JP2008103764A - 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板6の表面部にマトリクス状に配列した多数の光センサー4を含む。光センサー4が生成した電荷は光センサー4の下方に埋め込まれた第1および第2の転送電極12、14により転送される。半導体基板6はシリコンによる支持基板16、バッファー層18、単結晶シリコンによる薄膜シリコン層20を積層して構成されている。光センサー4はp+領域22およびn型領域24から成り、その下にp−領域26(オーバーフローバリア)と、転送路としてのn型領域28が形成されている。第1および第2の転送電極12、14は、n型領域28とバッファー層18との間に埋め込まれ、n型領域28との間には絶縁膜30が介在している。この構造では表面部に転送電極が存在せず受光面積が拡大するので多画素化のために光センサー4を小型化しても感度を確保できる。
【選択図】図1
Description
(1)信号電荷の転送部上に、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンによって光電変換部を形成し、固体撮像素子の全面を受光面として受光量の増大による感度の向上を図る方法が提案されている。しかし、この方法では、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンが、単結晶シリコンに比べて電子およびホールの移動度が小さく、残像などの問題が発生して実用的な固体撮像素子を実現することは困難である。
図1の(A)および(B)は本発明による固体撮像素子の一例を示す部分断面側面図、図2は図1の固体撮像素子の部分平面図である。図1の(A)は図2におけるAA’線に沿った断面を示す(B)は図2におけるBB’線に沿った断面を示している。
撮影時には、固体撮像素子2の前方に配置された不図示のメカニカルシャッターが開放され、各光センサー4に光が入射する。光センサー4は入射した光を光電変換して信号電荷を生成し、蓄積する。その後、メカニカルシャッターが閉じ、露光が停止すると、第1および第2の転送電極12、14に順次、転送パルスが印加され、露光時に転送路に入り込んだ不要な電荷が排出される。
その後、今度は奇数番目の第1の転送電極12に正の電圧を印加して対応する光センサー4から信号電荷が読み出され、以降同様に、第1および第2の転送電極12、14に転送パルスを印加して順次転送される。このようにして全光センサーが受光して生成した信号電荷がすべて光センサー4から読み出され、撮影画像の画像信号が固体撮像素子2から出力される。
また、ユニットセルのサイズを従来と同一とした場合には、光センサー4が大きいことから固体撮像素子2の感度は従来より高くなり、さらに、光センサー4が取り扱える電荷量が増大する結果、固体撮像素子2のダイナミックレンジが拡大する。
さらに、薄膜シリコン層20は単結晶シリコンにより形成されているので、多結晶シリコンやアモルファスシリコンを用いた場合と異なり、電子およびホールの移動度は充分であり、残像などの問題は発生しない。
図3は本発明の第2の実施の形態例を示す部分断面側面図、図4は第2の実施の形態例の部分平面図である。図3は図4におけるCC’線に沿った断面を表している。図中、図1と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する説明はここでは省略する。
オーバーフロードレイン電極48に接する薄膜シリコン層20の表面部にはn+領域58が形成されている。
ここでは、オーバーフロードレイン電極48は、光センサー4の各列ごとに設けられているとしたが、光センサー4を行ごとに設けたり、あるいは各光センサー4ごとに独立に設けることも無論可能である。
そして、このようなオーバーフロードレイン電極48により、画素間引き、電子ズーム、高機能電子シャッターなどを実現できる。
図5の(A)から(C)は本発明による固体撮像素子の製造方法の一例を示す工程図、図6の(A)から(C)は図5の(C)に続く工程を示す工程図であり、固体撮像素子の製造における各段階の基板構造の一部を側断面により示している。図中、図1、図2と同一の要素には同一の符号が付されている。
次に、図5の(B)に示したように、各トレンチ68に素子分離のための材料を充填して素子分離領域8を形成する。ここでトレンチ68に充填する材料としては、後に行うCMP(Chemical Mechanical Polishing)におけるストッパーとなり、また遮光性を有する材料としてシリコンの酸化物や窒化物を用いることができる。つづいて、高濃度のp型不純物を選択的にイオン注入してトレンチ68に直交して延在するチャネルストップ領域(図示せず)を紙面に直交する方向において間隔をおき形成する。そして、シリコン基板64の第1の面66側から低エネルギーでイオン注入を行って、オーバーフローバリアとしての低濃度のp型不純物を含むp−領域26を形成する。
そして、図6の(A)に示したように、バッファー層18の上に、たとえばシリコンから成る支持基板16を接合し、次に、全体をシリコン基板64の第2の面72が上になるように配置して、シリコン基板64を、第2の面72より素子分離領域8の底部(図6の(A)では上端部)が露出するまでCMPによって研磨し、薄膜化して薄膜シリコン層20を得る。その際、素子分離領域8の上記底部をCMPストッパーとして利用する。
次に、光センサー4の表面に反射防止膜(図6では省略)を形成した後、図6の(C)に示したように、シリコン基板64の第2の面72上に絶縁膜を介して、光センサー4の箇所で開口する遮光膜34を形成し、そして絶縁材料による平坦化膜38を形成した後、カラーフィルター40、オンチップレンズ42を順次形成する。このような手順により、光センサー4の背後に電極を備えた構造を有し、上述のような効果を奏する固体撮像素子2を完成させることができる。
また、本実施の形態例の製造方法では、シリコン基板64を研磨して薄膜化する際に素子分離領域8の底部をCMPストッパーとして利用するので、研磨後のシリコン基板64(薄膜シリコン層20)の厚さを正確に制御することができる。
なお、上記第2の実施の形態例の固体撮像素子44も、光センサーの背後に電極を備えた構造を形成することに関して、ここで説明した固体撮像素子の製造方法と基本的に同様の方法により製造することができる。その場合、電極は光センサー4の列ごとに形成したり、あるいは各光センサー4ごとに形成することも容易である。
Claims (13)
- 互いに隣接する多数の光センサーにより構成された固体撮像素子であって、
支持基板と、
この支持基板の表面に形成された絶縁材料から成るバッファー層と、
このバッファー層の上に形成された単結晶シリコンの薄膜と、
この単結晶シリコンの薄膜中に互いに側方に隣接して形成された多数の光センサーと、
この光センサーと前記バッファー層との間に埋め込まれ前記光センサーが受光して生成した信号電荷を制御する電極とを備えたことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記電極と前記光センサーとの間に介在する絶縁膜を備えたことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記絶縁膜は、前記光センサー側から入射した光を前記光センサー側に反射させることを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。
- 前記電極は、前記光センサー側から入射した光を前記光センサー側に反射させることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記光センサーの表面に形成され前記光センサーへの入射光の反射を防止する反射防止膜を備え、前記反射防止膜は、前記光センサー内から前記反射防止膜に入射した光を前記光センサー側に反射させることを特徴とする請求項3記載の固体撮像素子。
- 各光センサーごとに複数の前記電極が設けられ、列を成す前記光センサーが受光して生成した信号電荷が、前記電極によって列の方向に転送されることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記光センサーが受光して生成した信号電荷が、前記電極によって排出されることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記光センサーの下に前記光センサーに接してオーバーフローバリアが設けられていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 互いに隣接する多数の光センサーを含み、前記光センサーが受光して生成した信号電荷を制御する電極が前記光センサーの背後に設けられた構造の固体撮像素子を製造する方法であって、
単結晶シリコン基板の第1の面に、隣接する前記光センサーを分離するトレンチを形成し、
このトレンチに素子分離のための材料を充填して素子分離領域を形成し、
前記シリコン基板の前記第1の面に前記電極を形成し、
前記電極の上に絶縁材料によるバッファー層を形成し、
前記バッファー層の上に支持基板を接合し、
前記シリコン基板を、前記第1の面と反対側の第2の面より前記素子分離領域のトレンチ底部側の端部が露出するまで研磨し、
研磨後の前記シリコン基板の第2の面から不純物をイオン注入して前記シリコン基板内に前記光センサーを形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。 - 前記シリコン基板の研磨はCMPにより行い、その際、前記トレンチに充填した材料のトレンチ底部側の端部を研磨におけるストッパーとすることを特徴とする請求項9記載の固体撮像素子。
- 遮光性を有する材料を前記トレンチに充填することを特徴とする請求項9記載の固体撮像素子の製造方法。
- 第1の面に前記電極を形成する前に、前記シリコン基板に対し前記第1の面側から低エネルギーで不純物を注入して前記光センサーの下方に位置するオーバーフローバリアを形成することを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。
- 前記電極は、マトリクス状に配列された前記光センサーの行または列に対応して、または各光センサーに対応して形成することを特徴とする請求項9記載の固体撮像素子の製造方法。
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