JPH051632B2 - - Google Patents
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- JPH051632B2 JPH051632B2 JP58249545A JP24954583A JPH051632B2 JP H051632 B2 JPH051632 B2 JP H051632B2 JP 58249545 A JP58249545 A JP 58249545A JP 24954583 A JP24954583 A JP 24954583A JP H051632 B2 JPH051632 B2 JP H051632B2
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- sit
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H10F30/28—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices being characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistors
- H10F30/285—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices being characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistors the devices having PN homojunction gates
- H10F30/2863—Field-effect phototransistors having PN homojunction gates
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- Light Receiving Elements (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Description
発明の技術分野
本発明は任意の分光感度特性に合わせた受光感
度を有する静電誘導トランジスタ光検出装置及び
その製造方法に関する。
従来技術
静電誘導トランジスタ(以下SITと云う)を用
いた光検出器の動作は、SITに照射された光によ
つてSITのゲート電圧が決定され、一方、チヤネ
ル内の電位障壁高さはゲート電圧及びドレイン電
圧の静電誘導効果によつて制御されるという原理
に基づいている。その結果、光検出デバイスとし
て、SITは高電流利得、高信号対雑音比、広ダイ
ナミツクレンジ、及び高周波動作という特徴を有
している。既に本発明者によつて種々な構造を有
するSIT光検出器が提案されている(特開昭58−
93386号)。一方、SIT光検出器の持つ高電流利得
(高光利得)、高信号対雑音比、広ダイナミツクレ
ンジ、高周波動作という特徴を生かした撮像装置
(以下SITイメージセンサという)への応用もな
され、既に本発明者によつて特許第1380712号、
特開昭58−105672号、特許第1556905号等に開示
されている。しかるに、SIT光検出器もしくは、
それを応用したゲート蓄積方式によるSITイメー
ジセンサにおいて、波長特性、特に短波長側の青
感度を上昇させる試みは既に特開昭59−108458号
及び特公平4−14832号に開示されている。その
方法は、SIT光検出器もしくはSITイメージセン
サの画素のゲート部分に構造的な工夫を加える方
法である。一例として第1図に従来例を掲げる。
第1図は短波長感度の上昇したゲート蓄積方式
によるSITイメージセンサの一画素分を示し、a
は回路構成及びbはデバイスの断面構造を示す。
図を参照して各部分を説明する。10はn+基板
もしくは埋め込み層であり、SIT部分のソース領
域となつている。11はn-もしくはp-,iの高
抵抗層でありSITのチヤネル部分を形成する。深
い拡散領域で形成されたp+領域13は、SITのゲ
ートであり、n+ドレイン15とn+ソース10と
の間を流れる電流を制御するためのものであり、
比較的浅い拡散領域で形成されたp領域12は、
同じくSITのゲートであるが、電流制御用ではな
く、比較的侵入距離の浅い、短波長光を受光する
目的のものである。点線Aはゲート13,12内
に広がつた空乏層の様子を示し、点線Bは高抵抗
層11内に広がつた空乏層の様子を示している。
14はSiO2等の絶縁膜である。電極16はドレ
イン電極であると同時に信号読み出しラインとな
つており、電極17は、薄い絶縁膜18を介し
て、pゲート12との間にキヤパシタを形成する
と同時に、ゲートアドレスラインとなつている。
以上の構成でX−Yアドレス方式のイメージセン
サが構成されている。しかるに、第1図bの空乏
層の広がり方より明らかな如く、p+領域13及
びn-(p-,i)層11及びn+領域10からなる
pinダイオードと、p領域12及びn-(p-,i)
層11及びn+領域10からなるpinダイオードの
受光感度を比べてみると、p(12)n-(11)n+(10)ダイオ
ードの方が短波長感度が良く、p+(13)n-(11)n+(10)ダ
イオードの方は、比較的侵入距離の深い波長光を
受光している。
第1図の断面構造のデバイスを個別素子とし
て、即ち一素子のSIT光出器として使用すること
もあり、その場合には、n+領域15をソース、
n+領域10をドレインとして使用する正立動作
も、またイメージセンサの画素の動作と同様に
n+領域15をドレイン、n+領域10をソースと
する倒立動作として使用することもある。
青感度を持たせるために、受光部分として動作
するSITのゲート部分を浅い拡散領域12とし、
SITの電流制御用として動作するSITのゲート部
分を深い拡散領域13で構成するものであり、光
の侵入距離の浅い短波長の光は上記浅い拡散領域
12で感度を持たせているわけである。さらに同
様の目的でSITのゲート部分に、部分的に穴を開
け、ほとんど拡散されず、空乏化された領域を有
する構造を浅い拡散領域の代わりに設けるような
構造をゲートに持たせた例は既に特公平4−
14833号において提案した。
しかしながら、上記の従来例では短波長側、特
に青感度を上げるためにゲート部分の拡散深さを
浅くする点が重要な点であつた。しかるにこの方
法のままでは、任意の与えられた分光感度特性に
合わせた受光感度を有するSIT光検出器、もしく
はイメージセンサの画素を構成することは難し
い。即ち、SITのp+ゲート拡散領域の拡散深さを
浅くすれば確かに特定の短波長側の感度は上昇す
るが、他の波長域の受光感度を制御することはで
きない。特に、与えられた分光感度特性に、沿う
ような受光感度を有するSIT光検出器、もしくは
SITイメージセンサの画素を構成することは従来
例の構造では不充分である。さらに従来例のゲー
ト構造では、2回の拡散工程(浅い拡散と深い拡
散)が用いられているにすぎず、ゲート12,1
3とn+層10との間の高抵抗層11の厚さに対
する制限が与えられていないため、特定の波長に
対する鋭敏な感度特性を持たせることも難しかつ
た。さらに、従来例では、特定の波長に対する受
光感度を持たせるために、具体的にゲートの拡散
深さの決定方法、或いは、空乏層の厚さの設計方
法、さらにゲートの面積に対する制限等の具体性
の点で欠けており、分光感度特性を考慮した最適
設計はなされてなかつた。
本発明の目的
本発明の目的は、上述のSIT光検出器もしくは
イメージセンサの画素としての優れた特性を生か
しつつ、いくつかの特定の波長に対する選択的で
鋭敏な感度特性を受光部分としてのゲート部分に
持たせ、増幅器としての特性はSIT部分に持たせ
ることで、全体の特性として、いくつかの特定の
波長に対する選択的な感度特性を持つたSIT光検
出器もしくはイメージセンサの画素の構造を提案
すると共にその具体的な製造方法を提供すること
である。
さらに、本発明の他の目的は、特定の波長のみ
ならず、上記構造を組み合わせて任意の要求され
る分光感度特性に対して、受光部分としてのゲー
ト構造に分光感度特性に合つた受光感度を持たせ
たSIT光検出器もしくはSITイメージセンサの画
素を提供することである。
発明の概要
いくつかの特定の波長に対する選択的で鋭敏な
感度特性をSITのゲート部分に持たせるために、
ゲート部分と基板(n+ドレイン)との間の高抵
抗層の厚さに対する制限を与えるようなn+埋め
込み層を設け、このn+埋め込み層をドレイン領
域もしくはソース領域とするようなSIT光検出器
を構成する。さらにSITのゲート部分を構成する
p+領域の面積を分割して波長λiを選択的に受光す
る部分の面積をA(λi)とし、波長λiに対して要
求される量子効率をη(λi)とし、SITのゲート
全体の面積をAtptとすると近似的に
A(λi)/Atpt=e・η(λi)・1/1−R(λi
)
(ここで、R(λi)はλiの波長に対する反射係
数、e≒2.718)
で表わされるような面積比にA(λi)を選択する。
ここでAtptはSITのゲートの全面積である。さら
に特走の波長λiを検出するために、SITのゲート
とn+埋め込み層で形成されるpinダイオードのin
接合界面と表面との間の距離をxi=1/αi(λi)とな
る
ように設計し(ここでαiは波長λiに対する吸収係
数)、i層に広がる空乏層はほとんどin接合界面
から表面側方向に広がるように不純物密度を選定
し、その空乏層の厚さWiは近似的
Wi=xi(1−1/e)
で与えられるような値に選択する。
上述の条件はSITのゲート構造に対する深さ方
向及び面積に対する構造限定を与えている。
埋め込み層を形成するn+領域の厚さは、除去
したい赤外光等のフイルタ作用として動作すれば
良い程度に選ばれており、n+埋め込み層の厚み
分を透過した所で発生したキヤリアのうち正孔は
このn+埋め込み層が、電位障壁となるため、SIT
のp+ゲートへの影響はない。従つて、短波長側
で特定の波長に対する感度を最大にすることが可
能となるのである。
以上のような設計規準にて特定の波長λiに対す
る選択的な受光感度をSITのゲート部分において
実現することが本発明の基本部分である。SITの
ゲート部分を分割して、個々の分割されたダイオ
ード部分に上記の設計規準を用いて、各々異なつ
た波長λiに対して選択的な受光感度を持たせれ
ば、これら分割されたダイオードの並列動作によ
つて、SIT全体としては、いくつかの波長λiにお
いて選択的な分光感度特性を示す光検出器が実現
できるわけである。逆に云うと、一つのデバイス
で、各各、異なつた波長に対して選択的な波長感
度を持つた光検出器が実現されるわけである。さ
らにこの方法を押し進めると、ダイオード部分を
細かく所定の面積比に分割して、それぞれのダイ
オード部分においてゲート拡散深さ、空乏層幅等
に対して所定の波長に対して選択的な受光感度を
有するように設計することで、任意の要求される
分光感度特性に合わせた受光感度特性を一つのデ
バイス内に持たせることも理想的にはできる。本
発明においては、λ1,λ2,λ3と3つの波長に対し
て受光感度を有するSIT光検出器の構造例が示さ
れ、さらにそのような構造の製造方法も示されて
いる。
本発明の特徴は、上述した高光電流利得、高信
号対雑音比、広ダイナミツクレンジ及び高周波動
作という優れた特性を有するSIT光検出器におい
て、さらに、いくつかの特定の波長に対して選択
的で、鋭敏な感度特性を持つた受光部分としての
ゲートの構造の最適化と、SITの増幅特性の最適
化とを別々に行ない、全体として要求された分光
感度特性に合つた受光感度を持つSIT光検出器を
実現するための具体的なデバイス構造及びその製
造方法を提案することである。SITのゲート部分
のpinダイオードの量子効率は1以下であるが、
SIT増幅器の増幅特性によつて、要求される感度
(A/W)を得ることができる。要求された分光
感度特性に合わせた受光感度特性をSITのゲート
の光受光部分とSITとしての増幅特性とで最適化
を行ない、全体として所望の分光感度特性を得る
ことを目的としており、各部分の具体的寸法、構
造限定の決定方法について本発明の原理とともに
概略的に説明する。
一般にpn接合半導体に光が照射されると、電
子・正孔対が生成されるが、これらのキヤリアは
pn接合の空乏層内に存在する電界によつて分離
され、正孔はp型領域へ、電子はn型領域へ流入
する。この分離されたキヤリアの流れによつて光
電流が発生する。半導体中における電子・正孔対
の発生率(確率)は照射光の波長に依存する。こ
れは、半導体中において光量子エネルギーが特定
の吸収係数を持つからである。一例としてSiの場
合、300Kにおいて第2図に示されるような光の
吸収係数αと波長λ(光量子エネルギー)の関係、
或いは侵入深さxと波長λの関係を有している。
単色光(hν)の照射に対して、電子・正孔対の
発生率G(x)はSze:“Physics of
Semiconductor Devices”p755(Wiley 1981年)
を参照して
G(x)=φ0(λ)αexp(−αx)=P0(λ)(1
−R(λ))/Ahν・αexp(−αx)……(1)
で表わされる。ここでφ0(λ)は波長λの入射光
の光束、P0(λ)は波長λの光強度、R(λ)は
波長λの光に対する反射係数、Aはデバイスの面
積である。
一定強度で一定の波長λの光入射に対して、発
生率G(x)は、波長λの侵入距離x=1/α(λ)の
深さ以内において最大値を取ることは明らかであ
る。しかしながら、光によつて発生したキヤリア
の数は再結合によつて減少するとともに、再結合
率(確率)U(x)もまた半導体基の深さ方向に
対して指数関数的に減少するという関係がある。
従つて、光電流密度Jは次式で表わされる。
J=q(G(x)−U(x))・δ …(2)
ここで、δはxを中心とする無限少に薄い範囲内
の空乏層幅を表わす。
個々に分割された面積をA(λi)とし、その
個々の接合深さをxi=1/αi(λi)となされたホトダ
イ
オードの組み合わせからなるホトダイオードに
は、全電流密度Jとして
J=∞
〓i=1
Ji …(3)
で表わされる電流が流れるであろう。ここで個々
のダイオードを流れる電流密度は
Ji=q(G(x(λi))−U(x
(λi)・δ・A(λi)/Atpt
であり、かつ
Atpt=∞
〓i=1
A(λi)である。
従つて、一定の波長λiに対する量子効率η(λi)
は次式で表わされる。即ち、
η(λi)=J(λ)Atpt/P0・hν/q=hν・
δ・A(λi)/P0(G(x(λi))−U(x(λi)
))……(4)
波長λiの光に対するデバイスの応答は、面積A
(λi)の部分においてのみ得られるものであり、
他のデバイス面積の部分は、それぞれ他の波長の
光を受光するようになされている。従つて(4)式は
次のように書き換えられる。
η(λ)=A(λ)/Atptδ(1−R(λ))α
・exp(−αx)−hνδA(λ)/P0U(x(λ))……
(5)
右辺第二項の再結合率によつて決定される項は
相対的に右辺第1項に比べて小さいため、一定の
波長λに対する量子効率は、面積比A(λ)/Atptに比
例すると考えることができる。このような現想的
な波長λ選択性を有するデバイスは、両側の不純
物密度がともに高く階段接合からなるp+n+接合
から成り立つていると考えられる。第3図は原理
説明図である。
第3図a,b,cは本発明を説明するための原
理図である。SITのゲートとドレイン間のpn接合
に鋭敏な波長選択性を持たせるために、空乏層の
広がりを抑え、光の侵入距離に接合の位置が等し
いようになされた、現想化されたp+n+接合ダイ
オードを考える。これらのp+n+接合の面積を分
割し、それぞれに特定の波長λiにのみ鋭敏な受光
感度を持つように接合面の表面からの位置を1/
αi(λi)に等しくなされている。第3図aはこの
ような分割されたダイオードD1,D2,D3,…,
Diの並列接続による等価的なダイイオードの回
路表現である。第3図bには代表的な例として3
つの波長λ1,λ2,λ3に対する光の侵入距離x1,
x2,x3の関係が示されており、第3図cのp+n+
接合の表面からの距離はそれぞれλ1,λ2,λ3に対
応してx1,x2,x3となるように形成されている様
子を示している。上記のの例で、要求される量子
効率をη(λi)とすると、面積比を
A(λ1)/Atpt≒eη(λ1)1/1−R(λ1)
A(λ2)/Atpt≒eη(λ2)1/1−R(λ2)
A(λ3)/Atpt≒eη(λ3)1/1−R(λ3)
かつA(λ1)+A(λ2)+A(λ3)=Atpt
と選択し、接合面の位置をxi=1/αi(λi)となるよ
う
に選択すれば、特定のλ1,λ2,λ3の波長に対して
鋭敏な受光感度を有するダイオードが原理的には
可能である。
第3図cのp+n+接合面とデバイス表面との間
の距離は任意の与えられた量子効率ηと波長λの
関係によつて決定される関数で変化しており、か
つ量子効率ηに影響を与える他のパラメータ、例
えばA(λ),R(λ)にも依存している。ここで
R(λ)は反射率である。逆に云うと、理想的に
は、与えられたη(λ)に対してpn接合の深さを
調整することで受光感度調整ができるということ
である。
再結合率U(x(λ))によつて決定される項を
無視した第(5)式から、量子効率の最大値は単色光
照射に対し、反射を無視すると、α=1/x=1/δ及
びA(λ)=Atptの条件に対して与えられる。この
最大のηですら、常に1よりは小さい。すなわち
ηnax=1/eである。しかしながら、SIT部分の動
作における増幅特性によつて、所望の感度(A/
W)まで増幅することができる。
しかるに、実際上は、pn接合においては一定
の空乏層幅を考慮すべきであつて、空乏層の両側
において階段接合が得られるわけではない。さら
に、空乏層内で発生されるキヤリア以外に、かな
りの数の少数キヤリアが拡散によつて流入し、p
型及びn型領域に集められる。このことは一定の
波長に対する感度を増大させることにつながる
が、波長の鋭敏な選択性という点では著しく低下
したものとなり、与えられた量子効率ηと波長λ
の関係の再現性は悪くなる。第4図には、要求さ
れたηとλの関数が一例として示されており、縦
軸のη、横軸のλともに、各々の最大値ηnax、
λnaxに対して規格化されている。第4図のような
三つの感度ピークを持つ要求されたηの波長応答
は、波長λiにおけるηinaxを対応させるようなi=
1,2,3の三つのステツプによつて粗い近似を
行なうことができる。波長λiを検出するための空
乏層の最大深さxinaxは、光量子エネルギーhνiの
最大侵入深さに対応しており、空乏層の幅は、同
様に、△λiによつて決定される。pinダイオード
はi領域の厚さを適当に選ぶことによつて空乏層
の厚さをη−λ曲線に合わせることができるた
め、都合の良い構造である。p+領域、n+領域が
充分に高不純物密度にドープされたならば、拡散
電位もしくは適当な逆バイアス電圧において空乏
領域はn-領域以外にp+、n+領域に侵入する分は
極めて少ない。しかし、受光波長が長くなると少
数キヤリアの拡散距離が問題となり、p+、n+領
域内で空乏層の端から少数キヤリアの拡散距離以
内で発生した少数キヤリアも、デバイスの量子効
率に影響を与える。特に、受光波長が長くなる
と、特定の波長にのみシヤープな量子効率を持た
せるべく設計されたpinダイオードの量子効率の
波長応答はすそが広がつた形となる。これは以下
の理由によつている。pinダイオードの表面をp
とし、デバイスの接合面に垂直にp側から光が侵
入する場合を考えると、長波長側の光ほど侵入距
離が深くなるため、n領域における少数キヤリア
としての正孔のうち、空乏層の端から拡散距離以
内で発生する正孔の数が増大し、この正孔が波長
λ近傍の量子効率を増加させるためである。従つ
て、上述のpinダイオードの場合、空乏層幅は
xinaxの距離から表面側へ広がるようになされる
べきであり、空乏層の厚さWiに対する実用的な
限界としては、各々の波長λiに対して
Wi=xinax(1−1/e)
という式で表わされる。xinaxは丁度、デバイス
表面から、in接合界面までの距離である。空乏層
の幅Wiを上式表わされる式に選定した理由は、
xinaxがλiの侵入距離であるのに対し、xinax/eの
距離からxinaxの位置までの範囲で最も有効にλiの
光が鋭敏に吸収されるからである。各々異なつた
極大値ηiを有する分光感度特性(η−λ曲線)に
対しては、第(5)式に示されるように面積比A
(λi)/Atptを考慮する必要がある。第2図の例で
可視光範囲において、吸収係数αは一桁から一桁
半のオーダー内で変化している。光によるキヤリ
アの発生確率G(x)は吸収係数αに比例してお
り、かつ、実験的に決定される再結合率U(x)
によつて減少したある有効な値となつている。波
長依存性を有する反射率R(λ)は、第(5)式に従
つて、同様に面積比A(λi)/Atptの中に組み込む
ことができよう。最終的に、個々の分割されたデ
バイスの面積A(λi)の中に、少数キヤリアの拡
散以外のすべての特定の波長λiに対する量子効率
に影響を与える項を取り込ませることができるわ
けである。この非常に簡単な概念を応用して、第
5図a,b,cにおいて示されるような三つのス
ペクトル応答を考慮したデバイス設計、さらに
は、これらの結果の重ね合わせから、必要な分光
感度特性に合わせた受光感度を有するデバイス設
計を行なうことができるわけである。
一例として、逆バイアスで動作するnチヤネル
ノーマリオンSITの場合、ドレインn+領域に対し
て、ある動作点にバイアスされたp+ゲート領域
の電位は入射光の変化によつて決定される。真性
ゲート点におけるチヤネルの電位はゲート電位に
よつて制御され、かつ一部分はSITの動作原理で
ある所の静電誘導の効果によつてドレイン電圧に
よつても制御される。従つて、光は、間接的にの
み、ゲート電位変化を通して、電位障壁制御に影
響を与えることになる。光励起された正孔はp+
ゲートの持つ電位井戸の最も深い所に蓄積される
が、光検出によつてチヤネル内を流れる多数キヤ
リア(電子)電流を有効に変調するためには、ゲ
ートの持つ電位井戸の最も深い所は、チヤネルに
最も近い所に位置していた方がよい。
第5図aは、波長選択性を有する、本発明に係
る光検出器の断面構造を示す。中心部分には、ド
レイン領域としてのn+埋め込み層51を持つた
SITが配置されており、n+埋め込み層51は実効
的なSITのチヤネル57が短かくなるように、チ
ヤネル部分において、ソース64側へせり上がつ
た形をなしている。n+領域52及び53は、と
もに埋め込み層50からの拡散によつて、それぞ
れ高抵抗n-(p-,i)層55及び56の厚さを定
義するように形成されており、SITのゲート領域
も58a,58b,58cと三つの領域から形成
されている。p+領域58aはSITのn+ソース64
及びn+ドレイン51,50間の電流を制御する
ための領域であると同時に波長としては例えば
660nm近傍の比較的長い波長の受光部分としての
役割がある。これに対してp領域58bは、電気
的にはp+ゲート領域58aと接続されているが、
より短い波長、例えば550nm近傍の緑色光の受光
部分としての役割がある。さらにp領域58cは
p+領域58a、p領域58bと電気的には接続
されSITのゲートの一部分であるが、さらに短い
波長、例えば450nm近傍の青色光の受光部分とし
ての役割を持たせることができる。n+領域52
は高抵抗n-層55の厚さを制限するための領域
であり、p領域58b、n-領域55、n+領域5
2からなるpinダイオードの高抵抗層の幅を制御
することによつて所望の波長選択性を持持たせて
いる。同時に、高抵抗n-層56の厚さもn+領域
53によつて制限されている。一例として波長
460nm、550nm、660nmの三つの波長に対して選
択的な受光感度を持たせる場合の各領域の寸法を
示すと以下の表1のようになる。
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a static induction transistor photodetection device having a light receiving sensitivity tailored to arbitrary spectral sensitivity characteristics, and a method for manufacturing the same. Prior Art In the operation of a photodetector using a static induction transistor (hereinafter referred to as SIT), the gate voltage of the SIT is determined by the light irradiated to the SIT, while the potential barrier height in the channel is determined by the gate voltage. It is based on the principle that the voltage is controlled by the electrostatic induction effect of the drain voltage. As a result, as a photodetection device, SIT has the characteristics of high current gain, high signal-to-noise ratio, wide dynamic range, and high frequency operation. SIT photodetectors with various structures have already been proposed by the present inventor (Japanese Patent Application Laid-Open No. 1986-
No. 93386). On the other hand, SIT photodetectors have already been applied to imaging devices (hereinafter referred to as SIT image sensors) that take advantage of their characteristics of high current gain (high optical gain), high signal-to-noise ratio, wide dynamic range, and high frequency operation. Patent No. 1380712 by the inventor,
It is disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 105672/1983, Japanese Patent No. 1556905, etc. However, SIT photodetector or
Attempts to increase the wavelength characteristics, particularly the blue sensitivity on the short wavelength side, in SIT image sensors using the gate accumulation method using this method have already been disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 108458/1982 and Japanese Patent Application No. 14832/1999. The method is to add a structural modification to the gate part of the pixel of the SIT photodetector or SIT image sensor. As an example, a conventional example is shown in FIG. Figure 1 shows one pixel of an SIT image sensor using the gate accumulation method with increased short wavelength sensitivity.
b shows the circuit configuration and b shows the cross-sectional structure of the device.
Each part will be explained with reference to the figures. 10 is an n + substrate or a buried layer, which serves as a source region of the SIT portion. Reference numeral 11 is an n - or p - , i high resistance layer which forms a channel portion of the SIT. The p + region 13 formed in the deep diffusion region is the gate of the SIT and is for controlling the current flowing between the n + drain 15 and the n + source 10.
The p region 12 formed by a relatively shallow diffusion region is
It is also a SIT gate, but it is not used for current control, but rather for receiving short wavelength light with a relatively short penetration distance. A dotted line A shows the state of the depletion layer spread within the gates 13 and 12, and a dotted line B shows the state of the depletion layer spread within the high resistance layer 11.
14 is an insulating film such as SiO 2 . The electrode 16 serves as a drain electrode as well as a signal readout line, and the electrode 17 forms a capacitor between it and the p-gate 12 via a thin insulating film 18, and serves as a gate address line.
The above configuration constitutes an X-Y address type image sensor. However , as is clear from the way the depletion layer spreads in FIG.
pin diode and p region 12 and n - (p - , i)
Comparing the light-receiving sensitivity of pin diodes consisting of layer 11 and n + region 10, the p(12)n - (11)n + (10) diode has better short wavelength sensitivity, and the p + (13)n - (11)n + (10) The diode receives light with a relatively deep penetration distance. The device having the cross-sectional structure shown in FIG. 1 may be used as an individual element, that is, as a one - element SIT light emitter.
The upright operation using the n + region 10 as a drain is also similar to the operation of an image sensor pixel.
It may also be used for an inverted operation in which the n + region 15 is the drain and the n + region 10 is the source. In order to have blue sensitivity, the gate part of the SIT that operates as a light receiving part is made into a shallow diffusion region 12,
The gate portion of the SIT, which operates to control the current of the SIT, is made up of a deep diffusion region 13, and the shallow diffusion region 12 provides sensitivity to short-wavelength light, which has a shallow penetration distance. . Furthermore, for the same purpose, there is an example in which a hole is partially formed in the gate part of the SIT, and a structure having a depleted region that is hardly diffused is provided in place of the shallow diffusion region. Already special fair 4-
Proposed in No. 14833. However, in the conventional example described above, an important point was to reduce the diffusion depth of the gate portion in order to increase sensitivity on the short wavelength side, particularly in blue. However, if this method is used as it is, it is difficult to construct a SIT photodetector or image sensor pixel that has a light receiving sensitivity that matches any given spectral sensitivity characteristic. That is, if the diffusion depth of the p + gate diffusion region of the SIT is made shallower, the sensitivity at a specific short wavelength side will certainly increase, but the light receiving sensitivity in other wavelength ranges cannot be controlled. In particular, SIT photodetectors with light receiving sensitivity that matches the given spectral sensitivity characteristics, or
Conventional structures are insufficient for configuring pixels of SIT image sensors. Furthermore, in the conventional gate structure, only two diffusion steps (shallow diffusion and deep diffusion) are used, and the gates 12, 1
Since there is no restriction on the thickness of the high-resistance layer 11 between the layer 3 and the n + layer 10, it is also difficult to provide sensitive characteristics to specific wavelengths. Furthermore, in the conventional example, in order to have light receiving sensitivity for a specific wavelength, specific methods such as a method for determining the diffusion depth of the gate, a method for designing the thickness of the depletion layer, and a restriction on the area of the gate are required. However, the optimum design considering the spectral sensitivity characteristics had not been made. OBJECTS OF THE INVENTION It is an object of the present invention to utilize the excellent characteristics of the pixels of the SIT photodetector or image sensor described above, and to develop selective and sensitive sensitivity characteristics for some specific wavelengths into a gate as a light receiving part. By giving the characteristics as an amplifier to the SIT part, the structure of the pixel of the SIT photodetector or image sensor, which has selective sensitivity characteristics to some specific wavelengths, can be created as an overall characteristic. The purpose is to propose this method and provide a specific manufacturing method thereof. Furthermore, another object of the present invention is to provide a gate structure as a light-receiving portion with a light-receiving sensitivity that matches the spectral sensitivity characteristics not only for a specific wavelength but also for any required spectral sensitivity characteristics by combining the above structures. The purpose of the present invention is to provide a pixel of a SIT photodetector or SIT image sensor. Summary of the Invention In order to provide the gate portion of the SIT with selective and sensitive sensitivity characteristics to some specific wavelengths,
SIT photodetection in which an n+ buried layer is provided to limit the thickness of the high resistance layer between the gate part and the substrate (n + drain), and this n + buried layer is used as the drain region or source region. Configure the vessel. Furthermore, configure the gate part of SIT
The area of the p + region is divided and the area of the part that selectively receives wavelength λ i is defined as A(λ i ), the quantum efficiency required for wavelength λ i is defined as η(λ i ), and the SIT If the area of the entire gate is A tpt , approximately A(λ i )/A tpt = e・η(λ i )・1/1−R(λ i
) (Here, R(λ i ) is the reflection coefficient for the wavelength of λ i , e≈2.718) A(λ i ) is selected to have an area ratio as expressed by:
Here, A tpt is the total area of the SIT gate. Furthermore, in order to detect the special wavelength λ i , a pin diode formed by the SIT gate and the n + buried layer is connected.
The distance between the junction interface and the surface is designed to be x i = 1/α i (λ i ) (where α i is the absorption coefficient for wavelength λ i ), and the depletion layer spreading in the i layer is almost in The impurity density is selected so as to spread from the junction interface toward the surface side, and the thickness W i of the depletion layer is selected to be approximately given by W i =x i (1-1/e). The above conditions impose structural limitations on the depth and area of the SIT gate structure. The thickness of the n + region that forms the buried layer is selected to the extent that it acts as a filter for infrared light, etc. that is to be removed, and the thickness of the n + region that forms the buried layer is selected to be sufficient to act as a filter for the infrared light that is to be removed. Among the holes, this n + buried layer acts as a potential barrier, so SIT
has no effect on the p + gate. Therefore, it is possible to maximize the sensitivity to a specific wavelength on the short wavelength side. The basic part of the present invention is to realize selective light-receiving sensitivity for a specific wavelength λ i in the gate portion of the SIT based on the design criteria described above. If the gate section of the SIT is divided and each divided diode section is made to have selective light receiving sensitivity for different wavelengths λ i using the above design criteria, these divided diodes can be By parallel operation, the SIT as a whole can realize a photodetector that exhibits selective spectral sensitivity characteristics at several wavelengths λ i . In other words, a single device can realize a photodetector with wavelength sensitivity selective to different wavelengths. If this method is pushed further, the diode portion is finely divided into predetermined area ratios, and each diode portion has selective light-receiving sensitivity for a predetermined wavelength with respect to gate diffusion depth, depletion layer width, etc. By designing in this manner, it is ideally possible to provide a single device with light-receiving sensitivity characteristics that match any required spectral sensitivity characteristics. In the present invention, a structural example of a SIT photodetector having light receiving sensitivity for three wavelengths λ 1 , λ 2 , and λ 3 is shown, and a method for manufacturing such a structure is also shown. A feature of the present invention is that, in addition to the above-mentioned excellent characteristics of high photocurrent gain, high signal-to-noise ratio, wide dynamic range, and high frequency operation, the present invention also provides a SIT photodetector that is selective to some specific wavelengths. By separately optimizing the structure of the gate as a light-receiving part, which has sensitive sensitivity characteristics, and optimizing the amplification characteristics of the SIT, we created an SIT with a light-receiving sensitivity that meets the required spectral sensitivity characteristics as a whole. The purpose of this research is to propose a specific device structure and manufacturing method for realizing a photodetector. The quantum efficiency of the pin diode in the gate part of SIT is less than 1, but
The required sensitivity (A/W) can be obtained depending on the amplification characteristics of the SIT amplifier. The purpose is to optimize the light receiving sensitivity characteristics in accordance with the required spectral sensitivity characteristics for the light receiving part of the SIT gate and the amplification characteristics as the SIT, and to obtain the desired spectral sensitivity characteristics as a whole. A method for determining specific dimensions and structure limitations will be briefly explained together with the principles of the present invention. Generally, when a pn junction semiconductor is irradiated with light, electron/hole pairs are generated, but these carriers are
They are separated by an electric field existing in the depletion layer of the pn junction, and holes flow into the p-type region and electrons flow into the n-type region. A photocurrent is generated by this separated carrier flow. The generation rate (probability) of electron-hole pairs in a semiconductor depends on the wavelength of irradiated light. This is because photon energy has a specific absorption coefficient in semiconductors. As an example, in the case of Si, the relationship between the light absorption coefficient α and the wavelength λ (photon energy) as shown in Figure 2 at 300K,
Alternatively, there is a relationship between the penetration depth x and the wavelength λ.
For irradiation with monochromatic light (hν), the generation rate G(x) of electron-hole pairs is determined by Sze: “Physics of
Semiconductor Devices”p755 (Wiley 1981)
With reference to
−R(λ))/Ahν・αexp(−αx)...(1) Here, φ 0 (λ) is the flux of incident light with wavelength λ, P 0 (λ) is the light intensity with wavelength λ, R(λ) is the reflection coefficient for light with wavelength λ, and A is the area of the device. It is clear that for light incident with a constant intensity and a constant wavelength λ, the incidence G(x) takes its maximum value within a depth of penetration distance x=1/α(λ) of the wavelength λ. However, the number of carriers generated by light decreases due to recombination, and the recombination rate (probability) U(x) also decreases exponentially in the depth direction of the semiconductor substrate. There is.
Therefore, the photocurrent density J is expressed by the following equation. J=q(G(x)−U(x))·δ (2) Here, δ represents the width of the depletion layer within an infinitely thin range centered on x. A photodiode consisting of a combination of photodiodes whose individual divided areas are A(λ i ) and whose individual junction depths are x i =1/α i (λ i ) has a total current density J of J = ∞ 〓 i=1 J i …(3) A current will flow. Here, the current density flowing through each diode is J i = q(G(x(λ i )) − U(x
(λ i )·δ·A(λ i )/A tpt , and A tpt = ∞ 〓 i=1 A(λ i ). Therefore, the quantum efficiency η(λ i ) for a constant wavelength λ i
is expressed by the following formula. That is, η(λ i )=J(λ)A tpt /P 0・hν/q=hν・
δ・A(λ i )/P 0 (G(x(λ i ))−U(x(λ i )
))...(4) The response of the device to light with wavelength λ i is the area A
It is obtained only in the part (λ i ),
Other device area portions are adapted to receive light of different wavelengths. Therefore, equation (4) can be rewritten as follows. η(λ)=A(λ)/A tpt δ(1-R(λ))α
・exp(−αx)−hνδA(λ)/P 0 U(x(λ))……
(5) Since the term determined by the recombination rate in the second term on the right-hand side is relatively smaller than the first term on the right-hand side, the quantum efficiency for a constant wavelength λ is the area ratio A(λ)/A tpt It can be considered that it is proportional to. It is thought that a device having such a modern wavelength λ selectivity is composed of a p + n + junction consisting of a step junction with high impurity density on both sides. FIG. 3 is a diagram explaining the principle. FIGS. 3a, 3b, and 3c are principle diagrams for explaining the present invention. In order to provide sensitive wavelength selectivity to the pn junction between the gate and drain of the SIT, a modernized p + Consider an n + junction diode. Divide the area of these p + n + junctions and adjust the position from the surface of the junction surface by 1/1 so that each has a sensitive light receiving sensitivity only for a specific wavelength λ i .
is made equal to α i (λ i ). Figure 3a shows such divided diodes D 1 , D 2 , D 3 ,...,
This is an equivalent diode circuit representation by connecting Di in parallel. Figure 3b shows a typical example of 3.
The light penetration distance x 1 for the three wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 ,
The relationship between x 2 and x 3 is shown, and p + n + in Figure 3c
The distances from the surface of the joints are shown to be x 1 , x 2 , x 3 corresponding to λ 1 , λ 2 , λ 3 , respectively. In the above example, if the required quantum efficiency is η(λ i ), then the area ratio is A(λ 1 )/A tpt ≒eη(λ 1 )1/1−R(λ 1 ) A(λ 2 )/A tpt ≒eη(λ 2 )1/1−R(λ 2 ) A(λ 3 )/A tpt ≒eη(λ 3 )1/1−R(λ 3 ) and A(λ 1 )+A( By selecting λ 2 )+A(λ 3 )=A tpt and selecting the position of the bonding surface so that x i =1/α i (λ i ), the specific λ 1 , λ 2 , λ 3 can be In principle, a diode with wavelength-sensitive light receiving sensitivity is possible. The distance between the p + n + junction plane and the device surface in Figure 3c varies with a function determined by the relationship between any given quantum efficiency η and wavelength λ, and the quantum efficiency η It also depends on other parameters that influence, e.g. A(λ), R(λ). Here R(λ) is the reflectance. Conversely, ideally, the light receiving sensitivity can be adjusted by adjusting the depth of the pn junction for a given η(λ). From equation (5), which ignores the term determined by the recombination rate U(x(λ)), the maximum value of quantum efficiency for monochromatic light irradiation is α=1/x= 1/δ and for the conditions of A(λ)=A tpt . Even this maximum η is always smaller than 1. That is, η nax =1/e. However, the desired sensitivity (A/
W). However, in practice, a constant width of the depletion layer should be considered in the pn junction, and a stepped junction cannot be obtained on both sides of the depletion layer. Furthermore, in addition to the carriers generated within the depletion layer, a considerable number of minority carriers also flow in through diffusion, and p
are concentrated in the type and n-type regions. This leads to increased sensitivity for a given wavelength, but with a significant decrease in wavelength-sensitive selectivity, given the quantum efficiency η and the wavelength λ
The reproducibility of the relationship becomes worse. FIG. 4 shows an example of the required functions of η and λ, with the maximum values η nax and λ on the vertical axis and λ on the horizontal axis, respectively.
Normalized to λ nax . The required wavelength response of η with three sensitivity peaks as shown in Figure 4 is such that i=
A rough approximation can be made by three steps: 1, 2, and 3. The maximum depth x inax of the depletion layer for detecting the wavelength λ i corresponds to the maximum penetration depth of the photon energy hν i , and the width of the depletion layer is similarly determined by Δλ i . Ru. The pin diode is a convenient structure because the thickness of the depletion layer can be matched to the η-λ curve by appropriately selecting the thickness of the i region. If the p + region and n + region are doped to a sufficiently high impurity density, there is very little depletion region penetrating into the p + and n + region other than the n - region at a diffusion potential or an appropriate reverse bias voltage. . However, as the receiving wavelength becomes longer, the diffusion distance of minority carriers becomes a problem, and minority carriers generated within the diffusion distance of minority carriers from the edge of the depletion layer in the p + and n + regions also affect the quantum efficiency of the device. . In particular, as the receiving wavelength becomes longer, the wavelength response of the quantum efficiency of a pin diode, which is designed to have a sharp quantum efficiency only at a specific wavelength, becomes wider. This is due to the following reasons. The surface of the pin diode is
If we consider the case where light enters from the p side perpendicular to the junction surface of the device, the longer the wavelength of the light, the deeper the penetration distance. This is because the number of holes generated within the diffusion distance increases, and these holes increase the quantum efficiency near the wavelength λ. Therefore, in the case of the pin diode mentioned above, the depletion layer width is
x inax , and the practical limit for the depletion layer thickness W i is W i = x inax (1-1/ e) It is expressed by the formula: x inax is exactly the distance from the device surface to the in-junction interface. The reason why the width W i of the depletion layer was selected as shown in the above formula is as follows.
This is because while x inax is the penetration distance of λ i , the light of λ i is most effectively and sensitively absorbed in the range from the distance x inax /e to the position of x inax . For spectral sensitivity characteristics (η-λ curves) having different maximum values η i , the area ratio A
(λ i )/A tpt must be considered. In the example of FIG. 2, the absorption coefficient α varies within the order of one and a half digits in the visible light range. The probability of carrier occurrence G(x) due to light is proportional to the absorption coefficient α, and the recombination rate U(x) is determined experimentally.
is a valid value reduced by . The wavelength-dependent reflectance R(λ) could similarly be incorporated into the area ratio A(λ i )/A tpt according to equation (5). Finally, it is possible to incorporate into the area A(λ i ) of each divided device the terms that affect the quantum efficiency for all specific wavelengths λ i other than the diffusion of minority carriers. be. By applying this very simple concept, we can design a device that considers the three spectral responses shown in Figure 5 a, b, and c, and furthermore, from the superposition of these results, we can determine the necessary spectral sensitivity characteristics. This means that it is possible to design a device that has a light-receiving sensitivity that is tailored to the user's needs. As an example, in the case of an n-channel normally-on SIT operated with reverse bias, the potential of the p + gate region biased to a certain operating point with respect to the drain n + region is determined by the change in incident light. The potential of the channel at the intrinsic gate point is controlled by the gate potential and, in part, by the drain voltage due to the effect of electrostatic induction, which is the operating principle of SIT. Therefore, light will only indirectly affect potential barrier control through gate potential changes. The photoexcited hole is p +
The potential well of the gate is accumulated at the deepest point, but in order to effectively modulate the multiple carrier (electron) current flowing in the channel by photodetection, the deepest point of the potential well of the gate must be It is better to be located closest to the channel. FIG. 5a shows a cross-sectional structure of a photodetector according to the invention having wavelength selectivity. The central part has an n + buried layer 51 as a drain region.
A SIT is arranged, and the n + buried layer 51 is shaped to rise toward the source 64 in the channel portion so that the effective SIT channel 57 is shortened. The n + regions 52 and 53 are both formed by diffusion from the buried layer 50 to define the thickness of the high resistance n - (p - , i) layers 55 and 56, respectively, and are connected to the gate of the SIT. The area is also formed from three areas 58a, 58b, and 58c. p + region 58a is SIT's n + source 64
It is a region for controlling the current between the n + drains 51 and 50, and at the same time, the wavelength is, for example,
It plays a role as a light-receiving part for relatively long wavelengths around 660 nm. On the other hand, p region 58b is electrically connected to p + gate region 58a, but
It serves as a light-receiving part for green light with a shorter wavelength, for example around 550 nm. Furthermore, the p region 58c
Although it is electrically connected to the p + region 58a and the p region 58b and is part of the gate of the SIT, it can also serve as a light-receiving portion for blue light with a shorter wavelength, for example, around 450 nm. n + area 52
is a region for limiting the thickness of the high resistance n - layer 55, and includes the p region 58b, the n - region 55, and the n + region 5.
The desired wavelength selectivity is achieved by controlling the width of the high resistance layer of the pin diode. At the same time, the thickness of high resistance n - layer 56 is also limited by n + region 53. Wavelength as an example
Table 1 below shows the dimensions of each region when selective light-receiving sensitivity is provided for the three wavelengths of 460 nm, 550 nm, and 660 nm.
【表】
ここで
xinaxはSi層表面よりn-(p-,i)n+接合界面ま
での距離
Wiはn-(p-,i)n+接合面より表面側へ広がつ
た空乏層の厚さを示し、Wi=xinax(1−
1/e)で設計している。
xjp + naxはp型拡散層の接合深さ
−xjn+はn+層52,53のせり上がりの寸法を
示している。
第5図aにおいて61はp+ポリシリコン層も
しくは透明電極で形成されたゲート電極であり、
p型領域58a,58b,58cに接続されてい
る。62は異方性エツチ等の工程で形成されたV
字型溝であり、分離領域となつている。63は
SiO2膜、64はn+ソース拡散領域、65はn+ポ
リシリコンで形成されたソース電極、66は
PSGもしくはCVDSiO2等の絶縁膜、67はAl電
極でソース電極65とコンタクトがとられてい
る。
第5図bはSi面に平行な面で上記領域58a,
58b,58cの部分を切つた面内における正孔
に対する電位分布を示している。白丸(〇)が正
孔を示し、矢印は正孔の動く方向を示している。
同じp領域内で不純物密度に差をつけ、58aの
p領域を最も高不純物密度に選び、しだいに58
b,58cと不純物密度を下げることで、p+領
域58aは、光によつて励起された正孔が最も蓄
積されやすい場所となつている。第5図cはa図
の平面図を示す。n+ソース領域64は深いp+拡
散領域58aにより完全に囲まれている。p領域
58cの端から、ソース領域64までの距離は、
正孔の拡散距離以下の寸法に選ばれている。
ゲート58a,58b,58cと高抵抗層5
4,55,56及びn+層50,52,53から
なるpinダイオードの各部分の不純物密度分布を
第6図に示す。アクセプタ不純物密度分布(NA)
を実線で、ドナー不純物密度分布(ND)を点線
で示す。n+領域50,52,53及び表面P領
域58a,58b,58cの両方の部分は、第6
図に従つて選択拡散技術を用いて形成することが
できる。第6図において、縦軸は対数スケールの
不純物密度log|N|を示し、横軸は、規格化さ
れた縦方向の寸法(拡散深さ)x/x0を示してい
る。ここで規格化定数x0としては、要求されたη
−λ曲線において、いくつかの量子効率の極大値
を示す波長のうち、最も長い波長に対応した光の
侵入深さx=1/α(x)=x0を選んである。この深
さx0は丁度、最も深い空乏層の広がりの境界に対
応している。NA1,NA2,NA3はそれぞれp型拡
散領域58a,58b,58cの不純物密度分布
に対応し、ND1,ND2,ND3はそれぞれn型領域5
0,52,53の不純物密度分布に対応してい
る。
第5図に示した波長選択性を有するSIT光検出
器は、一例としてSi材料を用いて以下のような製
造工程で形成することができる(第7図a〜i工
程参照)。基板としてはn+基板もしくはp基板が
選ばれる。しかるに、p基板を用いた方がp基板
70上に高濃度のn+埋め込み層71を形成する
ことで、光の侵入距離の深い近赤外光によつて発
生した正孔をこのn+層71が吸収するため都合
が良い。従つて、埋め込み層71を持つ構造を導
入すれば、通常用いられる赤外カツトフイルタの
代わりとすることができる。第7図a〜iはこの
ようなn+埋め込み層71,74,75a,75
b,75cを有するSIT光検出器の製造工程を示
す。
第7図aはSbもしくはAsの埋め込み層71を
表面に形成したp型Si基板においてSbもしくはAs
ガラスを除去した後、所定の部分に熱酸化膜72
及び保護膜73を形成した断面構造を示す。熱酸
化膜72は部分的にイオン注入用のマスクとして
用いられる。第7図bの斜線部分はn+層71へ
pのような比較的拡散速度の速い不純物をイオン
注入した時の不純物密度分布を示す。x=0はSi
表面を示す。それぞれ、第7図aのA−A′線、
B−B′線、C−C′線に対応しており、最も多くの
不純物を添加したい領域では熱酸化膜は完全に除
去されている。第7図bで実線はもともとの背景
としてのAsもしくはSbの不純物分布を示してい
る。A−A′線に沿う面内におけるpのイオン注
入後の不純物密度分布の最大値を示す位置は、
n+埋め込み層71の表面より充分深い位置に形
成した方がよい。これは、その後のエピタキシヤ
ル成長プロセスにおける必要以上なオートドーピ
ングを抑えるためである。SITのチヤネル領域に
最も近く、深いゲート拡散領域81が形成される
予定の部分の熱酸化膜72の上にはイオン注入用
保護膜73が形成されている。B−B′線に沿う
断面の不純物密度分布は、もともとの背景として
のAsもしくはSbの不純物分布と同じである。C
−C′線に沿う断面における不純物密度分布は、熱
酸化膜72を通してかなりのドーズ量のpが、
AsもしくはSbドープされたn+埋め込み層71に
対して注入される様子を示している。比較的拡散
速度の速いp原子のドーズ量と、その後の熱処理
工程の時間を考慮して、オートドーピングによる
高抵抗層78の厚さが制限されるわけである。埋
め込み層71に注入されるpイオン以外のpは絶
縁物中に残つているが、熱酸化膜72、保護膜7
3はその後のエツチングで除去される。従つて、
2枚のマスク工程を用いるだけで、三つの異なつ
たout−diffusion用n+拡散領域が定義されるわけ
である。pのイオン注入の加速エネルギーとドー
ズ量は、その後の工程におけるすべての高温プロ
セスを考慮に入れて設計されたデバイスの縦方向
の寸法から計算することができる。熱酸化膜72
の厚さは第6図に従つて空乏層の厚さの差程度に
選ばれる。選択的に不純物添加されたn+埋め込
み層71は、丁度n-エピタキシヤル層78の下
の有限のn+拡散源として働き、エピタキシヤル
成長とその後のすべての高温プロセス中に再分布
が行なわれる。n+埋め込み層の表面濃度と各々
の添加された不純物の拡散定数及び拡散時間の関
数として再分布は決定される。
第7図cはn-もしくはp-もしくはiの高抵抗
エピタキシヤル層78を成長後熱酸化膜76を形
成した構造である。第7図dはSITのソース及び
深いゲートの拡散用窓を熱酸化膜76に同時形成
した後n+ドープドポリシリコン層77をCVD成
長した後の断面図である(76aは、熱酸化膜7
6に窓をあけた状態を示す)。この工程程はSIT
のゲートとソースを同一マスクで定義するセルフ
アライン工程となつている。第7図eは、n+ド
ープドポリシリコン層77をn+ポリシリコン領
域84のみを残してプラズマチエツチングを行な
い、深いゲート拡散用窓部分のSi面を完全に露出
させた後、酸化性雰囲気中にてボロンのデポジシ
ヨン及びドライブレイ拡散を行なつて、深いゲー
ト拡散領域81を形成した後の断面図である。こ
のとき、同時にソースn+領域83も形成される
ことになる。76bはn+ポリシリコン層84の
酸化された層及びボロンガラス層であつて、76
と同様の熱酸化膜及びボロンガラス層である。8
5はボロン拡散工程で形成されるボロンガラス層
である。
第7図fは、酸化膜76aを選択的に除去した
後、レジスト層79を保護マスクとして第一回目
のボロンのイオン注入を行なつた後の断面図であ
る。領域80がイオン注入された部分でる。次に
レジスト層79を除去し、ゲート領域へのドーピ
ングを完全に行なうために第二回目のボロンのイ
オン注入を行なう(第7図g)。この第二回目の
イオン注入は、短波長受光感度を持たせるべき、
最も浅い拡散領域82を形成するためのものであ
り、既に拡散された深い拡散領域81及び、第一
回目のボロンのイオン注入によつて形成されたp
領域80内にはともに同じドーズ量の第二回目の
ボロン注入層が同時に形成されている。次に非酸
化性雰囲気中において最終的な高温プロセスとし
ての熱処理を行なつて、イオン注入によつて生じ
た結晶欠陥等のダメージを除去し、デバイス内に
最終的な不純物分布を形成する。次に第7図hに
示されるように、p+ゲート領域81及びp領域
80、及び浅い拡散領域82への電極となるp+
ポリシリコン層86をCVD成長を行ない、ゲー
ト電極を形成する。このp+ポリシリコン層86
の代わりに、透明度の良いSnO2等の透明電極を
用いてもよい。次に第7図iに示されるように、
プラズマSi3N4膜もしくはPSG−CVD膜等のよう
な透明なパツシベーシヨン用絶縁膜87を全面に
成長した後、ソースポリシリコン電極84へのコ
ンタクト用窓開けを行ない、Al電極88を形成
する。
以上が第5図に示されたSIT光検出器の製造方
法の一例であるが、第7図の工程では分離工程は
省略してある。
第7図の製造工程において、第7図gの第二回
目のイオン注入の後、全面にSi3N4膜、もしくは
SiO2膜を厚さ約400Å〜1000Åの範囲で形成した
後にSnO2等の透明電極を形成して、p+領域81、
p領域80,82上にMISキヤパシタ構造を形成
する工程を挿入すれば、第1図において説明した
ようなゲート蓄積方式のSITイメージセンサも容
易に実現可能である。この場合、n+埋め込み層
74,75a,75b,75cの部分はSITのソ
ース電極となり、n+拡散領域83はSITのドレイ
ンとして働くことになる。このSITイメージセン
サの画素は、特定の波長、例えば、表1のように
各部の寸法を選んだとすれば、波長460nm、
550nm、660nmにおいて選択的な受光感度を有す
るものとなる。
いくつかの特定の波長に対して選択的な感度特
性を持つたSIT光検出器もしくはイメージセンサ
の画素の別の実現方法を第8図a〜dに示す。第
8図の工程では、SITのゲート910(第8図d
参照)を形成する際のボロンのイオン注入のマス
クとして、薄い絶縁膜からしだいに厚い絶縁膜ま
でテーパーのついた絶縁膜900を用いている点
が、特徴となつている。第8図の工程には、選択
的なゲート不純物分布を得るための重要なプロセ
ス部分のみが示されている。第7図で説明した様
な、埋め込み層の不純物分布に関する工程は説明
されていないが、当然のことながら、テーパーの
ついた絶縁膜900を用いる第8図の製造方法と
組み合わせることも可能である。
第8図aについて説明する。n+基板90に対
し、高抵抗エピタキシヤル層91を形成した後、
熱酸化膜93を形成し、ソース部分の窓開けとと
もにソース部分を定義する絶縁膜93を残して、
すべての絶縁膜93を除去した後全面にn+ドー
プドポリシリコン層94を形成する。その後ソー
ス電極となるn+ドープドポリシリコン層94を
残して、全てのn+ドープドポリシリコン層94
を除去した後、全面に厚さ約4500Å程度で、pの
含有率6〜12%のPSG92をCVD成長する。第
8図aからわかるように、SITの受光部分となる
ゲート形成予定部分はすべてPSG膜で覆われて
おり、第7図d,eにおいてはSiO2膜76,7
6aで保護されている点が異なつている。次に、
第8図bに示されるように、SITの深いゲート拡
散領域を形成する予定の部分に対して窓開け95
を行なう。次にPSG膜のリフロー(グラスフロ
ー)のための熱処理を約700℃で行なう。PSG膜
はpの含有率が6%〜12%と高いため、短時間の
リフローによつて第8図cに示すようなテーパー
のついたPSG膜900の部分が形成され、pの
拡散も抑えられている。このリフローされた
PSG膜はボロンのイオン注入もしくは拡散のマ
スクとして用いられる。最終的にボロンのイオン
注入後の熱処理もしくは拡散ドライブ・イン後第
8図dに示されるようなSITのゲート拡散領域9
10及び、n+ドープドポリシリコン94からの
n+ソース拡散領域920が得られる。
第9図Aは、縦軸に対数スケールにて表わした
アクセプタ不純物密度NAをとり、x軸としてデ
バイスの深さ方向の寸法、y軸としてデバイスの
表面に平行な横方向の寸法をとつた三次的な座標
を示し、かつ、第9図Bに示された図面における
三つの異なつたA,B,Cの断面におけるSITの
ゲート部分のアクセプタ不純物密度分布の様子を
示している。同時に第9図Bの図面にはy方向に
おけるポテンシヤル分布の様子も示されている。
これより光によつて励起された正孔が最も蓄積さ
れやすい場所は、SITのチヤネルに近、最も深く
拡散されたp+領域であることがわかる。絶縁膜
のテーパー部分900をマスクとしたイオン注入
による。注入不純物のSi内における分布は、第9
図A,Bの斜線部分にそれぞれ示されている。こ
のSi内に注入された不純物分布は、ドライブ・イ
ン工程によつて第9図の実線a,b,cの如くま
たx−y面内における点線のように再分布が行な
われることになる。他のイオン注入不純物は
PSG膜内に分布しており、除去される。第8図
dに示された如くSITのゲート拡散領域910及
びソース拡散領域920を同時形成後は、第7図
h及びiにおいて説明した工程と同様に行なつて
ゲート電極及びソース電極を形成する。
さらに本発明に係るSIT光検出器もしくはイメ
ージセンサの画素の別の実現方法を第10図に示
す。第10図はSITのゲート拡散領域に対してSi
の選択エツチングの技術を利用する点を特徴とし
ている。この場合、Si基板の面方位はoff−
orientedなものを用いる。これは、p+領域の拡散
深さ、デバイスの大きさ、受光する波長感度に応
じて、調整されたエツチングの角度を実現するた
めである。
第10図aは、第7図c,d,eにおいて説明
したセルフアラインプロセスを用いて、SITのゲ
ート拡散領域103、及びソース拡散領域104
を同時形成後、n+ドープドポリシリコン領域1
06及び、熱酸化膜及びPSG膜からなる絶縁膜
104を残して、全面の絶縁膜を除去した後の断
面図である。
SITのp+ゲート拡散はすべての拡散領域103
にわたつて、非選択的に、一様な不純物拡散とし
て行なわれており、すべての拡散領域103にわ
たつて、高抵抗層102の厚さ及び空乏層の幅を
決定している。第11図A,Bは、第10図に示
したSITのゲート103内の不純物密度分布を示
す。第5図もしくは第7図に示されたようなn+
埋め込み層へ選択的に不純物を添加して、そこか
らの拡散を利用して高抵抗層103の厚さを制御
するようなプロセスは、第10図に示す方法では
必要ではない。次に、第10図bに示すように
p+ドライブイン拡散後、全面酸化を行ない、厚
さ約1000Å程度の下地酸化膜107を形成した後
Si3N4膜108を形成する。これは、酸化膜10
7及びSi3N4膜108をマスクとしてSi面をエツ
チングするための工程である。次に第10図cに
示すように、Si面をエツチングする。マスクの大
きさによつて、エツチングされたV字形溝200
の深さが決定される。V字形溝200は非対称な
形をしている。
発明の効果
本発明の実施例として示した第5図の断面構造
のSIT光検出器によれば、特定の波長として複数
の波長(図示例では三つの波長)に対して選択的
な受光感度を持つた光検出器が実現される。第7
図,第8図,第10図では、このような特定の波
長に対する受光感度を有するSIT光検出器の具体
的な実現方法を述べた。特定の波長として
Green,Rod,Blueの光に各々選択的な受光感度
を持つSITイメージセンサの画素を設計して、そ
れら37の画素を一まとめとする方法でX−Yア
ドレス方式のイメージセンサが実現されるわけで
ある。従来、SITのゲートの拡散深さを浅くする
ことで青感度を上昇させる工夫はなされていた
が、本発明は単なるゲート拡散深さを浅くするだ
けでは、不充分であり、具体的に空乏層の厚さを
制限すること、そのためにn+基板、もしくはn+
埋め込み層の形状を決定することで高抵抗層の厚
さを決定することを指適し、具体的な寸法の決定
方法を示したものである。さらにこのような概念
を組み合わせることで、いくつかの特定の波長に
対する選択的な受光感度を持つた光検出器の実現
方法を具体的寸法(表1)及び製造方法とともに
開示した。
以上本発明はSiを主体として述べたが、他の材
料を用いて、吸収曲線を考慮した別の波長域にお
いても同様の概念を用いた光検出器もしくは撮像
装置を実現することも可能である。[Table] Here, x inax is the distance from the Si layer surface to the n - (p - , i) n + junction interface W i is the depletion that spreads from the n - (p - , i) n + junction interface to the surface side Indicates the layer thickness, W i = x inax (1−
1/e). x jp + nax represents the junction depth of the p-type diffusion layer, and −x j n + represents the dimension of the rise of the n + layers 52 and 53. In FIG. 5a, 61 is a gate electrode formed of a p + polysilicon layer or a transparent electrode,
It is connected to p-type regions 58a, 58b, and 58c. 62 is a V formed by an anisotropic etching process, etc.
This is a groove shaped like a letter and serves as a separation area. 63 is
SiO 2 film, 64 is an n + source diffusion region, 65 is a source electrode formed of n + polysilicon, 66 is
An insulating film such as PSG or CVDSiO 2 is connected to the source electrode 65 through an Al electrode 67 . FIG. 5b is a plane parallel to the S i plane, and the area 58a,
It shows the potential distribution for holes in a plane cut through portions 58b and 58c. White circles (○) indicate holes, and arrows indicate the direction in which the holes move.
Differentiating the impurity density within the same p region, selecting the p region of 58a as the highest impurity density, and gradually increasing the impurity density to 58a.
By lowering the impurity densities of p + region 58a and p + region 58c, the p + region 58a becomes a place where holes excited by light are most likely to accumulate. Figure 5c shows a plan view of figure a. N + source region 64 is completely surrounded by deep p + diffusion region 58a. The distance from the end of p region 58c to source region 64 is
The dimensions are chosen to be less than the hole diffusion distance. Gates 58a, 58b, 58c and high resistance layer 5
FIG. 6 shows the impurity density distribution in each part of the pin diode consisting of the pin diode 4, 55, 56 and the n + layers 50, 52, 53. Acceptor impurity density distribution ( NA )
is shown by a solid line, and the donor impurity density distribution (N D ) is shown by a dotted line. Both portions of the n + regions 50, 52, 53 and the surface P regions 58a, 58b, 58c are
It can be formed using a selective diffusion technique according to the figure. In FIG. 6, the vertical axis shows the impurity density log|N| on a logarithmic scale, and the horizontal axis shows the normalized vertical dimension (diffusion depth) x/x 0 . Here, as the normalization constant x 0 , the required η
In the −λ curve, the light penetration depth x=1/α(x)=x 0 corresponding to the longest wavelength among several wavelengths showing the maximum value of quantum efficiency is selected. This depth x 0 exactly corresponds to the boundary of the extent of the deepest depletion layer. N A1 , N A2 , N A3 correspond to the impurity density distribution of the p-type diffusion regions 58a, 58b, 58c, respectively, and N D1 , N D2 , N D3 correspond to the impurity density distribution of the n-type region 58, respectively.
This corresponds to impurity density distributions of 0, 52, and 53. The SIT photodetector having wavelength selectivity shown in FIG. 5 can be formed by the following manufacturing process using, for example, S i material (see steps a to i in FIG. 7). As the substrate, an n + substrate or a p substrate is selected. However, if a p-substrate is used, by forming a highly concentrated n + buried layer 71 on the p-substrate 70, holes generated by near-infrared light, which has a long light penetration distance, can be absorbed into this n + layer. It is convenient because 71 absorbs it. Therefore, by introducing a structure having the buried layer 71, it can be used in place of a commonly used infrared cut filter. FIGS. 7a to 7i show such n + buried layers 71, 74, 75a, 75.
75b and 75c show the manufacturing process of a SIT photodetector. Figure 7a shows S b or A s in a p-type Si substrate with a buried layer 71 of S b or A s formed on the surface.
After removing the glass, a thermal oxide film 72 is placed on a predetermined portion.
and a cross-sectional structure in which a protective film 73 is formed. The thermal oxide film 72 is partially used as a mask for ion implantation. The shaded area in FIG. 7b shows the impurity density distribution when an impurity having a relatively fast diffusion rate, such as p, is ion-implanted into the n + layer 71. x=0 is S i
Show the surface. A-A' line in Figure 7a, respectively.
This corresponds to the B-B' line and the C-C' line, and the thermal oxide film is completely removed in the region where it is desired to add the largest amount of impurities. In FIG. 7b , the solid line indicates the impurity distribution of As or S b as the original background. The position showing the maximum value of the impurity density distribution after p ion implantation in the plane along the A-A' line is:
It is better to form it at a position sufficiently deeper than the surface of the n + buried layer 71. This is to suppress unnecessary autodoping in the subsequent epitaxial growth process. An ion implantation protection film 73 is formed on the thermal oxide film 72 in a portion closest to the channel region of the SIT where the deep gate diffusion region 81 is to be formed. The impurity density distribution in the cross section along the line B-B' is the same as the impurity distribution of As or Sb as the original background . C
The impurity density distribution in the cross section along the -C' line shows that a considerable dose of p passes through the thermal oxide film 72.
This figure shows the implantation into an n + buried layer 71 doped with As or S b . The thickness of the high-resistance layer 78 formed by autodoping is limited in consideration of the dose of p atoms, which have a relatively fast diffusion rate, and the time of the subsequent heat treatment process. P ions other than the p ions implanted into the buried layer 71 remain in the insulator, but the thermal oxide film 72 and the protective film 7
3 is removed by subsequent etching. Therefore,
Three different out-diffusion n + diffusion regions are defined using only two mask steps. The acceleration energy and dose of the p ion implantation can be calculated from the longitudinal dimensions of the designed device taking into account all subsequent high temperature processes. Thermal oxide film 72
The thickness of is selected to correspond to the difference in thickness of the depletion layer according to FIG. The selectively doped n + buried layer 71 acts as a finite n + diffusion source just below the n - epitaxial layer 78, where redistribution takes place during epitaxial growth and all subsequent high temperature processes. . The redistribution is determined as a function of the surface concentration of the n + buried layer and the diffusion constant and diffusion time of each doped impurity. FIG. 7c shows a structure in which a thermal oxide film 76 is formed after growing an n- , p- , or i high-resistance epitaxial layer 78. FIG. 7d is a cross-sectional view after simultaneously forming the SIT source and deep gate diffusion windows in the thermal oxide film 76 and then growing the n + doped polysilicon layer 77 by CVD (76a is the thermal oxide film 76). 7
6 shows the state with the window open). This process is SIT
This is a self-alignment process in which the gate and source of the device are defined using the same mask. FIG. 7e shows that the n + doped polysilicon layer 77 is plasma-etched leaving only the n + polysilicon region 84, completely exposing the Si plane in the deep gate diffusion window, and then oxidized. 3 is a cross-sectional view after a deep gate diffusion region 81 is formed by performing boron deposition and dry-bray diffusion in a neutral atmosphere. FIG. At this time, source n + region 83 is also formed at the same time. 76b is an oxidized layer of the n + polysilicon layer 84 and a boron glass layer;
These are the same thermal oxide film and boron glass layer. 8
5 is a boron glass layer formed by a boron diffusion process. FIG. 7f is a cross-sectional view after selectively removing the oxide film 76a and performing the first boron ion implantation using the resist layer 79 as a protective mask. Region 80 is the ion-implanted part. Next, the resist layer 79 is removed and a second boron ion implantation is performed to completely dope the gate region (FIG. 7g). This second ion implantation should have short wavelength light receiving sensitivity.
This is for forming the shallowest diffusion region 82, and is intended to cover the deep diffusion region 81 that has already been diffused and the p region formed by the first boron ion implantation.
A second boron implantation layer with the same dose is simultaneously formed in region 80. Next, heat treatment as a final high-temperature process is performed in a non-oxidizing atmosphere to remove damage such as crystal defects caused by ion implantation and form a final impurity distribution within the device. Next, as shown in FIG. 7h, the p + gate region 81, the p region 80, and the p +
A polysilicon layer 86 is grown by CVD to form a gate electrode. This p + polysilicon layer 86
Instead, a transparent electrode such as SnO 2 with good transparency may be used. Next, as shown in Figure 7i,
After a transparent passivation insulating film 87 such as a plasma Si 3 N 4 film or a PSG-CVD film is grown over the entire surface, a window for contacting the source polysilicon electrode 84 is opened, and an Al electrode 88 is formed. The above is an example of the method for manufacturing the SIT photodetector shown in FIG. 5, but the separation step is omitted in the steps shown in FIG. In the manufacturing process shown in Figure 7, after the second ion implantation shown in Figure 7g, a Si 3 N 4 film or
After forming a SiO 2 film with a thickness of approximately 400 Å to 1000 Å, a transparent electrode such as SnO 2 is formed to cover the p + region 81,
By inserting a step of forming a MIS capacitor structure on p regions 80 and 82, a gate accumulation type SIT image sensor as explained in FIG. 1 can be easily realized. In this case, the n + buried layers 74, 75a, 75b, and 75c will serve as the source electrode of the SIT, and the n + diffusion region 83 will serve as the drain of the SIT. The pixels of this SIT image sensor have a specific wavelength, for example, if the dimensions of each part are selected as shown in Table 1, the wavelength is 460 nm,
It has selective light receiving sensitivity at 550 nm and 660 nm. Another method of implementing a pixel of a SIT photodetector or image sensor with selective sensitivity characteristics for some specific wavelengths is shown in FIGS. 8a-d. In the process of FIG. 8, the SIT gate 910 (FIG. 8 d)
The feature is that an insulating film 900 tapered from a thin insulating film to a gradually thicker insulating film is used as a mask for boron ion implantation when forming the insulating film. In the step of FIG. 8, only important process parts for obtaining a selective gate impurity distribution are shown. Although the process related to the impurity distribution in the buried layer as explained in FIG. 7 is not explained, it is of course possible to combine it with the manufacturing method shown in FIG. 8 using the tapered insulating film 900. . FIG. 8a will be explained. After forming a high resistance epitaxial layer 91 on the n + substrate 90,
A thermal oxide film 93 is formed, a window is opened in the source part, and an insulating film 93 that defines the source part is left.
After removing all the insulating films 93, an n + doped polysilicon layer 94 is formed on the entire surface. After that, all the n + doped polysilicon layers 94 are removed, except for the n + doped polysilicon layer 94 that becomes the source electrode.
After removing, PSG92 with a p content of 6 to 12% is grown on the entire surface by CVD to a thickness of about 4500 Å. As can be seen from FIG. 8a, the area where the gate is to be formed, which will be the light receiving area of the SIT, is entirely covered with a PSG film, and in FIGS. 7d and e, SiO 2 films 76, 7
The difference is that it is protected by 6a. next,
As shown in FIG. 8b, a window 95 is opened in the area where the deep gate diffusion region of the SIT is to be formed.
Do this. Next, heat treatment for reflow (glass flow) of the PSG film is performed at approximately 700°C. Since the PSG film has a high p content of 6% to 12%, a tapered portion of the PSG film 900 as shown in Figure 8c is formed by short reflow, which also suppresses p diffusion. It is being This reflowed
The PSG film is used as a mask for boron ion implantation or diffusion. Finally, after the boron ion implantation heat treatment or diffusion drive-in, the gate diffusion region 9 of the SIT as shown in Figure 8d.
10 and n + doped polysilicon 94
An n + source diffusion region 920 is obtained. In Figure 9A, the vertical axis is the acceptor impurity density N A expressed on a logarithmic scale, the x-axis is the dimension in the depth direction of the device, and the y-axis is the dimension in the lateral direction parallel to the surface of the device. It shows tertiary coordinates and the acceptor impurity density distribution in the gate portion of the SIT in three different cross sections A, B, and C in the drawing shown in FIG. 9B. At the same time, the diagram of FIG. 9B also shows the potential distribution in the y direction.
This shows that the place where holes excited by light are most likely to accumulate is the p + region, which is closest to the SIT channel and is most deeply diffused. Ion implantation is performed using the tapered portion 900 of the insulating film as a mask. The distribution of implanted impurities in S i is
These are shown in the shaded areas of Figures A and B, respectively. The impurity distribution implanted into S i is redistributed by the drive-in process as shown by the solid lines a, b, and c in Figure 9, and as shown by the dotted line in the x-y plane. . Other ion implanted impurities are
Distributed within the PSG film and removed. After simultaneously forming the gate diffusion region 910 and source diffusion region 920 of the SIT as shown in FIG. 8d, the gate electrode and source electrode are formed by performing the same steps as described in FIG. 7h and i. . Furthermore, another method of realizing pixels of the SIT photodetector or image sensor according to the present invention is shown in FIG. Figure 10 shows S i
It is characterized by the use of selective etching technology. In this case, the plane orientation of the Si substrate is off-
Use oriented ones. This is to achieve an etching angle that is adjusted depending on the diffusion depth of the p + region, the size of the device, and the sensitivity of the receiving wavelength. FIG. 10a shows the SIT gate diffusion region 103 and source diffusion region 104 formed using the self-alignment process explained in FIGS. 7c, d, and e.
After simultaneous formation of n + doped polysilicon region 1
06 and a cross-sectional view after removing the entire insulating film, leaving an insulating film 104 made of a thermal oxide film and a PSG film. The SIT p + gate diffusion covers all diffusion regions 103
Impurity diffusion is performed non-selectively and uniformly over the entire region, and determines the thickness of the high-resistance layer 102 and the width of the depletion layer over all the diffusion regions 103. 11A and 11B show the impurity density distribution within the gate 103 of the SIT shown in FIG. 10. n + as shown in Figure 5 or Figure 7
The method shown in FIG. 10 does not require a process in which the thickness of the high-resistance layer 103 is controlled by selectively doping impurities into the buried layer and utilizing diffusion from the impurities. Next, as shown in Figure 10b,
After p + drive-in diffusion, the entire surface is oxidized to form a base oxide film 107 with a thickness of approximately 1000 Å.
A Si 3 N 4 film 108 is formed. This is the oxide film 10
7 and the Si 3 N 4 film 108 as a mask to etch the Si surface. Next, as shown in FIG. 10c, the S i surface is etched. Depending on the size of the mask, an etched V-shaped groove 200
The depth of is determined. V-shaped groove 200 has an asymmetrical shape. Effects of the Invention According to the SIT photodetector having the cross-sectional structure shown in FIG. A photodetector with the same characteristics is realized. 7th
, 8 and 10, a specific method for realizing a SIT photodetector having light receiving sensitivity for such a specific wavelength has been described. as a specific wavelength
An X-Y address type image sensor is realized by designing pixels of a SIT image sensor that have selective light-receiving sensitivities for green, rod, and blue light, and combining those 37 pixels into one. It is. Conventionally, attempts have been made to increase the blue sensitivity by shallowing the diffusion depth of the gate of SIT, but in the present invention, simply decreasing the gate diffusion depth is insufficient, and specifically improves the depletion layer. limiting the thickness of the n + substrate, or n +
This paper explains how to determine the thickness of the high-resistance layer by determining the shape of the buried layer, and shows a specific method for determining the dimensions. Furthermore, by combining such concepts, a method for realizing a photodetector having selective light-receiving sensitivity for several specific wavelengths was disclosed, along with specific dimensions (Table 1) and a manufacturing method. Although the present invention has been described above mainly using Si , it is also possible to realize a photodetector or imaging device using the same concept in other wavelength ranges by taking absorption curves into consideration. be.
第1図a,bは、従来々としてのゲート蓄積方
式によるSIT光検出器、もしくはイメージセンサ
を示し、aは画素の回路構成方法とb断面デバイ
ス構造の説明図である。第2図は、本発明を説明
するための特性図であり、Siの300Kにおける光
の吸収係数α及び侵入距離xと波長λもしくは光
量子エネルギーFph(eV)の関係を示す。第3図
は、本発明の原理を説明するための概念図であ
り、aはゲートダイオードの並列回路、bは侵入
距離と波長との模式図、cはゲートダイオードの
構造の一例である。第4図は、波長λ1,λ2,λ3に
おいてピーク値を持つ量子効率の曲線の一例であ
り、本発明の原理を説明するための図である。第
5図は、本発明の実施例を示し、aは断面構造
図、bはゲート内の電位分布とキヤリアの動きを
示す説明図、cは平面図を示す。第6図は、第5
図に示したSITのゲートのpinダイオード部分の
不純物密度分布の関係を示す。第7図a〜iは、
第5図に示した本発明の1実施例の製造方法の一
例を示す。第8図a,b,c,dは、第5図の構
造とは異なる本発明の別の実施例の具体的な製造
方法の工程を示す。第9図A,Bは、第8図に示
したSITのゲート910内の不純物密度分布の様
子を説明するための図である。第10図a,b,
cは、第5図,第8図の構造とは異なる本発明の
別の実施例を具体的な製造方法とともに示す。第
11図a,bは、第10図に示したSITのゲート
103内の不純物密度分布の様子を説明するため
の図である。
50,51,52,53,71,74,75
a,75b,75c,90,101…n+基板も
しくはn+埋め込み層、70…pもしくはp-基板、
54,55,56,57,78,91,102…
n-もしくはp-もしくはiの高抵抗エピタキシヤ
ル層、58a,58b,58c,81,80,8
2,910,103…SITのゲート領域、61,
86…p+ポリシリコン電極もしくは透明電極、
62…分離領域(絶縁物)、63…熱酸化膜、6
4…n+ソース拡散領域、65…n+ポリシリコン
層(ソース)、67…Al電型(ソース)、66…
PSG、もしくはCVDSiO2膜、900…テーパー
のついたPSG膜部分、73…イオン注入用保護
膜(レジスト)、85,95…ゲート拡散窓、1
08…Si3N4膜。
FIGS. 1A and 1B show a conventional SIT photodetector or image sensor using a gate accumulation method, and FIG. FIG. 2 is a characteristic diagram for explaining the present invention, showing the relationship between the light absorption coefficient α and penetration distance x of S i at 300K and the wavelength λ or photon energy Fph (eV). FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the principle of the present invention, in which a is a parallel circuit of gated diodes, b is a schematic diagram of penetration distance and wavelength, and c is an example of the structure of a gated diode. FIG. 4 is an example of a quantum efficiency curve having peak values at wavelengths λ 1 , λ 2 , and λ 3 , and is a diagram for explaining the principle of the present invention. FIG. 5 shows an embodiment of the present invention, in which a is a cross-sectional structural diagram, b is an explanatory diagram showing the potential distribution and carrier movement within the gate, and c is a plan view. Figure 6 shows the fifth
The relationship between the impurity density distribution in the pin diode part of the gate of the SIT shown in the figure is shown. Figure 7 a to i are
An example of a manufacturing method of one embodiment of the present invention shown in FIG. 5 is shown. 8a, b, c, and d show steps of a specific manufacturing method of another embodiment of the present invention different from the structure shown in FIG. 5. FIG. 9A and 9B are diagrams for explaining the impurity density distribution within the gate 910 of the SIT shown in FIG. 8. Figure 10 a, b,
8c shows another embodiment of the present invention, which is different from the structure shown in FIGS. 5 and 8, together with a specific manufacturing method. FIGS. 11a and 11b are diagrams for explaining the impurity density distribution within the gate 103 of the SIT shown in FIG. 10. 50, 51, 52, 53, 71, 74, 75
a, 75b, 75c, 90, 101...n + substrate or n + buried layer, 70...p or p - substrate,
54, 55, 56, 57, 78, 91, 102...
n - or p - or i high resistance epitaxial layers, 58a, 58b, 58c, 81, 80, 8
2,910,103...SIT gate region, 61,
86...p + polysilicon electrode or transparent electrode,
62... Isolation region (insulator), 63... Thermal oxide film, 6
4...n + source diffusion region, 65...n + polysilicon layer (source), 67...Al type (source), 66...
PSG or CVDSiO 2 film, 900... Tapered PSG film portion, 73... Protective film for ion implantation (resist), 85, 95... Gate diffusion window, 1
08...Si 3 N 4 film.
Claims (1)
いて、ゲート部分を構成するP+領域と基板との
間の高低抗層i層の厚さに対する制限を与える
n+埋め込み層を設け、該n+埋め込み層をドレイ
ンもしくはソース領域とする光検出器を構成し、
該光検出器の表面に照射される光波長λiとし、そ
の吸収係数αi(λi)とし、Pin階段接合のin接合と
表面との距離xiとした場合、 Xi=1/αi(λi)であり、 前記特定波長λiを選択的に受光するゲート部分の
面積A(λi)とゲート全体の面積Atptとの比は、 A(λi)/Atpt=eη(λi)1/1−R(λi) ただし、 e:2.718 η(λi):波長λiに対して要求される量子効率 R(λi):波長λiに対する反射係数 空乏層の厚さWi、及び特定波長λiを検出する空乏
層の最大深さXinaxは、 Wi=Xinax(1−1/e) Xinax=1/αi(λi) なる如く選定し、特定の波長λiに対する選択的な
受光特性を有することを特徴とする静電誘導トラ
ンジスタよりなる光検出装置。 2 幾つかの複数の特定波長をλ1,λ2,λ3とした
場合、前記A(λi)//Atptは、 A(λ1)/Atpt=eη(λ1)・1/1−R(λ1) A(λ2)/Atpt=eη(λ2)・1/1−R(λ2) A(λ3)/Atpt=eη(λ3)・1/1−R(λ3) Atpt=A(λ1)+A(λ2)+A(λ3) なる如くなし、任意の要求される分光感度特性に
対して、受光部分としてのゲート構造に、分光感
度特性に合致した受光感度を持たせたことを特徴
とする前記特許請求の範囲第1項記載の静電誘導
トランジスタよりなる光検出装置。 3 所定の導電型の半導体基板を準備する工程、
該基板上に埋め込み層71を形成する工程、 前記埋め込み層71の不純物を除去した後、所
定の部分に熱酸化膜72及び保護膜73を形成す
る工程、 前記保護膜73を部分的にマスクとしてイオン
注入する工程、 前記熱酸化膜72、保護膜73をエツチングに
より除去しした後高抵抗層78をエピタキシヤル
法により成長せしめ表面上に熱酸化膜76を形成
する工程、 前記熱酸化膜76上にソース、ゲートの拡散用
窓を形成し、n+ドープドポリシリコン層77を
CVD成長する工程、 n+ドープドポリシリコン層77のうち、後の
工程によりソース領域となるべき部分のn+ポリ
シリコン領域84のみを残してプラズマエツチン
グを行ない、深いゲート拡散用窓部分の半導体面
を完全に露出させた後、酸化性雰囲気中にてボロ
ンのデポジシヨン及びドライブイン拡散を行ない
深いゲート拡散領域81を形成すると同時にソー
ス領域83を形成する工程、 熱酸化膜76を選択的に除去した後、レジスト
層79を保護マスクとして第1回目のボロンのイ
オン注入を行なう工程、 前記レジスト層79を除去し、第2回目のボロ
ンのイオン注入を行ないゲート領域のドーピング
を完全にする工程、 次にゲート領域上にP+ポリシリコン層又は酸
化錫層86をCVD成長させゲート電極を形成す
る工程、を具えたことを特徴とする静電誘導トラ
ンジスタより成る光検出装置の製造方法。 4 前記特許請求の範囲第3項の方法において、
前記第2回目のボロンのイオン注入の後、全面に
Si3N4膜、もしくはSiO2膜を厚さ約400Å〜1000
Åの範囲で形成する工程、を付加したことを特徴
とする静電誘導トランジスタによるイメージセン
サの製造方法。 5 所定の導電型n+基板に対して高抵坑エピタ
キシヤル層91を形成する工程、 前記高抵坑エピタキシヤル層91上に熱酸化膜
93を形成し、ソース部分の窓開けを行ない同時
にソース部分を定義する絶縁膜93を残してすべ
ての絶縁膜93を除去する工程、 前記処理された全面にn+ドープドポリシリコ
ン層94を形成する工程、 ソース電極となるn+ドープドポリシリコン層
94を残してすべてのn+ドープドポリシリコン
層94を除去した後全面にPSG膜92をCVD成
長する工程、 次に深いゲート拡散領域を形成する予定部分に
対して前記PSG膜92に窓開けを行なう工程、 前記PSG膜92のリフローのため熱処理を行
ない、テーパーのついたPSG膜900を形成す
る工程、 前記リフローされたPSG膜をマスクとしてボ
ロンのイオン注入後熱処理もしくはドランブイン
を行なう工程、 を具えることを特徴とする静電誘導トランジスタ
より成る光検出装置の製造方法。[Claims] 1. In a photodetector made of an electrostatic induction transistor, a limit is imposed on the thickness of the high-low layer i layer between the P + region constituting the gate portion and the substrate.
An n + buried layer is provided, and a photodetector is configured using the n + buried layer as a drain or source region,
When the wavelength of the light irradiated onto the surface of the photodetector is λ i , its absorption coefficient α i (λ i ), and the distance between the in junction of the pin step junction and the surface is x i , then X i =1/α i (λ i ), and the ratio of the area A (λ i ) of the gate portion that selectively receives the specific wavelength λ i and the area A tpt of the entire gate is A (λ i )/A tpt = eη (λ i )1/1−R(λ i ) where e: 2.718 η (λ i ): quantum efficiency required for wavelength λ i R (λ i ): reflection coefficient of depletion layer for wavelength λ i The thickness W i and the maximum depth X inax of the depletion layer for detecting the specific wavelength λ i are selected as follows: Wi = X inax (1-1/e) X inax = 1/α i (λ i ) , a photodetecting device comprising a static induction transistor, characterized in that it has selective light-receiving characteristics for a specific wavelength λ i . 2 When several specific wavelengths are λ 1 , λ 2 , λ 3 , the above A(λ i )//A tpt is A(λ 1 )/A tpt = eη(λ 1 )・1/ 1-R(λ 1 ) A(λ 2 )/A tpt = eη(λ 2 )・1/1− R(λ 2 ) A(λ 3 )/A tpt = eη(λ 3 )・1/1− R (λ 3 ) A tpt = A (λ 1 ) + A (λ 2 ) + A (λ 3 ) For any required spectral sensitivity characteristic, the spectral sensitivity characteristic is determined by the gate structure as the light receiving part. A photodetecting device comprising an electrostatic induction transistor according to claim 1, characterized in that the photodetecting device has a light-receiving sensitivity matching the above. 3. A step of preparing a semiconductor substrate of a predetermined conductivity type,
a step of forming a buried layer 71 on the substrate; a step of forming a thermal oxide film 72 and a protective film 73 on predetermined portions after removing impurities from the buried layer 71; a step of partially using the protective film 73 as a mask; a step of implanting ions, a step of removing the thermal oxide film 72 and the protective film 73 by etching, and then growing a high resistance layer 78 by an epitaxial method to form a thermal oxide film 76 on the surface; Diffusion windows for the source and gate are formed in the N + doped polysilicon layer 77.
During the CVD growth process, plasma etching is performed to leave only the n + polysilicon region 84 of the n + doped polysilicon layer 77, which is to become a source region in a later step, to form a semiconductor layer in the deep gate diffusion window region. After completely exposing the surface, boron deposition and drive-in diffusion are performed in an oxidizing atmosphere to form a deep gate diffusion region 81 and at the same time a source region 83, and the thermal oxide film 76 is selectively removed. After that, a step of performing a first boron ion implantation using the resist layer 79 as a protective mask, a step of removing the resist layer 79 and performing a second boron ion implantation to completely dope the gate region. A method for manufacturing a photodetecting device comprising a static induction transistor, comprising the step of: next growing a P + polysilicon layer or a tin oxide layer 86 by CVD on the gate region to form a gate electrode. 4. In the method according to claim 3,
After the second boron ion implantation, the entire surface is
Si 3 N 4 film or SiO 2 film with a thickness of approximately 400 Å to 1000
A method for manufacturing an image sensor using a static induction transistor, characterized by adding a step of forming the image sensor within a range of . 5. Forming a high resistance epitaxial layer 91 on a predetermined conductivity type n + substrate, forming a thermal oxide film 93 on the high resistance epitaxial layer 91, opening a window in the source portion, and simultaneously forming a source A step of removing all the insulating film 93 except for the insulating film 93 that defines the part, a step of forming an n + doped polysilicon layer 94 on the entire surface of the treated surface, an n + doped polysilicon layer that will become a source electrode. After removing all the n + doped polysilicon layers 94 except 94, a PSG film 92 is grown by CVD on the entire surface, and then a window is opened in the PSG film 92 in the area where a deep gate diffusion region is to be formed. A step of performing heat treatment for reflowing the PSG film 92 to form a tapered PSG film 900. A step of performing heat treatment or drive-in after boron ion implantation using the reflowed PSG film as a mask. 1. A method of manufacturing a photodetecting device comprising an electrostatic induction transistor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58249545A JPS60143677A (en) | 1983-12-29 | 1983-12-29 | Photo detective device and manufacture thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58249545A JPS60143677A (en) | 1983-12-29 | 1983-12-29 | Photo detective device and manufacture thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60143677A JPS60143677A (en) | 1985-07-29 |
| JPH051632B2 true JPH051632B2 (en) | 1993-01-08 |
Family
ID=17194581
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58249545A Granted JPS60143677A (en) | 1983-12-29 | 1983-12-29 | Photo detective device and manufacture thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60143677A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2578600B2 (en) * | 1987-04-28 | 1997-02-05 | オリンパス光学工業株式会社 | Semiconductor device |
-
1983
- 1983-12-29 JP JP58249545A patent/JPS60143677A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60143677A (en) | 1985-07-29 |
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