CN101057332A - 背面照射型摄像元件 - Google Patents

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Abstract

一种背面照射型摄像元件，背面照射型摄像元件(1)具备多个电荷阻止区域(19)，其设置在表面(12)侧并被CCD型电荷传送路(21)埋入，沿CCD型电荷传送路(21)延伸的第一部分(19a)的从表面(12)测量的第一厚度T1大于沿通道终止部(20)延伸的第二部分(19b)的第一厚度T2。

Description

背面照射型摄像元件
技术领域
本发明涉及背面照射型摄像元件。特别是本发明涉及适合于在显微镜和电子显微镜的高速摄影这样科学技术的领域，以计量用途的超高速进行超高灵敏度摄影的背面照射型摄像元件。
背景技术
从与配置了芯片电极等的面(表面)相反侧的面(背面)射入可见光等射入线的背面照射型摄像元件被知晓(参照专利文献1)。该背面照射型摄像元件把各像素的变换部(例如在射入线是可见光的情况下是光电变换部)设置在芯片的背面侧，把A/D变换器和信号积蓄部这样对信号电荷进行某种处理的部分(电荷处理部)设置在芯片的表面侧。
由于背面照射型摄像元件能得到接近100％的开口率，所以能实现非常高的灵敏度。因此，在天文学、电子显微镜领域等需要高灵敏度的用途中多使用背面照射型摄像元件。且具有高灵敏度的背面照射型摄像元件也适合于每一张图像的曝光时间短的高速摄影。
本发明者们开发了在像素内或其近旁具备直线状信号积蓄部的像素周边记录型摄像元件(In-situ Storage Image Sensor：ISIS)(例如参照专利文献2、非专利文献1和非专利文献2)。且本发明者们开发了适用该像素周边记录型摄像元件原理的背面照射型摄像元件(参照专利文献3)。
图30和图31表示像素周边记录型的背面照射型摄像元件。在背面照射型摄像元件201的射入面(背面)202上二维排列有多个像素203。图30为了简单化而仅表示了12个(4行×3列)像素203，但像素203的行数和列数分别是2以上便可。且图30为了简单化而没表示后述的光电变换层205和电荷收集层206。
如图31所示，在芯片204的射入面202侧设置有p-型光电变换层205。与光电变换层205的表面208侧邻接而设置有n-型电荷收集层206。而且在各个像素203的每个表面208侧设置有n型的输入区域209。在每个像素203上设置了从电荷收集层206向输入区域209延伸的n-型电荷累积部207。
图30中向斜下方延伸的信号记录用CCD211与各个输入区域209连接。在图中各输入区域209的每列上各设置有一根向垂直方向(列方向)延伸的CCD(垂直读出用CCD212)。且与各垂直读出用CCD212邻接而设置有漏极线227。而且设置了在图中向水平方向(行方向)延伸的CCD(水平读出用CCD125)。
信号记录用CCD211和垂直读出用CCD212被埋入在设置于芯片204表面侧的p型电荷阻止区域213内。该电荷阻止区域213的p型杂质浓度分布是一定的。且如图31中符号T所示那样，从芯片204的表面208侧测量的电荷阻止区域213的厚度是一定的。在邻接的两个信号记录用CCD211之间以及信号记录用CCD211与垂直读出用CCD212之间设置有p+型通道终止部(channel stop)214。215是用于驱动信号记录用CCD211的电极，216是把信号电荷从输入区域209向信号记录用CCD211送出的电极。
通过把光如箭头A所示向射入面202射入而由光电变换层205产生的电子(信号电荷)如虚线B所示那样向电荷收集层206移动。电子在电荷收集层206中向图31的水平方向移动并到达电荷累积部207，从输入区域209向信号记录用CCD211送出。
同时参照图32，通过把n型的信号记录用CCD211和垂直读出用CCD21与p-型的通道终止部214交替地埋入在p型电荷阻止区域213内，而使n型电荷收集层206的电位分布受到影响。详细说就是如图32中箭头C所示那样产生了电位低的封闭区域。因此，在把电位最高部分在水平方向(电子移动方向)连结的虚线D上，图33所示那样产生电位分布的凹凸。电子则需要超越该电位分布的凹凸而在电荷收集层206中移动。因此，由该电位分布的凹凸而使电子在电荷收集层206中移动的移动速度降低。例如当电位分布凹凸的差E在0.3V以上时，则即使在常温下以短的时间间隔看时，也产生一部分电子被捕捉的残像，因此时间分辨率降低。如低温下那样各电子的扩散移动速度低的情况下，则更是以低电压也能在电位分布的凹凸处捕捉到电子。图33中符号217是概念表示在电位分布的凹凸处捕捉到的电子。由于电子在电位分布的凹凸处被捕捉而电子的移动速度非常小，所以当画幅之间的时间间隔狭窄时，则产生残像，时间分辨率降低。同样地，如电子显微镜使用的那样以光电子数少的高灵敏度进行摄影时，也是由于电子在电位分布的凹凸处被捕捉而电子的移动速度非常小，所以当画幅之间的时间间隔狭窄时，则产生残像，时间分辨率降低。
由于电荷收集层206中存在有电位分布的凹凸而导致电荷收集层中电子的移动速度降低、时间分辨率即摄影速度降低。因此电荷收集层206中电位分布的凹凸就是达到超高速超高灵敏度摄影上的重要问题。
专利文献1：特开平9-331052号公报
专利文献2：特开2001-345441号公报
专利文献3：特开2004-235621号公报
非专利文献1：江藤刚治、“用于103张连续摄影的100万张/秒的CCD摄像元件(A CCE Image Sensor of 1M frames/s for Continuous ImegeCepturing of 103 Frames)”、技术论文摘要(Digest of Technical Papers)、2002年IEEE固体电路国际会议(2002 IEEE International Solid-State CircuitsConference)、2002年、第45卷、p.46-47
非专利文献2：江藤刚治、外4名、“具有斜行直线CCD型像素周边记录区域的100万张/秒的摄像元件”、图像信息媒体学会杂志、社团法人图像信息媒体学会、2002年、第56卷、第3号、p.483-486
本发明的课题是：对于作为信号积蓄部而具备CCD的背面照射型摄像元件，提高电荷收集层中信号电荷的移动速度，提高时间分辨率即摄影速度。
本说明书中“射入线”一词是指向摄像元件射入的成为检测对象的能量流或粒子流，包括有：包含紫外线、可见光线和红外线等光的电磁波、电子、离子和空穴那样的带电粒子流以及包含X射线、α射线、β射线、γ射线和中子射线的放射线。
发明内容
本发明第一形态提供的背面照射型摄像元件包括：第一导电型的变换层，其设置在射入线射入的背面侧而把所述射入线变换成信号电荷；第二导电型的多个输入区域，其对于各个构成二维排列的多个像素是设置在与所述背面相反侧的表面侧；第二导电型的多个CCD型电荷传送路，其对于各个所述多个输入区域是设置在所述表面侧，且相互平行地延伸并从对应的所述输入区域传送信号电荷；第二导电型的电荷收集层，其与所述变换层的所述表面侧邻接设置而使所述变换层产生的电荷向所述输入区域移动；第二导电型的多个电荷累积部，其从所述电荷收集层延伸到各个所述输入区域；第一导电型的多个电荷阻止区域，其设置在所述表面侧且埋入所述CCD型电荷传送路，而且是沿所述CCD型电荷传送路延伸的第一部分的杂质浓度高于沿相互邻接的所述CCD型电荷传送路之间间隙延伸的第二部分的杂质浓度。在第一导电型是p型的情况下则第二导电型是n型。相反地也可以第一导电型是n型而第二导电型是p型。
通过如前所述地设定电荷阻止区域第一和第二部分的杂质浓度而能消除乃至降低电荷收集层中电位分布的凹凸。其结果是由于提高了变换层产生的信号电荷在电荷收集层中移动的速度，所以提高了时间分辨率即摄影速度。
在所述相互邻接的所述CCD型电荷传送路之间也可以进一步设置比所述电荷阻止区域杂质浓度高的第一导电型通道终止部。
与所述电荷阻止区域对应部分的所述光电变换层的杂质浓度最好高于所述输入区域中与所述光电变换层对应部分的杂质浓度。
通过如前所述地设定光电变换层的杂质浓度而能在电荷收集层中形成朝向输入区域的电位梯度。这样也提高电荷收集层中信号电荷的移动速度。作为代替方案也可以在与所述电荷阻止区域对应部分的表面进一步注入第二导电型的杂质。
也可以在与所述电荷阻止区域对应的部分进一步设置第一导电型的掺杂质层。
通过设置掺杂质层，也能在电荷收集层中形成朝向输入区域的电位梯度而提高电荷收集层中信号电荷的移动速度。
为了使电位梯度朝向输入区域，最好所述掺杂质层包括：从所述射入线的射入方向看，配置在所述像素的列方向上，而且各个朝向所述输入区域且所述像素的列方向宽度变窄的多个部分。
作为代替方案，从所述射入线的射入方向看，所述掺杂质层是向所述像素列方向延伸的带状。
本发明第二形态提供的背面照射型摄像元件包括：第一导电型的变换层，其设置在射入线射入的背面侧而把所述射入线变换成信号电荷；第二导电型的多个输入区域，其对于各个构成二维排列的多个像素是设置在与所述背面相反侧的表面侧；第二导电型的多个CCD型电荷传送路，其对于各个所述多个输入区域是设置在所述表面侧，且相互平行地延伸并从对应的所述输入区域使信号电荷移动；第二导电型的电荷收集层，其与所述变换层的所述表面侧邻接设置而使所述变换层产生的电荷向所述输入区域移动；第二导电型的多个电荷累积部，其从所述电荷收集层延伸到各个所述输入区域；第一导电型的多个电荷阻止区域，其设置在所述表面侧且埋入所述CCD型电荷传送路，与所述电荷阻止区域对应部分的所述光电变换层的杂质浓度高于与所述输入区域对应部分的所述光电变换层部分的杂质浓度。
本发明第三形态提供的背面照射型摄像元件包括：第一导电型的变换层，其设置在射入线射入的背面侧而把所述射入线变换成信号电荷；第二导电型的多个输入区域，其对于各个构成二维排列的多个像素是设置在与所述背面相反侧的表面侧；第二导电型的多个CCD型电荷传送路，其对于各个所述多个输入区域是设置在所述表面侧，且相互平行地延伸并从对应的所述输入区域使信号电荷移动；第二导电型的电荷收集层，其与所述变换层的所述表面侧邻接设置而使所述变换层产生的电荷向所述输入区域移动；第二导电型的多个电荷累积部，其从所述电荷收集层延伸到各个所述输入区域；电荷阻止区域，其设置在所述表面侧且埋入所述CCD型电荷传送路；第一导电型的掺杂质层，其设置在与所述电荷阻止区域对应的部分。
本发明的背面照射型摄像元件提高了变换层产生的信号电荷在电荷收集层中的移动速度，因此能提高时间分辨率即摄影速度。
附图说明
图1是表示具备本发明第一实施例背面照射型摄像元件的透射型电子显微镜的概略图；
图2是从射入方向(背面侧)看本发明第一实施例背面照射型摄像元件的概略图；
图3是图2的局部放大图；
图4是图2的IV-IV线剖面图；
图5是图2的V-V线剖面图；
图6是图2的VI-VI线剖面图；
图7是表示图4的H部分的电位分布图；
图8是表示沿图7的C线电位分布的线图；
图9A是表示向电荷阻止区域第二次注入p型杂质的局部剖面图；
图9B是表示第二次注入的p型杂质扩散后状态的局部剖面图；
图10A是用于说明第一实施例背面照射型摄像元件制造方法的概略图；
图10B是用于说明第一实施例背面照射型摄像元件制造方法的概略图；
图10C是用于说明第一实施例背面照射型摄像元件制造方法的概略图；
图10D是用于说明第一实施例背面照射型摄像元件制造方法的概略图；
图11是用于说明第一实施例背面照射型摄像元件制造方法的局部剖面图；
图12是用于说明第一实施例背面照射型摄像元件制造方法的局部剖面图；
图13是用于说明第一实施例背面照射型摄像元件制造方法的局部剖面图；
图14是用于说明第一实施例背面照射型摄像元件制造方法的局部剖面图；
图15是用于说明第一实施例背面照射型摄像元件制造方法的局部剖面图；
图16是表示完成时第一实施例背面照射型摄像元件的局部剖面图；
图17A是表示图11中厚度方向杂质浓度分布的线图；
图17B是表示图12中厚度方向杂质浓度分布的线图；
图17C是表示沿图14的线XVII-XVII的杂质浓度分布的线图；
图17D是表示沿图14的线XVII′-XVII′的杂质浓度分布的线图；
图18A是表示沿图16的线XVIII-XVIII的杂质浓度分布的线图；
图18B是表示沿图16的线XVIII′-XVIII′的杂质浓度分布的线图；
图19A是对元件的切断面不实施处理时背面照射型摄像元件的局部剖面图；
图19B是向元件的切断面掺杂了p型杂质时背面照射型摄像元件的局部剖面图；
图20是模式表示背面照射型摄像元件厚度方向电位分布的局部剖面图；
图21是表示第二实施例背面照射型摄像元件的剖面图；
图22是表示第二实施例变形例背面照射型摄像元件的剖面图；
图23是从射入方向看的表示第三实施例背面照射型摄像元件的概略图；
图24是图23的线XXIV-XXIV的剖面图；
图25是图23的线XXV-XXV的剖面图；
图26是从射入方向看的表示第三实施例变形例背面照射型摄像元件的概略图；
图27是从射入方向看的表示第三实施例其他变形例背面照射型摄像元件的概略图；
图28是图27的线XXVIII-XXVIII的剖面图；
图29是表示具备本发明背面照射型摄像元件的高速摄影装置一例的概略图；
图30是从射入方向看的表示现有背面照射型摄像元件一例的概略图；
图31是图30的线XXXI-XXXI的剖面图；
图32是表示图31的E部分的电位分布图；
图33是表示沿图32的C线电位分布的线图。
符号说明
1背面照射型摄像元件    2透射型电子显微镜           3电子枪
4电子流           5试料          6A～6C磁场透镜    8真空泵
9控制器           10显示装置     11射入面          12表面
13像素            14芯片         15光电变换层      16电荷收集层
17输入区域        18电荷累积部   19电荷阻止区域
19a、19b部分      20通道终止部   21信号记录用CCD
22垂直读出用CCD   23漏极线       24水平读出用CCD
25部件            26漏极栅       27、28电极        30基板
31、32外延层      33玻璃基板     40掺杂质层        40a部分
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的实施例。
(第一实施例)
图1表示的是具备本发明第一实施例像素周边记录型的背面照射型摄像元件1的透射型电子显微镜2。该透射型电子显微镜2从电子枪3把电子流4(射入线)向试料5照射，透射的电子流4在配置于背面照射型摄像元件1受光面上的荧光面7上成像。从荧光面7射出的光向背面照射型摄像元件1射入。6A～6C是磁场透镜。配置有电子枪3、试料5、背面照射型摄像元件1和磁场透镜6A～6C的透射型电子显微镜2的内部通过真空泵8而维持着必要的真空度。背面照射型摄像元件1的输出是作为图像信号向控制器9输出。控制器9具备包括存储器、图像处理电路等的各种元件，从控制器9把摄影的图像向显示装置10输出。
参照图2到图6，在背面照射型摄像元件1的射入面(背面)11上二维排列有多个像素13。图2为了简单化而仅表示了12个(4行×3列)像素13，但像素13的行数和列数分别是2以上便可。且图2和图3没表示后述的光电变换层15和电荷收集层16。
如图4到图6所示，在芯片14的射入面11侧设置有p-型光电变换层15。与光电变换层15的表面12侧邻接而设置有n-型电荷收集层16。而且在各个像素13的每个表面12侧设置有n型的输入区域17。在每个像素13上设置了从电荷收集层16向输入区域17延伸的n-型电荷累积部18。
图2中向斜下方延伸的信号记录用CCD21与各个输入区域17连接。在图中各输入区域17的每列上各设置有一根向垂直方向(列方向)延伸的CCD(垂直读出用CCD)22。且与各垂直读出用CCD22邻接而设置有漏极线23。而且设置了在图中向水平方向(行方向)延伸的CCD(水平读出用CCD24)24。
各信号记录用CCD21的一端经由未图示的输入栅与对应的输入区域17连接，而另一端与垂直读出用CCD22连接。一端与构成同一列的输入区域17连接的信号记录用CCD21的另一端与对应于其列的垂直读出用CCD22汇合。换言之，与构成同一列的输入区域17连接的所有信号记录用CCD21与同一垂直读出用CCD22汇合。具备垂直读出用CCD22的信号记录元件乃至部件25之中，信号记录用CCD21所汇合的部件25a之一的上流侧部件25b经由漏极栅(drain gate)26与漏极线23连接。图中各垂直读出用CCD22的下端与水平读出用CCD24连接。
摄影中的背面照射型摄像元件1实行连续盖写。参照图3如箭头Y1所示，摄影中，信号电荷是从输入区域17顺次向信号记录用CCD21的部件25传送。当设定在某瞬间信号电荷是付与“1”到号码“N”的各部件25积蓄时，则表示付与各部件25的号码越小越是与旧图像对应的信号电荷，该号码越大则表示是与新图像对应的信号电荷。图3所示的状态在下一个瞬间，是信号电荷从付与号码“1”的部件25经由漏极栅26向漏极线23排出，从输入区域17把与最新的号码N+1对应信号电荷向付与号码“N”的部件25输入。且与从第二号到第N号的图像对应的信号电荷是一个一个地向下流侧的部件25送出。因此，与从第二号到第N+1号的图像对应的信号电荷被记录在信号记录用CCD21中。在摄影中是反复地进行该连续盖写。
当作为摄影对象的显影产生(生起)被确认，则停止连续盖写。存储的信号电荷的读出操作大体如下。
(1)停止信号记录用CCD21的电荷传送，如箭头Y1所示那样仅进行垂直读出用CCD22上的电荷传送，把信号电荷向水平读出用CCD24送出。通过该操作垂直读出用CCD22变空。
(2)从信号记录用CCD21向垂直读出用CCD22进行电荷传送，把垂直读出用CCD22用信号电荷充满。
信号记录用CCD21和垂直读出用CCD22被埋入在设置于芯片14表面侧的p型电荷阻止区域19中。且在邻接的两个信号记录用CCD21之间和信号记录用CCD21与垂直读出用CCD22之间设置有p+型的通道终止部20。27是用于驱动信号记录用CCD21的电极，28是用于把信号电荷从输入区域18向信号记录用CCD21送出的电极。
电荷阻止区域19的p型杂质浓度有部分的不同。具体说就是如图9B中以散点的浓度表现的那样，电荷阻止区域19的沿信号记录用CCD21和垂直读出用CCD22延伸的部分19a的p型杂质浓度比沿相互邻接的信号记录用CCD21之间或信号记录用CCD21与垂直读出用CCD22之间间隙延伸的部分(沿通道终止部20延伸的部分)19b的p型杂质浓度浓。
且电荷阻止区域19的沿信号记录用CCD21或垂直读出用CCD22延伸的部分19a(p型杂质浓度浓的部分)的厚度T1比沿相互邻接的信号记录用CCD21之间或信号记录用CCD21与垂直读出用CCD22之间间隙延伸的部分19b(p型杂质浓度淡的部分)的厚度T2大。因此，如图4所明确表示的那样，从像素13的行方向剖面看，则电荷阻止区域19与电荷收集层16的边界呈现正弦波状乃至波状。
从射入面11射入的光A到达光电变换层15并产生电子和空穴对。其中由于电子具有负电荷，所以如图4中虚线B所示是向n-型电荷收集层16移动，而且在电荷收集层16中向水平方向移动，向n-型的电荷累积部18集中，并进一步向n型的输入区域25累积。空穴通过p-型的光电变换层15连续向芯片14外排出。累积在输入区域17的电子即信号电荷如前所述是向信号记录用CCD21送出。
通过把电荷阻止区域19的与信号记录用和垂直读出用CCD21、22对应的部分19a和与通道终止部20对应的部分19b的p型杂质浓度如上述那样地设定，则如图7所示那样能使n-型电荷收集层16中的电荷分布大致均匀。详细说就是图7所示的沿电荷收集层16中心线D的电位分布变成如图8所示那样大致平坦。换言之就是通过把电荷阻止区域19的p型杂质浓度如上述那样设定，则能消除乃至降低电荷分布的凹凸(参照图32和图33)。因此，电子在电荷收集层16中移动时的移动速度变高。由于本实施例是在透射型电子显微镜中使用，所以与通常的摄影相比光电子数量少，但通过提高电子的移动速度则能防止乃至抑制在把画幅之间的时间间隔变狭窄时残像的产生。而且即使在低温下各电子的扩散移动速度低的情况下，也不产生电子被捕捉(参照图33的符号217)。
下面说明本实施例背面照射型摄像元件1的制造方法。参照图9A，在电荷阻止区域19的与信号记录用CCD21、垂直读出用CCD22和漏极线23对应的部分(与n型区域对应的部分)，如付与斜线表示的那样向p型的层上进一步掺杂p型杂质并进行扩散。其结果是如图9B中以散点的浓度表现的那样，电荷阻止区域19的与信号记录用CCD21、垂直读出用CCD22和漏极线23对应的部分19a的p型杂质浓度比与通道终止部20对应的部分(与p型区域对应的部分)19b的p型杂质的浓度浓。
参照图10，首先准备图10A所示的硅制基板30，如图10B所述那样在该基板30上形成p-型和n-型的外延层31、32。p-型的外延层31与光电变换层15对应，n-型的外延层32与电荷收集层16对应。如后面所详述那样，在n-型的外延层32上形成输入区域17、电荷累积部18、电荷阻止区域19、信号记录用CCD21、垂直读出用CCD22等。而且形成电极27、28。然后如图10C所示那样把n-型的外延层32粘贴在玻璃基板33上。该玻璃基板33上预先形成有与外部电路连接用的电极等。最后如图10D所示，磨削硅制基板30而把p-型的外延层31露出来。
参照图11到图16，进一步详细说明形成外延层31、32后的工序。图17A到图18B是概念表示杂质浓度分布的线图。在这些线图中纵轴表示厚度方向的位置(把图4的表面12作为原点)，横轴表示杂质浓度。为了容易理解，图11到图16的上下方向的方向与图4到图6的一致。
首先如图11和图17A所示那样形成外延层31、32。然后通过离子掺杂向n-型的外延层32注入p型杂质，而如图12和图17B所示那样形成p型区域35(第一次的p型杂质注入)。这时对于整个外延层32的厚度方向没形成p型区域35的部分就成为电荷累积部18，向该部分注入n型杂质则就成为输入区域17。
接着如图13和图9A所示那样，有选择地向p型区域35注入p型杂质(第二次的p型杂质注入)。详细说就是使用图13中以符号37概略表示的掩膜，向与后面工序形成信号记录用CCD21、垂直读出用CCD22和漏极线23对应的区域(成为部分19a的区域)导入p型杂质，向与后面工序形成通道终止部20对应的区域(成为部分19b的区域)则不导入p型杂质。通过p型杂质的扩散，则形成部分19a的p型杂质浓度比部分19b的p型杂质浓度浓的电荷阻止区域19。电荷收集层16与电荷阻止区域19的边界成为正弦波状乃至波状。图17C和图17D明确地表示出：从表面12侧测量的电荷阻止区域19的厚度是部分19a(与信号记录用CCD21、垂直读出用CCD22和漏极线23对应)与部分19b(与通道终止部20对应)不同(部分19a、部分19b的p型杂质浓度不同)。
然后如图15所示，通过离子掺杂把n型杂质向电荷阻止区域19的部分19a注入，形成信号记录用CCD21、垂直读出用CCD22和漏极线23。并如图16所示，向电荷阻止区域19的部分19a导入p+型杂质以形成通道终止部20。图18A和图18B明确地表示出：在电荷阻止区域19的与信号记录用CCD21对应的部分19a和与通道终止部20对应的部分19b中，杂质浓度的分布和电荷阻止区域19的厚度是不同的(部分19a、部分19b的p型杂质浓度不同)。
以上着眼于一个元件而说明了本实施例背面照射型摄像元件1的制造方法。为了批量生产是在一个硅制基板30上形成多个背面照射型摄像元件1，然后需要把硅制基板30和其上形成的半导体层分割成一个一个元件。图19A表示了切断后的一个背面照射型摄像元件1。参照图19A则了解到，在切断面302上从射入面(表面)11顺序地并列着p-型的光电变换层15、n型的电荷收集层16和p型的电荷阻止区域19。该切断面302的p-n-p的导电型排列是成为背面照射型摄像元件1内电子或空穴不理想情况的原因。
于是如图19B所示那样，最好在分割后向切断面302的电荷收集层16(n型)部分进行p型杂质的掺杂并进行扩散，使该部分的导电型变成p型。这样，切断面302的导电型从射入面(表面)11到表面12就都成为p型，因此能防止乃至抑制所述电子和空穴的不理想情况。在与n-型的外延层32(参照图11到图16)的切断面302对应的部分上也可以预先设置具有p-型导电型区域。
如参照图12说明过的那样，在硅制基板30上形成p-型和n-型的外延层31、32，并通过离子掺杂把p型杂质向n-型的外延层32注入而形成p型区域35。但由于外延层31与外延层32之间的杂质扩散而使这些外延层31、32之间的边界不明确。详细说就是该边界附近的外延层31(本来是p-型)由于来自外延层32的n型杂质侵入而电位有变成负侧的倾向。同样地，由于外延层32与区域35之间的杂质扩散而使两者的边界不明确。详细说就是该边界附近的外延层32(本来是n-型)由于来自区域35的p型杂质侵入而电位有变成正侧的倾向。与外延层31比较，外延层32和区域35非常薄。例如外延层31的厚度T1是50μm程度时，外延层32的厚度T2和区域35的厚度T3则不过分别是5μm程度。由于该厚度的不同而使杂质扩散的影响更显著。如前所述，由于p-型的外延层31、n-型的外延层32和p型区域35分别成为光电变换层15、电荷收集层16和电荷阻止区域19，因此若它们之间的边界不明确，则成为背面照射型摄像元件1内部的电子或空穴不理想情况的原因。
因此，最好外延层31、32的杂质浓度具有图20以线302模式表示那样的在厚度方向上的分布。具体说就是外延层31是从硅制基板30侧(背面11侧)向表面12是p型杂质浓度逐渐变高。外延层32也是从区域35侧(背面11侧)向表面12是n型杂质浓度逐渐变高。通过这样设定杂质浓度分布则使所述杂质扩散的影响抵消，如图20的线302所示那样，外延层31、32之间的边界和外延层32与区域35的边界变明确。
(第二实施例)
图21表示本发明第二实施例的背面照射型摄像元件1。在与p-型光电变换层15的电荷阻止区域19对应的部分，在射入面11的近旁设置了p型区域151。通过设置该p型区域151而在电荷收集层16中形成朝向输入区域17的电位梯度。这样也使电荷收集层16的电荷移动速度提高。
为了形成p型区域151，在基板30(参照图10)上形成外延层31、32(参照图11)后，对于外延层31是通过离子掺杂把p型杂质从射入面11侧向与电荷阻止区域19对应的区域(在后面的工序形成电荷阻止区域19的区域)注入。第二实施例的其他结构和作用与第一实施例相同。
图22表示第二实施例的变形例。在基板30(参照图10)上形成外延层31、32(参照图11)后，对于外延层32是通过离子掺杂把n型杂质从表面12侧向与电荷累积部18和输入区域17对应的区域(在后面的工序形成电荷累积部18和输入区域17的区域)注入，并通过热扩散等进行扩散。其结果是如以散点的密度表现的那样，电荷收集层16的与输入区域17对应部分的n型杂质浓度比电荷收集层16的与电荷阻止区域19对应部分的n型杂质浓度浓。图22中，虚线F表示没向外延层32进行n型杂质注入时，光电变换层15(外延层31)与电荷收集层16(外延层32)的边界。
(第三实施例)
图23到图25表示本发明第三实施例的背面照射型摄像元件1。与电荷阻止区域19对应的部分设置有从芯片14的表面12侧开始的p型掺杂质层40。如图23所示，该掺杂质层40包括：从光A的射入方向看是由配置在像素13列方向上的多个部分40a。各个部分40a是朝向输入区域17而像素列方向的宽度逐渐变狭窄，呈现凸透镜状的形状。通过设置该掺杂质层40也能在电荷收集层16中形成朝向输入区域17的电位梯度，能提高电荷收集层16中电子的移动速度。通过把掺杂质层40的各个部分从射入方向看的形状设定成上述的凸透镜状，使各个像素13在光电变换层15产生的电荷顺利地向对应的输入区域17移动(参照图23的虚线箭头G)。
如图26所示，p型掺杂质层40的各个部分40a也可以是菱形。图23和图26的部分40a的轮廓也可以是由细折线构成。如图27和图28所示，掺杂质层40的各个部分40a从光A的射入方向看也可以是向像素13的列方向延伸的带状。且替代掺杂质层40而在与芯片14表面侧的掺杂质层40对应以外的部分形成n型的掺杂质层也能得到同样的效果。
本发明并不限定于上述实施例而是能有各种变形。例如射入线也可以是光线以外的电磁波、电子线以外的离子空穴那样的带电粒子流以及包含X射线、α射线、γ射线、β射线和中子射线的放射线。在射入线是放射线的情况下，只要在摄像元件的射入面侧配置闪烁器，与放射线的强度对应而把闪烁器产生的光线向摄像元件射入便可。
信号电荷也可以是空穴。这时，光电变换层、电荷收集层、输入区域、电荷累积部、电荷阻止区域以及CCD的导电型则与上述实施例的情况相反。
背面照射型摄像元件1也可以在图29所示那样的高速摄像机100中使用。高速摄像机100包括：使可见光在射入面11成像的透镜104、把从背面照射型摄像元件101输出的模拟图像信号进行放大的放大器105、把放大的图像信号变换成数字信号的A/D变换器106和存储数字图像信号的主存储器107。图像处理装置108把从主存储器107读出的图像信号进行处理并显示在显示装置109上。控制器110控制包括摄像元件101、放大器105和A/D变换器106的摄像机整体的动作。

Claims (11)

1、一种背面照射型摄像元件，其特征在于，其包括：
第一导电型的变换层，其设置在射入线射入的背面侧而把所述射入线变换成信号电荷；
第二导电型的多个输入区域，其对于各个构成二维排列的多个像素是设置在与所述背面相反侧的表面侧；
第二导电型的多个CCD型电荷传送路，其对于各个所述多个输入区域是设置在所述表面侧，且相互平行地延伸并从对应的所述输入区域传送信号电荷；
第二导电型的电荷收集层，其与所述变换层的所述表面侧邻接设置而使所述变换层产生的电荷向所述输入区域移动；
第二导电型的多个电荷累积部，其从所述电荷收集层延伸到各个所述输入区域；
第一导电型的多个电荷阻止区域，其设置在所述表面侧且埋入所述CCD型电荷传送路，而且是沿所述CCD型电荷传送路延伸的第一部分的杂质浓度高于沿相互邻接的所述CCD型电荷传送路之间间隙延伸的第二部分的杂质浓度。
2、如权利要求1所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，在所述相互邻接的所述CCD型电荷传送路之间进一步设置比所述电荷阻止区域杂质浓度高的第一导电型通道终止部。
3、如权利要求1或权利要求2所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，与所述电荷阻止区域对应部分的所述光电变换层的杂质浓度高于与所述输入区域对应部分的所述光电变换层的杂质浓度。
4、如权利要求1或权利要求2所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，在与所述电荷阻止区域对应部分的表面进一步注入第二导电型的杂质。
5、如权利要求1到权利要求4任一项所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，在与所述电荷阻止区域对应的部分进一步设置第一导电型的掺架质层。
6、如权利要求5所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，所述掺杂质层包括：从所述射入线的射入方向看，配置在所述像素的列方向上，并且各个朝向所述输入区域且所述像素的列方向宽度变窄的多个部分。
7、如权利要求5所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，从所述射入线的射入方向看，所述掺杂质层是向所述像素列方向延伸的带状。
8、一种背面照射型摄像元件，其特征在于，其包括：
第一导电型的变换层，其设置在射入线射入的背面侧而把所述射入线变换成信号电荷；
第二导电型的多个输入区域，其对于各个构成二维排列的多个像素是设置在与所述背面相反侧的表面侧；
第二导电型的多个CCD型电荷传送路，其对于各个所述多个输入区域是设置在所述表面侧，且相互平行地延伸并从对应的所述输入区域移动信号电荷；
第二导电型的电荷收集层，其与所述变换层的所述表面侧邻接设置而使所述变换层产生的电荷向所述输入区域移动；
第二导电型的多个电荷累积部，其从所述电荷收集层延伸到各个所述输入区域；
第一导电型的多个电荷阻止区域，其设置在所述表面侧且埋入所述CCD型电荷传送路，
与所述电荷阻止区域对应部分的所述光电变换层的杂质浓度低于与所述输入区域对应部分的所述光电变换层的杂质浓度。
9、一种背面照射型摄像元件，其特征在于，其包括：
第一导电型的变换层，其设置在射入线射入的背面侧而把所述射入线变换成信号电荷；
第二导电型的多个输入区域，其对于各个构成二维排列的多个像素是设置在与所述背面相反侧的表面侧；
第二导电型的多个CCD型电荷传送路，其对于各个所述多个输入区域是设置在所述表面侧，且相互平行地延伸并从对应的所述输入区域移动信号电荷；
第二导电型的电荷收集层，其与所述变换层的所述表面侧邻接设置而使所述变换层产生的电荷向所述输入区域移动；
第二导电型的多个电荷累积部，其从所述电荷收集层延伸到各个所述输入区域；
电荷阻止区域，其设置在所述表面侧且埋入所述CCD型电荷传送路；
第一导电型的掺杂质层，其设置在与所述电荷阻止区域对应的部分。
10、如权利要求9所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，所述掺杂质层包括：从所述射入线的射入方向看，配置在所述像素的列方向上，而且各个朝向所述输入区域且所述像素的列方向宽度变窄的多个部分。
11、如权利要求9所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，从所述射入线的射入方向看，所述掺杂质层是向所述像素列方向延伸的带状。
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