JP2008103668A - Back irradiation image sensor and imaging device with that image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板の裏面側から光を照射し、前記光に応じて前記半導体基板内で発生した電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子に関する。 The present invention relates to a backside illuminating type imaging device that irradiates light from a back surface side of a semiconductor substrate, reads out charges generated in the semiconductor substrate in response to the light from the front surface side of the semiconductor substrate, and performs imaging.
半導体基板の裏面側から光を照射し、この光に応じて半導体基板内で発生した電荷を、半導体基板の表面側に形成された電荷蓄積領域に蓄積し、ここに蓄積された電荷に応じた信号を、CCDやCMOS回路等によって外部に出力して撮像を行う裏面照射型撮像素子が提案されている。以下では、この裏面照射型撮像素子に対し、現在普及している一般的な撮像素子のことを表面照射型撮像素子という。 Light is irradiated from the back side of the semiconductor substrate, and electric charges generated in the semiconductor substrate in response to the light are accumulated in a charge accumulation region formed on the front side of the semiconductor substrate, and according to the electric charges accumulated here There has been proposed a back-illuminated image sensor that outputs a signal to the outside by a CCD, a CMOS circuit, or the like and performs imaging. In the following, a general imaging device that is currently popular with respect to the backside illumination type imaging device is referred to as a front side illumination type imaging device.
この裏面照射型撮像素子においても、表面照射型撮像素子と同様に、光電変換素子に蓄積された撮像に不要な過剰電荷を排出するためのオーバーフロードレイン機構を設ける必要がある。表面照射型撮像素子に適用されているオーバーフロードレイン機構には、縦型オーバーフロードレイン機構と横型オーバーフロードレイン機構がある。横型オーバーフロードレイン機構は、各光電変換素子に隣接して各光電変換素子に並行にドレイン領域が設けられるため、この機構では、微細化が進んだ場合に、各構成素子の大きさを十分に大きくすることができず、飽和信号量を維持させることが難しい。一方、縦型オーバーフロードレイン機構は、各光電変換素子の下方に、ドレイン領域を設ける構成であるため、微細化が進んだ場合でも、各構成素子の大きさを確保することができ、飽和信号量を維持することが可能となる。 In this backside illuminating type image pickup device as well, it is necessary to provide an overflow drain mechanism for discharging excess charges unnecessary for image pickup accumulated in the photoelectric conversion element as in the case of the front side illuminating type image pickup device. The overflow drain mechanism applied to the surface irradiation type imaging device includes a vertical overflow drain mechanism and a horizontal overflow drain mechanism. In the horizontal overflow drain mechanism, a drain region is provided in parallel to each photoelectric conversion element adjacent to each photoelectric conversion element. With this mechanism, when miniaturization progresses, the size of each constituent element is sufficiently large. It is difficult to maintain the saturation signal amount. On the other hand, since the vertical overflow drain mechanism has a structure in which a drain region is provided below each photoelectric conversion element, the size of each component can be secured even when miniaturization progresses, and the saturation signal amount Can be maintained.
特許文献1には、裏面照射型撮像素子において縦型オーバーフロードレイン機構を採用した構成が開示されている。
特許文献2には、裏面照射型撮像素子において表面側にオーバーフロードレイン機構を設けた構成が開示されている。
特許文献1に開示された構成は、裏面照射型撮像素子の裏面から照射された光が、まず、縦型オーバーフロードレイン領域に入射し、ここを通過した光が光電変換素子に入射する構成であるため、縦型オーバーフロードレイン領域とその空乏層で発生した電荷が、このドレイン領域から排出されてしまう。このドレイン領域は、光入射側から見て半導体基板内の浅い位置に存在する。ここでは青色の波長域の光が多く吸収され、この結果、著しく青感度の低い撮像素子となってしまう。
The configuration disclosed in
これに対し、特許文献2に開示された構成によれば、青感度の低下を防ぐことはできるが、フォトダイオードの最大電位点から離れた位置の上方にドレイン領域が設けられているため、過剰電荷の排出を十分に行うことができない。特に、フォトダイオードに蓄積された電荷を全て掃き出して電子シャッタ機能を実現する際には、電子シャッタON時にフォトダイオードに電荷が残ってしまい、固定パターンノイズなどが発生してしまう。
On the other hand, according to the configuration disclosed in
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、微細化に有利で且つ青感度の低下を防ぐことができ且つ不要電荷を完全に掃き出すことが可能な、つまり、固定パターンノイズの少ない電子シャッタ機能を実現可能なオーバーフロードレイン機構を有する裏面照射型撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is advantageous for miniaturization, can prevent a decrease in blue sensitivity, and can completely sweep out unnecessary charges, that is, an electron with less fixed pattern noise. An object of the present invention is to provide a back-illuminated image sensor having an overflow drain mechanism capable of realizing a shutter function.
本発明の裏面照射型撮像素子は、半導体基板の裏面側から光を照射し、前記光に応じて前記半導体基板内で発生した電荷を、前記半導体基板の表面側から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、前記半導体基板内の前記半導体基板表面近傍の同一面上に形成された前記電荷を蓄積するための第一導電型の複数の第一の不純物拡散層と、前記複数の第一の不純物拡散層の各々と前記半導体基板の表面との間に形成された前記第一導電型の第二の不純物拡散層であって、前記複数の第一の不純物拡散層の各々に蓄積される不要な電荷を排出するためのオーバーフロードレインとして機能する複数の第二の不純物拡散層と、前記複数の第二の不純物拡散層の各々と前記複数の第一の不純物拡散層の各々との間に形成され、前記オーバーフロードレインのオーバーフローバリアとして機能する前記第一導電型の反対の第二導電型の複数の第三の不純物拡散層とを備え、前記第二の不純物拡散層が、平面視において前記第一の不純物拡散層の最大電位点と重なる位置に形成されている。 The backside illumination type imaging device of the present invention irradiates light from the backside of the semiconductor substrate, and reads back the charge generated in the semiconductor substrate in response to the light from the topside of the semiconductor substrate to perform imaging. A plurality of first impurity diffusion layers of a first conductivity type for accumulating the electric charge formed on the same surface of the semiconductor substrate near the surface of the semiconductor substrate; A second impurity diffusion layer of the first conductivity type formed between each of the first impurity diffusion layers and the surface of the semiconductor substrate, and is accumulated in each of the plurality of first impurity diffusion layers. A plurality of second impurity diffusion layers functioning as overflow drains for discharging unnecessary charges, and each of the plurality of second impurity diffusion layers and each of the plurality of first impurity diffusion layers. Formed between and over A plurality of third impurity diffusion layers of a second conductivity type opposite to the first conductivity type that function as an overflow barrier of a low drain, wherein the second impurity diffusion layer is the first impurity in plan view It is formed at a position overlapping the maximum potential point of the diffusion layer.
本発明の裏面照射型撮像素子は、前記第一の不純物拡散層の最大電位点が、平面視において前記第一の不純物拡散層の中心にある。 In the backside illumination type imaging device of the present invention, the maximum potential point of the first impurity diffusion layer is at the center of the first impurity diffusion layer in plan view.
本発明の裏面照射型撮像素子は、前記第一の不純物拡散層の最大電位点が、前記第一の不純物拡散層と前記第三の不純物拡散層との境界面から0.3μm以内の深さにある。 In the backside illumination type imaging device of the present invention, the maximum potential point of the first impurity diffusion layer is a depth within 0.3 μm from the boundary surface between the first impurity diffusion layer and the third impurity diffusion layer. It is in.
本発明の裏面照射型撮像素子は、前記複数の第二の不純物拡散層の各々に近接して形成された前記第二の不純物拡散層よりも低濃度の第一導電型の不純物拡散層であって、前記第二の不純物拡散層によって形成される空乏層を前記表面に平行な方向に拡大するための空乏層拡大層を備える。 The back-illuminated imaging device of the present invention is a first conductivity type impurity diffusion layer having a lower concentration than the second impurity diffusion layer formed in the vicinity of each of the plurality of second impurity diffusion layers. And a depletion layer expansion layer for expanding the depletion layer formed by the second impurity diffusion layer in a direction parallel to the surface.
本発明の裏面照射型撮像素子は、前記第二の不純物拡散層によって形成される空乏層が、平面視において前記第一の不純物拡散層の2/3以上を覆っている。 In the backside illumination type imaging device of the present invention, the depletion layer formed by the second impurity diffusion layer covers 2/3 or more of the first impurity diffusion layer in plan view.
本発明の裏面照射型撮像素子は、前記複数の第二の不純物拡散層の各々が前記表面に露出する露出面を有し、前記露出面に接続された電極を備える。 The backside illumination type imaging device of the present invention has an exposed surface where each of the plurality of second impurity diffusion layers is exposed on the surface, and includes an electrode connected to the exposed surface.
本発明の撮像装置は、前記裏面照射型撮像素子と、前記第一の不純物拡散層の飽和電荷量を決定する第一の電圧を前記電極に印加する第一の電圧印加手段と、前記第一の電圧印加時に前記第三の不純物拡散層によって形成されるオーバーフローバリアを消失させるために必要な前記第一の電圧よりも高い第二の電圧を前記電極に印加する第二の電圧印加手段とを備える。 The imaging apparatus of the present invention includes the backside illumination type imaging device, a first voltage applying unit that applies a first voltage that determines a saturation charge amount of the first impurity diffusion layer to the electrode, and the first A second voltage applying means for applying a second voltage higher than the first voltage necessary for eliminating the overflow barrier formed by the third impurity diffusion layer when the voltage is applied to the electrode. Prepare.
本発明の撮像装置は、前記第二の電圧印加手段が、前記第二の電圧の印加タイミングを可変制御することで、前記裏面照射型撮像素子の露光時間を調整する。 In the imaging apparatus of the present invention, the second voltage application unit variably controls the application timing of the second voltage, thereby adjusting the exposure time of the backside illumination type imaging device.
本発明の撮像装置は、前記第一の電圧印加手段が、前記第一の電圧を可変制御することで前記第一の不純物拡散層の飽和電荷量を調整する。 In the imaging apparatus of the present invention, the first voltage application unit adjusts the saturation charge amount of the first impurity diffusion layer by variably controlling the first voltage.
本発明の撮像装置は、前記第二の電圧が、前記第一の電圧を基準とした値で決められている。 In the imaging apparatus of the present invention, the second voltage is determined by a value based on the first voltage.
本発明の撮像装置は、前記裏面照射型撮像素子が、前記複数の第一の不純物拡散層の各々に蓄積された電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送装置と、前記垂直電荷転送装置を転送された電荷を前記垂直方向に直交する水平方向に転送する水平電荷転送装置とを備え、前記第一の電圧が、前記水平電荷転送装置の駆動電圧以下であり、前記第二の電圧が、前記電荷を前記垂直電荷転送装置に読み出すための読み出し電圧以下である。 In the imaging device of the present invention, the back-illuminated imaging device transfers a vertical charge transfer device that transfers charges accumulated in each of the plurality of first impurity diffusion layers in a vertical direction, and transfers the vertical charge transfer device. A horizontal charge transfer device that transfers the generated charge in a horizontal direction orthogonal to the vertical direction, wherein the first voltage is equal to or lower than a driving voltage of the horizontal charge transfer device, and the second voltage is It is below the read voltage for reading the charge to the vertical charge transfer device.
本発明の撮像装置は、前記複数の第一の不純物拡散層をn(nは2以上の自然数)個のグループに分けて、各グループに蓄積された電荷同士を前記垂直電荷転送装置で加算して転送する加算転送モードと、各グループに蓄積された電荷同士を前記垂直電荷転送装置で非加算で転送する非加算転送モードとが設定可能であり、前記加算転送モード設定時、前記第一の電圧印加手段は、前記第一の不純物拡散層の飽和電荷量が前記非加算転送モード設定時に前記電極に印加すべき前記第一の電圧によって決まる前記第一の不純物拡散層の飽和電荷量の1/nとなるように、前記第一の電圧を可変制御する。 In the imaging device of the present invention, the plurality of first impurity diffusion layers are divided into n (n is a natural number of 2 or more) groups, and charges accumulated in each group are added by the vertical charge transfer device. And a non-addition transfer mode in which charges accumulated in each group are transferred in a non-addition manner by the vertical charge transfer device, and when the addition transfer mode is set, the first transfer mode can be set. The voltage application means is configured to determine a saturation charge amount of the first impurity diffusion layer, which is determined by the first voltage to be applied to the electrode when the non-addition transfer mode is set. The first voltage is variably controlled so as to be / n.
本発明の撮像装置は、前記裏面照射型撮像素子が、前記水平電荷転送装置を転送された電荷を電圧信号に変換して出力するソースフォロワ回路を備え、前記垂直電荷転送装置が、最も大きな電圧であるVHと、最も小さな電圧であるVLと、前記VHと前記VLの間の電圧であるVMとの3つの電圧で駆動されるものであり、前記第二の電圧が、前記ソースフォロア回路の最終段のトランジスタのドレイン印加電圧、前記VLと前記VMの差分、及び前記VHと前記VMの差分のいずれかと前記第一の電圧とを加算した値である。 The imaging device of the present invention includes a source follower circuit in which the backside illumination type imaging device converts the charge transferred from the horizontal charge transfer device into a voltage signal and outputs the voltage signal, and the vertical charge transfer device has the largest voltage. Are driven by three voltages, VH, which is the smallest voltage, and VM, which is the voltage between VH and VL, and the second voltage is the voltage of the source follower circuit. This is a value obtained by adding one of the drain applied voltage of the final stage transistor, the difference between the VL and the VM, and the difference between the VH and the VM and the first voltage.
本発明の撮像装置は、前記裏面照射型撮像素子が、前記複数の第一の不純物拡散層の各々に蓄積された電荷を読み出して蓄積しておくための電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層に蓄積された電荷に応じた信号を出力するCMOS回路とを備える。 In the imaging device of the present invention, the backside illumination type imaging device reads out and accumulates charges accumulated in each of the plurality of first impurity diffusion layers, and the charge accumulation layer And a CMOS circuit that outputs a signal corresponding to the accumulated charge.
本発明によれば、微細化に有利で且つ青感度の低下を防ぐことができ且つ不要電荷を完全に掃き出すことが可能な、つまり、固定パターンノイズの少ない電子シャッタ機能を実現可能なオーバーフロードレイン機構を有する裏面照射型撮像素子を提供することができる。 According to the present invention, an overflow drain mechanism that is advantageous for miniaturization, can prevent a decrease in blue sensitivity, and can completely sweep out unnecessary charges, that is, can realize an electronic shutter function with less fixed pattern noise. Can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第一実施形態)
図1は、本発明の第一実施形態を説明するためのインターライン型の裏面照射型撮像素子の部分断面模式図である。
図1に示す裏面照射型撮像素子100は、p型のシリコン層(以下、p層という)1とp層1よりも不純物濃度の高いp++型のシリコン層(以下、p++層という)2とからなるp型の半導体基板(以下、p基板という)30を備える。裏面照射型撮像素子100は、図中下方から上方に向かって光を入射させて撮像を行うものである。本明細書では、p基板30の光入射方向に対して垂直な2つの面のうち、光入射側の面を裏面といい、その反対面を表面という。又、裏面照射型撮像素子100を構成する各構成要素を基準にしたときに、入射光が進む方向を、その構成要素の上方と定義し、入射光が進む方向の反対方向を、その構成要素の下方と定義する。又、p基板30の裏面及び表面に直交する方向を垂直方向、p基板30の裏面及び表面に平行な方向を水平方向と定義する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a partial cross-sectional schematic diagram of an interline back-illuminated image sensor for explaining a first embodiment of the present invention.
A back-
p層1内のp基板30表面近傍の水平方向に延びる同一面上には、入射光に応じてp基板30内で発生した電荷を蓄積するためのn型の不純物拡散層(以下、n層という)4が複数配列されている。n層4は、p基板30の表面側に形成されたn層4aと、n層4aの下に形成されたn層4aよりも不純物濃度の低いn−層4bとの2層構造となっているが、これに限らない。n層4で発生した電荷と、このn層4に入射する光の経路上でp基板30内に発生した電荷とが、n層4に蓄積される。
On the same surface extending in the horizontal direction near the surface of the
各n層4上にはp基板30表面に発生する暗電荷が各n層4に蓄積されるのを防ぐための高濃度のp型の不純物拡散層(以下、p+層という)5が形成されている。各p+層5内部には、p基板30の表面からその内側に向かってn層4よりも高濃度のn型の不純物拡散層(以下、n+層という)6が形成されている。n+層6は、n層4に蓄積される不要な電荷を排出するためのオーバーフロードレインとして機能し、p+層5が、このオーバーフロードレインのオーバーフローバリアとしても機能する。図示したように、n+層6は、p基板30の表面に露出する露出面を有している。
A high-concentration p-type impurity diffusion layer (hereinafter referred to as a p + layer) 5 is formed on each
p+層5及びn層4の右隣には、少し離間してn層4よりも高濃度のn型不純物拡散層からなる電荷転送チャネル12が形成され、電荷転送チャネル12の周囲にはp+層5よりも濃度の低いp層11が形成されている。電荷転送チャネル12は、n層4から読み出された電荷を紙面に対して垂直な方向に転送する。
A
p+層5及びn層4と電荷転送チャネル12との間のp層11及びp層1には、n層4に蓄積された電荷を電荷転送チャネル12に読み出すための電荷読み出し領域(図示せず)が形成されている。電荷転送チャネル12と電荷読み出し領域の上方には、シリコン酸化膜やONO膜等からなるゲート絶縁膜20を介して、電荷転送チャネル12に電圧を供給して電荷転送動作を制御するための電荷転送電極と、電荷読み出し領域に読み出し電圧を供給して電荷読み出し動作を制御するための電荷読み出し電極とを兼ねたポリシリコン等からなる電極13が形成されている。電極13の周囲には酸化シリコン等の絶縁膜14が形成されている。電荷転送チャネル12とその上方の電極13とにより、垂直電荷転送装置(VCCD)が構成される。
In the
尚、図1には図示していないが、p層1表面には、電荷転送チャネル12を転送された電荷を受け取り、これを電荷転送チャネル12の電荷転送方向と直交する方向に転送する電荷転送チャネルが形成され、その上方には電荷転送チャネルの電荷転送動作を制御するための電荷転送電極が形成され、これら電荷転送チャネルと電荷転送電極とにより、水平電荷転送装置(HCCD)が構成される。そして、HCCDの終端には、HCCDを転送されてきた電荷を蓄積するフローティングディフュージョン(FD)領域が設けられ、このFD領域に、FD領域に蓄積された電荷に応じた信号を出力するソースフォロア回路からなる信号出力アンプが接続されている。
Although not shown in FIG. 1, charge transfer is performed on the surface of the
隣接するn層4同士の間には、p層11の下にp型不純物拡散層からなる素子分離層15が形成されている。素子分離層15は、n層4に蓄積されるべき電荷が、その隣のn層4に漏れてしまうのを防ぐためのものである。
An
p基板30の表面上にはゲート絶縁層20が形成されており、ゲート絶縁層20上には酸化シリコン等の絶縁層9が形成されており、この絶縁層9内に電極13及び絶縁膜14が埋設されている。又、ゲート絶縁層20と絶縁層9内には、n+層6の露出面上に、平面視において、その露出面と同じかそれよりも小さい面積のコンタクトホールが形成され、このコンタクトホール内に電極7が形成されている。
A
電極7は、導電性材料であればよく、特に、W(タングステン)、Ti(チタン)、又はMo(モリブデン)等の金属材料、或いは、これらとのシリサイド等で構成されることが好ましい。電極7とn+層6との間には、電極7を構成する導電性材料の拡散を防止するための拡散防止層を設けることが好ましい。拡散防止層の構成材料としては、例えばTiN(窒化チタン)を用いる。拡散防止層を設けることにより、n+層6とp+層5のPN接合が均一になり、画素間の飽和バラつきを低減することができる。
The
絶縁層9上には電極8が形成され、電極8は電極7と接続される。電極8上には保護層10が形成されている。電極8は、導電性材料であれば良い。電極8には端子が接続され、この端子に、所定の電圧を印加できるようになっている。
An
n+層6に移動した電荷は、n+層6の露出面に接続された電極7とこれに接続された電極8に移動するため、これにより、n+層6をオーバーフロードレインとして機能させることができる。
Since the charges transferred to the n +
p基板30の裏面から内側には、p基板30の裏面で発生する暗電荷がn層4に移動するのを防ぐために、p++層2が形成されている。p++層2には端子が接続され、この端子に所定の電圧(電圧が接地電圧である場合も含む)が印加できるようになっている。p++層2の濃度は、例えば1×1017/cm3〜1×1020/cm3である。
A p ++
p++層2の下には、酸化シリコンや窒化シリコン等の入射光に対して透明な絶縁層3が形成されている。絶縁層3の下には、絶縁層3とp基板30との屈折率差に起因するp基板30の裏面での光の反射を防止するために、窒化シリコンやダイヤモンド構造炭素膜等の入射光に対して透明な高屈折率透明層16が形成されている。高屈折率透明層16としては、プラズマCVDや光CVD等の400℃以下の低温形成が可能なアモルファス窒化シリコン等のn=1.46を超える例えばn=1.8〜2.2の屈折率の層とすることが好ましい。
Under the p ++
高屈折率透明層16の下には、複数のカラーフィルタ18を水平方向に配列してなるカラーフィルタ層が形成されている。複数のカラーフィルタ18は、それぞれ異なる波長域の光を透過する複数種類のカラーフィルタに分類される。例えば、カラーフィルタ層は、赤色の波長域の光を透過するRカラーフィルタと、緑色の波長域の光を透過するGカラーフィルタと、青色の波長域の光を透過するBカラーフィルタとを配列した構成となっている。カラーフィルタ18は、複数のn層4の各々の下方に形成されており、各n層4に1つのカラーフィルタ18が対応して設けられている。又、各n層4には、1つのn+層6が対応するため、カラーフィルタ18は、複数のn+層6のいずれかに対応していると言うことができる。
Under the high refractive index
隣接するカラーフィルタ18同士の間には、混色を防止するための遮光部材17が形成されている。この遮光部材17は、光を透過させない機能を持つものであれば良く、W、Mo、及びAl(アルミニウム)等の可視光透過率の低い金属やブラックフィルタを用いることができる。
A
遮光部材17は、その断面形状が、p基板30の裏面に向かって広がるテーパー状(頂点が光入射側に向いた三角形や、上底が下底よりも長くなった台形)となっていることが好ましい。このようにすることで、遮光部材17に垂直入射した光を、テーパー面で反射させてp基板30内に導くことができ、光利用効率を上げることができる。
The
各カラーフィルタ18の下には、マイクロレンズ19が形成されている。マイクロレンズ19は、屈折した光が、その上方のカラーフィルタ18とそのカラーフィルタ18に隣接するカラーフィルタ18との間にある遮光部材17を避ける光路となるように、その形状が決定されている。又、マイクロレンズ19の焦点は、n層4の中心に来るように設計されている。
Under each
n層4上面からp基板30の裏面までの領域のうち、平面視において素子分離層15で区画された領域が、撮像に寄与する光電変換を行う領域のため、以下では光電変換領域という。1つの光電変換領域で発生する電荷に応じた信号が、画像データの1画素データのもととなることから、本明細書では、この光電変換領域のことを画素ともいう。つまり、裏面照射型撮像素子100は、複数の画素と、複数の画素の各々で発生した電荷に応じた信号を読み出すCCD型又はCMOS型の信号読出し部とを備える構成となる。
Of the region from the upper surface of the
シリコン基板では、波長毎の光吸収係数の違いにより、可視域の光をもれなく吸収するためには、実験上、その厚みが9μm以上必要であることが分かっている。このため、裏面照射型撮像素子100においても、p基板30の垂直方向の長さを9μm以上としておくことが好ましい。このようにすることで、可視光をもれなく吸収することができ、感度を向上させることができる。
It has been experimentally found that the silicon substrate needs to have a thickness of 9 μm or more in order to absorb all the light in the visible region due to the difference in the light absorption coefficient for each wavelength. For this reason, also in the backside illumination
p基板30の垂直方向の長さを9μm以上にした場合には、次のような利点がある。
・電荷転送チャネル12には光がほとんど到達しなくなるため、p基板30内に、電荷転送チャネル12を遮光するための遮光層を設けることなく、又、裏面照射型撮像素子をフレームインターライン型にすることなく、インターライン型でも十分スミアの低い撮像素子を実現することができる。
・量子効率が高まり、感度が向上する。
・長波長の感度が高くなる。
・近赤外の感度が飛躍的に高くなる。
When the vertical length of the
Since light hardly reaches the
・ Quantum efficiency increases and sensitivity improves.
・ Long wavelength sensitivity is increased.
・ Near-infrared sensitivity increases dramatically.
ただし、p基板30の垂直方向の長さを9μm以上とすると、電荷分離層15等の影響により、低いn層4の空乏化電圧(現状の撮像素子で用いられる3V程度)では、各光電変換領域に空乏層を形成することが難しくなる。そこで、各光電変換領域に空乏層を形成でき、且つ、この空乏層で発生した電荷をn層4に移動させることのできるような電位勾配を持たせるように、p基板30の濃度を最適に設計しておく必要がある。
However, if the vertical length of the
本出願人は、シミュレーションの結果、p基板30を次の(1)〜(3)の構成とすることで、上記条件を満たせることを見出した。
(1)n層4とp++層2との間の中間層に、1×1014/cm3以下のn層又はp層、或いはi層を少なくとも含む構成
(2)上記中間層に、2×1014/cm3以下のn層と、2×1014/cm3以下のp層とを含む構成
(3)(2)のn層とp層の間に、1×1014/cm3以下のn層、1×1014/cm3以下のp層、及びi層のうちの少なくとも1つを含む構成
As a result of simulation, the present applicant has found that the above conditions can be satisfied by configuring the
(1) The intermediate layer between the
このように構成された裏面照射型撮像素子100では、1つのマイクロレンズ19に入射した光が、そのマイクロレンズ19上方のカラーフィルタ18に入射し、ここを透過した光が、このカラーフィルタ18に対応するn層4へと入射される。このとき、p基板30のうち入射光の経路となる部分でも電荷が発生するが、この電荷は、光電変換領域に形成されたポテンシャルスロープを介してn層4へと移動し、ここで蓄積される。n層4に入射してここで発生した電荷も、ここに蓄積される。n層4に蓄積された電荷は、電荷転送チャネル12に読み出されて転送され、出力アンプによって信号に変換されて外部に出力される。
In the back-illuminated
図2は、図1に示すB−B線の電位プロファイルを示す図である。
図2に示すように、n+層6と光電変換領域においてそれぞれ電位井戸が形成され、p+層5がこれらの電位井戸同士の間のバリアとして機能していることが分かる。光電変換領域に形成される電位井戸の飽和容量を超えた電荷は、n+層6に形成される電位井戸に流れ込み、流れ込んだ電荷は電極7に移動することで、外部に排出される。このため、n+層6に接続される電極7に印加する電圧を変化させてp+層5のバリアの高さを調整することで、n層4の飽和容量の制御が可能となる。例えば、信号を加算して読み出す動画撮影モード時においては、n層4の飽和容量を減少させる制御を行うことで、電荷転送チャネル12でのオーバーフローを防ぐことができる。
FIG. 2 is a diagram showing a potential profile of the BB line shown in FIG.
As shown in FIG. 2, it can be seen that potential wells are formed in the n +
又、図2の破線で示すように、p+層5に形成されるバリアを消失させられる程度のレベルの電圧をn+層6に接続される電極7に印加することで、光電変換領域に形成された電位井戸内の電荷をリセットすることができため、このことを利用して電子シャッタを実現することができる。
Further, as shown by a broken line in FIG. 2, a voltage at a level that can eliminate the barrier formed in the p +
光電変換領域に形成された電位井戸内の電荷を完全にリセットするためには、n+層6の形成位置が重要となる。n層4の最大電位点(光電変換領域の最大電位点と同義)は、電位井戸の最も深い場所となるため、ここに溜まった電荷をn+層6に移動させることができれば、光電変換領域に形成された電位井戸内の電荷を完全にリセットすることができる。裏面照射型撮像素子100は、n層4の最大電位点と平面視上重なる位置に、n+層6が形成されており、この位置関係によって、光電変換領域に形成された電位井戸内の電荷を完全にリセットすることを可能にしている。特許文献2にあるように、n層4の最大電位点と重ならない位置にn+層6を設けた場合には、光電変換領域に形成された電位井戸の最も深い場所に溜まった電荷がn+層6に移動できない恐れがあり、電子シャッタ機能の実現には適当ではないが、裏面照射型撮像素子100の構成によれば、電子シャッタ機能を十分に実現することができる。
In order to completely reset the charge in the potential well formed in the photoelectric conversion region, the formation position of the n +
図3はn層4の平面図である。図3に示すように、n層4は水平方向にはその濃度が一定であるため、n層4の中心に最大電位点Mが存在することになる。このため、裏面照射型撮像素子100においては、n層4の中心と重なる位置にn+層6を設けることで、電子シャッタ機能を実現可能としている。
FIG. 3 is a plan view of the
尚、n層4の最大電位点は、n層4の中心にあるとは限らない。例えば、n層4の構成を図4に示すようにした場合、n層4の最大電位点は、図示したように、その中心からずれた位置に存在する。この場合には、図4に示した最大電位点Mと重なる位置にn+層6を設けた構成とすれば良い。
Note that the maximum potential point of the
又、n層4の最大電位点のp+層5とn層4との境界面からの距離(深さ)は、光電変換領域に形成された電位井戸内からの電荷の掃き出しをより完全なものとし、且つ、電荷掃き出し時に電極7,8に印加する電圧をより低く抑えるために、0.3μm以内とすることが好ましい。
Further, the distance (depth) of the maximum potential point of the
尚、n+層6に接続する電極7を、そのn+層6に対応するカラーフィルタ18の種類毎に共通に接続し、カラーフィルタ18の種類毎に共通化された電極7のそれぞれに独立に電圧を印加できるようにしておく構成も考えられる。このようにした場合、各種類のカラーフィルタに対応する光電変換領域毎に、独立に電子シャッタをかけられるようにすることが可能である。つまり、各光電変換領域における電荷蓄積時間を、そこに入射する光の色毎に変えることができ、電荷蓄積時間の制御でカラーバランスを揃えた出力を得ることが可能となる。
The
又、複数のn+層6を、動画撮影モード等の間引き読み出しを行う撮影モードにおいて電荷を読み出すn層4に対応するn+層6からなる第一のグループと、該撮影モードにおいて電荷を読み出さないn層4に対応するn+層6からなる第二のグループとに分類しておき、同一グループに属するn+層6毎に、電極7を共通に接続しておき、共通化された電極7のそれぞれに独立に電圧を印加できるようにしておく構成も考えられる。このようにした場合、グループ毎に印加電圧を変えることで、ハイライト光に対する画素間ブルーミング抑制効果を高めることが可能となる。
In addition, a plurality of n + layers 6 includes a first group of n + layers 6 corresponding to the
尚、これらの電極7及び電極8への電圧印加は、裏面照射型撮像素子100を備えるデジタルカメラ等の撮像装置において、裏面照射型撮像素子100を駆動するドライバが行えば良い。以下、裏面照射型撮像素子100を備えた撮像装置の構成例について説明する。
The voltage application to the
図5は、裏面照射型撮像素子100を備えた撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図5に示す撮像装置800は、裏面照射型撮像素子100と、裏面照射型撮像素子100の電極8に電圧を印加する電圧印加部200と、裏面照射型撮像素子100のHCCDを駆動するHドライバ300と、裏面照射型撮像素子100のVCCDを駆動するVドライバ400と、裏面照射型撮像素子100の信号出力アンプの電源であるアンプ電源500と、撮像装置全体を統括制御する制御部600と、操作部700とを備える。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of an imaging apparatus including the backside illumination
An
Vドライバ400は、n層4からVCCDに電荷を読み出すための読み出し電圧VHと、電荷転送するために必要な電圧VM,VLとを裏面照射型撮像素子100に供給してVCCDを駆動する。尚、VH>VM>VLとなっており、VHは例えば15V程度である。
The
Hドライバ300は、電荷転送するために必要な電圧vHとvLとを裏面照射型撮像素子100に供給してHCCDを駆動する。尚、vH>vLとなっており、vHは例えば3.3V程度である。
The
アンプ電源500は、信号出力アンプのソースフォロア回路の各段のトランジスタのドレイン電圧を供給する電源である。
The
電圧印加部200は、n層4の飽和電荷量(光電変換領域の飽和電荷量と同義)を決定する第一の電圧を電極8に印加する第一の機能と、第一の電圧を印加した状態でp+層5によって形成されているオーバーフローバリアを消失させるために必要な第一の電圧よりも高い第二の電圧を電極8に印加する第二の機能とを有する。第一の電圧はHCCDの駆動電圧(振幅3.3V)以下とし、第二の電圧は読み出し電圧VH(振幅15V)以下とすることが好ましい。このようにすることで、既存の電源から第一の電圧及び第二の電圧を生成することができ、新たな電源が不要となるからである。
The
又、第二の電圧は第一の電圧を基準とした値に設定することが好ましい。例えば、第二の電圧を、ソースフォロア回路の最終段のトランジスタのドレイン印加電圧、VLとVMの差分、及びVHとVMの差分のいずれかを第一の電圧に加算した値とする。このようにすることで、既存の電源から第二の電圧を生成することができ、新たな電源を不要にすることができる。 The second voltage is preferably set to a value based on the first voltage. For example, the second voltage is set to a value obtained by adding one of the drain applied voltage of the final stage transistor of the source follower circuit, the difference between VL and VM, and the difference between VH and VM to the first voltage. By doing in this way, a 2nd voltage can be produced | generated from the existing power supply, and a new power supply can be made unnecessary.
電圧印加部200は、第一の電圧を可変制御することでn層4の飽和電荷量を調整したり、第二の電圧の印加タイミングを可変制御することで裏面照射型撮像素子100の露光時間を調整したりする。例えば、撮像装置800が、複数のn層4をn(nは2以上の自然数)個のグループに分けて、各グループに蓄積された電荷同士をVCCDで加算して転送する加算転送モードと、該各グループに蓄積された電荷同士をVCCDで加算しないで転送する非加算転送モードとが設定可能であるものとする。非加算転送モードは、例えば高画質が求められる静止画撮影モード時に実行され、加算転送モードは、例えば高速動作が求められる動画撮影モード時に実行される。
電圧印加部200は、加算転送モード設定時、n層4の飽和電荷量が非加算転送モード設定時に電極8に印加すべき第一の電圧によって決まるn層4の飽和電荷量の1/nとなるように、第一の電圧を可変制御する(図6参照)。このようにすることで、VCCDやHCCDで電荷がオーバーフローしてしまうのを防ぐことができる。
The
When the addition transfer mode is set, the
以上のような構成の撮像装置800の動作を説明する。
ユーザによって操作部700を介して静止画撮影モードが設定され、制御部600により露光時間が決定されると、電圧印加部200は、制御部600によって決定された露光時間の開始直前まで、電極8に図6に示したような第二の電圧の印加を繰り返し行う。そして、露光開始と同時に、電極8に印加する電圧を図6に示したような第一の電圧(1)に切り替える。露光期間終了後は、Hドライバ300及びVドライバ400によってn層4に蓄積された電荷が信号出力アンプまで転送され、ここで信号に変換されて出力される。
An operation of the
When the still image shooting mode is set by the user via the
一方、ユーザによって操作部700を介して動画撮影モードが設定され、制御部600により露光時間が決定されると、電圧印加部200は、制御部600によって決定された露光時間の開始直前まで、電極8に図6に示したような第二の電圧の印加を繰り返し行う。そして、露光開始と同時に、電極8に印加する電圧を図6に示したような第一の電圧(2)に切り替える。露光期間終了後は、Hドライバ300及びVドライバ400によってn層4に蓄積された電荷が信号出力アンプまで転送され、ここで信号に変換されて出力される。
On the other hand, when the moving image shooting mode is set by the user via the
裏面照射型撮像素子100はインターライン型であるため、露光期間中に、電荷転送チャネル12にも光が入射する可能性があり、これがスミアの原因となる。以下では、上述したように、p基板30の垂直方向の長さを9μm以上とすれば、スミアを低く抑えられることを、シミュレーション結果に基づいて証明する。
Since the back-illuminated
図7は、図1に示す裏面照射型撮像素子100を一部簡略化した図であり、図1と同一要素には同一符号を付してある。
図7において、符号aは電荷転送チャネル12の空乏層の垂直方向の長さを示し、符号bは、電荷転送チャネル12の空乏層の水平方向の長さを示し、符号cは、p基板30の垂直方向の長さを示し、符号dは、n層4の配列ピッチを示している。図7に示すモデルでは、絶縁層9の変わりに、光を吸収する光吸収層21を設けたものとしている。
FIG. 7 is a partially simplified view of the back-illuminated
In FIG. 7, symbol a represents the vertical length of the depletion layer of the
ここで、a=0.00004cm、b=0.00005cm、c=0.0005cm、d=0.0002cmとし、電荷転送チャネル12のうち、そこに形成される空乏層以外で発生した電子は、全てその電荷転送チャネル12に対応するn層4に流れ込んで信号になるとし、電荷転送チャネル12の空乏層で発生した電子は、全てスミア信号になると仮定した。n層4の配列は正方配列とし、信号読み出し方式はインターライン方式とした。又、p基板30を通過した光は全て光吸収層21に吸収されるものとした。
Here, a = 0.00004 cm, b = 0.00005 cm, c = 0.0005 cm, d = 0.0002 cm, and all the electrons generated in the
厚さx(cm)のシリコンの光吸収率Yは、Y={1−Exp(−α×x)}(ここで、αはシリコンの光吸収係数)であるので、図7に示す裏面照射型撮像素子のp基板30の裏面側下方にIRカットフィルタを配置し、IRカットフィルタに3300K光源から光を照射した場合の各画素の透過分光から、各波長毎(400〜700nm、10nm間隔)に信号とスミア信号を計算して平均値を計算し、p基板30の垂直方向の1/10の領域で注入が起こる条件で信号に対するスミア信号の比を求めると、0.032%(n層4をハニカム配列とした場合は0.056%)となった(図8参照)。
The light absorption rate Y of silicon having a thickness x (cm) is Y = {1−Exp (−α × x)} (where α is the light absorption coefficient of silicon). An IR cut filter is arranged below the back surface side of the p-
又、c=8μm=0.0008cmとすると、スミア信号の比は、0.0075%(n層4をハニカム配列とした場合は0.013%)となり、c=10μm=0.001cmとすると、スミア信号の比は、0.0032%(n層4をハニカム配列とした場合は0.0056%)となった(図8参照)。
When c = 8 μm = 0.0008 cm, the smear signal ratio is 0.0075% (0.013% when the n-
ここで、ハニカム配列とは、行方向に配列された多数のn層4からなる行を、行方向に直交する列方向に多数並べた配列であって、偶数行と奇数行とを、行方向に1/2ピッチずらした配列であり、正方配列と比較した場合、電荷転送チャネルの面積は1.75倍に増えるので、正方配列の結果を1.75倍したものを、ハニカム配列の見積もり値とした。
Here, the honeycomb arrangement is an arrangement in which a large number of rows of
図8に示すシミュレーション結果から、インターライン型の裏面照射型撮像素子100は、p基板30の垂直方向の長さを5μm以上とすれば、同一感度を得るためのインターライン型の表面照射型撮像素子よりもスミアを抑制できることが分かった。又、p基板30の垂直方向の長さを8μm以上とすれば、よりスミアを抑制でき、10μm以上とすれば更にスミアを抑制できることが分かった。
From the simulation results shown in FIG. 8, the interline-type backside-illuminated
以上のように、裏面照射型撮像素子100によれば、入射光がほぼ到達しないp基板30の表面側にオーバーフロードレインを設けているため、p基板30の裏面側にオーバーフロードレインを設ける従来構造に比べて、青感度を向上させることができる。
As described above, according to the backside illumination
又、このオーバーフロードレインに印加する電圧を制御することで、各光電変換領域の飽和容量や電荷蓄積時間を一律に又は独立に制御することができ、様々なパターンの駆動を容易に実現することができる。 Also, by controlling the voltage applied to this overflow drain, the saturation capacity and charge accumulation time of each photoelectric conversion region can be controlled uniformly or independently, and various patterns can be easily driven. it can.
又、裏面照射型撮像素子100によれば、電子シャッタを実現する際にn+層6に印加する電圧振幅を、p基板30の裏面側にオーバーフロードレインを設ける従来構造に比べて大幅に下げることができる(23V→15V以下)。逆に、電圧振幅が従来と同じであれば、各光電変換領域の飽和容量を大幅に増やすことが可能となる。
Further, according to the backside illumination type
尚、図1において、p++層2を省略し、その代わりに、絶縁層3の下に入射光に対して透明なITO等の透明電極を設け、この透明電極に電圧が印加できるように構成し、この透明電極に負電圧を印加しておけば、p基板30の裏面で発生する暗電流を抑制することができる。
In FIG. 1, the p ++
又、以上の説明では、上述したように、p基板30の垂直方向の長さが8μm以上であれば、スミアは十分に抑制されるため、裏面照射型撮像素子100をインターライン型としたが、光電変換領域の深さが8μm以上であっても、スミアは多少なりとも発生してしまう。このため、裏面照射型撮像素子100をフレームインターライン型とすれば、更なるスミア低減が可能となる。
In the above description, as described above, if the length of the
又、以上の説明では、裏面照射型撮像素子100がCCD型のものとしたが、これはもちろんMOS型であっても良い。つまり、n層4に蓄積された電荷に応じた信号を、CMOS回路やNMOS回路等のMOS回路で読み出す構成としても良い。
In the above description, the back-illuminated
次に、図1に示した裏面照射型撮像素子100のp基板30及び絶縁層3からなるSOI基板の製造方法の一例を説明する。
図9は、裏面照射型撮像素子100に用いるSOI基板の製造工程を説明するための図である。図9において、図1と同様の構成には同一符号を付してある。
まず、シリコン等のベース基板22上に、エピタキシャル成長等によってp層1を形成する(図9(a))。図9(a)においてp層1の露出している面が、p基板30の裏面となる。次に、p層1の露出している面上に、CVDや熱酸化等によって酸化シリコンからなる絶縁層3を形成する(図9(b))。
Next, an example of a method for manufacturing an SOI substrate including the
FIG. 9 is a diagram for explaining a manufacturing process of an SOI substrate used for the backside illumination
First, the
次に、絶縁層3上方からボロン等のイオン注入を行って、p層1の絶縁層3との界面内側にp++層2を形成する(図9(c))。次に、ベース基板22とp層1との界面付近に水素イオンを注入する(図9(d))。このイオン注入によりベース基板22とp層1とが分離されるための境界層30が形成される。
Next, ion implantation of boron or the like is performed from above the insulating
次に、絶縁層3上に、シリコン等のベース基板23を結合した後、ベース基板23が下側に、ベース基板22が上側となるように回転させる(図9(e))。次に、バース基板22を境界層30と共にp層1から剥離する(図9(f))。
Next, after a
そして、図9(f)の状態から、p基板30の表面近傍にある要素を形成し、形成後、ベース基板23を、絶縁層3をストッパとしてエッチングして除去した後、カラーフィルタ18やマイクロレンズ19等を形成して、裏面照射型撮像素子100の製造を完了する。
Then, from the state of FIG. 9 (f), an element in the vicinity of the surface of the
図9(f)でベース基板23を除去する方法としては、KOHをエッチャントとしたエッチングを行う方法が考えられる。又、光励起法を使ったエッチングも考えられる。絶縁層3としては酸化シリコンの他に、窒化シリコンも用いることができるため、この場合には、窒化シリコンがストッパとなるようなエッチャントを使用すれば良い。
As a method of removing the
次に、裏面照射型撮像素子100のn+層6と電極7の形成方法を説明する。
裏面照射型撮像素子100のオーバーフロードレインの特性を不安定にする要因として、p+層5とn+層6との合わせずれ、n+層6と電極7との合わせずれ、絶縁層9内に形成されたコンタクトホールへの電極7の被覆不良等が考えられる。このような合わせずれや被覆性の改善のためには、平面視において、p+層5とn+層6の面積を大きくし、電極7の面積を大きくすることが最も簡単な策であるが、このような策は、画素の微細化を進める上で大きな障害となってしまう。そこで、本実施形態では、合わせずれや被覆性の改善と、画素の微細化とを同時に実現可能な方法を提案する。
Next, a method for forming the n +
As the factors that destabilize the overflow drain characteristics of the back-illuminated
図10は、裏面照射型撮像素子100のn+層6と電極7と電極8の形成方法を説明するための図である。図10において、図1と同様の構成には同一符号を付してある。
まず、図9(f)の状態から、p基板30の表面上方からイオン注入等によってn層4とその上のp+層5を形成した後、p基板30表面上にゲート絶縁層20を形成し(図示省略)、その上に絶縁層9を形成し、平面視において、p+層5と重なるゲート絶縁層20及び絶縁層9の領域の一部に、フォトリソフラフィ法とエッチングによってコンタクトホールHを形成する(図10(a))。
FIG. 10 is a diagram for explaining a method of forming the n +
First, from the state of FIG. 9 (f), after forming the
次に、ゲート絶縁層20及び絶縁層9をマスクとして例えばAs(ヒ素)をイオン注入し、セルフアラインでp+層5内にn+層6を形成する(図10(b))。この状態から、電極7を構成する金属材料として例えばタングステンをCVD法等によって成膜し、絶縁層9をストッパとしたエッチングやCMP等によって平坦化して、コンタクトホールH内に金属材料膜を埋め混み、電極7を形成する。そして、絶縁層9及び電極7上に電極8を構成する導電性材料を成膜することで、n+層6、電極7、及び電極8の形成を完了する。
Next, for example, As (arsenic) is ion-implanted using the
尚、n+層6の下面とn層4とが接触してしまうと、オーバーフローバリアがなくなってしまい、n+層6をオーバーフロードレインとして機能させることができない。このような事態を確実に防ぐための方法を、図10(b)〜(f)に示してある。
If the lower surface of the n +
n+層6をセルフアラインで形成した後、ゲート絶縁層20及び絶縁層9をマスクとして、n+層6の不純物よりも拡散係数が大きい不純物、例えばB(ボロン)をイオン注入し、セルフアラインでn+層6の下にp+層24を形成する(図10(c))。次に、活性化のためのアニール処理を実施すると、AsよりBの方が拡散係数が大きいため、n+層6の端部をカバーするように、p+層24が広がる(図10(d))。次に、電極7を構成する金属材料として例えばタングステンをCVD法等によって成膜し、絶縁層9をストッパとしたエッチングやCMP等によって平坦化して、コンタクトホールH内に金属材料膜を埋め混み、電極7を形成する(図10(e))。そして、絶縁層9及び電極7上に電極8を構成する導電性材料を成膜することで、n+層6、電極7、及び電極8の形成を完了する(図10(f))。
After the n +
尚、ここでは、ゲート絶縁層20及び絶縁層9をマスクとしているが、ゲート絶縁層20及び絶縁層9に開口を形成するために用いたレジスト材料層を残しておき、このレジスト材料層を併せてマスクにしても良い。又、ゲート絶縁層20及び絶縁層9を形成する前に、p基板30表面上にレジスト材料層を形成し、このレジスト材料層に開口を形成した後、このレジスト材料層をマスクとしてn+層6とp+層24を形成しても良い。この場合は、n+層6、p+層24を形成して電極7を形成後に、レジスト材料層を除去してゲート絶縁層20及び絶縁層9を形成すれば良い。
Here, although the
図10(c)〜(f)で示した方法によれば、図10(b)の状態で、n+層6の下面がn層4に接触していた場合でも、n+層6とn層4の間にp+層24を形成することができるため、このp+層24がオーバーフローバリアとして機能し、n+層6をオーバーフロードレインとして機能させることができる。
According to the method shown in FIGS. 10C to 10F, even when the lower surface of the n +
以上の方法によれば、n+層6を、ゲート絶縁層20及び絶縁層9をマスクとしたセルフアラインによって形成するため、n+層6と電極7との合わせずれが発生することがない。このため、コンタクトホールHの水平方向の幅を極力小さくすることが可能であり、画素を微細化する場合の障害とならなくなる。
According to the above method, since the n +
又、コンタクトホールHのアスペクト比が厳しくなっても、電極7の材料としてタングステンを用いれば、電極7の埋め込みは可能であり、絶縁層9を厚くすることが可能である。
Even if the aspect ratio of the contact hole H becomes strict, if tungsten is used as the material of the
又、裏面照射型撮像素子100の場合、n層4上方に開口を設ける必要がないため、電極13の電荷転送チャネル12と重なる部分からn層4側にはみ出した部分の水平方向の長さを、水平方向に延ばすことが可能である。この部分を長くできれば、n層4から電荷転送チャネル12に電荷を読み出す際の読み出し電圧を低くすることができ、逆に、読み出し電圧を変えないのであれば、n層4の濃度を濃くして、飽和容量を大きくすることができるため好ましい。したがって、裏面照射型撮像素子100では、電極13の電荷転送チャネル12と重なる部分からn層4側にはみ出した部分の水平方向の長さを、水平方向に延ばすことが有効である。
In the case of the back-illuminated
このように考えた場合、図10に示した方法によれば、電極7の水平方向の幅を極力薄くできるため、電極13を延ばせる量を増やすことができ、読み出し電圧の低下、飽和容量の増加に非常に有効となる。
In this case, according to the method shown in FIG. 10, since the horizontal width of the
尚、n+層6は、イオン注入時に絶縁層9の影が発生しないように、コンタクトホールHから露出するp+層5の表面に対して垂直にイオン注入を行って形成するか、又は、コンタクトホールHから露出するp+層5の表面に対して少なくとも4方向から斜めにイオン注入を行って形成することが好ましい。
The n +
コンタクトホールHから露出するp+層5の表面に対して1方向のみから斜め(水平及び垂直以外)にイオン注入を行った場合、絶縁層9の影によって、n+層6とコンタクトホールHの位置がずれてしまうため、電極7とp+層5が接触し、ショートしてしまう危険がある。これに対し、垂直にイオン注入を行った場合や、少なくとも4方向から斜めにイオン注入を行った場合には、絶縁層9の影ができなくなるため、電極7とp+層5が接触してしまうのを防止することができる。少なくとも4方向から斜めにイオン注入を行った場合は、n+層6の大きさをコンタクトホールHよりも確実に大きくすることができるため、より好ましい。
When ion implantation is performed obliquely (other than horizontal and vertical) from only one direction with respect to the surface of the p +
尚、垂直にイオン注入を行う場合は、イオン注入を低加速で行うことが好ましい。低加速で行うことで、チャネリングの問題をほぼ無視することが可能となる。 In addition, when ion implantation is performed vertically, it is preferable to perform ion implantation at a low acceleration. By performing at a low acceleration, the channeling problem can be almost ignored.
同様に、p+層24は、イオン注入時に絶縁層9の影が発生しないように、コンタクトホールHから露出するp+層5の表面に対して垂直にイオン注入を行って形成するか、又は、コンタクトホールHから露出するp+層5の表面に対して少なくとも4方向から斜めにイオン注入を行って形成することが好ましい。
Similarly, the p +
コンタクトホールHから露出するp+層5の表面に対して1方向のみから斜め(水平及び垂直以外)にイオン注入を行った場合、絶縁層9の影によって、p+層24の位置がずれてしまうため、p+層24をオーバーフローバリアとして機能させることができなくなってしまう。これに対し、垂直にイオン注入を行った場合や、少なくとも4方向から斜めにイオン注入を行った場合は、絶縁層9の影ができなくなるため、n+層6の下面を覆うようにp+層24を形成することができ、p+層24をオーバーフローバリアとして確実に機能させることができる。少なくとも4方向から斜めにイオン注入を行った場合は、p+層24の大きさをn+層6よりも確実に大きくすることができるため、より好ましい。
When ion implantation is performed obliquely (other than horizontal and vertical) from only one direction with respect to the surface of the p +
次に、SOI基板のp基板30の汚染をゲッタリングする方法の一例を以下に列挙する。
・p基板30と絶縁層3との界面にゲッタリングサイトを形成し、絶縁層3側から酸素イオンのイオン打ち込みを行って絶縁層3内に汚染不純物を固着する。
・p基板30と絶縁層3との界面にゲッタリングサイトを形成する方法としては、この界面に絶縁層3側からフッ素や炭素を注入する方法がある。
・p基板30と絶縁層3との界面にゲッタリングサイトを形成し、その後、エッチング等で絶縁層3、ゲッタリングサイトまでを除去した後、低温酸化(ラジカル酸化等)を行って絶縁層3の代わりとなる絶縁層を形成する。
Next, an example of a method for gettering the contamination of the
A gettering site is formed at the interface between the
As a method of forming a gettering site at the interface between the
A gettering site is formed at the interface between the
次に、裏面照射型撮像素子100の構成や製造方法の変形例を以下に列挙する。
・遮光部材17を、特定のカラーフィルタ18については、そのカラーフィルタ18と高屈折率層16との間の全面に設けておく。このような構成により、特定のカラーフィルタ18を透過した光を検出する光電変換領域を、光学的黒レベルを検出するための光電変換領域とすることができる。特定のカラーフィルタ18の位置を、裏面照射型撮像素子100の周辺とすれば、通常の撮像素子と同様に、スミア補正や黒レベル補正が可能となる。又、この場合、カラーフィルタ層と絶縁層3との間に遮光部材17を設ける構成であるため、この製造が容易である。
・遮光部材17を、裏面照射型撮像素子100の周辺回路の下方にも設けておく。
・p++層2をp型のアモルファスSiCからなる層に変更し、絶縁層3をITO等の入射光に対して透明な透明電極とし、この透明電極に電圧を印加できる構成としておく。
・p基板1を複数の不純物拡散層で構成する場合には、各不純物拡散層を、プロセスを分けて形成する。
・p基板1を複数の不純物拡散層で構成する場合には、各不純物拡散層を、プロセスを分けて形成し、その後、アニール処理してポテンシャル段差を丸める。
・p基板1を複数の不純物拡散層で構成する場合には、各不純物拡散層を同一プロセスでガス雰囲気濃度をアナログ的に変化させながら形成する。
Next, modifications of the configuration and manufacturing method of the back-illuminated
The
The
The p ++
When the
In the case where the
When the
(第二実施形態)
図1に示した裏面照射型撮像素子100では、n+層6の周りを取り囲むようにp+層5が形成されているが、p+層5は、少なくともオーバーフローバリアとして機能する層であれば良いため、n+層6とn層4との間にだけp+層5を形成した図11に示したような構成であっても良い。但し、この場合は、p層1表面とn層4との間にp+層6ではなくp層11が存在することになってしまい、この部分から暗電荷がn層4に移動してしまうおそれがある。
(Second embodiment)
In the back-illuminated
n+層6を水平方向に可能な限り大きくすれば、p層11を経由した暗電荷の移動を抑制することは可能であるが、n+層6をあまり大きくすると、素子分離が阻害されるため好ましくない。そこで本実施形態では、n+層6は必要最小限の大きさ(電極7の底面積と同程度の大きさ)とし、n+層6の周囲に、n+層6によって形成される空乏層を水平方向に拡大するためのn+層6よりも低濃度のn型不純物拡散層(n層)40を設けた構成としている。このようにすることで、n層40に移動した暗電荷をn+層6側へ移動させることができ、素子分離を阻害することなく、n層4に移動する暗電荷量を減らすことができる。
If the n +
尚、n層4に移動する暗電荷を効果的に減らすためには、n+層6によって形成される空乏層が平面視においてn層4の2/3以上を覆っていることが好ましい。
In order to effectively reduce the dark charges moving to the
第一実施形態及び第二実施形態では、裏面照射型撮像素子100がCCD型である場合を説明したが、裏面照射型撮像素子100はCMOS型であっても良い。即ち、p層1表面に、n層4に蓄積された電荷を信号に変換するCMOSトランジスタからなるCMOS回路を設けた構成であっても良い。CMOS型にする場合、n層4から読み出した電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積層をn層4の近傍に形成しておき、この電荷蓄積層に蓄積した電荷に応じた信号をCMOS回路によって出力させる構成にすることが好ましい。このようにすることで、グローバルな露光時間制御が可能となり、動作中の被写体が歪んだ像になるCMOS型イメージセンサ特有の欠点を無くすことができる。
In the first embodiment and the second embodiment, the case where the backside illumination
1 p層
2 p++層
3,9,14 絶縁層
4 n層
5 p+層(オーバーフローバリア)
6 n+層(オーバーフロードレイン)
7,8 電極
10 保護層
11 p層
12 電荷転送チャネル
13 電荷転送電極兼電荷読み出し電極
15 素子分離層
16 高屈折率透明層
17 遮光部材
18 カラーフィルタ
19 マイクロレンズ
20 ゲート絶縁層
1 p layer 2 p ++
6 n + layer (overflow drain)
7, 8
Claims (14)
前記半導体基板内の前記半導体基板表面近傍の同一面上に形成された前記電荷を蓄積するための第一導電型の複数の第一の不純物拡散層と、
前記複数の第一の不純物拡散層の各々と前記半導体基板の表面との間に形成された前記第一導電型の第二の不純物拡散層であって、前記複数の第一の不純物拡散層の各々に蓄積される不要な電荷を排出するためのオーバーフロードレインとして機能する複数の第二の不純物拡散層と、
前記複数の第二の不純物拡散層の各々と前記複数の第一の不純物拡散層の各々との間に形成され、前記オーバーフロードレインのオーバーフローバリアとして機能する前記第一導電型の反対の第二導電型の複数の第三の不純物拡散層とを備え、
前記第二の不純物拡散層が、平面視において前記第一の不純物拡散層の最大電位点と重なる位置に形成されている裏面照射型撮像素子。 A backside-illuminated imaging device that irradiates light from the back side of a semiconductor substrate, reads out charges generated in the semiconductor substrate in response to the light from the front side of the semiconductor substrate, and performs imaging,
A plurality of first impurity diffusion layers of a first conductivity type for accumulating the charge formed on the same surface in the semiconductor substrate near the surface of the semiconductor substrate;
A second impurity diffusion layer of the first conductivity type formed between each of the plurality of first impurity diffusion layers and the surface of the semiconductor substrate, wherein the plurality of first impurity diffusion layers; A plurality of second impurity diffusion layers functioning as overflow drains for discharging unnecessary charges accumulated in each of them;
A second conductivity opposite to the first conductivity type formed between each of the plurality of second impurity diffusion layers and each of the plurality of first impurity diffusion layers and functioning as an overflow barrier of the overflow drain. A plurality of third impurity diffusion layers of the mold,
A back-illuminated imaging device in which the second impurity diffusion layer is formed at a position overlapping a maximum potential point of the first impurity diffusion layer in plan view.
前記第一の不純物拡散層の最大電位点が、平面視において前記第一の不純物拡散層の中心にある裏面照射型撮像素子。 The back-illuminated image sensor according to claim 1,
A back-illuminated imaging device in which the maximum potential point of the first impurity diffusion layer is at the center of the first impurity diffusion layer in plan view.
前記第一の不純物拡散層の最大電位点が、前記第一の不純物拡散層と前記第三の不純物拡散層との境界面から0.3μm以内の深さにある裏面照射型撮像素子。 The back-illuminated image sensor according to claim 1 or 2,
A back-illuminated imaging device in which the maximum potential point of the first impurity diffusion layer is at a depth within 0.3 μm from the boundary surface between the first impurity diffusion layer and the third impurity diffusion layer.
前記複数の第二の不純物拡散層の各々に近接して形成された前記第二の不純物拡散層よりも低濃度の第一導電型の不純物拡散層であって、前記第二の不純物拡散層によって形成される空乏層を前記表面に平行な方向に拡大するための空乏層拡大層を備える裏面照射型撮像素子。 The back-illuminated image sensor according to any one of claims 1 to 3,
A first conductivity type impurity diffusion layer having a lower concentration than the second impurity diffusion layer formed adjacent to each of the plurality of second impurity diffusion layers, wherein the second impurity diffusion layer A back-illuminated imaging device comprising a depletion layer expansion layer for expanding a depletion layer to be formed in a direction parallel to the surface.
前記第二の不純物拡散層によって形成される空乏層が、平面視において前記第一の不純物拡散層の2/3以上を覆っている裏面照射型撮像素子。 The back-illuminated image sensor according to any one of claims 1 to 4,
A back-illuminated imaging device in which a depletion layer formed by the second impurity diffusion layer covers 2/3 or more of the first impurity diffusion layer in plan view.
前記複数の第二の不純物拡散層の各々が前記表面に露出する露出面を有し、
前記露出面に接続された電極を備える裏面照射型撮像素子。 It is a backside illumination type image sensor according to any one of claims 1 to 5,
Each of the plurality of second impurity diffusion layers has an exposed surface exposed on the surface,
A back-illuminated imaging device comprising an electrode connected to the exposed surface.
前記第一の不純物拡散層の飽和電荷量を決定する第一の電圧を前記電極に印加する第一の電圧印加手段と、
前記第一の電圧印加時に前記第三の不純物拡散層によって形成されるオーバーフローバリアを消失させるために必要な前記第一の電圧よりも高い第二の電圧を前記電極に印加する第二の電圧印加手段とを備える撮像装置。 A back-illuminated image sensor according to claim 6,
First voltage applying means for applying a first voltage for determining a saturation charge amount of the first impurity diffusion layer to the electrode;
Second voltage application for applying a second voltage higher than the first voltage necessary for eliminating the overflow barrier formed by the third impurity diffusion layer when the first voltage is applied to the electrode An imaging apparatus.
前記第二の電圧印加手段が、前記第二の電圧の印加タイミングを可変制御することで、前記裏面照射型撮像素子の露光時間を調整する撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 7,
An imaging apparatus in which the second voltage application unit variably controls the application timing of the second voltage, thereby adjusting an exposure time of the backside illumination type imaging device.
前記第一の電圧印加手段が、前記第一の電圧を可変制御することで前記第一の不純物拡散層の飽和電荷量を調整する撮像装置。 The imaging device according to claim 7 or 8,
An imaging apparatus in which the first voltage applying unit adjusts a saturation charge amount of the first impurity diffusion layer by variably controlling the first voltage.
前記第二の電圧が、前記第一の電圧を基準とした値で決められている撮像装置。 The imaging apparatus according to any one of claims 7 to 9,
The imaging apparatus, wherein the second voltage is determined by a value based on the first voltage.
前記裏面照射型撮像素子が、前記複数の第一の不純物拡散層の各々に蓄積された電荷を垂直方向に転送する垂直電荷転送装置と、前記垂直電荷転送装置を転送された電荷を前記垂直方向に直交する水平方向に転送する水平電荷転送装置とを備え、
前記第一の電圧が、前記水平電荷転送装置の駆動電圧以下であり、
前記第二の電圧が、前記電荷を前記垂直電荷転送装置に読み出すための読み出し電圧以下である撮像装置。 It is an imaging device of any one of Claims 7-10,
The back-illuminated image sensor includes a vertical charge transfer device that transfers charges accumulated in each of the plurality of first impurity diffusion layers in a vertical direction, and charges transferred through the vertical charge transfer device in the vertical direction. A horizontal charge transfer device for transferring in a horizontal direction orthogonal to the
The first voltage is equal to or lower than a driving voltage of the horizontal charge transfer device;
The imaging device, wherein the second voltage is equal to or lower than a read voltage for reading the charge to the vertical charge transfer device.
前記複数の第一の不純物拡散層をn(nは2以上の自然数)個のグループに分けて、各グループに蓄積された電荷同士を前記垂直電荷転送装置で加算して転送する加算転送モードと、各グループに蓄積された電荷同士を前記垂直電荷転送装置で非加算で転送する非加算転送モードとが設定可能であり、
前記加算転送モード設定時、前記第一の電圧印加手段は、前記第一の不純物拡散層の飽和電荷量が前記非加算転送モード設定時に前記電極に印加すべき前記第一の電圧によって決まる前記第一の不純物拡散層の飽和電荷量の1/nとなるように、前記第一の電圧を可変制御する撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 11,
An addition transfer mode in which the plurality of first impurity diffusion layers are divided into n (n is a natural number of 2 or more) groups, and charges accumulated in each group are added and transferred by the vertical charge transfer device; In addition, it is possible to set a non-addition transfer mode in which charges accumulated in each group are transferred by the vertical charge transfer device in a non-addition manner,
When the addition transfer mode is set, the first voltage application unit determines the saturation charge amount of the first impurity diffusion layer depending on the first voltage to be applied to the electrode when the non-addition transfer mode is set. An imaging apparatus that variably controls the first voltage so as to be 1 / n of a saturation charge amount of one impurity diffusion layer.
前記裏面照射型撮像素子が、前記水平電荷転送装置を転送された電荷を電圧信号に変換して出力するソースフォロワ回路を備え、
前記垂直電荷転送装置が、最も大きな電圧であるVHと、最も小さな電圧であるVLと、前記VHと前記VLの間の電圧であるVMとの3つの電圧で駆動されるものであり、
前記第二の電圧が、前記ソースフォロア回路の最終段のトランジスタのドレイン印加電圧、前記VLと前記VMの差分、及び前記VHと前記VMの差分のいずれかと前記第一の電圧とを加算した値である撮像装置。 The imaging device according to claim 11 or 12,
The backside-illuminated imaging device includes a source follower circuit that converts the charge transferred from the horizontal charge transfer device into a voltage signal and outputs the voltage signal.
The vertical charge transfer device is driven by three voltages: VH which is the largest voltage, VL which is the smallest voltage, and VM which is a voltage between the VH and the VL,
The second voltage is a value obtained by adding one of the drain applied voltage of the final stage transistor of the source follower circuit, the difference between the VL and the VM, and the difference between the VH and the VM and the first voltage. An imaging device.
前記裏面照射型撮像素子が、前記複数の第一の不純物拡散層の各々に蓄積された電荷を読み出して蓄積しておくための電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層に蓄積された電荷に応じた信号を出力するCMOS回路とを備える撮像装置。 The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 10,
The back-illuminated imaging device reads out and accumulates charges accumulated in each of the plurality of first impurity diffusion layers, and according to the charges accumulated in the charge accumulation layer An imaging apparatus comprising a CMOS circuit that outputs a signal.
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