CN1748313A - 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，其包括转换层(23)、电荷收集部(24)以及抑制区域(23、29)。转换层(23)设于入射线射入的入射面(102)侧，将入射线转换成信号电荷并且分别关于构成二维排列的多个像素进行设置。电荷收集部(24)从所述转换层(23)向与所述入射面(8)相反的表面(22)侧延伸，收集在转换层(23)产生的信号电荷。抑制区域(23、29)设于转换层(23)与周边电路(26)之间，抑制信号电荷从转换层(21)向周边电路(26)流入。

Description

背面照射型摄像元件
技术领域
本发明涉及一种背面照射型摄像元件。特别是，本发明涉及一种适用于科学及技术领域的测量用摄影的背面照射型摄像元件。
背景技术
众所周知有如下的背面照射型摄像元件，其从与配置有芯片的电极等的面(表面)相反一侧的面(背面)入射可见光等入射线(例如参照特开平9-331052号公报)。在这种背面照射型摄像元件中，在芯片的背面侧设置各像素的转换部(例如在入射线是可见光线的情况下为光电转换部)，在芯片的表面侧设置对A/D转换器和信号蓄积部等信号电荷进行某些处理的部分(电荷处理部)。
因为背面照射型摄像元件能够得到接近100％的数值孔径，故能够实现非常高的灵敏度。因此，在天文学、电子显微镜等领域需要高灵敏度的用途中，多使用背面照射型摄像元件。另外，对每张图像的曝光时间变短的高速摄影中也适用具有高灵敏度的背面照射型摄像元件。
背面照射型摄像元件中的主要问题是信号电荷混入电荷处理部。详细地说，通过扩散和绕入，由转换部产生的光电子等的信号电荷混入到电荷处理部本来不应流入该信号电荷的部分。该混入的信号电荷对电荷处理部的功能造成妨碍。
背面照射型摄像元件的另一问题是有光透过。在背面照射型摄像元件中需要尽量减小芯片的厚度。这是因为，若芯片厚的话，在根据入射线而产生的电荷到达功能区域期间，在相邻的像素间相互混入信号电荷，或者由芯片内的结晶缺陷引起的杂音混入信号电荷中。这样由于芯片的厚度薄，透过性强(吸收系数小)的长波长一侧的光到达表面侧的功能区域，在功能区域内产生不希望得到的多余电荷。该电荷也对设于功能区域上的要素的功能造成妨碍。
本发明者们研发了在像素内或其附近具有直线状的信号蓄积部的像素周边记录型摄像元件(In-situ Storage Image Sensor原位记录图像传感元件：ISIS)。例如具有以下文献：特开2001-345441号公报；江藤刚治及其他、“用于103张连续摄影的100万张/秒的CCD摄像元件(A CCE Image Sensorof 1M frames/s for Continuous Image Capturing of 103 Frames)”、技术论文摘要(Digest of Technical Papers)、2002年IEEE固定电路国际会议(2002 IEEEInternational Solid-State Circuits Conference)、2002年、第45卷、p.46-47；江藤刚治、外国四人、“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”、影像信息传媒学会杂志、社团法人影像信息传媒学会、2002年、第56卷、第3号、p.483-486。在该像素周边记录型摄像元件上采用背面照射结构时，由上述信号电荷的混入和光的透过引起的问题尤为突出。
发明内容
本发明以防止背面照射型摄像元件混入信号电荷以及防止光的透过引起的多余电荷为课题。
在本说明书中，“入射线”是指相对于摄像元件入射的成为检测对象的能量流或粒子流，其包含：包括紫外线、可见光线及红外线等光的电磁波；电子、离子以及空穴等电荷粒子流；以及除X线还包括α线、γ线、β线及中性粒子线的放射线。
本发明提供一种背面照射型摄像元件，包括：转换部，其设于入射线入射的入射面一侧，将所述入射线转换成信号电荷并且相对于构成二维排列的多个像素的每一个；电荷收集部，其从所述转换部向与所述入射面相反的表面侧延伸，收集在所述转换部产生的信号电荷；电荷处理部，其设于所述表面侧，处理由所述电荷收集部收集的信号电荷；抑制区域，其设于所述转换部与所述电荷处理部之间，抑制所述信号电荷从所述转换部向所述电荷处理部流入。
因为在转换部和电荷转换部之间具有抑制区域，故能够防止在转换处理部产生的信号电荷由于扩散或绕入不流入电荷收集部而流入电荷处理部。因此，能够防止上述信号电荷混入电荷处理部而引起的杂音的产生等。
具体地说，所述转换部、所述电荷收集部、所述电荷处理部以及所述抑制区域由半导体材料构成，所述转换部具有第一导电型；所述电荷收集部具有第二导电型；所述抑制区域具有电荷阻止层，该电荷阻止层具有所述第一导电型，但其导电型杂质的浓度比所述转换部高，将所述信号处理部埋入其中，并且信号电荷处理部是贯通的。
信号电荷为电子时，第一导电型为P型，第二导电型为n型。信号电荷为空穴时，第一导电型为n型，第二导电型为p型。
理想的是，所述抑制区域具有第二导电型，其介于所述转换部和所述电荷阻止层之间，并且还具有与所述电荷收集部和入射面侧的端部连续的电荷收集层。
在转换部产生的信号电荷一度在电荷收集层集聚信号电荷，第二抑制部的信号电荷沿水平方向移动收集于电荷收集部。因此，通过设置电荷收集层，能够更有效地防止信号电荷混入电荷处理部。
电荷处理部的功能及结构没有特别限定。例如，所述电荷处理部是将所述信号电荷从模拟信号转换成数字信号的A/D转换器。
本发明也能够适用于像素周边记录型摄像元件。即，所述电荷处理部也可以是设于各像素内部或其附近的、蓄积所述信号电荷的信号电荷蓄积部。既具有作为背面照射型的特征即高灵敏度又具有作为像素周边记录型的特征即极高的摄影速度，并且能够防止信号电荷混入信号电荷蓄积部中而引起的杂音的发生。
所述入射线为光时，可以还设置滤光器，其配置于所述入射面，遮断具有从所述入射面透过所述电荷处理部、在所述电荷处理部产生与所述信号电荷同类的电荷的波长的光。能够防止光直接到达电荷处理部而产生多余电荷，造成画质降低。
另外，本发明提供具有所述背面照射型摄像元件的电子显微镜及摄影装置。
本发明的背面照射型摄像元件，因为在转换部和电荷处理部之间具有抑制区域，故能够防止在转换部产生的信号电荷由于扩散和绕入不流入电荷收集部而流入电荷处理部。因此，能够防止所述电荷混入电荷处理部而引起的杂音的发生等。
附图说明
本发明的其他目的及特征通过参照附图对最佳实施方式进行的说明而明了。
图1是表示具有本发明第一实施方式的背面照射型摄像元件的透过型电子显微镜的概略图；
图2是本发明第一实施方式的背面照射型摄像元件的概略正面图；
图3是图2的III-III线的剖面图；
图4是图2的IV-IV线的剖面图；
图5是第一实施方式的背面照射型摄像元件所具有的A/D转换器的概略图；
图6是表示本发明第二实施方式的背面照射型摄像元件的图2的III-III线的剖面图；
图7是表示本发明第二实施方式的背面照射型摄像元件的图2的IV-IV线的剖面图；
图8是表示本发明第三实施方式的背面照射型摄像元件的图2的III-III线的剖面图；
图9是表示本发明第三实施方式的背面照射型摄像元件的图2的IV-IV线的剖面图；
图10是表示本发明第四实施方式的背面照射型摄像元件的图2的III-III线的剖面图；
图11是表示本发明第四实施方式的背面照射型摄像元件的图2的IV-IV线的剖面图；
图12是表示具有本发明第五实施方式的背面照射型摄像元件的高速摄像机的示意图；
图13是表示本发明第五实施方式的背面照射型摄像元件的概略正面图；
图14是图13的局部放大图；
图15是图13的XV-XV线的剖面图；
图16是图13的XVI-XVI线的剖面图；
图17是图13的XVII-XVII线的剖面图；
图18是表示本发明第六实施方式的背面照射型摄像元件的图13的XV-XV线的剖面图；
图19是表示本发明第六实施方式的背面照射型摄像元件的图13的XVI-XVI线的剖面图；
图20是表示本发明第六实施方式的背面照射型摄像元件的图13的XVII-XVII线的剖面图；
具体实施方式
(第一实施方式)
图1表示具有本发明第一实施方式的背面照射型摄像元件1的透过型电子显微镜2。该透过型电子显微镜2从电子枪3向试料5照射电子流4(入射线)，使透过的电子流4在背面照射型摄像元件1上成像。附图标记6A～6C是磁场透镜。通过真空泵7将配置有电子枪3、试料5、背面照射型摄像元件1以及磁场透镜6A～6C的透过型电子显微镜2的内部维持在所需要的真空度。
进一步参照图2～图4，在背面照射型摄像元件1的背面乃至入射面8侧上配置透过了试料5的电子流4入射的荧光膜9，该荧光膜9和入射面8由玻璃纤维10光学地连结。荧光膜以对应于入射的电子流4的强度的亮度发光，该荧光膜9发出的光11入射到入射面8。
如图2所示，在背面照射型摄像元件1的入射面8上二维地排列有多个像素13。图2中，为了简单化仅图示9个(3行×3列)的像素13，像素13的行数及列数只要分别大于或等于2即可。
如图3及图4所示，在芯片14的入射面8侧设有p-型的转换层21。另外，在芯片14的靠近转换层21的表面22侧设有p+型电荷阻止层23。
在每个像素13上设有用于收集在转换层21产生的信号电荷的n-型的电荷收集部24。该电荷收集部24的一端位于转换层21内，从转换层21向芯片14的表面22侧延伸。在位于芯片的表面22侧的电荷收集部24的另一端设有n型的输入区域25。电荷收集部24贯通电荷阻止层23延伸，输入区域25埋入电荷阻止层23。
在电荷阻止层23的表面22侧的区域，在每个像素13上设有含A/D转换器的各种周边电路26(电荷处理部)。这些周边电路26被埋入电荷阻止层23中。在图3及图4中，附图标记27是周边电路26的电极，28是用于从输入区域25向周边电路26输送信号电荷的电极。如图5概略所示，周边电路26所具有的串联型A/D转换器31具有比较器32和计数器33。比较器32上从输入区域25输入作为信号电荷的电压Vin，同时输入比较用电压Vref，比较器32的输出向计数器33输入。计数器33的输出作为图像信号向控制器34(参照图1)输入。控制器34具有含存储器、图像处理电路等的各种要素，从控制器34向显示装置35输入拍摄到的图像。如上所述，A/D转换器31设置在每个像素13上，但也可以在整个像素13上共用从控制器34输出的复位信号及比较用电压Vref。
背面照射型摄像元件1的转换层21、电荷阻止层23、电荷收集部24以及输入区域25例如分别由杂质浓度为1×1010～1×1015cm-3的p-型、杂质浓度为1×1015～1×1016cm-3的p+型、杂质浓度为1×1013～1×1016cm-3的n型、杂质浓度为1×1016～1×1020cm-3的n+型的以硅为主体的半导体材料构成。此时，能够通过在p-型的基板上以光致抗蚀剂为掩模进行硼和磷的离子注入后进行热扩散，从而进行制造。
透过了试料5的电子流4入射荧光膜9，则荧光膜9发光。在荧光膜9产生的光11经由玻璃纤维10入射背面照射型摄像元件1。从入射面8射入的光11到达转换层21成对地产生电子和空穴。其中，因为电子具有负电荷，故被收集在n-的电荷收集部24中，进一步积聚在n型的输入区域25。空穴通过p-型的转换层21连续地向芯片外排出。积聚在输入区域25的电子即信号电荷向周边电路26输入，在进行了包含A/D转换器31的从模拟信号向数字信号转换的各种处理后，作为图像信号向控制器34输出。
P-型的转换层21和周边电路26通过p+型的电荷阻止层23而相互隔开。因此，防止在转换层21产生的电子由于扩散和绕入不经由电荷收集部24及输入区域25中而是直接到达周边电路26的情况。由此，能够防止信号电荷的混入引起的周边电路26的杂音发生等。电荷阻止层23具有将相邻的周边电路26间相互地电隔离的功能。
(第二实施方式)
图6及图7所示的本发明的第二实施方式的背面照射型摄像元件1具有n-型的电荷收集层29。该电荷收集层29介于转换层21和电荷阻止层23之间，与电荷收集部24的入射面8侧的端部连续。在转换层21产生的电荷一度集中于电荷收集层29中。聚集于电荷收集层29的电荷沿水平方向移动收集在电荷收集部24中。因此，通过设置电荷收集层29，能够更加有效地防止信号电荷从周边电路26混入。
第二实施方式的背面照射型摄像元件1例如如下地制作。通过从p-型基板的表面侧高能量的离子注入或者热扩散，形成2～8μm左右厚度的n-层。然后，以相同的方法在距表面2～8μm左右处形成p+层，进而在其表面侧通过离子注入形成周边电路26
由于第二实施方式的其他结构及作用与第一实施方式相同，故对相同的要素标注同一符号并省略说明。
(第三实施方式)
图8及图9所示的本发明的第三实施方式的背面照射型摄像元件1不具备荧光膜9和纤维玻璃10(图3、4、6及7)，透过了试料4的电子流4直接射入入射面8。电子流4到达转换层21时产生的二次电子成为信号电荷。该信号电荷聚集在相互收集部24并经由输入区域25向周边电路26输送。因为在转换层21与周边电路26之间存在电荷阻止层23，故能够防止在转换层21产生的二次电子直接到达周边电路26的情况。
在该第三实施方式的电子流直入型的背面照射型摄像元件中，由于高能量的电子流直接曝光，故有元件寿命缩短的倾向。因此，理想的是，在通过磁透镜6A～6C(参照图1)的设定等来减弱电流强度后，射入入射面8。
由于第三实施方式的其他结构及作用与第一实施方式相同，故对相同的要素标注同一符号并省略说明。
(第四实施方式)
图10及图11所示的本发明的第四实施方式的背面照射型摄像元件1，转换层21与电荷阻止层23之间存在与电荷收集部24连续的n-型的电荷收集层29。通过由电荷收集层29聚集在转换层21产生的二次电子并收集于电荷收集部24，能够更加有效地防止信号电荷向周边电路26混入。
由于第四实施方式的其他结构及作用与第三实施方式相同，故对相同的要素标注同一符号并省略说明。
(第五实施方式)
图12～图17所示的本发明第五实施方式是在像素周边记录型摄像元件(In-situ Storage Image Sensor：ISIS)中适用本发明的例子。
参照图12，具有第五实施方式的背面照射型摄像元件101的高速视频摄像机100包括：使可视光线103在入射面102成像的透镜104、将从背面照射型摄像元件101输出的模拟图像信号放大的放大器105、将被放大的图像信号转换成数字信号的A/D转换器106以及存储数字图像信号的主存储器107。图像处理装置108处理从主存储器107读出的图像信号并在显示装置109中显示。控制器110控制含有摄像元件101、放大器105以及A/D转换器106的视频摄像机整体的动作。
图13是从入射面102(参照图15～图17)看到背面照射型摄像元件101的图。在图13中为简单化仅图示12个(4行×3列)的像素121，但像素的行数及列数只要分别大于或等于2个即可。另外，图13中没有图示后述的光纤130、转换层131以及电荷收集部134(参照图15～图17)。
参照图13说明背面照射型的ISIS的结构，在每个像素121上设有输入区域122。输入区域122及含有该输入区域122的像素121配置成行方向与列方向相互垂直。每个输入区域122上设有在图中向左斜下方延伸的信号记录用CCD123。另外，在各个输入区域122的每一列上设有在图中沿垂直方向(列方向)延伸的CCD(垂直读取用CCD124)。另外，与各垂直读取用CCD124相邻设有漏极线126。另外，还设有图中沿水平方向(行方向)延伸的CCD(水平读取用CCD125)。
各信号记录用CCD123的一端通过未图示的输入栅极与对应的输入区域122连接，另一端与垂直读取用CCD124连接。一端被连接在构成同样的列的输入区域122上的信号记录用CCD123的另一端，与对应于该列的垂直读取用CCD124汇合。换言之，构成同样的列的输入区域122连接的全部信号记录用CCD123与同样的垂直读取用CCD124汇合。垂直读取用CCD124所具有的信号记录要素以及元件124a中，信号记录用CCD123汇合的元件123a的一个上游侧的元件124a，通过漏栅极127与漏极线126连接。各垂直读取用CCD124的图中的下端与水平读取用CCD125连接。
在第五实施方式的背面照射型摄像元件101在摄影中执行连续盖写。参照图14，如箭头Y1所示，在摄影中从输入区域122向信号记录用CCD123的元件123a依次转送信号电荷。某一瞬间信号电荷蓄积在标注“1”～“26”序号的各元件123a上时，对各元件123a标注的序号越小，表示为与越旧的图像对应的信号电荷，该序号越大，表示为与越新的图像对应的信号电荷。在图14所示状态接下来的瞬间，通过漏栅极127从标注序号“1”的元件123a向漏极线126排出信号电荷，从输入区域122将与最新的第27个图像对应的信号电荷输入到标注为序号“26”的元件123a中。另外，将与第2个～第26个图像对应的信号电荷一个个向下游侧的元件123a输送。因此，在信号记录用CCD123中记录与第2个～第27个的图像对应的信号电荷。在摄影中继续该连续盖写过程。
确认产生有成为摄影对象的现象时，停止连续盖写。对存储的信号电荷的读取操作一概如下进行。(1)停止信号记录用CCD123的电荷转送，如箭头Y2所示仅在垂直读取用CCD124上进行电荷转送，将信号电荷送至水平读取用CCD125。通过该操作使垂直读取用CCD124为空。(2)从信号记录用CCD123在垂直读取用CCD124上进行电荷转送，使得垂直读取用CCD124为满。
在图12中信号记录用CCD123不向斜下方延伸，则一个与输入区域122连接的信号记录用CCD123与该输入区域122的一个下侧的输入区域122相干涉，不能使信号记录用CCD123形成得足够长。使信号记录用CCD123足够长时，可以越向下侧越使输入区域122稍向右偏移，使信号记录用CCD123向正下方延伸。此时，构成像素轴的输入区域122的中心点不构成正方格子或长方形格子而形成菱形。为解除上述菱形格子，可将输入区域122的位置一点一点地向上偏移。其结果，将所得到的布局稍稍顺时针旋转，则成为图12所示的布局。其原因是使信号记录用CCD123相对像素轴倾斜。
在图12及图13中，为简单化而在信号记录用CCD123及垂直读取用CCD124上蓄积与26张图像对应的信号电荷。但是，若增加这些元件123a、124a的数量，则能够增大可连续摄影的图像张数。例如，若在各图像周边设置103个元件，则能够以10张/秒的再现速度将100万张/秒的摄影速度拍摄到的图像作为10秒的动画进行再现。
参照图15～图17，在芯片128的入射面102上配置有光纤130。另外，在芯片128的入射面102侧设有p-型的转换层131，在芯片128的靠近转换层131的表面132侧设有p+型的电荷阻止层133。
在各个像素121上设有用于收集在转换层131产生的信号电荷的n-型的电荷收集部134。该电荷收集部134的一端位于转换层131内，从转换层131向芯片128的表面132侧延伸。在位于芯片128的表面132侧的电荷收集部134的另一端设有n型的输入区域122。电荷收集部134贯通电荷阻止层133而延伸，输入区域122被埋入电荷阻止层133中。
在电荷阻止层133的表面132侧的区域设有信号记录用CCD123。这些信号记录用CCD123埋入电荷元件层133中。在图15～图17中，附图标记135是用于驱动信号记录用CCD123的电极，136用于是从输入区域122向信号记录用CCD123输送信号电荷的电极。在本实施方式中，信号记录用CCD123因为是四相驱动，故如图17所示，在各个元件123a上设有四个电极135。
背面照射型摄像元件101的转换层131、电荷收集部134、输入区域122以及电荷阻止层133例如分别由杂质浓度为1×1010～1×1015cm-3的p-型、杂质浓度为1×1015～1×1016cm-3的p+型、杂质浓度为1×1013～1×1016cm-3的n型、杂质浓度为1×1016～1×1020cm-3的n+型的以硅为主体的半导体材料构成。此时，能够通过在p-型的基板上以光致抗蚀剂为掩模进行硼和磷的离子注入后进行热扩散，从而进行制造。
通过光纤130从入射面102射入的光137到达转换层131，成对地产生电子和空穴。其中，由于电子具有负电荷，故聚集在n-型的电荷收集部134中，并且还聚集在n型的输入区域122中。空穴通过p-型的转换层131连续地向芯片外排出。聚集在输入区域122的电子即信号电荷向对应的信号记录用CCD123输出。
P-型的转换层131和n型的信号记录用CCD123通过p+型的电荷阻止层133相互隔开。因此，防止在转换层131产生的电子由于扩散和绕入不通过电荷收集部134及输入区域122而直接到达信号记录用CCD123的情况。由此，能够防止信号电荷的混入引起的信号记录用CCD123的杂音发生等。电荷阻止层133具有将相邻的信号记录用CCD123间相互地电隔离的而起到作为沟道阻止的功能。
接下来说明光纤130。表1表示对通常的CCD型摄像元件的制造中使用的单晶硅片的入射光的波长和从吸收系数计算出的芯片的厚度与透射率的关系。背面照射型在最薄的情况使用厚度20μm左右的芯片。
表1
  波长(nm)   吸收系数   透射率(20μm)   透射率(30μm)
  400   5.337   4.39954×10-47   2.92×10-70
  450   2   4.24835×10-18   8.76×10-27
  500   1.11   2.28382×10-10   3.45×10-15
  550   6.93×10-1   9.50764×10-7   9.27×10-10
  600   4.81×10-1   6.69208×10-5   5.47×10-7
  650   3.16×10-1   0.001792758   7.59×10-5
  700   2.19×10-1   0.012475357   0.001393
  750   1.52×10-1   0.047834889   0.010462
  800   9.49×10-2   0.149868056   0.058018
  850   6.24×10-2   0.286848809   0.153631
背面照射的图像周边记录型摄像元件理想的是使光透射率小于或等于1/10000。例如，如前所述，能够在信号记录用CCD123和垂直读取用CCD124上蓄积与100张量的图像对应的信号电荷时，拍摄一张的图像时，保持其图像的信号电荷直至拍摄最大99张的图像。光到达信号记录用CCD123和垂直读取用CCD124使产生电荷。从入射面102射入的光通过至表面132侧的信号记录用CCD123的比例(透射率)为1/10000时，每拍摄一张图像就在信号电荷上施加原本的信号电荷的1/10000的信号。因此，在拍摄100张的量的期间在原本的信号电荷上施加1/10000×100(张)＝1/100即1％的多余信号。该比例超过数％时则产生非常难以看到模糊的现象。
根据表1，通过厚度20μm的单晶硅的600nm的光的透射率为5.692×10-5，透过厚度30μm的单晶硅的650nm的光的透射率为7.59×10-5。因此，在这些情况下，不能满足关于上述的小于或等于1/10000这样的透射率的条件。而透过厚度为20μm的单晶硅的650nm的光的透射率是0.00179，透过厚度30μm的单晶硅的700nm的光的透过率为0.001393。在这些情况下，不能满足关于上述的小于或等于1/10000这样的透射率的条件。例如，在厚度为30μm的单晶硅上入射700nm的光时，使0.00193的透射率增大100倍，则成为0.19393。因此，在拍摄100张的量期间，在信号电荷上施加13.93％的多余电荷。
由以上研究，芯片的厚度为30μm时，理想的是光纤130实际上遮断700～1000n波长的光，具体地说这些光的透射率小于或等于1％为好。但是，连续拍摄张数不足100张时，光纤130的这些光的透射率也可以大于或等于1％，而超过100张时必须使光的透射率不足1％。另外，从连续拍摄停止直至闭锁未图示的快门不从光学系统向背面照射型摄像元件101入射光时，需要某种程度的时间，其间入射大量的光。具体地说，摄影速度为1M张/秒的情况，向入射面102射入摄影时的入射光量的104倍左右的光。因此，光纤130的光的透射率必须考虑从该连续拍摄停止直至向入射面102的入射停止的时间来进行设定。
通过设置适当地设定光的透射率的滤光器130，光不直接到达信号记录用CCD123，能够防止产生多余的电荷并防止其成为画质降低的原因。
(第六实施方式)
图18～图20表示的本发明第六实施方式的背面照射型摄像元件101具有n-型的电荷收集层138。该电荷收集层138介于转换层131和电荷阻止层133之间，与电荷收集部134的入射面102侧的端部连续。在转换层131产生的电荷一度聚集于电荷收集层138中。聚集于电荷收集层138的电荷沿水平方向移动收集于电荷收集部134中。因此，通过设置电荷收集层138能够更加有效地防止信号电荷向信号记录用CCD123混入。
第六实施方式的背面照射型摄像元件101例如制作如下。通过从p-型基板的表面侧高能量的离子注入或者热扩散，形成2～8μm左右厚度的n-层。然后，以相同的方法在距表面2～8μm左右处形成p+层，另外，在其表面侧通过离子注入形成周边电路。
由于第六实施方式的其他结构及作用与第五实施方式相同，故对相同的要素标注同一符号并省略说明。
本发明不限于上述实施方式，能够进行各种变形。例如，入射线可以为自然光线以外的电磁波、电子线以外的离子空穴等电荷粒子流以及除X线还包括α线、γ线、β线及中性粒子线的放射线。在入射线为放射线的情况下，可以在摄像元件的入射面侧配置闪烁物，向摄像元件射入根据放射线的强度闪烁物产生的光线。此时，从摄像元件寿命的观点出发，作为闪烁物的材料选择绿色和蓝色的光即产生波长较短的光为好。另外，在需要摄像机拍摄时，需要增大芯片的厚度而使红光也不到达记录用CCD和垂直读取用CCD。另外，进行高分辨力的图像分辩时，可以在自然光下从能量最高的绿色光中使用黄色的光、从红色光中遮断红外光，降低色差进行拍摄
参照附图完整地说明本发明，但是对本领域技术人员来说可以进行各种变更及变形。因此，只要其变更及变形不脱离本发明的意图和范围，都可解释为包含在本发明中。

Claims (8)

1.一种背面照射型摄像元件，其特征在于，包括：转换部，其设于入射线射入的入射面侧，将所述入射线转换成信号电荷并且相对于构成二维排列的多个像素的每一个；
电荷收集部，其从所述转换部向与所述入射面相反的表面侧延伸，收集在所述转换部产生的信号电荷；
电荷处理部，其设于所述表面侧，处理由所述电荷收集部收集的信号电荷；
抑制区域，其设于所述转换部与所述电荷处理部之间，抑制所述信号电荷从所述转换部向所述电荷处理部流入。
2.如权利要求1所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，所述转换部、所述电荷收集部、所述电荷处理部以及所述抑制区域由半导体材料构成，所述转换部具有第一导电型，所述电荷收集部具有第二导电型，并且，所述抑制区域具有电荷阻止层，该电荷阻止层具有所述第一导电型，其导电型杂质的浓度高于所述转换部，所述信号电荷处理部埋入其中，并且信号电荷收集部是贯通的。
3.如权利要求2所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，所述抑制区域还包括电荷收集层，该电荷收集层具有第二导电型，介于所述转换部和所述电荷阻止层之间并且与所述电荷收集部和入射面侧的端部连续。
4.如权利要求1-3中任何一项所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，所述电荷处理部是将所述信号电荷从模拟信号转换为数字信号的A/D转换器。
5.如权利要求1-3中任何一项所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，所述电荷处理部是设于各像素内部或其附近，蓄积所述信号电荷的信号电荷蓄积部。
6.如权利要求1-5中任何一项所述的背面照射型摄像元件，其特征在于，所述入射线是光线，并且，所述摄像元件还包括光学滤光器，其配置在所述入射面，并且遮断从所述入射面透过所述电荷处理部在所述电荷处理部产生与所述信号电荷同类的电荷的波长的光。
7.一种电子显微镜，其特征在于，具有权利要求1-6中任何一项所述的背面照射型摄像元件。
8.一种摄影装置，其特征在于，具有权利要求1-6中任何一项所述的背面照射型摄像元件。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101179090B (zh) * 2006-09-29 2010-06-09 台湾积体电路制造股份有限公司 背照式图像传感器及其制造方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7518170B2 (en) 2004-09-21 2009-04-14 Takeharu Etoh Back illuminated imaging device
WO2007138679A1 (ja) 2006-05-30 2007-12-06 Shimadzu Corporation 質量分析装置
TWI479887B (zh) * 2007-05-24 2015-04-01 Sony Corp 背向照明固態成像裝置及照相機
US8464952B2 (en) * 2009-11-18 2013-06-18 Hand Held Products, Inc. Optical reader having improved back-illuminated image sensor
US11050956B2 (en) * 2019-03-29 2021-06-29 Pixart Imaging Inc. Image sensor and method for increasing signal-noise-ratio thereof

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3864722A (en) * 1973-05-02 1975-02-04 Rca Corp Radiation sensing arrays
JPS59108465A (ja) * 1982-12-14 1984-06-22 Olympus Optical Co Ltd 固体撮像素子
US4656519A (en) * 1985-10-04 1987-04-07 Rca Corporation Back-illuminated CCD imagers of interline transfer type
US4774557A (en) * 1986-05-15 1988-09-27 General Electric Company Back-illuminated semiconductor imager with charge transfer devices in front surface well structure
JPH0982832A (ja) 1995-09-20 1997-03-28 Shinko Electric Ind Co Ltd 半導体パッケージの製造方法
JPH0982932A (ja) * 1995-09-20 1997-03-28 Hitachi Ltd 固体撮像素子
JP2907125B2 (ja) 1996-06-11 1999-06-21 日本電気株式会社 裏面照射型固体撮像素子の製造方法
JP3916823B2 (ja) * 1999-04-07 2007-05-23 シャープ株式会社 アクティブマトリクス基板およびその製造方法、並びにフラットパネル型イメージセンサ
JP2000324400A (ja) * 1999-05-13 2000-11-24 Hitachi Ltd 電子線像撮像装置及び電子顕微鏡
EP1109229A3 (en) * 1999-12-14 2008-03-26 Fillfactory N.V. Buried, fully depletable, high fill factor photodiodes
JP3571982B2 (ja) * 2000-01-27 2004-09-29 キヤノン株式会社 固体撮像装置及びそれを備えた固体撮像システム
US7176972B2 (en) 2000-03-28 2007-02-13 Link Research Corporation Fast imaging device and fast photographing device
JP3704052B2 (ja) 2000-03-28 2005-10-05 リンク・リサーチ株式会社 高速撮像素子及び高速撮影装置
JP3530466B2 (ja) 2000-07-17 2004-05-24 Ｎｅｃエレクトロニクス株式会社 固体撮像装置
JP4736173B2 (ja) * 2000-10-27 2011-07-27 株式会社ニコン 撮像装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101179090B (zh) * 2006-09-29 2010-06-09 台湾积体电路制造股份有限公司 背照式图像传感器及其制造方法

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Publication number Publication date
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