JP2000138365A - 半導体エネルギー検出器 - Google Patents
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Abstract
とを有する裏面照射型の半導体エネルギー検出器を提供
する。 【解決手段】 基板1の裏面側に、裏面照射によるエネ
ルギー線検出を可能にするための薄形部2と、その周辺
の基板枠1aとに加えて、薄形部2を分割するように基
板梁1bを形成することによって、薄形部2について基
板の充分な機械的強度を確保し、また、薄形部2の歪み
を抑制して、それによる検出時の焦点ぼけ等を防ぐこと
ができる。また同時に、基板抵抗が高い薄形部2の各部
位から、基板抵抗が低い基板枠1aまたは基板梁1bま
での距離を充分短く設定することによって、基板抵抗を
低減して高速読み出し動作を可能にすることができる。
Description
CD、Charge Coupled Device)やアクティブピクセル
センサ(APS、Active Pixel Sensor)などを用いた
半導体エネルギー検出器に関するものである。
(CCD)は、アナログ電荷群をクロックパルスに同期
して一方向に転送するもので、空間情報を時系列信号に
変換することができる。ただし、CCDに光を照射した
まま電荷を転送すると、それぞれの部位で光励起された
電荷と転送された電荷とが混じり合って、いわゆるスミ
アを起こし、画像信号が劣化する。そのため通常は、画
像の撮像(エネルギー線像の検出)を行う電荷蓄積期間
と、画像の転送を行う電荷転送期間とに時分割して動作
させて使用される。実用的な撮像デバイスとしては、例
えばフレーム転送型(FT型)、フル・フレーム転送型
(FFT型)、インターライン転送型(IT型)などが
ある。このうち、計測用としては主にFFT型CCDが
用いられる。FFT型CCDは、蓄積部が無く受光部を
大きくできるので、光の利用率が高く、微弱光の計測に
適している。
トマスク(レチクル)検査等に用いられるCCDなどの
半導体エネルギー検出器としては、パターンの焼き付け
露光に使用される光源を用いて検査が行われるために、
紫外光(例えば、高圧水銀灯g線:波長436nm、高圧
水銀灯i線:365nm、XeClエキシマレーザ:30
8nm、KrFエキシマレーザ:248nm、ArFエキシ
マレーザ:193nm、など)に高い感度を有するものが
必要とされる場合がある。
射型CCDがある(例えば特開平6−29506号)。
表面照射型CCDにおいては、受光部を覆っている転送
電極を例えば多結晶シリコンによる電極として、表面を
受光面として撮像を行うが、多結晶シリコンは波長40
0nm以下の光を吸収してしまうため、紫外光に対する
感度が低くなってしまう。これに対して裏面照射型CC
Dとは、基板を例えば厚さ10〜30μm程度まで薄く
してCCDを形成し、裏面からエネルギー線を入射して
撮像を行うものであり、したがって、表面側に配設され
る転送電極に影響されずに光の入射・受光を行うことが
でき、紫外光などの短波長光に対しても高い感度を有す
るCCDが実現される。
たような裏面照射型CCDにおいては、その薄形部の薄
さによって機械的強度が低く、取り扱いが難しいという
問題がある。また、CCDを含めてMOS型デバイスで
は基板電位の確保、すなわち基板抵抗を小さくすること
が重要であるが、大きい薄形部を有する裏面照射型CC
Dにおいては小さい基板抵抗の実現は構造上困難であ
る。
例えば上記の特開平6−29506号に示されたものの
ように、基板枠を有する構成として強度を補強する方法
が用いられることがある。図12は、そのような裏面照
射型CCDの一例を裏面側からみた底面図、また、図1
3は、そのVI−VI矢印断面図である。ここでは、基板
1において受光部領域に対応する基板部分を薄形化して
薄形部2とし、その周辺部分に基板を薄形化せずに枠状
に残した基板枠1aが形成されている。しかし、受光部
の面積が大きくなると、このような構造のみでは薄形部
2について充分な機械的強度が確保できず、また、薄形
部2の各部位に生じる歪みによって焦点が合わなくなる
(焦点ぼけ)、という問題がある。
と等価であり、ゲートに印加されたクロックパルスによ
り基板の電荷を充電・放電することによって、CCDの
電荷転送のためのポテンシャル井戸を形成・変化させて
いる。しかし、厚い基板が残存している基板枠1aの部
分では、その基板抵抗は0.7Ω/□程度と低いのに対
して、薄形部2においてはその薄さのために基板抵抗は
100〜1000Ω/□程度と非常に高くなってしま
い、そのため基板電荷の充電・放電を速やかに行うこと
ができない。特に、基板枠1aは強度を補強すると同時
に基板電荷の充電・放電を補助する機能をも有している
が、受光部に対応している薄形部2の中心付近などで
は、基板枠1aまでの距離が長く、基板抵抗によって電
荷転送の速度が抑えられて高速動作ができない。
されたものであり、充分な基板強度と、小さい基板抵抗
とを有する裏面照射型の半導体エネルギー検出器を提供
することを目的とする。
るために、本発明による半導体エネルギー検出器は、半
導体基板の表面に電荷読み出し部が形成されている半導
体エネルギー検出器において、半導体基板の裏面には、
半導体基板が薄形化されて、エネルギー線の検出が行わ
れる複数の薄形部と、半導体基板の周縁部に形成され
て、複数の薄形部をその内側領域に含む基板枠と、基板
枠の内側領域において、複数の薄形部についてのそれぞ
れの境界部分に形成されている単一または複数の基板梁
と、が形成されていることを特徴とする。
らなることを特徴としても良い。
どの電荷読み出し部の受光部領域に対応する裏面側の領
域を含んで形成された薄形部と、その周辺部分に基板を
残存させた基板枠と、を有して構成された裏面照射型半
導体エネルギー検出器において、その薄形部の領域を複
数の領域に分割し、それらの領域の境界部分に基板を全
部または一部残存させて形成される基板梁を設けた構成
とすることによって、紫外光などに対して高い感度を有
すると同時に、受光部の面積が大きい場合などにおいて
も、半導体基板の充分な機械的強度を確保して、薄形部
の各部位に生じる歪みによる焦点ぼけを抑制した半導体
エネルギー検出器とすることができる。
抗が高い薄形部の各部位から、基板抵抗が低い基板枠ま
たは基板梁までの距離を充分に短縮するように基板梁を
構成することによって基板抵抗を低減して、電荷転送等
の高速動作を可能にすることができる。
ルギー検出器は、紫外光を含む光の他に、電子線やX線
などのエネルギー線の検出にも有効に用いることができ
る。
し垂直方向を長手方向として配設される複数の垂直配列
を有して構成され、基板梁は、少なくとも2つの垂直配
列に対応する裏面上の領域を通るように設置されたこと
を特徴とする。
有して構成した場合、基板梁を少なくとも2つの垂直配
列に対応する部位を含んで設置する、すなわち、垂直配
列の配列方向と平行でないように基板梁を設置すること
によって、例えば全領域が不感領域となる垂直配列が生
じないように構成することができる。
する裏面上の領域において、複数の薄形部が設けられて
いる領域の面積がそれぞれ等しいことを特徴としても良
い。
一定速度で移動している物体を撮像する方法として、物
体の移動速度に対応した速度で受光部に蓄積される電荷
を転送しつつ電荷の蓄積を行うTDI(Time Delay and
Integration)駆動法が用いられるが、各垂直配列での
薄形部が設けられている領域の面積を同一とした上記の
構成の半導体エネルギー検出器にこのTDI駆動法を適
用して撮像を行った場合、物体の各位置に対応する電荷
蓄積・検出の感度が検出・撮像される像全体で均一な検
出器とすることができる。
の移動速度に対応した速度で電荷転送を行いつつ、検出
対象のエネルギー線像のぶれのない検出を行うTDI駆
動法によって電荷読み出し部を制御する電荷転送制御部
をさらに備える構成とすることによって実現される。
導体エネルギー検出器の好適な実施形態について詳細に
説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同
一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の
寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
出器の第1の実施形態を裏面側からみた底面図である。
また、図2は、図1に示した半導体エネルギー検出器の
I−I矢印断面図である。なお、表面側に形成されてい
るCCDの垂直及び水平の電荷転送方向は、図1におい
ては図面上の垂直及び水平方向と一致している。また、
図2においては図面上の上方が図1に示されている裏面
側、下方がCCDが形成されている表面側である。
器は、厚さ約300μm、抵抗率10〜100Ω・cm
程度で、面方位(100)のP型シリコン基板1上に構
成されている。裏面照射型の半導体エネルギー検出器に
おいては、基板の薄形化、及び裏面入射面のポテンシャ
ルスロープ(アキュムレーション層)の形成が必要であ
る。基板の薄形化によって、入射面近傍で光電変換され
て生じた電子が、電荷転送のポテンシャル井戸に拡散す
るまでに再結合によって消滅しないようにし、また、光
電変換する基板裏面と電荷転送する基板表面との距離を
短くして、隣接画素への拡散を抑制させて解像度の低下
を防ぐことができる。一方、裏面入射面のポテンシャル
スロープ(アキュムレーション層)の形成によって、入
射面近傍で光電変換されて生じた電子が電荷転送のため
のポテンシャル井戸へ容易に拡散するようにすることが
できる。このようなポテンシャルスロープ(アキュムレ
ーション層)の形成は、例えばボロンイオンの注入と、
その活性化熱処理によってなされる。
面側の領域には、厚さ10〜30μm程度に薄くされた
(したがって270〜290μm程度の深さでエッチン
グされた)薄形部2が形成されている。この薄形部2
は、本実施形態においては図1に示すように等しい面積
で4分割(垂直・水平方向にそれぞれ2分割)されて形
成されている。すなわち、薄形部2の周辺部分に基板を
薄形化せずに枠状に残存させた基板枠1aに加えて、薄
形部2の領域内に基板を梁状に残存させた基板梁1bが
形成されている。
てさらに基板梁1bを有して基板1を構成することによ
って、薄形部2によって裏面からの受光・撮像を可能に
して、紫外光等への高い感度を実現しつつ、かつ、基板
梁1bによって基板1の薄形部2について充分な機械的
強度を確保し、薄形部2の歪みを抑制して、それによる
撮像時の焦点ぼけを防ぐことができる。また、この基板
梁1bを形成することによって、従来、薄形部2から基
板枠1aまでの距離が長かったことに起因して生じてい
た高い基板抵抗の問題を解決して、薄形部2の各部位か
ら、基板抵抗が低い基板枠1aまたは基板梁1bまでの
距離を充分に短縮して、電荷転送等の高速動作を可能に
することができる。
bが設置されている部位は不感領域もしくは低感度領域
となるが、例えばCCDの受光面積を大きくしたい要望
があるX線撮像や天文観測などにおいては、従来から、
複数のCCDを隙間無く並べることによって大面積化を
実施している場合がある。このように、不感領域となる
それぞれのCCDの隙間の存在が実用上障害となってい
ないような用途に対しては、本発明によるCCDなどの
半導体エネルギー検出器における、基板梁1bによる不
感または低感度領域についても実用上は問題とならな
い。
護膜であるシリコン酸化膜3が例えば厚さ0.1μm程
度に形成され、また、薄形部2に対応した基板部分に
は、P+高濃度層4が形成されている。P+高濃度層4は
例えば厚さ0.2μm程度で濃度5×1018/cm3程
度に形成され、光入射面に近い部位で光電変換された電
荷を表面側へ拡散させる機能を有している。
り、これによって、裏面入射型の半導体エネルギー検出
器が構成されている。すなわち、裏面側から入射された
光は、P+高濃度層4からCCD5までの領域において
光電変換され、光電変換によって生じた電荷はCCD5
に向けて拡散して、CCDのポテンシャル井戸に到達し
蓄積されて、検出・撮像が行われる。
Dのウエハプロセスの途中工程において形成される。ま
ず、シリコン基板1にシリコン窒化膜を堆積し、ホトリ
ソグラフィ工程により所望の形状にパターニングし、そ
れをマスクとしてシリコン基板1をKOHからなるエッ
チング液で、シリコン窒化膜に覆われたチップ周辺部を
厚く残したままエッチングすることにより形成される。
出器を表面側からみた上面図であり、本実施形態におい
ては、FFT型CCD(例えば約20μm×20μmの
画素が2次元的に、水平方向に512または1024
列、垂直方向に128または256行配置されてなる)
が形成されている。なお、このような表面側のCCDの
構成については従来と同様のものを用いている。また、
以下に示す他の実施形態に関しても表面側の構成は基板
及び受光面の形状・面積等を除いてこれと同様のもので
あるが、いずれも表面側はこのようなFFT型CCDに
限られるものではなく、他の形態のCCDまたはCCD
以外の素子等を用いた半導体エネルギー検出器とするこ
とも可能である。
送方向とした垂直転送チャネル6が複数列(例えば幅約
20μmで、512または1024列)配列されてお
り、これに直交する方向を長手方向として複数の垂直転
送電極からなる垂直転送電極群7が配設されて、垂直シ
フトレジスタが形成されている。配列されたそれぞれの
垂直転送チャネル6は水平転送チャネル8(例えば幅約
25〜100μm)に接続され、これに直交して複数の
水平転送電極からなる水平転送電極群9が配設されて、
水平シフトレジスタが形成されている。なお、垂直転送
電極群7については、FT型CCDの場合には上下2つ
の領域に分割されて、それぞれ受光部(上の領域)及び
蓄積部(下の領域)が形成される。
シャル井戸に蓄積された電荷は、垂直転送チャネル6及
び垂直転送電極群7を有する垂直シフトレジスタと、水
平転送チャネル8及び水平転送電極群9を有する水平シ
フトレジスタとによって、電荷転送期間に順次転送さ
れ、時系列信号となる。転送された電荷は、一定電位の
アウトプットゲート10の下を通過し、リセットゲート
11によって一定の電位に保たれたフローティングダイ
オード12のポテンシャル井戸に送り込まれて、フロー
ティングダイオード12の電位を変化させる。この電位
の変化をオンチップのFET13と、外付けの負荷抵抗
14からなるソースフォロワ回路を通して読み出し、出
力端子15より画像出力を得る。その後、フローティン
グダイオード12に送り込まれた電荷は、リセットゲー
ト11の下を通過してリセットドレイン16より放出さ
れる。
出器の第2の実施形態を裏面側からみた底面図である。
また、図5は、図4に示した半導体エネルギー検出器の
II−II矢印断面図である。なお、図面上の垂直・水平方
向等に関しては図1及び図2と同様である。また、基板
の厚さ、薄形部の厚さ(エッチング深さ)、及びその断
面構造等については第1の実施形態と同様である。
向、すなわち垂直シフトレジスタの電荷転送方向と直交
する方向、を長手方向として等しい面積で基板梁1bに
よって4分割(垂直方向に4分割)されて形成されてい
る。このような構成においては、薄形部2が設けられて
いる部位の面積が、表面側に形成されている垂直配列で
あるそれぞれの垂直転送チャネル6に対応する裏面側の
領域に対してそれぞれ等しくなるように基板梁1bが設
置されており、これによって、第1の実施形態と同様の
機械的強度の確保等の効果に加えて、さらにTDI(Ti
me Delay and Integration)駆動法を用いた場合におい
て、基板梁1bによる不感または低感度領域の問題を生
じない撮像を行うことが可能となる。
上にある物体など、一定速度で移動している撮像対象で
ある物体を撮像するのに用いられる撮像法であって、撮
像対象の進行方向を垂直シフトレジスタの電荷転送方向
と一致させて設置し、受光部の各ポテンシャル井戸に蓄
積された電荷を撮像対象の移動速度に対応した速度で転
送しつつ、電荷の蓄積・撮像を行う方法である。このよ
うな方法によれば、特定の蓄積電荷は、撮像対象の移動
にかかわらず常に撮像対象の特定の位置に対応して、ス
ミア・ぶれの生じない撮像を行うことができる。
部位の面積が、それぞれの垂直転送チャネル6に対して
等しくなるように基板梁1bを設置することによって、
TDI駆動法において垂直転送チャネル6を転送される
それぞれの蓄積電荷が、基板梁1bによる不感・低感度
領域を通過する時間・割合を等しくすることができ、し
たがって、撮像感度が撮像される像全体に対して均一に
なるようにすることが可能となる。なお、このようなT
DI駆動法は、実際には例えば図3に示したCCDにお
いて垂直転送電極群7及び水平転送電極群9の転送電極
にそれぞれ印加される電圧等を制御することによって、
TDI駆動法にしたがって電荷転送を制御する電荷転送
制御部(図示していない)を設置することによって実現
される。
出器の第3の実施形態を裏面側からみた底面図である。
また、図7は、図6に示した半導体エネルギー検出器の
III−III矢印断面図である。なお、図面上の垂直・水平
方向等に関しては図1及び図2と同様である。また、基
板の厚さ、薄形部の厚さ(エッチング深さ)、及びその
断面構造等については第1または第2の実施形態と同様
である。
のであるが、その薄形部2及び基板梁1bは、垂直転送
チャネル6に対して45°の角度で右上がり斜めに形成
されている。このような形状とすることによって、第2
の実施形態に比べてさらにその機械的強度を高めて、薄
形部2の歪みによる焦点ぼけをさらに低減した半導体エ
ネルギー検出器とすることができる。
の上端(基板枠1aの上部との境界端)及び下端(基板
枠1aの下部との境界端)の水平方向の位置をそれぞれ
図6に示すように対応させることによって、薄形部2が
設けられている部位の面積が、それぞれの垂直転送チャ
ネル6に対して等しくなるように基板梁1bが設置・構
成されており、したがって、第2の実施形態と同様に、
TDI駆動法を用いた場合において、基板梁1bによる
不感または低感度領域の問題を生じない撮像を行うこと
ができる。
上記した実施形態に限られるものではなく、様々な形態
のものを用いることができる。
出器の第4の実施形態を裏面側からみた底面図である。
また、図9は、図8に示した半導体エネルギー検出器の
IV−IV矢印断面図である。第1〜第3の実施形態にお
いては、基板枠1a及び基板梁1bの高さ(厚さ)はす
べて等しく設定されていたが、本実施形態においては、
基板梁1bの高さ(厚さ)が基板枠1aよりも低く(薄
く)されている。このような構成は、シリコンエッチン
グを2段階に分けて行うことによって実現することが可
能であり、これによって、撮像対象からの画像の影を生
じにくくすることができる。
検出器の第5の実施形態を裏面側からみた底面図であ
る。また、図11は、図10に示した半導体エネルギー
検出器のV−V矢印断面図である。本実施形態において
は、基板枠1a及び基板梁1bの裏面入射面側の領域に
マスク蒸着によってメタライゼーションを施して、金属
層1cが形成されている。これによって、さらに基板抵
抗を低減することができる。例えば、図8及び図9に示
したように基板梁1bをやや低く形成した場合、この部
分の基板抵抗がやや高くなってしまうが、そのような場
合に、このメタライゼーションによる金属層1cの形成
は特に有効である。
ギー検出器は、以上詳細に説明したように、次のような
効果を得る。すなわち、表面側に電荷読み出し部が形成
されている半導体エネルギー検出器において、裏面側に
基板を薄形化した薄形部を設けて電子線、X線、及び紫
外光等に対して高い感度を有する裏面照射型半導体エネ
ルギー検出器とすると同時に、薄形部の周辺の基板枠に
加えて薄形部を分割するように基板梁をさらに設置する
ことによって、基板の機械的強度を強くし、薄形部の歪
みによる焦点ぼけを低減することができる。また、薄形
部の各部位における基板抵抗を、基板枠または基板梁ま
での距離を充分に短くすることによって低減させ、それ
によって電荷転送の高速動作による読み出し時間の短縮
を実現することができる。
れの垂直転送チャネルに対してその覆う面積が等しくな
るように構成することによって、TDI駆動法による紫
外光などのエネルギー線の検出を行った場合に、各蓄積
電荷が基板梁による不感・低感度領域を通過する時間を
等しくして、各検出点について検出感度が均一である検
出・撮像等を行うことができる半導体エネルギー検出器
とすることができる。
実施形態の裏面側構成を示す底面図である。
矢印断面図である。
構成を示す上面図である。
実施形態の裏面側構成を示す底面図である。
矢印断面図である。
実施形態の裏面側構成を示す底面図である。
II矢印断面図である。
実施形態の裏面側構成を示す底面図である。
V矢印断面図である。
の実施形態の裏面側構成を示す底面図である。
−V矢印断面図である。
を示す底面図である。
矢印断面図である。
1c…金属層、2…薄形部、3…シリコン酸化膜、4…
P+高濃度層、5…CCD、6…垂直転送チャネル、7
…垂直転送電極群、8…水平転送チャネル、9…水平転
送電極群、10…アウトプットゲート、11…リセット
ゲート、12…フローティングダイオード、13…FE
T、14…負荷抵抗、15…出力端子、16…リセット
ドレイン。
Claims (5)
- 【請求項1】 半導体基板の表面に電荷読み出し部が形
成されている半導体エネルギー検出器において、 前記半導体基板の裏面には、 前記半導体基板が薄形化されて、エネルギー線の検出が
行われる複数の薄形部と、 前記半導体基板の周縁部に形成されて、前記複数の薄形
部をその内側領域に含む基板枠と、 前記基板枠の内側領域において、前記複数の薄形部につ
いてのそれぞれの境界部分に形成されている単一または
複数の基板梁と、が形成されていることを特徴とする半
導体エネルギー検出器。 - 【請求項2】 前記電荷読み出し部は、電荷結合素子か
らなることを特徴とする請求項1記載の半導体エネルギ
ー検出器。 - 【請求項3】 前記電荷読み出し部は、水平方向を分割
し垂直方向を長手方向として設置される複数の垂直配列
を有して構成され、 前記基板梁は、少なくとも2つの前記垂直配列に対応す
る裏面上の領域を通るように形成されたことを特徴とす
る請求項1または2記載の半導体エネルギー検出器。 - 【請求項4】 前記複数の垂直配列のそれぞれに対応す
る裏面上の領域において、前記複数の薄形部が設けられ
ている領域の面積がそれぞれ等しいことを特徴とする請
求項3記載の半導体エネルギー検出器。 - 【請求項5】 検出対象の移動速度に対応した速度で電
荷転送を行いつつ、前記検出対象のエネルギー線像のぶ
れのない検出を行うTDI駆動法によって前記電荷読み
出し部を制御する電荷転送制御部をさらに備えることを
特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の半導体エ
ネルギー検出器。
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