて、エバネセント光を含む被吸収光を発生する。
この固体撮像装置は、上記の画素と同様の構成を備えた画素を有する。従って、良好な画像を得ることができる。
別の形態において、互いに隣接し合う一方の光変換部は、他方の光変換部から離間してもよい。光変換部の辺部は、光電変換部の光入力面上に形成されていてもよい。この構成によれば、ある画素の光変換部で発生した被吸収光が隣接する別の画素に到達することを抑制できる。従って、クロストークの発生を好適に抑制することができる。
別の形態において、少なくとも画素部は、センサ基板に設けられてもよい。センサ基板は、第２の領域に所定の電位を与える電圧印加部を有してもよい。さらに、電圧印加部は、ダイシングによって形成されたセンサ基板のダイシング面と、ダイシング面に電圧を与える導電部と、を含んでもよい。ダイシング面は、少なくとも第２の領域の端面と、導電部の端面と、を含んでもよい。そして、別の形態において、光電変換部は、被吸収光を吸収することにより信号キャリアとしての電子を発生してもよい。第２の領域は、負の電位を受けてもよい。あるいは、光電変換部は、被吸収光を吸収することにより信号キャリアとしての正孔を発生してもよい。第２の領域は、正の電位を受けてもよい。これらの構成によれば、光電変換部の電界が強くなる。さらに、少数キャリアの収集が円滑になる。その結果、良好な受光感度が得られる。
別の形態において、第２の領域は、光変換部に対して電気的に接続されてもよい。第１の画素が有する第１の光変換部は、第１の画素に隣接する第２の画素が有する第２の光変換部に対して電気的に接続されてもよい。さらに、光変換部は、第２の領域の主面から突出する複数の凸部を含んでもよい。複数の凸部は、互いに電気的に接続されていてもよい。この構成によれば、暗電流を抑制可能な構成を簡易な工程によって得ることができる。
本発明のさらに別の形態である固体撮像装置は、受光領域において、二次元状に配置された複数の画素を備えてもよい。画素は、光入力面から受けた被吸収光に応じた信号電圧を発生する光電変換部と、入射光を受けて被吸収光を生じさせるように、光電変換部の光入力面上に設けられた光変換部と、を有してもよい。光電変換部は、光変換部に直接に接触してもよい。光変換部は、所定の周期に従って配置された複数の凸部を含み、入射光を受けてエバネセント光を含む被吸収光を発生してもよい。所定の周期は、エバネセント光の発生条件と入射光の方向とに基づいて設定されてもよい。
この固体撮像素子によれば、画素ごとに入射光の方向が異なる場合であっても、入射光の方向に応じて、エバネセント光を発生させることが可能になる。したがって、入射光の角度の相違に起因するエバネセント光の減少が抑制される。その結果、入射光から被吸収光を好適に発生させることができる。
さらに別の形態である固体撮像装置において入射光の方向が光変換部の主面の法線方向である場合には、所定の周期（Ｌ）であってもよい。入射光の方向が光変換部の主面の法線方向に対して角度（θ）である場合には、所定の周期（ＬＳ）は、ＬＳ＝Ｌ／ｃｏｓθを満たしてもよい。この構成によれば、入射光から被吸収光をさらに好適に発生させることができる。
さらに別の形態である固体撮像装置において、受光領域の辺部に配置された画素の所定の周期は、受光領域の中央部に配置された画素の所定の周期より大きくてもよい。この構成によっても、入射光から被吸収光を好適に発生させることができる。
一形態である画素の光変換部は、光電変換部の光入力面上に設けられていてもよい。この構成によれば、光変換部と光電変換部とを備える画素を容易に製造することができる。
一形態である画素の光変換部は、入射光を受ける受光面を含むと共に、受光面が光電変換部から露出するように光電変換部に埋め込まれていてもよい。この構成によれば、光変換部の底面は、光電変換部と接触する。さらに、光変換部の側面も光電変換部と接触する。従って、光変換部において生じたエバネセント光をさらに効率よく吸収することが可能になる。その結果、光電変換効率がさらに高まる。したがって、さらに良好な画像を得ることができる。
一形態である画素は、光電変換部および光変換部を覆う被覆部をさらに備えてもよい。被覆部の誘電率は、空気の誘電率よりも高くてもよい。エバネセント光を含む被吸収光を発生させる光変換部の構成は、入射光の波長によって定まる。この被覆部によれば、入射光の波長によって一意に定まる光変換部の構成に自由度を与えることができる。
一形態である画素の光変換部は、互いに離間して形成された複数の凸部を含んでもよい。被覆部に覆われた光変換部における複数の凸部の見かけの周期は、被覆部の誘電率及び複数の凸部の実周期により定めてもよい。見かけの周期は、入射光によりエバネセント光を含む被吸収光を発生する共鳴条件を満たしてもよい。この構成によれば、光変換部を構成する複数の凸部の周期を、入射光の波長によって定まる光変換部の周期よりも短くすることが可能である。その結果、共鳴条件を満たすことができる。さらに、より多くの被吸収光を生じさせることができる。従って、光電変換効率がさらに高まるので、さらに良好な画像を得ることができる。
一形態である画素における被覆部の誘電率は、光電変換部の第２の領域の誘電率と等しくてもよい。この構成によれば、光変換部の周囲における誘電率の差異が小さくなる。その結果、光変換部においてエバネセント光を含む被吸収光をさらに効率的に発生させることができる。
一形態である画素の被覆部は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化タンタルのいずれかにより形成されてもよい。これらの材料によれば、上記の被覆部を良好に形成することができる。
一形態である画素は、被覆部上に配置されたマイクロレンズをさらに備えてもよい。この構成によれば、入射光を光変換部に効率的に集めることが可能になる。その結果、光変換部においてエバネセント光を含む被吸収光をさらに効率的に発生させることができる。
本発明のさらに別の形態は、光入力面から受けた被吸収光に応じた信号電圧を発生する光電変換部と、入射光を受けて被吸収光を生じさせる光変換部と、を備え、光電変換部は、第１の不純物濃度を有する第１の領域と、第１の不純物濃度よりも大きい第２の不純物濃度を有する第２の領域と、を有する画素の製造方法である。画素の製造方法は、光変換部を光電変換部に埋め込むための複数の凹部を設ける第１工程と、少なくとも凹部の壁面に対して第２の領域を形成するための処理を行う第２工程と、凹部に光変換部を構成する複数の金属部を設ける第３工程と、有する。
この製造方法の第３工程では、光電変換部から露出するように光電変換部に埋め込まれた光変換部が形成される。そして、光電変換部の底面は、光電変換部と接触する。さらに、光電変換部の側面も光電変換部と接触するような金属部を含んでいる。従って、光変換部において生じたエバネセント光をさらに効率よく吸収することができる画素を製造することができる。
さらに別の形態である画素の製造方法は、第３工程の後に、光電変換部および光変換部を覆うように、空気の誘電率よりも高い誘電率を有する被覆部を設ける第４工程をさらに有してもよい。この工程によれば、入射光を光変換部に効率的に集めることを可能とし、光変換部においてエバネセント光を含む被吸収光をさらに効率的に発生させることができる画素を製造することができる。
一形態である画素の光変換部は、入射光の方向に沿って積層された第１金属層、誘電体層及び第２金属層を含んでもよい。第２金属層は、光入力面上に設けられていてもよい。この構成によれば、光変換部における入射光の吸収ロスを低減できる。従って、光電変換部における光吸収効率をさらに高めることができる。
一形態である画素の光変換部は、入射光を受ける受光面を含むと共に、受光面が光電変換部から露出するように光電変換部に埋め込まれてもよい。光変換部は、入射光の方向に沿って積層された第１金属層、誘電体層及び第２金属層を含んでもよい。第１金属層は、受光面を構成してもよい。この構成によっても、光変換部における入射光の吸収ロスを低減できる。従って、光電変換部における光吸収効率をさらに高めることができる。
本発明の画素、固体撮像装置及び画素の製造方法によれば、良好な画像を得ることができる。
図１は、実施形態に係る固体撮像装置の構成を概略的に示す図である。 図２は、画素の電気的な構成を示す図である。 図３は、画素に提供される制御信号の例示である。 図４は、画素の構造を示す図である。 図５は、図４の一部である光入力面の近傍（Ｓ１）を拡大して示す図である。 図６は、画素と隔離壁（Ｓ２）とを拡大して示す図である。 図７は、光変換部の構成を示す図である。 図８は、変形例１の固体撮像装置を説明するための図である。 図９は、変形例１の固体撮像装置の一部を拡大して示す図である。 図１０は、変形例２の固体撮像装置を説明するための図である。 図１１は、変形例２の固体撮像装置を説明するための図である。 図１２は、シリコンの光吸収率を示すグラフである。 図１３は、シリコン中における光強度の減衰を示すグラフである。 図１４は、ピンニング領域における不純物濃度の分布の例示である。 図１５は、参考例の画素の構造を示す図である。 図１６は、別の参考例の画素の構造を示す図である。 図１７は、第１実施形態の固体撮像装置の要部を拡大して示す図である。 図１８は、第２実施形態の固体撮像装置の要部を拡大して示す図である。 図１９（ａ）、図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）は、第２実施形態の固体撮像装置を製造する方法の主要な工程を示す図である。 図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、図１９に続き、第２実施形態の固体撮像装置を製造する方法の主要な工程を示す図である。 図２１は、第３実施形態の固体撮像装置の変形例を示す図である。 図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、高誘電体膜を有する固体撮像装置の要部を拡大して示す図である。 図２３（ａ）及び図２３（ｂ）は、高誘電体膜を有する固体撮像装置の変形例を示す図である。 図２４は、第３実施形態の固体撮像装置の変形例を示す図である。 図２５は、変形例３の固体撮像装置の要部を拡大して示す図である。 図２６は、変形例４の固体撮像装置の要部を拡大して示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
以下の説明は、フォトダイオードまたは個々の画素がフォトダイオードを備えたＣＭＯＳイメージセンサの高感度化に関する。特に、以下の説明は、近赤外光領域の高感度化に関する。
図１に示すように、本実施形態の固体撮像装置１は、いわゆる裏面照射型のイメージセンサである。なお、固体撮像装置１は、逆側から光を受けてもよい。換言すると、固体撮像装置１は、後述する支持基板１１側から光を受けてもよい。固体撮像装置１は、画素部２と、画素制御部３と、信号処理部４と、複数の水平制御線からなる水平制御線群６と、垂直信号線７と、を有する。画素部２、画素制御部３および信号処理部４などは、後述するセンサ基板１２に設けられている。センサ基板１２は、支持基板１１に張り合わされている。画素部２が形成されたシリコンウェハであるセンサ基板１２は、薄い。従って、センサ基板１２は、機械的強度が得られない。そこで、支持基板１１によって、センサ基板１２に機械的強度を持たせる。センサ基板１２の受光領域Ｓに対応する部分には、画素部２が設けられている。画素部２は、二次元状に配置された複数の画素８を有する。画素８は、入射した光に対応する信号電圧を垂直信号線７に出力する。画素制御部３は、水平制御線群６を介してそれぞれの画素８に接続されている。画素制御部３は、画素８の動作を制御するための制御信号φを出力する。信号処理部４は、垂直信号線７を介してそれぞれの画素８に接続されている。信号処理部４は、画素８が出力する信号電圧Δを受ける。信号処理部４は、画素８から出力された信号電圧Δから画像信号を生成する。
図２は、画素８の電気的な構成を示す。画素８は、いわゆる４トランジスタ型のＣＭＯＳイメージセンサである。本実施形態の画素８は、Ｎチャネルタイプである。つまり、画素８の信号は、信号電子が担う。なお、画素８は、Ｐチャネルタイプであってもよい。
画素８は、フォトダイオードＰＤと、浮遊拡散層ＦＤと、トランスファゲートＴＧと、リセットトランジスタＲＧと、ソースフォロアトランジスタＳＦと、選択トランジスタＳＥＬと、を有する。
フォトダイオードＰＤは、ＰＮ接合型である。フォトダイオードＰＤは、キャリアとしての信号電子を発生させる。フォトダイオードＰＤは、発生した信号電子を蓄積する。
トランスファゲートＴＧ、リセットトランジスタＲＧ、ソースフォロアトランジスタＳＦおよび選択トランジスタＳＥＬは、それぞれ電界効果トランジスタである。
トランスファゲートＴＧのソースは、フォトダイオードＰＤに接続されている。トランスファゲートＴＧのドレインは、浮遊拡散層ＦＤに接続されている。トランスファゲートＴＧのゲートは、水平制御線群６に接続されている。トランスファゲートＴＧは、水平制御線群６から制御信号φ１を受ける。トランスファゲートＴＧは、制御信号φ１に基づいて、フォトダイオードＰＤから浮遊拡散層ＦＤへの信号電子の転送を制御する。
浮遊拡散層ＦＤは、トランスファゲートＴＧのドレインに接続されている。浮遊拡散層ＦＤは、トランスファゲートＴＧを介してフォトダイオードＰＤに接続されている。浮遊拡散層ＦＤは、信号電子を信号電圧に変換する。浮遊拡散層ＦＤは、リセットトランジスタＲＧのソースに接続されている。浮遊拡散層ＦＤは、ソースフォロアトランジスタＳＦのゲートにも接続されている。
リセットトランジスタＲＧのソースは、浮遊拡散層ＦＤに接続されている。リセットトランジスタＲＧのドレインは、リセットドレインに接続されている。リセットトランジスタＲＧのゲートは、水平制御線群６に接続されている。リセットトランジスタＲＧは、水平制御線群６から制御信号φ２を受ける。リセットトランジスタＲＧは、制御信号φ２に基づいて、浮遊拡散層ＦＤの電位をリセットする。
ソースフォロアトランジスタＳＦのソースは、選択トランジスタＳＥＬに接続されている。ソースフォロアトランジスタＳＦのドレインは、アナログ電源に接続されている。ソースフォロアトランジスタＳＦのゲートは、浮遊拡散層ＦＤに接続されている。ソースフォロアトランジスタＳＦは、ゲートに入力される電圧に対応する信号電圧を選択トランジスタＳＥＬを介して出力する。
選択トランジスタＳＥＬのソースは、垂直信号線７に接続されている。選択トランジスタＳＥＬのドレインは、ソースフォロアトランジスタＳＦのソースに接続されている。選択トランジスタＳＥＬのゲートは、水平制御線群６に接続されている。選択トランジスタＳＥＬは、制御信号φ３に基づいて、信号電圧Δを垂直信号線７に出力する。
図３は、画素制御部３が出力する制御信号φ１、φ２、φ３、ＲＳ、ＳＳを示す。図３は、第ｎ行の読み出し期間における制御信号φ１、φ２、φ３、ＲＳ、ＳＳのタイミングを模式的に示す。以下の説明において「（Ｈ）」は、信号が高い（Ｈｉｇｈ）、つまりオンであること示す。「（Ｌ）」は、信号が低い（Ｌｏｗ）、つまりオフであること示す。
まず、画素制御部３は、制御信号φ３（Ｈ）を出力する。その結果、制御信号φ３を受けた行が選択される。続いて、画素制御部３は、制御信号φ２（Ｈ）を所定期間だけ出力する。その結果、浮遊拡散層ＦＤにリセットドレイン電圧が出力される。続いて、画素制御部３は、制御信号ＲＳ（Ｈ）を所定期間だけ出力する。その結果、リセットレベルがサンプリングされる。次に、画素制御部３は、制御信号φ１（Ｈ）を所定期間だけ出力する。その結果、フォトダイオードＰＤから浮遊拡散層ＦＤへ信号電子が転送される。次に、画素制御部３は、制御信号ＳＳ（Ｈ）を所定期間だけ出力する。その結果、浮遊拡散層ＦＤに蓄えられた信号電子に起因する信号レベルが、制御信号ＳＳ（Ｈ）のタイミングでサンプリングされる。次に、画素制御部３は、制御信号φ２（Ｈ）を所定期間だけ再び出力する。その結果、浮遊拡散層ＦＤにリセットドレイン電圧が出力される。つまり、浮遊拡散層ＦＤの電位がリセットされる。そして、画素制御部３は、制御信号φ３（Ｌ）を出力する。その結果、第ｎ行の読み出しが終了する。その後、画素制御部３は、制御信号φ３（Ｈ）を次の第ｎ＋１行に出力する。
なお、信号処理部４では、サンプルされた信号レベルとリセットレベルとの差が作られる。この差は、相関二重サンプリングである。相関二重サンプリングは、雑音低減およびオフセット除去の役割を果たす。レベル差の成分は信号として扱われる。次に、レベル差の成分は、アナログ値からデジタル値に変換される。そして、デジタル値に変換されたレベル差の成分は、固体撮像装置１の外部に出力される。
図４は、画素部２の断面を模式的に示す。画素部２は、センサ基板１２に形成されている。センサ基板１２は、配線領域１３と、素子領域１４と、を有する。センサ基板１２の配線領域１３側の面は、支持基板１１に接合されている。また、画素部２は、センサ基板１２上に設けられたカラーフィルタ１６およびマイクロレンズ１７を有する。カラーフィルタ１６は、カラー化の役割を担う。マイクロレンズ１７は、集光の役割を担う。
配線領域１３は、複数の配線１８と、複数のビア１９と、ゲート２１、２１Ａと、を有する。配線１８は、銅又はアルミニウムにより形成されている。ビア１９は、配線１８同士を電気的に接続する。また、ビア１９は、配線１８をポリシリコンにより形成されたゲート２１、２１Ａに電気的に接続する。また、配線領域１３は、配線１８およびビア１９を覆う絶縁膜（不図示）も有する。
素子領域１４は、隔離壁２２と、画素８と、を有する。
隔離壁２２は、互いに隣接する画素８の間に設けられている。隔離壁２２は、ディープトレンチ２３と、ｐ＋型のチャネルストップ領域２４と、を有する。ディープトレンチ２３は、入射側に設けられている。チャネルストップ領域２４は、配線領域１３側に設けられている。ディープトレンチ２３に挟まれた領域には、後述する電荷蓄積部３３ａおよび浮遊拡散層ＦＤなどが設けられている。ディープトレンチ２３は、画素８間の光学的なクロストークを抑制する。また、ディープトレンチ２３は、信号電子の拡散によるクロストークを抑制する。チャネルストップ領域２４は、画素８同士を電気的に分離する。より詳細には、チャネルストップ領域２４は、電荷蓄積部３３ａおよびＮ＋型領域３４ｄを電気的に分離する。
画素８は、光電変換部２６と、光変換部２７と、を有する。光電変換部２６は、光入力面２６ａから受けた被吸収光Ｌ２に応じた信号電圧を発生する。光変換部２７は、光電変換部２６の光入力面２６ａに設けられる。光変換部２７は、入射光Ｌ１（図５参照）を受けて光電変換部２６に出力される被吸収光Ｌ２（図５参照）を生じさせる。光入力面２６ａは、後述するピンニング領域３６の主面でもある。
光電変換部２６は、第１の領域２９と、第２の領域３１と、を有する。
第１の領域２９は、基体部３２と、電荷蓄積部３３ａと、フォトダイオードピンニング層３３ｂと、読み出し部３４と、を有する。基体部３２は、Ｐ型であって、光入力面２６ａを構成する。基体部３２は、被吸収光Ｌ２を吸収する。その結果、信号電子が発生する。電荷蓄積部３３ａとフォトダイオードピンニング層３３ｂとは、基体部３２と配線領域１３との間に設けられている。換言すると、電荷蓄積部３３ａは、配線領域１３側の表面の近傍に設けられている。電荷蓄積部３３ａは、Ｐ型の基体部３２およびフォトダイオードピンニング層３３ｂと協働してＰＮ接合ダイオードを構成する。Ｐ＋型であるフォトダイオードピンニング層３３ｂは、電荷蓄積部３３ａと配線領域１３との間に設けられている。フォトダイオードピンニング層３３ｂは、シリコン表面の界面準位からの暗電流の発生を防ぐ。フォトダイオードピンニング層３３ｂは、チャネルストップ領域２４に接し、同電位である。
読み出し部３４は、閾値調整領域３４ａと、Ｎ＋型領域３４ｂ、３４ｃ、３４ｄと、Ｐ型ウェル３４ｅと、を有する。
閾値調整領域３４ａは、電荷蓄積部３３ａとフォトダイオードピンニング層３３ｂとに接する。閾値調整領域３４ａは、ゲート２１Ａと協働して、トランスファゲートＴＧを構成する。Ｎ＋型領域３４ｂは、閾値調整領域３４ａに接する。Ｎ＋型領域３４ｂは、浮遊拡散層ＦＤを構成する。換言すると、Ｎ＋型領域３４ｂは、閾値調整領域３４ａのフォトダイオードＰＤとは反対側に設けられている。つまり、閾値調整領域３４ａは、電荷蓄積部３３ａと浮遊拡散層ＦＤとの間に設けられている。Ｐ型ウェル３４ｅは、電荷蓄積部３３ａに隣接する。換言すると、Ｐ型ウェル３４ｅは、閾値調整領域３４ａを介して電荷蓄積部３３ａに隣接する。
Ｎ＋型領域３４ｃは、Ｐ型ウェル３４ｅであるチャネル領域を挟むようにＮ＋型領域３４ｂに隣接する。Ｎ＋型領域３４ｃは、電荷蓄積部３３ａからトランスファゲートＴＧを構成する。信号電子は、閾値調整領域３４ａを介して浮遊拡散層ＦＤであるＮ＋型領域３４ｂに読み出される。信号電子は、この浮遊拡散層ＦＤにおいて電圧信号に変換される。Ｎ＋型領域３４ｄは、Ｐ型ウェル３４ｅであるチャネル領域を挟むようにＮ＋型領域３４ｃに隣接する。Ｎ＋型領域３４ｄとＮ＋型領域３４ｃとゲート２１とは、ソースフォロアトランジスタＳＦを構成する。Ｎ＋型領域３４ｄには、チャネルストップ領域２４が接する。図示されていないが、リセットトランジスタＲＧと選択トランジスタＳＥＬが設けられている。
Ｐ型ウェル３４ｅは、浮遊拡散層ＦＤと、リセットトランジスタＲＧと、ソースフォロアトランジスタＳＦと、選択トランジスタＳＥＬと、を含む。Ｐ型ウェル３４ｅは、Ｐ型の基体部３２からの信号電子の流入を防ぐ。また、Ｐ型ウェル３４ｅは、リセットトランジスタＲＧと、ソースフォロアトランジスタＳＦと、選択トランジスタＳＥＬと、の閾値を制御する。
図５は、図４の領域Ｓ１の拡大図である。図５に示すように、光電変換部２６は、第２の領域３１に形成されるピンニング領域３６をさらに有する。
＜ピンニング領域＞
ピンニング領域３６は、基体部３２の入射側に設けられている。換言すると、ピンニング領域３６は、基体部３２の配線領域１３側とは反対の表面に設けられている。ピンニング領域３６の厚みは、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ピンニング領域３６は、アクセプタ濃度が高い。ピンニング領域３６は、中性化している。ピンニング領域３６は、正孔を保持する。ピンニング領域３６は、暗電流の発生を抑制する。ピンニング領域３６について、さらに詳細に説明する。
つまり、本実施形態の固体撮像装置１は、光の吸収に起因する信号電子を発生させる領域（光電変換部）が暗電流の発生を抑制する機能を奏する領域（第２の領域３１、ピンニング領域３６）を含んでいる。従って、光変換部２７から光電変換部２６へ出力される被吸収光Ｌ２を妨げる層および膜は、光変換部２７と光電変換部２６との間には実質的に存在しない。
センサをＮチャネルタイプとして説明する。すなわち、入射光Ｌ１に起因する信号は、信号電子が担うとして説明する。なお、ピンニング領域３６は、Ｐ型である。
ピンニング領域３６は、Ｐ＋型入射側の表面ピンニング層である。ピンニング領域３６のアクセプタ濃度は、高い。ピンニング領域３６の光入力面２６ａの近傍には、常時１×１０１７ｃｍ―３以上の濃度の正孔が存在する。この正孔は、光電変換部２６の入射側の光入力面２６ａに存在する界面準位に起因して発生する暗電流を抑制する。
ピンニング領域３６は、少なくとも第１の条件を満たし、さらに、第２の条件および第３の条件を満たすとさらに良好である。
第１の条件は、入射側の光入力面２６ａに正孔を蓄積させることによって中性化したピンニング領域３６が、光入力面２６ａにおける暗電流の発生を抑制することである。Ｓｉ／ＳｉＯ２の界面のように、複数のバンドギャップ準位を含む場合、価電子帯の電子は、バンドギャップ準位を介して伝導帯体へ励起される。その結果、暗電流が生じる。暗電流の値は、ショックレー・リード・ホール（Ｓｃｈｏｃｋｌｅｙ－Ｒｅａｄ－Ｈａｌｌ）モデルに基づく式（１）に示される。
Figure 0007493250000001
式（１）を構成する各パラメータは以下のとおりである。
Ｕ：再結合率。
σ＝σｎ＝σｐ：電子および正孔のバンドギャップ準位に対する捕獲断面積。
ｖｔｈ：熱運動速度。
Ｎｔ：バンドギャップ準位密度。
ｎ：伝導帯の電子密度。
ｐ：価電子帯の正孔密度。
ｎｉ：真性キャリア密度。
ｋ：ボルツマン定数。
Ｔ：絶対温度。
なお、再結合率が、正の場合は再結合である。再結合率が、負の場合は暗電流生成レートである。また、Ｓｉ／ＳｉＯ２の界面が空乏化している場合、ｎ，ｐ＜＜ｎｉである。この条件によれば、式（１）から式（２）が得られる。
Figure 0007493250000002
 Ｅｔ＝Ｅｉのとき、Ｓｉ／ＳｉＯ２の界面が空乏化している場合の再結合率Ｕｄｅｐは最大になる。従って、式（２）から式（３）が得られる。
Figure 0007493250000003
この構成によれば、大きな暗電流が発生する。これに対して、界面近傍の正孔濃度が大きい場合、すなわち、ｐ＞＞ｎｉ＞＞ｎの場合、かつ、もっとも暗電流の発生に寄与するバンドギャップ準位はＥｔ＝Ｅｉである場合には、式（１）から式（４）が得られる。
Figure 0007493250000004
式（５）は、界面が空乏化しているときと正孔が蓄積しているときの比である。
Figure 0007493250000005
 式（５）において、ｎｉは１．４５×１０１０ｃｍ－３である。従って例えば、ｐ＝１０１７ｃｍ－３である場合には、暗電流は１０―７倍に低減される。
第２の条件は、少数キャリアを長寿命化させることである。少数キャリアとは、ここでは電子である。換言すると、第２の条件は、発生した電子正孔対のうちの電子がすみやかにＰ型の光電変換部２６をドリフトし、電荷蓄積部３３ａに到達することである。
少数キャリアの寿命は、ピンニング領域３６が含む結晶欠陥の数の影響を受ける。具体的には、ピンニング領域３６が含む結晶欠陥の数が減少すると、少数キャリアの寿命が延びる。結晶欠陥は、ピンニング領域３６が含む不純物濃度が大きく、かつ、高濃度領域が大きい場合に生じやすい。不純物の原子の大きさは、シリコンの原子の大きさと異なるためである。
ピンニング領域３６は、イオン注入により設けられる。注入されるイオンの量は、不純物濃度と不純物分布との積分に相当する。結晶欠陥の発生を抑制し得るイオン注入量として、３×１０１５ｃｍ－２以下が示される。
また、イオン注入は、不純物をシリコンに導入すると同時にエネルギをシリコンに持ち込む。このエネルギも、結晶欠陥を生じさせる要因である。結晶欠陥は、イオン注入後に実施されるアニール処理によって回復される。しかし、結晶欠陥は、完全に消失しない。
ピンニング領域３６の形成は、配線領域１３を形成した後に行われる。そのため、アニール方法は、レーザアニール法などに限定される。そこで、イオン注入に起因する結晶欠陥の発生を少なくする必要がある。イオン注入によってシリコンに持ち込まれるエネルギは、不純物量とエネルギとに比例する。結晶欠陥の発生を抑制できる条件として、不純物量とエネルギとの積を５×１０１５ｋｅＶｃｍ－２以下とすることが示される。
第３の条件は、光電変換によって発生した電子正孔対のうちの電子をすみやかに電荷蓄積部３３ａに到達させることである。電子は、Ｐ型である基体部３２を通過した後に、電荷蓄積部３３ａに到達する。このような動作は、電位勾配に起因するドリフト運動によって電子が移動することによりなされる。
Ｐ型である基体部３２は、空乏化している。同様に、ピンニング領域３６のうちの基体部３２側の不純物濃度の低い部分は、空乏化している。つまり、これらの領域では、十分な電界が得られる。一方、ピンニング領域３６のうち光入力面２６ａの近傍は、暗電流を抑制するために正孔が蓄積されている。つまり、光入力面２６ａの近傍は、中性化している。不純物濃度の差は、空乏化していない領域において電子の移動を円滑にする。
すなわち、ピンニング領域３６は、図１４に示されるような不純物濃度の分布を有する。その結果、ピンニング領域３６は、アクセプタ濃度が大きいほどフェルミレベルと価電子帯端とのエネルギ差が小さくなる。アクセプタである不純物濃度は、ピンニング領域３６において入射側の表面から基体部３２の方向に向かって減少する。この不純物濃度の分布によれば、ピンニング領域３６において正孔が蓄積されている領域においても、信号電子は、ドリフトにより基体部３２にすみやかに移動する。
このような不純物濃度の分布は、イオン注入によって得られる。具体的には、不純物濃度の分布のピーク位置を、光入力面２６ａ又は、光入力面２６ａに設けられた酸化膜中に設定することにより得られる。この工程によれば、光入力面２６ａから基体部３２に向かって単調に減少する不純物濃度の分布が形成される。
なお、不純物濃度の分布は、別の条件によっても実現可能である。まず、イオン注入を０．２ｋｅＶといった低エネルギで行う。その結果、不純物濃度の分布におけるピーク位置は、０．５ｎｍ程度になる。このような分布を有する素子をアニールすると、ピークはほぼ消失する。その結果、入射側の表面から基体部３２に向かって、単調に減少する不純物濃度の分布が得られる。注入エネルギは、例えば１ｋｅＶ以下が好ましい。低エネルギのイオン注入を用いる方法はイオン注入後に酸化膜を除去する煩雑さがないという利点がある。以下、低エネルギのイオン注入で形成する方法を中心に記載する。
＜光変換部＞
光変換部２７は、ピンニング領域３６の表面に形成された金属膜である。光変換部２７は、ピンニング領域３６に直接に接している。光変換部２７は、アルミニウム、銀、金、銅、窒化チタン（ＴｉＮ）を含む金属窒化物により形成される。光変換部２７の厚みは、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
図６は、図４の領域Ｓ２の拡大図である。図６に示すように、画素８の光変換部２７は、画素８に隣接する別の画素８の光変換部２７に対して分離されている。この分離とは、一方の光変換部２７において生じたプラズモンが、隣接する他方の光変換部２７に到達しないことを意味する。換言すると、画素８の境界部には、ギャップＧが設けられている。また、一方の光変換部２７において生じたプラズモンが、隣接する他方の光変換部２７に到達することを、光変換部２７の干渉とも呼ぶ。このギャップＧによれば、画素８間で光変換部２７の干渉を抑制することできる。
光変換部２７のエッジ２７ｅは、電界が強い。その結果、エッジ２７ｅは、強いエバネセント光Ｌ２ａを放射する。そこで、光変換部２７のエッジ２７ｅは、ピンニング領域３６上に形成する。つまり、光変換部２７のエッジ２７ｅは、光入力面２６ａ上に形成する。換言すると、光変換部２７のエッジ２７ｅは、画素８を隔てるディープトレンチ２３（隔離壁２２）上には形成されない。さらには、ディープトレンチ２３は、光変換部２７の間に形成されるギャップＧに対応する領域に形成される。この構成によれば、エッジ２７ｅにおいて発生する強いエバネセント光Ｌ２ａを、ピンニング領域３６および基体部３２において吸収させることが可能になる。その結果、信号電子に変換可能なエバネセント光Ｌ２ａを増加させることができる。つまり、エバネセント光Ｌ２ａを有効に利用することが可能になる。また、ギャップＧは、隣接する画素８へのプラズモンの伝播を抑制する。その結果、クロストークの発生が抑制される。
なお、ギャップＧは、エバネセント光Ｌ２ａを生じさせる光変換部２７の面積を減少させる。固体撮像装置１は、光変換部２７の上に設けられたマイクロレンズ１７（図４参照）を有する。このマイクロレンズ１７によれば、入射光Ｌ１を光変換部２７に集光することが可能である。その結果、感度の低下を防ぐことができる。
光変換部２７は、近赤外光等の入射光Ｌ１を受ける。光変換部２７は、被吸収光Ｌ２を発生する。被吸収光Ｌ２は、エバネセント光Ｌ２ａと、伝搬光Ｌ２ｂと、を含む。光変換部２７は、ピンニング領域３６および基体部３２にエバネセント光Ｌ２ａを出力する。光変換部２７は、グレイン構造を含んでもよい。グレイン構造の大きさは、入射光Ｌ１の波長以下である。光変換部２７は、図７に示す凹凸構造を含んでもよい。凹凸構造は、複数のリッジ２７ａ（複数の凸部）を含む。リッジ２７ａの間隔は、例えば１００ｎｍ以上であり、かつ、波長以下であってもよい。リッジ２８ａは、光入力面２６ａから突出する。
さらに、光変換部２７として、エバネセント光Ｌ２ａを発生可能な様々な構造を採用可能である。光変換部２７は、周期的構造を含んでもよい。周期的構造として、例えば、複数の球状構造または柱状構造としてもよい。また、このような構造を大別すると、パターン構造体および微粒子構造体が挙げられる。
パターン構造体として、例えば、回折格子、ホールアレイ、ディスクアレイ、スリットアレイ、アンテナアレイおよびブルズアイアレイが例示される。回折格子は、例えばストライプ状の一次元配列構造、正方格子状又は三角格子状の二次元配列構造であってもよい。ホールアレイは、ホールの形状が、円形、矩形および三角形であってもよい。ディスクアレイは、ディスクの形状が、円板形、矩形、三角形および半球形であってもよい。スリットアレイは、スリットの形状が一次元構造、十字型構造及びアスタリスク型構造であってもよい。スリットアレイは、それぞれ正方格子状又は三角格子状に配列されてよい。アンテナアレイは、粒子ペア型構造、ロッドペア型構造およびボウタイ型構造であってもよい。ブルズアイアレイは、開口と同心円状の凹凸構造とを含んだ構造が正方格子状又は三角格子状に配列されてよい。
微粒子構造として、金属材料により形成された微粒子が例示される。金属材料は、例えば、アルミニウム、銀、金、銅、窒化チタンを含む金属窒化物などを採用してよい。微粒子の形状として、球形ナノ粒子、金属ナノシェル、金属ナノロッドおよび金属ナノワイヤが例示される。微粒子構造は、局在型表面プラズモン共鳴を利用する。微粒子構造として球形ナノ粒子を採用する場合には、粒子間に働くギャップモードを適用することにより近赤外共鳴を得ることができる。球形ナノ粒子およびナノシェルの直径は、１０ｎｍ以上１μｍ以下としてよい。ナノロッドおよびナノワイヤの直径は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下としてよい。ナノロッドおよびナノワイヤの長さは、５０ｎｍ以上１０μｍ以下としてよい。また、微粒子構造を形成する材料として、ＴｉＮなどのチッ化物系ナノ粒子、およびＭｉｅ散乱を利用するＳｉなどの高屈折率ナノ粒子も例示される。これらの微粒子構造は、化学合成法、スパッタ法及び真空蒸着法を用いて形成してもよい。真空蒸着法によれば、グレイン構造である島状の成膜がなされる。
周期性に基づく表面プラズモン共鳴を利用する構造は、周期が１００ｎｍ以上であり、入射する光の波長以下であることが望ましい。ギャップモードに基づく表面プラズモン共鳴を利用する構造は、粒子ペアなどの金属間距離が入射する光の波長以下であることが望ましい。例えば、金属間距離として、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下がより望ましい。これら構造体は、エキシマレーザーリソグラフィ、電子線描画リソグラフィおよび集束イオンビーム加工技術などによって形成してよい。
以下、固体撮像装置１の製造方法を説明する。
まず、シリコンウェハを準備する。次に、固体撮像装置１において配線領域１３側となるシリコンウェハの一部に、電荷蓄積部３３ａ、フォトダイオードピンニング層３３ｂ、トランジスタ、および配線１８などの構成物を形成する。この工程によって、センサ基板１２が形成される。次にセンサ基板１２を支持基板１１に接合する。先の工程において電荷蓄積部３３ａなどが形成された側の面が支持基板１１に接合される。なお、支持基板１１は、回路が形成されたウェハを採用してもよい。この場合には、集積度をより高めることができる。
次に、センサ基板１２の厚みを調整する。具体的には、センサ基板１２を光入力面２６ａ側から削る。センサ基板１２の厚みは、通常の可視光用の場合では２μｍ以上３μｍ以下である。一方、近赤外光用の場合では、通常この厚みでは十分に光を吸収することができない。しかし、固体撮像装置１の構成によれば、センサ基板１２の厚みが３μｍ以下であっても、十分に近赤外光を検出可能である。
次に、ピンニング領域３６を形成する。具体的には、センサ基板１２の光入力面２６ａにボロンをイオン注入する。イオン注入エネルギは、０．２ｋｅＶ以上１ｋｅＶ以下である。イオン注入の後に、活性化のためのレーザアニールを行う。なお、酸化膜を介してイオン注入を行ってもよい。この場合には、不純物濃度の分布は、そのピークが入射側の界面または酸化膜中に形成される。イオン注入量は、１×１０１４ｃｍ―２以上３×１０１５ｃｍ―２以下が望ましい。そして、クロストークを防止するためのディープトレンチ２３を形成する。
図１４は、所定の条件に基づいて１価のボロンイオンをイオン注入したときの、不純物濃度の分布を示すグラフである。所定の条件とは、イオン注入エネルギが０．２ｋｅＶであり、かつドーズ量が１×１０１５ｃｍ―２である。グラフＧ１４ａは、この条件の基に形成された濃度分布を示す。また、別の所定の条件として、イオン注入エネルギが０．５ｋｅＶであり、かつドーズ量が１×１０１５ｃｍ―２である。グラフＧ１４ｂは、この条件の基に形成された濃度分布を示す。
グラフＧ１４ａ、Ｇ１４ｂを確認すると、ピークＰ１４の位置は０．５ｎｍである。ピークＰ１４の濃度は、２×１０＋２１ｃｍ―３程度である。測定の限界を考慮すると、ボロンイオンは、１０ｎｍ程度の深さまで分布していると言える。
次に、イオン注入後、レーザアニールを行う。レーザアニールによれば、配線領域１３側に形成されたトランジスタおよび配線に損傷を与えることなくアニールを行うことができる。また、レーザアニールを行う際には、レーザアニールのエネルギを下げる。つまり、シリコンを溶融させない。この条件を満たすことにより、溶融部分の不純物濃度が一定になることを抑制できる。また、非溶融の条件のレーザアニールを複数回行うことにより、不十分な不純物の活性の状態を、十分な不純物の活性の状態に変化させることができる。そして、レーザアニール後、自然酸化膜を除去する。その結果、金属膜である光変換部２７が形成される。光変換部２７の形成には、上述した構造に応じた手法を用いて形成してよい。そして、光変換部２７上にカラーフィルタ１６およびマイクロレンズ１７を形成する。
＜作用効果＞
実施形態の固体撮像装置１は、金属膜である光変換部２７においてエバネセント光Ｌ２ａを発生させる。ほぼ全てのエバネセント光Ｌ２ａは、光電変換部２６において吸収される。換言すると、エバネセント光Ｌ２ａは、光電変換部２６における基体部３２において吸収されるとともに、ピンニング領域３６においても吸収される。つまり、エバネセント光Ｌ２ａは、基体部３２とピンニング領域３６とにおいて信号電子に変換される。ここで、光変換部２７は、ピンニング領域３６に対して直接に接している。換言すると、光変換部２７と、シリコンによって構成されると共に光電変換を行う光電変換部２６との間に、絶縁膜が存在しない。従って、エバネセント光Ｌ２ａは、絶縁膜などによって減衰されることなく、光電変換部２６に到達する。その結果、エバネセント光Ｌ２ａを十分に活用することが可能になる。つまり、金属膜である光変換部２７とピンニング領域３６とを直接に接触させている。この「直接」とは、光変換部２７とピンニング領域３６との間になんらの膜および層をも挟まない構成のほかに、エバネセント光Ｌ２ａの減衰を無視できる膜および層を挟む構成も含む。例えば、光変換部２７とピンニング領域３６との間に自然酸化膜が存在する場合は、実質的に光変換部２７とピンニング領域３６とが互いに直接に接触しているといえる。
エバネセント光Ｌ２ａは、シリコン中における強度の減衰が早い。換言すると、エバネセント光Ｌ２ａは、シリコンに吸収されやすい。従って、近赤外光を検出する場合に、光電変換のためのシリコンの厚みを大きくする必要はない。光電変換のためのシリコンの厚みとして、例えば１μｍが例示される。その結果、画素８を微細化したときに生じ得るクロストークの発生を抑制できる。また、クロストークを防止するためのトレンチの深さを浅くすることが可能になる。トレンチの形成が容易になると共にトレンチの幅を小さくすることができる。
さらには、ピンニング領域３６の入射側の表面には、正孔が蓄積されている。その結果、Ｓｉ／ＳｉＯ２の界面に多数存在するバンドギャップ準位に起因する暗電流の発生を抑制できる。
上述の構成を備える固体撮像装置１の内部量子効率は、ほぼ１００％である。内部量子効率とは、シリコンに入射した光子数を分母とし、信号電子数を分子とした比率である。内部量子効率は、センサ表面での反射率などの損失を除いたものである。固体撮像装置１は、ピンニング領域３６にいわゆるデッドレイヤ（dead layer）が実質的に形成されていないとみなせる。
要するに、実施形態の画素８は、光入力面２６ａから受けた被吸収光Ｌ２に応じた信号電圧を発生する光電変換部２６と、入射光Ｌ１を受けて光電変換部２６に出力される被吸収光Ｌ２を生じさせるように、光電変換部２６の光入力面２６ａに設けられた光変換部２７と、を備える。光電変換部２６は、第１のアクセプタ濃度（第１の不純物濃度）を有する第１の領域２９と、第１のアクセプタ濃度よりも大きい第２のアクセプタ濃度（第２の不純物濃度）を有する第２の領域３１と、を有する。第２の領域３１は、光入力面２６ａを含むと共に光変換部２７に直接に接触する。光変換部２７は、入射光Ｌ１を受けて、エバネセント光Ｌ２ａを含む被吸収光Ｌ２を発生する。
実施形態の固体撮像装置１は、二次元状に配置された複数の画素８および互いに隣接し合う画素８の間に設けられた隔離壁２２を有する画素部２と、画素部２の動作を制御する制御信号を発生する画素制御部３と、画素部２が発生する信号電圧を受ける信号処理部４と、を備える。画素８は、光入力面２６ａから受けた被吸収光Ｌ２に応じた信号電圧を発生する光電変換部２６と、入射光Ｌ１を受けて光電変換部２６に出力される被吸収光Ｌ２を生じさせるように、光電変換部２６の光入力面２６ａに設けられた光変換部２７と、を有する。光電変換部２６は、第１のアクセプタ濃度を有する第１の領域２９と、第１のアクセプタ濃度よりも大きい第２のアクセプタ濃度を有する第２の領域３１と、を有する。第２の領域３１は、光入力面２６ａを含むと共に光変換部２７に直接に接触する。光変換部２７は、入射光Ｌ１を受ける。光変換部２７は、エバネセント光Ｌ２ａを含む被吸収光Ｌ２を発生する。
この画素８の光変換部２７は、入射光Ｌ１を受ける。光変換部２７は、光電変換部２６に出力される被吸収光Ｌ２を発生する。光電変換部２６の光入力面２６ａは光変換部２７に直接に接している。したがって、被吸収光Ｌ２は減衰することなく光電変換部２６に入力される。そして、この被吸収光Ｌ２は、光電変換部２６において入射光Ｌ１よりも吸収されやすい。従って、受光感度を高めることができる。さらに、光電変換部２６は、光入力面２６ａを含む第２の領域３１を有している。したがって、第２の領域３１は第１の領域２９よりもアクセプタ濃度が大きい。この構成によれば、界面に生じる暗電流を抑制することができる。つまり、画素８によれば、受光感度を高めることができると共に暗電流を抑制することができる。したがって、画素８を用いることにより、良好な画像を得ることができる。
第２の領域３１の第２のアクセプタ濃度は、第１の領域２９に近づくに従って減少する。この構成によれば、第２の領域３１における被吸収光Ｌ２の吸収によって生じた少数キャリアを、第１の領域２９に速やかに移動させることが可能になる。その結果、少数キャリアが消滅することがないので、少数キャリアに起因する信号電圧を良好に捉えることができる。つまり、被吸収光Ｌ２から少数キャリアに起因する信号電圧への変換効率が高まる。したがって、受光感度をさらに高めることができる。
第２の領域３１は、ドーズ量を１×１０１４ｃｍ－２以上３×１０１５ｃｍ－２以下とするドーピングによって形成されている。さらに、第２の領域３１は、注入エネルギを０．２ｋｅＶ以上１ｋｅＶ以下とするドーピングによって形成されている。この構成によれば、第２の領域３１における結晶欠陥の発生を抑制することが可能である。従って、被吸収光Ｌ２に応じて発生した少数キャリアの寿命を長くすることができる。その結果、少数キャリアが消滅することがない。したがって、少数キャリアに起因する信号電圧を良好に捉えられる。つまり、被吸収光Ｌ２から少数キャリアに起因する信号電圧への変換効率が高まる。したがって、受光感度をさらに高めることができる。
隔離壁２２は、互いに隣接し合う画素８における光電変換部２６の間に設けられる。互いに隣接し合う一方の光変換部２７は、他方の光変換部２７から離間する。光変換部２７の辺部は、光電変換部２６の光入力面２６ａ上に形成されている。この構成によれば、ある画素８の光変換部２７で発生した被吸収光Ｌ２が隣接する別の画素８に到達することを抑制できる。従って、クロストークの発生を好適に抑制することができる。
本実施形態に係る画素８および固体撮像装置１は、上記実施形態に限定されない。
＜変形例１＞
図８および図９は、変形例１に係る固体撮像装置１Ａを説明するための図である。入射光Ｌ１が平行光でないときがあり得る。例えば、固体撮像装置１Ａにおいて、中央付近に配置された画素８に対する入射光Ｌ１の入射角θと、中心から離れた配置された画素８に対する入射光Ｌ１の入射角θと、は互いに異なることがある。つまり、入射光Ｌ１の主光線は、カメラレンズ９０の中心から固体撮像装置１Ａに向かって広がっている。例えば、固体撮像装置１Ａの中心付近では、入射角θは０度である。一方、固体撮像装置１Ａの周辺部では、入射角θは大きい。例えば、固体撮像装置１Ａを備えるカメラユニットの小型化に伴い、カメラレンズ９０と固体撮像装置１Ａとの間隔は狭くなる。この構成によれば、固体撮像装置１Ａの周辺部における入射角θがさらに大きくなる。
画素８に対する入射角θが異なると、光変換部２７に対する入射角θが異なる。光変換部２７は、入射光Ｌ１の波長に応じて、リッジ２７ａの周期が決まっている。そうすると、固体撮像装置１Ａの中央付近の画素８において、光変換部２７の周期は、入射光Ｌ１の波長に対応する。しかし、固体撮像装置１Ａの周辺の画素８において、光変換部２７の周期は、入射光Ｌ１の波長に対応しない場合が生じ得る。すなわち、入射角θが０度のとき周期をＬとした場合に、入射角θであるときの実質的な周期はＬ×ｃｏｓθである。この入射角θは、光入力面２６ａにおける法線方向Ａを基準とした角度である。
そこで、画素８の位置に応じて、光変換部２７の周期を互いに異ならせる。図９の（ａ）部は、固体撮像装置１Ａにおける受光面の中央付近に配置された画素８と入射光Ｌ１との関係および光変換部２７を拡大して示す図である。図９の（ｂ）部は、固体撮像装置１Ａにおける受光面の右端付近に配置された画素８と入射光Ｌ１との関係および光変換部２７を拡大して示す図である。画素８の位置が決まると入射光Ｌ１の入射角θが決まる。入射角θが決まると、光変換部２７の周期が決まる。具体的には、ある位置における画素８の光変換部２７の周期ＬＳは、下記式（６）によって得ることができる。式（６）において、Ｌは、入射角θがゼロであるときの光変換部２７の周期である。例えば、受光面の端に配置された画素８が備える光変換部２７の周期は、受光面の中央に配置された画素８が備える光変換部２７の周期より大きい。
ＬＳ＝Ｌ／ｃｏｓθ…（６）
さらに、固体撮像装置１Ａは、入射光Ｌ１の入射角θに対応するようにマイクロレンズ１７の位置を調整してもよい。この場合には、入射角θが大きい画素８における光量の減少が抑制される。
なお、固体撮像装置１Ａは、後述する変形例２の固体撮像装置１Ｂが備えている光変換部２７に所望の電位を印加する構成を備えてもよい。本技術は、図１５や図１６に示した固体撮像装置などに広く適用が可能である。
＜変形例２＞
図１０および図１１は、変形例２に係る固体撮像装置１Ｂを説明するための図である。ピンニング領域３６と光変換部２７Ｂとは電気的に直接接している。ピンニング領域３６と光変換部２７Ｂとの接触状態は、ピンニング領域３６の不純物濃度が高いためにオーム接触である。このため、光変換部２７Ｂの電位は、ピンニング領域３６の正孔が蓄積された領域との電位と同電位である。例えば、ピンニング領域３６の正孔が蓄積された領域の電位は、接地電位としてもよい。また、Ｐ型である光電変換部２６を完全に空乏化させ、かつ、電荷蓄積部３３ａへ向けて電界を強くする場合があり得る。この場合には、ピンニング領域３６の正孔が蓄積された領域の電位は、負電位とする。正孔を信号キャリアとする場合は正電位を印加する。
そこで、変形例２に係る固体撮像装置１Ｂは、光変換部２７Ｂに所望の電位を印加する構成を有する。図１０はセンサチップの周辺部を模式的に示す断面図である。変形例２に係る固体撮像装置１Ｂは、固体撮像装置１の構成に加えて、電圧印加部４０を備える。電圧印加部４０は、配線領域１３に設けられた配線１８Ｂと、基体部３２に設けられたアクセプタ濃度の大きいダイシング領域４１（導電部）と、基体部３２の端面に形成されたダイシング面２６ｂと、を含む。
アルミニウムパッドである配線１８Ｂの端部は、ダイシング領域４１に電気的に接続されている。配線１８Ｂは、基体部３２に設けられたＮ＋型領域４２を含むガードリング領域Ｓ４に隣接する。ダイシング領域４１はＰ＋型である。ダイシング領域４１の一端は、ダイシング面２６ｂの一部を構成する。ダイシング領域４１は、例えば、イオン注入によってボロンがドープされた領域である。その結果、ダイシング領域４１の電気抵抗は、小さい。
ダイシング面２６ｂは、センサチップの端面である。センサチップとは、支持基板１１と、画素部２などが形成されたセンサ基板１２と、が互いに張り合わされた素子である。固体撮像装置１Ｂは、シリコンウェハ上に複数形成され、ダイシングによって個片化される。ダイシング面２６ｂは、このダイシングによって形成される面である。つまり、ダイシング面２６ｂは、シリコンウェハから固体撮像装置１Ｂを切り出したときに生じる切断面である。ダイシングによって、ダイシング面２６ｂには、複数の欠陥が発生する。この欠陥は、電気伝導を助ける。つまり、ダイシング面２６ｂは、電気伝導性を有する。ダイシング面２６ｂは、少なくともダイシング領域４１と、基体部３２と、基体部３２に含まれるピンニング領域３６と、を含む。なお、ダイシング面２６ｂは、光変換部２７Ｂを含んでもよい。この構成によれば、ダイシング領域４１がピンニング領域３６にダイシング面２６ｂを介して電気的に接続される。つまり、ピンニング領域３６に負の電位を与えることができる。そして、ピンニング領域３６は、光変換部２７Ｂに対してオーミック接触を構成する。そのため、負の電位は、ダイシング領域４１、ダイシング面２６ｂおよびピンニング領域３６を介して、光変換部２７Ｂにも印加される。
そこで、図１１に示すように、光変換部２７Ｂは、リッジ２７ｂが互いに電気的に接続された構成を有することが好ましい。さらに、互いに隣接する画素８が備える光変換部２７Ｂ同士を電気的に接続してもよい。例えば、固体撮像装置１Ｂは、互いに隣接する光変換部２７Ｂを電気的に接続するブリッジ４５を有する。ブリッジ４５は、２個の光変換部２７Ｂを接続するものでもよい。ブリッジ４５は、２個以上の光変換部２７Ｂを接続するものでもよい。この結果、隔離壁２２がある場合にも、ピンニング領域３６と光変換部２７Ｂとが画素８間で電気的に接続される。つまり、すべての画素８のピンニング領域３６および光変換部２７Ｂに負電位が供給される。
なお、金属膜である光変換部２７Ｂを形成する直前の自然酸化膜を除去する工程は、工程を短縮するために省略することがあり得る。また、自然酸化膜の膜厚が厚かった場合、例えば１ｎｍ程度残った場合、光変換部２７Ｂは電気的に浮遊になる可能性がある。しかし、光変換部２７Ｂが電気的に浮遊であることによる問題は生じない。自然酸化膜では、エバネセント光Ｌ２ａの損失が僅かながら存在する。しかし、自然酸化膜に起因するエバネセント光Ｌ２ａの損失は、無視してもよい。
要するに、変形例２の固体撮像装置は、二次元状に配置された複数の画素、および、互いに隣接し合う前記画素の間に設けられた隔離壁を有する画素部と、前記画素部の動作を制御する制御信号を発生する画素制御部と、前記画素部が発生する信号電圧を受ける信号処理部と、を備える。前記画素は、光入力面から受けた被吸収光に応じた信号電圧を発生する光電変換部と、入射光を受けて前記被吸収光を生じさせるように、前記光電変換部の前記光入力面に設けられた光変換部と、を有する。前記光電変換部は、前記光入力面を含むと共に前記光変換部に直接に接触する。前記光変換部は、前記入射光を受けて、エバネセント光を含む前記被吸収光を発生する。前記光変換部は、信号キャリアが電子の場合負の電位を、信号キャリアが正孔の場合負の電位を受ける。
つまり、光変換部２７Ｂは、負の電位を受ける。この構成によれば、光電変換部２６の完全空乏化を助ける。さらに、この構成によれば、電荷蓄積部３３ａへ向かう電界が大きくなる。その結果、信号キャリアが再結合することなく、すみやかに電荷蓄積部３３ａへドリフト移動する。したがって、感度が向上するとともに、反応速度が高まる。
また、互いに隣接し合う一方の光変換部２７Ｂは、ブリッジ４５によって他方の光変換部２７Ｂに対して電気的に接続される。この構成によれば、暗電流を抑制可能な構成を簡易な工程によって得ることができる。
＜参考技術＞
近年、近赤外光を対象とするフォトダイオードおよびＣＭＯＳイメージセンサの開発が進められている。例えば、監視用途に用いるイメージセンサは、可視光および近赤外光の両方を検出対象とする。その結果、イメージセンサの感度が向上する。近赤外光は、人間の眼が検知できない。従って、可視光および近赤外光を検出対象とするイメージセンサは、病室の監視、Time of Flight（いわゆる「TOF」）を用いたジェスチャ入力、距離計測などに利用される。
図１２は、シリコンの吸収係数と波長との関係を示すグラフである。グラフＧ１２ａに示されるように、シリコンの吸収係数は、可視光の帯域Ｇ１２ｂ（３６０ｎｍから８３０ｎｍ）から近赤外光の帯域Ｇ１２ｃ（８３０ｎｍ以上）に向けて、急激に小さくなる。その結果、近赤外光を十分に吸収するためには、シリコンの厚みを大きくする必要がある。
近赤外光は、シリコンに入射したときにシリコンの内部で減衰する。図１３は、入射深さと近赤外光の強度との関係を示すグラフである。図１３によれば、シリコンの内部で生じる光吸収による近赤外光の各波長ごとの光強度の減衰の程度がわかる。図１３の横軸は、シリコンの内部における深さである。縦軸は、光強度である。図１３において、グラフＧ１３ａは、波長が８００ｎｍであるときの光強度の減衰を示す。グラフＧ１３ｂは、波長が８５０ｎｍであるときの光強度の減衰を示す。グラフＧ１３ｃは、波長が９００ｎｍであるときの光強度の減衰を示す。グラフＧ１３ｄは、波長が９５０ｎｍであるときの光強度の減衰を示す。グラフＧ１３ｅは、波長が１０００ｎｍであるときの光強度の減衰を示す。グラフＧ１３ｆは、波長が１０５０ｎｍであるときの光強度の減衰を示す。
例えば、グラフＧ１３ｂは、ジェスチャ入力装置に利用される光であり、その波長が８５０ｎｍであるときの減衰の様子を示す。グラフＧ１３ｂを参照すると、入射光Ｌ１の１／２がシリコンに吸収されるためには、１２μｍのシリコン層が必要である。また、グラフＧ１３ｄは、車載用装置に利用される光であり、その波長が９５０ｎｍであるときの減衰の様子を示す。グラフＧ１３ｄを参照すると、入射光Ｌ１の１／２がシリコンに吸収されるためには、２４μｍのシリコン層が必要である。入射光Ｌ１をさらに吸収させる場合には、シリコン層の厚みをさらに増す必要がある。そうすると、１２μｍおよび２４μｍといったシリコン層の厚み、およびこれらよりもさらに大きいシリコン層の厚みは、可視光用のイメージセンサのセンサ厚が３μｍ程度であることを考えると大きいと言える。同様に、このようなシリコン層の厚みは、監視用途イメージセンサの画素サイズが３μｍ程度であることを考えても大きいと言える。
フォトダイオードには、ＰＮ接合型のダイオードが主に用いられる。フォトダイオードは、逆バイアス状態で光電変換させる。逆バイアス状態では、空乏層は、ＰＮ接合面からＮ型領域およびＰ型領域に延びる。空乏層には、電界が形成されている。この電界によれば、光吸収で発生した電子正孔対のうち、電子はＮ型領域へ移動する。そして、正孔はＰ型領域へ移動する。ＣＭＯＳイメージセンサでは電子が信号として用いられることが一般的である。近赤外光の領域では、光電変換のための厚いセンサの層を空乏化させることが必要となる。このために、可視光領域とは異なる画素構造およびプロセスが必要になる。また、空乏化した厚いセンサ層は、斜めに入射する光および信号電子の拡散に起因して、クロストークノイズが発生する。
これらの課題を解決するために、いくつかの技術が提案されている。
例えば、非特許文献１は、入射面の表面に設けたピラミッド型の凹凸構造によってほぼ垂直に入射してきた光を屈曲させる技術を開示する。画素内を光線が屈曲することによって、シリコンの厚みを実質的に増加させている。また、画素の間には、ディープトレンチアイソレーション(Deep Trench Isolation :DTI)が形成されている。このＤＴＩは、鏡の役割を果たす。上記の構造によれば、８５０ｎｍ以上９５０ｎｍ以下の波長領域において、量子効率が２倍程度に改善されると報告されている。しかし、量子効率の改善度合いは、２倍程度に留まってしまう。また、ピラミッド型の構造を作成するプロセスおよびＤＴＩを作成するプロセスが必要である。
参考文献１は、別の技術を開示する。参考文献１は、近赤外光の感度を向上させるためにプラズモンを利用する技術を開示する。
＜参考文献１＞特開２０１１－１８７８５７号公報。
参考文献１に開示された固体撮像装置は、おおむね図１５に示す構造を有する。固体撮像装置１００は、配線領域１０１と、フォトダイオードピンニング層１０２と、Ｎ型蓄積層１０３と、基体部１０４と、絶縁膜１０５と、負電荷保持領域１０６と、微細金属構造層１０７と、を有する。Ｎ型蓄積層１０３は、フォトダイオードピンニング層１０２およびＰ型の基体部１０４と協働して、ＰＮ接合のフォトダイオードＰＤを構成する。微細金属構造層１０７は、プラズモンを発生させる。微細金属構造層１０７は、フォトダイオードＰＤの上に形成されている。光入力面１０４ａには、絶縁膜１０５が設けられている。絶縁膜１０５として、例えば、シリコン酸化膜が挙げられる。絶縁膜１０５の膜厚は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下程度である。絶縁膜１０５の上には、負電荷保持領域１０６が形成されている。負電荷保持領域１０６として、原子層堆積法（Atomic Layer Deposition：ALD）で形成された膜厚が１１ｎｍである酸化ハフニウム膜が挙げられる。さらに、負電荷保持領域１０６として、物理蒸着法（Physical Vapor Deposition :PVD）で形成された膜厚が５０ｎｍである酸化ハフニウム膜が挙げられる。このような負電荷保持領域１０６の上には、微細金属構造層１０７が設けられている。さらにその上には、カラーフィルタとマイクロレンズが形成されている。
負電荷保持領域１０６に対応して、基体部１０４の入射側の表面近傍には正孔が蓄積される。この正孔は、基体部１０４の入射側の表面に存在する界面準位から発生する暗電流を抑制する。微細金属構造層１０７は、アルミニウム、銀、金、銅、または窒化チタンを含む金属窒化物等により形成される。微細金属構造層１０７の厚みは、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。微細金属構造層１０７は、メッシュ状の周期的な構造またはストライプ状の周期的な構造を呈する。このような微細金属構造層１０７に光が入射すると、金属構造のエッジ部分に強い電界が発生する。この強い電界により、指数関数的に減衰するエバネセント光と伝搬光とが発生する。エバネセント光は、深さ１μｍに到達するまでにほぼすべて吸収される。その結果、基体部１０４とＮ型蓄積層１０３を合わせた受光層の厚みを縮小することができる。
しかし、参考文献１の固体撮像装置１００は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下である絶縁膜１０５を含む。また、負電荷保持領域１０６として酸化ハフニウムを採用する場合には、負電荷保持領域１０６の膜厚は、５０ｎｍ以上になる。絶縁膜１０５および負電荷保持領域１０６は、エバネセント光を減衰させてしまう。発生したエバネセント光の８０％は、絶縁膜１０５および負電荷保持領域１０６の減衰によって失われる。従って、受光層である基体部１０４の厚みを縮小する効果は、限定的である。さらには、負電荷保持領域１０６の形成には、高価で成膜速度が遅い原子層堆積法を用いる必要があった。
図１６は、プラズモンを利用する別の固体撮像装置２００の例示である。固体撮像装置２００は、配線領域２０１と、フォトダイオードピンニング層２０２と、Ｎ型蓄積層２０３と、基体部２０４と、絶縁膜２０５と、微細金属構造層２０７と、を有する。つまり、固体撮像装置２００は、固体撮像装置１００から負電荷保持領域１０６を省略したものである。固体撮像装置２００の光入力面２０４ａには、絶縁膜２０５が形成されている。絶縁膜２０５の膜厚は、２ｎｍである。絶縁膜２０５は、シリコン酸化膜およびハフニウム酸化膜からなる。絶縁膜２０５の上には、微細金属構造層２０７が設けられている。微細金属構造層２０７は、アルミニウム、銀、金、銅および窒化チタンを含む金属窒化物などにより形成されている。微細金属構造層２０７の厚みは、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。微細金属構造層２０７は、メッシュ状の周期的な構造またはストライプ状の周期的な構造を呈する。
この微細金属構造層２０７には、－２Ｖ以上－１０Ｖ以下の負の電圧が印加される。微細金属構造層２０７、絶縁膜２０５およびＰ型の基体部２０４は、ＭＯＳ構造を構成する。そうすると、微細金属構造層２０７に負の電圧を印加した場合には、基体部２０４における絶縁膜２０５の近傍の領域に正孔が蓄積される。この正孔は、基体部２０４の光入力面２０４ａに存在する界面準位から発生する暗電流を抑制する。このような微細金属構造層２０７に光が入射すると、微細金属構造層２０７のエッジ部分に強い電界が発生する。この強い電界により、指数関数的に減衰するエバネセント光と伝搬光とが発生する。エバネセント光は、深さ１μｍに到達するまでにほぼすべて吸収される。その結果、基体部２０４とＮ型蓄積層２０３を合わせた受光層の厚みを縮小することができる。
しかし、膜厚が２ｎｍである絶縁膜１０５によって、エバネセント光は、減衰してしまう。
上述した参考例の固体撮像装置１００、２００は、エバネセント光を発生させる領域と、当該エバネセント光を吸収する領域との間に、絶縁膜１０５、２０５が設けられていた。この絶縁膜１０５、２０５によって、エバネセント光が減衰されるので、受光感度の向上が妨げられる。その結果、近赤外光を好適に捉えることが難しかった。
さらに、参考例に係るイメージセンサを対象に、感度の改善の程度について考察する。図１５および図１６に示すような参考例の裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサは、シリコンにより構成される基体部１０４、２０４を有する。基体部１０４、２０４の厚みは、３μｍ程度である。図１２のグラフＧ１２ａを参照すると、波長が９５０ｎｍである場合に、基体部１０４、２０４の深さが３μｍの位置において、光強度は９１％に減衰する。換言すると、基体部１０４、２０４は、９％の光を吸収する。波長が８５０ｎｍである場合に、基体部１０４、２０４の深さが３μｍの位置において、光強度は７６％に減衰する。換言すると、基体部１０４、２０４は、２４％の光を吸収する。吸収されなかった光は、基体部１０４、２０４を通過する。固体撮像装置１００、２００の裏面である光入力面１０４ａ、２０４ａには、マイクロレンズおよび反射防止膜などが形成されている。反射防止膜によれば、入射光Ｌ１の反射が抑制されている。
例えば、光入力面における反射率が０％と仮定する。さらに、シリコンの内部で吸収された光によって生成された電子の１００％が信号として活用されると仮定する。換言すると、内部量子効率が外部量子効率と同じであると仮定する。これらの仮定は、感度を高めに見積もることになる。これらの仮定に基づけば、量子効率（信号電子数／入射した光子数）は、光の波長が９５０ｎｍである場合には、９％である。また、光の波長が８５０ｎｍである場合には、２４％である。
また、非特許文献１に開示された技術は、入射光を散乱させてシリコン厚を実質的に厚くさせるものである。この技術によれば、非特許文献１の図９および第４頁右欄下方に記載があるとおり、量子効率は波長９５０ｎｍの場合１６％であり、８５０ｎｍの場合３３％に改善されている。非特許文献１の図９および５４ページ右蘭下方の段落に記載のように、入射光Ｌ１の波長が９５０ｎｍである場合の量子効率は１６％である。また、入射光Ｌ１の波長が８５０ｎｍである場合の量子効率は３３％である。
さらに、参考文献１、２に記載された技術を用いたイメージセンサの量子効率を検討する。また、固体撮像装置の諸元は、以下のとおりに仮定する。
＜参考文献１＞特開２０１１－１８７８５７号公報。
＜参考文献２＞特開２００８－３０６１５４号公報。
シリコンの膜厚：３μｍ。
複合膜の合計膜厚：５４ｎｍ（シリコン酸化膜（１ｎｍ）、ＡＬＤで形成した酸化ハフニウム膜（３ｎｍ）、ＰＶＤ（スパッタ）で形成された酸化ハフニウム膜（５０ｎｍ））
エバネセント光Ｌ２ａの強度が１／ｅに減衰する深さ：４５ｎｍ（波長９５０ｎｍ）、３６ｎｍ（波長８５０ｎｍ）。
また、エバネセント光は、酸化ハフニウム膜とシリコン酸化膜とで減衰する。さらに、シリコン膜に到達するエバネセント光の比率は、入射光の波長が９５０ｎｍの場合には２３％である。また、入射光の波長が８５０ｎｍの場合には３０％である。そして、シリコンの膜厚が３μｍである。エバネセント光は、シリコンにおいてすべて吸収されるとする。入射面における反射は、無視すると仮定する。
上記の諸元および仮定によれば、入射光の波長が９５０ｎｍである場合のエバネセント光に基づく量子効率は、２３％である。また、入射光Ｌ１の波長が８５０ｎｍである場合のエバネセント光に基づく量子効率は、３０％である。遠方場の光は、酸化膜および酸化ハフニウムでは吸収されない。その結果、遠方場の光は、シリコン膜に到達する。そして、遠方場の光は、厚さが３μｍであるシリコン膜に一部吸収される。この構成において、入射光の波長が９５０ｎｍの場合の遠方場の量子効率は９％である。また、入射光の波長が８５０ｎｍの場合の遠方場の量子効率は２４％である。エバネセント光と遠方場の光の強度比率は３．５：１である。この比率に基づいて固体撮像装置１００、２００の量子効率を総合的に評価すると、入射光の波長が９５０ｎｍの場合の総合量子効率は２０％である。入射光の波長が８５０ｎｍの場合の総合量子効率は２９％である。
一方、本実施形態の固体撮像装置１は、エバネセント光Ｌ２ａを減衰させる絶縁膜を有しない。エバネセント光Ｌ２ａに基づく量子効率を検討する。入射光Ｌ１の波長が９５０ｎｍである場合に発生するエバネセント光Ｌ２ａの量子効率は１００％である。また、入射光Ｌ１の波長が８５０ｎｍである場合に発生するエバネセント光Ｌ２ａの量子効率も１００％である。さらに、遠方場の光に基づく量子効率を検討する。入射光Ｌ１の波長が９５０ｎｍである場合に発生する遠方場の光の量子効率は９％である。また、入射光Ｌ１の波長が８５０ｎｍである場合に発生する遠方場の光の量子効率は２４％である。また、エバネセント光Ｌ２ａと遠方場の光Ｌ１ａの強度比率は３．５：１である。この比率に基づいて、固体撮像装置１の量子効率を総合的に評価すると、入射光Ｌ１の波長が９５０ｎｍである場合の総合量子効率は８０％である。また、入射光Ｌ１の波長が８５０ｎｍである場合の総合量子効率は８３％である。従って、非特許文献１～４などに記載された技術を採用する固体撮像装置と比べると、量子効率が大幅に改善される。
参考文献３は、シリコンに対して直接に設けられた金属膜を有するイメージセンサを開示する。参考文献３が開示する技術は、ショットキバリア型赤外線ＣＣＤイメージセンサである。
＜参考文献３＞木股雅章、上野宗孝、「ＰｔＳｉショットキバリア赤外線イメージセンサ」、日本赤外線学会誌、第１４巻、第２号、ｐｐ．１７－２１、日本赤外線学会、２００５年。
参考文献３のＦｉｇ．２（ｂ）には、ショットキバリア型赤外線ＣＣＤイメージセンサの画素の断面図が示されている。以下、ショットキバリア型赤外線ＣＣＤイメージセンサを単に「ＳＢＩＲＣＣＤ」と呼ぶ。ＳＢＩＲＣＣＤは、ショットキバリアを利用した検出部と、トランスファゲートおよびＣＣＤにより構成される読み出し部と、を有する。
検出部は、ショットキバリアを有する。ショットキバリアは、Ｐ型の基板と、白金シリサイド（ＰｔＳｉ）からなる膜と、を有する。白金シリサイドの膜厚は、５ｎｍ程度である。ショットキバリアの障壁高さは０．２ｅＶである。ショットキバリアの障壁高さが小さい。したがって、検出部は、室温ではオーミックの特性を示す。すなわち、暗電流が大きい。
そこで、暗電流を低減するために、液体窒素を用いてＳＢＩＲＣＣＤを冷却する。具体的には、ＳＢＩＲＣＣＤを－１９６℃程度にまで冷却する。その結果、暗電流が低減するので、ショットキ特性が確認できる。
ＳＢＩＲＣＣＤは、裏面側から光を受ける。ＳＢＩＲＣＣＤが受ける光は、波長が３μｍ以上５μｍ以下の中間赤外光である。中間赤外光のエネルギは、シリコンのバンドギャップ１．１ｅＶより小さい。従って、中間赤外光は、シリコンでは吸収されない。中間赤外光の一部は、白金シリサイド膜において吸収される。その結果、白金シリサイド膜が奏する光電効果により、エネルギの高い電子および正孔が発生する。０．２ｅＶ以上のエネルギを持つ正孔は、ショットキバリアを越えてシリコンに注入される。つまり、正孔は信号となる。
参考文献３のＦｉｇ．１には、ポテンシャル図が示されている。ショットキバリア型のイメージセンサは、ショットキバリア接合を実現するために、ピンニング領域を設けることができない。つまり、ピンニング領域を利用した暗電流の低減を行うことができない。白金シリサイド膜は、赤外光の入射側とは反対側のシリコン表面に形成されている。白金シリサイド膜とＰ型のシリコンからなる基板との間には、逆バイアス電圧が印加されている。また、ＳＢＩＲＣＣＤは、光変換層に対応する構成を有しない。つまり、ＳＢＩＲＣＣＤは、プラズモン効果を利用できない。
＜第２実施形態＞
図１７は、上記実施形態（以下「第１実施形態」と称する。）の光変換部２７及び光電変換部２６の主要部を拡大して示す。第１実施形態の光変換部２７は、複数のリッジ２７ａを含んでいる。当該リッジ２７ａは、光入力面２６ａに接するように設けられていた。つまり、リッジ２７ａのリッジ底面２７ａ１は、光入力面２６ａに直接に接する。換言すると、リッジ底面２７ａ１は、ピンニング領域３６の表面に直接に接する。このような光変換部２７の構成では、光変換部２７において生じたエバネセント光は、リッジ底面２７ａ１を挟むエッジ２７ａ２に発生する。そして、エバネセント光は、エッジ２７ａ２の近傍に位置するピンニング領域３６に直接に入射する。つまり、光変換部２７は光電変換部２６に対して絶縁層といった層を介することなく直接に接している。その結果、光変換部２７から光電変換部２６へ至るまでのエバネセント光の減衰が抑制される。従って、受光感度を高めることができる。
画素８に入射光Ｌ１が入射する場合を想定する。入射光Ｌ１の入射方向は、複数のリッジ２７ａが互いに離間する方向と直交する。入射光Ｌ１は電磁波である。したがって、入射光Ｌ１は電場Ｅ１を生じさせる。この電場Ｅ１の向きは、入射光Ｌ１の進む方向に対して直交する。つまり、電場Ｅ１の向きは、複数のリッジ２７ａが互いに離間する方向と一致する。そうすると、金属であるリッジ２７ａの内部では、電場Ｅ１によって自由電子の偏りが生じる。より詳細には、自由電子は、リッジ側面２７ａ３に集まる。その結果、リッジ２７ａの周囲には、一方のリッジ側面２７ａ３から他方のリッジ側面２７ａ３に向かう強い電場Ｅ２が発生する。
表面プラズモンは、いわゆる電場増強効果を有している。この電場増強効果は、電場Ｅ２の振動方向に強く依存する。つまり、電場Ｅ２の振動方向に並ぶリッジ側面２７ａ３の近傍には、強い電場Ｅ２が生じている。その結果、表面プラズモンは、この電場Ｅ２によって増強される。つまり、表面プラズモンが生じる領域に重複する電場Ｅ２は、表面プラズモンを増強する。このような電場Ｅ２の一部を増強電場Ｅ２ａと称する。図１７に示す第１実施形態の画素８では、表面プラズモンが生じる位置はエッジ２７ａ２の近傍である。そうすると、増強電場Ｅ２ａは、エッジ２７ａ２の近傍に生じる。
発明者らは、表面プラズモンが生じる位置、電場Ｅ２が生じる位置、及びエバネセント光を吸収させるピンニング領域３６の位置の関係に注目した。表面プラズモンが増強される領域に重複するようにシリコン感度層（ピンニング領域３６を含む）を配置すれば、増強された表面プラズモンによるエバネセント光を効率よく吸収できる。つまり、表面プラズモンが生じる位置と電場Ｅ２が生じる位置との関係を電場増強効果がより好適に得られるような位置関係とした。さらに、増強された表面プラズモンによるエバネセント光を効率よく吸収させる位置にピンニング領域３６を配置した。
以下、図１８を参照しながら第２実施形態の固体撮像装置１Ｃの画素８Ｃが有する光変換部２７Ｃおよび光電変換部２６Ｃの構造について詳細に説明する。なお、第２実施形態の固体撮像装置１Ｃの画素８Ｃが有するその他の構成は、第１実施形態の固体撮像装置１の画素８と同じである。したがって、それらについての詳細な説明は省略する。
図１８は、第２実施形態の固体撮像装置１Ｃの画素８Ｃの主要部を拡大して示す。図１８に示すように、固体撮像装置１Ｃの画素８Ｃは、光変換部２７Ｃと光電変換部２６Ｃとを備えている。そして、第１実施形態の固体撮像装置１の画素８と同様に、光変換部２７Ｃは光電変換部２６Ｃに対して直接に接している。一方、第２実施形態の光変換部２７Ｃは、光電変換部２６Ｃに埋め込まれている。
より詳細には、光電変換部２６Ｃは、溝５１（凹部）を含む。溝５１は、光電変換部２６Ｃを構成する基板において、入射光Ｌ１を受ける主面５０ａに設けられている。溝５１は、主面５０ａに開口している。溝５１は、一対の溝壁面５２と、溝底面５３と、に囲まれている。そして、主面５０ａ、溝壁面５２及び溝底面５３から所定の深さまでは、不純物濃度が高いピンニング領域３６（第２の領域）が形成されている。従って、溝５１は、ピンニング領域３６の表面である溝壁面５２と溝底面５３とに囲まれている。
この溝５１には、金属ナノ構造である金属層６１（金属部）が形成されている。複数の金属層６１は、光変換部２７Ｃを構成する。つまり、金属層６１は、リッジ２７ａに相当する。金属層６１の側面６２は、溝壁面５２に接する。金属層６１の底面６３は、溝底面５３に接する。金属層６１の上面６４は、主面５０ａと面一である。つまり、金属層６１は、上面６４を除き、３つの面が囲まれている。
ひとつの溝５１の内部にひとつの金属層６１が設けられるので、ある溝５１と当該溝５１に隣接する別の溝５１との間隔は、金属層６１の間隔と一致する。溝５１の間隔は、例えば、ピンニング領域３６の厚さよりも大きい。そうすると、入射方向と直交する方向に沿って、金属層６１と光電変換部２６Ｃとが交互に配置されているといえる。また、入射方向と直交する方向に沿って、金属層６１がピンニング領域３６に挟まれているともいえる。
このような構成によれば、光変換部２７Ｃは、金属層６１の側面６２からエバネセント光が発生する。この側面６２の近傍には、電場Ｅ２が生じている。従って、表面プラズモンによってエバネセント光が生じる領域と、当該表面プラズモンを増強する増強電場Ｅ２ａとが重複する。その結果、増強された表面プラズモンに応じたエバネセント光が発生する。そして、エバネセント光は、側面６２に接するピンニング領域３６に入射する。第２実施形態においては、光電変換部２６Ｃの光入力面とは、溝５１の溝壁面５２である。
＜作用効果＞
要するに、第２実施形態の固体撮像装置１Ｃが備える画素８Ｃの光変換部２７Ｃは、入射光Ｌ１を受ける受光面である上面６４を含むと共に、上面６４が光電変換部２６Ｃから露出するように光電変換部２６Ｃに埋め込まれている。この構成によれば、光変換部２７Ｃの底面６３は光電変換部２６Ｃと接触する。さらに、光変換部２７Ｃの側面６２も光電変換部２６Ｃと接触する。そして、側面６２の近傍では、増強電場Ｅ２ａによって表面プラズモンが増強される。従って、増強電場Ｅ２ａによって増強されたエバネセント光をさらに効率よく吸収することが可能になる。その結果、光電変換効率がさらに高まる。したがって、さらに良好な画像を得ることができる。
なお、図１８等において示す第２実施形態では、光変換部２７Ｃは、ストライプ形状の金属層６１によって構成されるものとして説明した。しかし、光変換部２７Ｃを構成する金属ナノ構造は、ストライプ形状の金属層６１に限定されない。例えば、光変換部２７は、格子状に配置された複数の直方体又は立方体である金属層により構成されてもよい。光変換部２７は、格子状に配置された複数の円柱である金属層により構成されてもよい。つまり、入射光Ｌ１に起因する表面プラズモンによってエバネセント光を発生可能な種々の金属ナノ構造を適宜採用してよい。
＜固体撮像装置の製造方法＞
次に、図１９及び図２０を参照しながら、第２実施形態の固体撮像装置１Ｃを製造する方法について説明する。
図１９（ａ）に示すように、基板５０を準備する（工程ＳＴ１）。この工程ＳＴ１は、電荷蓄積部３３ａ、フォトダイオードピンニング層３３ｂ、トランジスタ、および配線１８を形成する工程を含んでよい。また、工程ＳＴ１は、センサ基板１２を支持基板１１に接合する工程を含んでもよい。工程ＳＴ１は、センサ基板１２の厚みを調整する工程を含んでもよい。
次に、図１９（ｂ）に示すように、溝５１を形成する（工程ＳＴ２：第１工程）。溝５１の形成には、例えば、エッチング法を用いてよい。
次に、図１９（ｃ）に示すように、ピンニング領域３６を形成する（工程ＳＴ３：第２工程）。ピンニング領域３６の形成には、例えば、イオン注入法を用いてよい。イオン注入エネルギおよびイオン注入量といった具体的な条件は、第１実施形態の固体撮像装置１を製造する方法と同等としてよい。この工程ＳＴ３において不純物イオンの注入方向は、互いに異なる複数の方向（矢印Ｂ１、Ｂ２）を含む。例えば、主面５０ａ及び溝底面５３を含むピンニング領域３６を形成する場合には、不純物イオンの注入方向を、主面５０ａの法線方向に設定する（矢印Ｂ１参照）。また、溝５１の溝壁面５２を含むピンニング領域３６を形成する場合には、不純物イオンの注入方向を、主面５０ａの法線に対して傾いた斜め方向に設定する（矢印Ｂ２参照）。イオン注入処理が完了したのちに、レーザアニールを行う。このレーザアニールによって、イオン注入されたボロンが活性化する。このレーザアニールの具体的な条件も、第１実施形態の固体撮像装置１を製造する方法と同等としてよい。
次に、金属層６１を形成する（工程ＳＴ４、ＳＴ５：第３工程）。まず、図２０（ａ）に示すように金属層６１となる中間形成層６６を形成する（工程ＳＴ４）。中間形成層６６の成膜には、メッキ、蒸着及びスパッタといった方法を用いてよい。次に、図２０（ｂ）に示すように、溝５１の外部に形成された中間形成層６６の一部を除去する（工程ＳＴ５）。この除去には、ケミカル・メカニカル・ポリシング（chemical mechanical polishing: CMP）を用いてよい。その結果、中間形成層６６のうち溝５１の部分のみが残り、当該部分が金属層６１となる。
以上の工程ＳＴ１～ＳＴ５によって、固体撮像装置１Ｃが得られる。
＜第３実施形態＞
発明者らは、さらに別の側面から、固体撮像装置が備える画素部の光吸収効率を高める構造を見出した。
上述したように、金属層６１の側面６２からエバネセント光が放出されるならば、金属層６１の数を増やすほど、エバネセント光もより多く放出されるように思われる。しかし、金属層６１の数を増やすことは、金属層６１の間隔（周期）に影響を及ぼす。金属層６１の周期は、入射光Ｌ１の波長と表面プラズモンの共鳴条件とに応じて決まる。そうすると、金属層６１の数を増やして金属層６１の周期が変わってしまうと、表面プラズモンの共鳴条件を満たさなくなる場合があり得る。
一方、入射光Ｌ１の見かけの波長である実効的な波長は、入射光Ｌ１が通る媒体の屈折率の影響を受ける。いま、媒体の屈折率をｎとし、入射光Ｌ１の波長をλとすれば、媒質中における入射光Ｌ１の実効的な波長は、λ／ｎである。そして、入射光Ｌ１の波長と金属層６１の周期とは共鳴条件を満たす。つまり、媒質中における入射光Ｌ１の実効的な波長（λ／ｎ）と、媒質に覆われた金属層６１の周期（ｐ）とが共鳴条件を満たせばよい。そうすると、金属層６１の周期（ｐ）と入射光Ｌ１の波長（λ）とを所定の値に設定した場合には、実効的な波長（λ／ｎ）と金属層６１の周期（ｐ）とが共鳴条件を満たすように、媒質の屈折率（ｎ）を設定すればよい。つまり、金属層６１の周囲における入射光Ｌ１の媒質の屈折率（ｎ）を調整することにより、表面プラズモンの共鳴条件を満たすと共に金属層６１の周期（ｐ）を狭くして光吸収量を増やすことができる。
そこで、図２１に示すように、第３実施形態の固体撮像装置１Ｄの画素８Ｄは、光変換部２７Ｃを覆う高誘電体膜７１（被覆部）を有する。この高誘電体膜７１は、上述した工程ＳＴ５の後に第４工程（ＳＴ６）として成形してもよい。屈折率は、材料の誘電率と関係を有する。屈折率の大きい材料は、誘電率も高い。つまり、高誘電体膜７１の屈折率は、空気の屈折率よりも大きい。高誘電体膜７１の材料として、例えば、酸化アルミニウム（ＡｌＯ３：１０）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ：１９）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２：１２）、酸化タンタル（ＴａＯ５：２２）などが挙げられる。なお、かっこの内部に記載した数値は、各材料におけるおおよその比誘電率である。また、酸化シリコン（ＳｉＯ２：３．９）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、アクリル系の有機物などの材料も高誘電体膜７１の材料として採用することができる。つまり、高誘電体膜７１の材料は、真空や空気よりも誘電率が高いものを採用してよい。
＜第３実施形態の変形例＞
上記の作用効果を得るにあたっては、光変換部２７Ｃを埋める高誘電体膜７１の屈折率と空気又は真空の屈折率との関係が重要である。一方、上記の作用効果を得るにあたっては、高誘電体膜７１の屈折率と、光電変換部２６（ピンニング領域３６）の屈折率と、の関係については、特に制限はない。例えば、高誘電体膜７１の屈折率は、光電変換部２６の屈折率よりも大きい場合もあり得るし、小さい場合もあり得る。そして、高誘電体膜７１の屈折率は、光電変換部２６の屈折率と等しい場合もあり得る。高誘電体膜７１の屈折率が光電変換部２６の屈折率と等しい場合には、例えば、図２２（ａ）に示すような構造を有する固体撮像装置１Ｅの画素８Ｅにおいてさらに有効な効果を奏する。
図２２（ａ）に示すように、固体撮像装置１Ｅの画素８Ｅは、第１実施形態の光変換部２７及び光電変換部２６と同様の構造を有する。さらに、固体撮像装置１Ｅの画素８Ｅは、光変換部２７を埋め込む高誘電体膜７１Ｅを有する。高誘電体膜７１Ｅは、互いに隣接するリッジ２７ａの間を埋め込んでいる。さらに、高誘電体膜７１は、リッジ上面２７ａ４も覆っている。このような高誘電体膜７１Ｅの厚さは、金属層６１の高さよりも厚い。従って、高誘電体膜７１Ｅは、平坦な受光面７１Ｅａを有する。
上述したように、屈折率（ｎ）は、入射光Ｌ１の実効的な波長（λ／ｎ）に影響する。リッジ上面２７ａ４の近傍における材料の屈折率と、リッジ底面２７ａ１の近傍における材料の屈折率とに差異がある場合を仮定する。この仮定の下では、リッジ上面２７ａ４の近傍では共鳴条件を満たす。しかし、リッジ底面２７ａ１の近傍では材料の屈折率の差異に起因して実効的な波長が変わる。したがって、共鳴条件を満たさない場合が生じ得る。
一方、図２２（ａ）に示す構造では、リッジ上面２７ａ４の近傍における材料の屈折率と、リッジ底面２７ａ１の近傍における材料の屈折率との差異が小さくなる。その結果、リッジ２７ａの周囲において、共鳴条件からのずれが抑制されるので、光変換部２７において効率よくエバネセント光を発生させることができる。
なお、高誘電体膜は、図２２（ａ）に示す構成に限定されない。つまり、高誘電体膜は、表面プラズモンが生じるリッジ２７ａの近傍に配置されていればよい。例えば、図２２（ｂ）には、図２２（ａ）に示す高誘電体膜とは異なる構成を有する高誘電体膜７１Ｆを備える固体撮像装置１Ｆを示す。高誘電体膜７１Ｆは、ピンニング領域３６の主面３６ａとリッジ上面２７ａ４とリッジ側面２７ａ３とを覆う。このような高誘電体膜７１Ｆの厚さは、リッジ２７ａの周期よりも薄い。また、高誘電体膜７１Ｆの厚さは、リッジ２７ａの高さよりも薄い。この場合には、互いに隣接するリッジ２７ａの間は、高誘電体膜７１Ｆによって埋め込まれない。従って、画素８Ｆの受光面は、凹凸形状を有する。
さらに、高誘電体膜を有する固体撮像装置は、さらにマイクロレンズを備えてもよい。図２３（ａ）に示す固体撮像装置１Ｇの画素８Ｇは、図２２（ａ）に示す固体撮像装置１Ｅにさらに、マイクロレンズ７２を設けたものである。マイクロレンズ７２は、例えば、リッジ２７ａごとに配置されてもよい。図２３（ｂ）に示す固体撮像装置１Ｈの画素８Ｈは、図２２（ｂ）に示す固体撮像装置１Ｆにさらに、マイクロレンズ７２を設けたものである。固体撮像装置１Ｈの場合には、高誘電体膜７１Ｆを埋め込み、平坦な面を形成する平坦化膜７３をさらに有する。マイクロレンズ７２は、平坦化膜７３の受光面に設けられる。平坦化膜７３の材料は、例えば、ガラスおよび酸化シリコン（ＳｉＯ２）を採用してよい。さらに、図２４に示す固体撮像装置１Ｋの画素８Ｋは、図２１に示す固体撮像装置１Ｄにさらに、マイクロレンズ７２を設けたものである。これらのマイクロレンズ７２は画素ごとに設けてもよい。
ところで、上記の固体撮像装置１が備える光変換部２７は、金属であるリッジ２７ａを備えていた。リッジ２７ａの全体は、金属材料によって形成されていた。例えば、図２５に示す変形例３の固体撮像装置１Ｐの画素８Ｐのように、光変換部２７Ｐを構成するリッジ８１ａは、互いに異なる材料からなる層が積層された構造を採用してもよい。
光変換部２７Ｐを構成するリッジ８１ａは、実施形態のリッジ２７ａと同様の外形形状を有する。具体的には、リッジ８１ａの幅は、実施形態のリッジ２７ａと同じである。また、互いに隣接するリッジ８１ａ同士の間隔も、実施形態のリッジ２７ａと同じである。一方、変形例３のリッジ８１ａは、入射光Ｌ１の進行方向に金属材料と誘電体材料とが積層された構造を有する。このような積層構造は、いわゆるＭＩＭ（ｍｅｔａｌ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－ｍｅｔａｌ：金属－絶縁体－金属）構造と呼ばれる。より詳細には、リッジ８１ａは、第１金属層８２と、誘電体層８３と、第２金属層８４と、を有する。第２金属層８４は、光入力面２６ａに接する。つまり、第２金属層８４の下面は、リッジ底面８１ａ１である。第２金属層８４の上面には、誘電体層８３の下面が接する。誘電体層８３の上面には、第１金属層８２の下面が接する。なお、リッジ８１ａのリッジ側面８１ａ２は、第１金属層８２、誘電体層８３及び第２金属層８４の側面を含む。例えば、第１金属層８２の厚みは、第２金属層８４の厚みと同じであってもよい。また、第１金属層８２及び第２金属層８４の厚みは、誘電体層８３の厚みより薄くてもよい。
このような積層構造であるリッジ８１ａは、リッジ８１ａのうちプラズモン振動に寄与しない中央部分が誘電体層８３によって形成されている。その結果、リッジ８１ａにおいて吸収ロスを生じさせる金属材料が物理的に占める領域が小さくなる。換言すると、リッジ８１ａにおいて金属材料によって生じる吸収ロスが低減される。さらに、表面プラズモン共鳴による増強電場Ｅ２ａが光電変換部２６に形成される。その結果、シリコン感度層である光電変換部２６における吸収効率をさらに高めることができる。
また、図２６に示すように、ＭＩＭ構造を採用するリッジ８１ａは、図１８に示される固体撮像装置１Ｃが備える光変換部２７Ｃのように、光電変換部２６Ｃに埋め込まれてもよい。つまり、図２６に示す変形例４の固体撮像装置１Ｑは、画素８Ｑを有しており、当該画素８Ｑは、光変換部２７Ｑを含んでいる。光変換部２７Ｑは、リッジ８１ａにより構成されている。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ，１Ｐ，１Ｑ，１００，２００…固体撮像装置、２…画素部、３…画素制御部、４…信号処理部、８，８Ｃ，８Ｅ，８Ｆ，８Ｇ…画素、２２…隔離壁、２６，２６Ｃ…光電変換部、２６ａ，１０４ａ，２０４ａ…光入力面、２７，２７Ｂ…光変換部、２９…第１の領域、３１…第２の領域、Ｌ１…入射光、Ｌ２…被吸収光、Ｌ２ａ…エバネセント光。

Claims (26)

  1. 光入力面から受けた被吸収光に応じた信号電圧を発生する光電変換部と、
    入射光を受けて前記被吸収光を生じさせる光変換部と、を備え、
    前記光電変換部は、第１の不純物濃度を有する第１の領域と、前記第１の不純物濃度よりも大きい第２の不純物濃度を有する第２の領域と、を有し、
    前記第２の領域は、前記光入力面を含むと共に前記光変換部に直接に接触し、
    前記光変換部は、前記入射光を受けて、エバネセント光を含む前記被吸収光を発生する、画素。
  2. 前記第２の領域における前記第２の不純物濃度は、前記第１の領域に近づくに従って減少する、請求項１に記載の画素。
  3. 前記第２の領域は、ドーズ量を１×１０１４ｃｍ－２以上３×１０１５ｃｍ－２以下とするイオン注入によって形成される、請求項１又は２に記載の画素。
  4. 前記第２の領域は、注入エネルギを０．２ｋｅＶ以上１ｋｅＶ以下とするイオン注入によって形成される、請求項１～３のいずれか一項に記載の画素。
  5. 二次元状に配置された複数の画素、および、互いに隣接し合う前記画素の間に設けられた隔離壁を有する画素部と、
    前記画素部の動作を制御する制御信号を発生する画素制御部と、
    前記画素部が発生する信号電圧を受ける信号処理部と、を備え、
    前記画素は、
    光入力面から受けた被吸収光に応じた信号電圧を発生する光電変換部と、
    入射光を受けて前記被吸収光を生じさせるように、前記光電変換部の前記光入力面上に設けられた光変換部と、を有し、
    前記光電変換部は、第１の不純物濃度を有する第１の領域と、前記第１の不純物濃度よりも大きい第２の不純物濃度を有する第２の領域と、を有し、
    前記第２の領域は、前記光入力面を含むと共に前記光変換部に直接に接触し、
    前記光変換部は、前記入射光を受けて、エバネセント光を含む前記被吸収光を発生する、固体撮像装置。
  6. 互いに隣接し合う一方の前記光変換部は、他方の前記光変換部から離間し、
    前記光変換部の辺部は、前記光電変換部の前記光入力面上に形成されている、請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 少なくとも前記画素部は、センサ基板に設けられ、
    前記センサ基板は、前記第２の領域に所定の電位を与える電圧印加部を有する、請求項５または６に記載の固体撮像装置。
  8. 前記電圧印加部は、ダイシングによって形成された前記センサ基板のダイシング面と、前記ダイシング面に電圧を与える導電部と、を含み、
    前記ダイシング面は、少なくとも前記第２の領域の端面と、前記導電部の端面と、を含む、請求項７に記載の固体撮像装置。
  9. 前記光電変換部は、前記被吸収光を吸収することにより信号キャリアとしての電子を発生し、
    前記第２の領域は、負の電位を受ける、請求項５～８のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  10. 前記光電変換部は、前記被吸収光を吸収することにより信号キャリアとしての正孔を発生し、
    前記第２の領域は、正の電位を受ける、請求項５～８のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  11. 前記第２の領域は、前記光変換部に対して電気的に接続され、
    第１の前記画素が有する第１の前記光変換部は、第１の前記画素に隣接する第２の前記画素が有する第２の前記光変換部に対して電気的に接続されている、請求項５～１０のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
  12. 前記光変換部は、前記第２の領域の主面から突出する複数の凸部を含み、
    前記複数の凸部は、互いに電気的に接続されている、請求項１１に記載の固体撮像装置。
  13. 受光領域において、二次元状に配置された複数の画素を備え、
    前記画素は、
    光入力面から受けた被吸収光に応じた信号電圧を発生する光電変換部と、
    入射光を受けて前記被吸収光を生じさせるように、前記光電変換部の前記光入力面上に設けられた光変換部と、を有し、
    前記光電変換部は、前記光変換部に直接に接触し、
    前記光変換部は、所定の周期に従って配置された複数の凸部を含み、前記入射光を受けてエバネセント光を含む前記被吸収光を発生し、
    前記所定の周期は、前記エバネセント光の発生条件と前記入射光の方向とに基づいて設定されている、固体撮像装置。
  14. 前記入射光の方向が前記光変換部の主面の法線方向である場合には、前記所定の周期（Ｌ）であり、
    前記入射光の方向が前記光変換部の主面の法線方向に対して角度（θ）である場合には、前記所定の周期（ＬＳ）は、ＬＳ＝Ｌ／ｃｏｓθを満たす、請求項１３に記載の固体撮像装置。
  15. 前記受光領域の辺部に配置された前記画素の前記所定の周期は、前記受光領域の中央部に配置された前記画素の前記所定の周期より大きい、請求項１３または１４に記載の固体撮像装置。
  16. 前記光変換部は、前記光電変換部の前記光入力面上に設けられている、請求項１～４のいずれか一項に記載の画素。
  17. 前記光変換部は、前記入射光を受ける受光面を含むと共に、前記受光面が前記光電変換部から露出するように前記光電変換部に埋め込まれている、請求項１～４のいずれか一項に記載の画素。
  18. 前記光電変換部および前記光変換部を覆う被覆部をさらに備え、
    前記被覆部の誘電率は、空気の誘電率よりも高い、請求項１６又は１７に記載の画素。
  19. 前記光変換部は、互いに離間して形成された複数の凸部を含み、
    前記被覆部に覆われた前記光変換部における前記複数の凸部の見かけの周期は、前記被覆部の誘電率及び前記複数の凸部の実周期により定まり、
    前記見かけの周期は、前記入射光によりエバネセント光を含む前記被吸収光を発生する共鳴条件を満たす、請求項１８に記載の画素。
  20. 前記被覆部の誘電率は、前記光電変換部の前記第２の領域の誘電率と等しい、請求項１９に記載の画素。
  21. 前記被覆部は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムおよび酸化タンタルのいずれかにより形成される、請求項１８～２０のいずれか一項に記載の画素。
  22. 前記被覆部上に配置されたマイクロレンズをさらに備える、請求項１８～２１のいずれか一項に記載の画素。
  23. 光入力面から受けた被吸収光に応じた信号電圧を発生する光電変換部と、入射光を受けて前記被吸収光を生じさせる光変換部と、を備え、前記光電変換部は、第１の不純物濃度を有する第１の領域と、前記第１の不純物濃度よりも大きい第２の不純物濃度を有する第２の領域と、を有する画素の製造方法であって、
    前記光変換部を前記光電変換部に埋め込むための複数の凹部を設ける第１工程と、
    少なくとも前記凹部の壁面に対して前記第２の領域を形成するための処理を行う第２工程と、
    前記凹部に前記光変換部を構成する複数の金属部を設ける第３工程と、有する画素の製造方法。
  24. 前記第３工程の後に、前記光電変換部および前記光変換部を覆うように、空気の誘電率よりも高い誘電率を有する被覆部を設ける第４工程をさらに有する、請求項２３に記載の画素の製造方法。
  25. 前記光変換部は、前記入射光の方向に沿って積層された第１金属層、誘電体層及び第２金属層を含み、
    前記第２金属層は、前記光入力面上に設けられている、請求項１～４のいずれか一項に記載の画素。
  26. 前記光変換部は、前記入射光を受ける受光面を含むと共に、前記受光面が前記光電変換部から露出するように前記光電変換部に埋め込まれ、
    前記光変換部は、前記入射光の方向に沿って積層された第１金属層、誘電体層及び第２金属層を含み、
    前記第１金属層は、前記受光面を構成する、請求項１～４のいずれか一項に記載の画素。
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