JP2010283271A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低いコストで、かつ、素子の厚みを増すことなく、内部発光による黒レベルの変動を抑制することができる固体撮像素子及び撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像素子１を構成する半導体基板の表側にトランジスタを備える回路部１１０と画素部１００とを設ける。画素部１００は入射光を検出する多数のセンサ部１０１が２次元配置されてなる。平面視において回路部１１０と画素部１００との間の領域を含む、裏面の一部にのみ無反射構造領域１３０を設ける。無反射構造領域１３０には微細な凹凸が形成されており、内部発光の反射が防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子及び撮像装置に関し、特に、固体撮像素子の内部における発光に起因する画質の劣化を解消する技術に関する。

通常、固体撮像素子においては、有効画素部の外側にセンサ部上を例えばＡｌ等遮光性の高い金属からなる遮光膜で被覆したオプティカルブラック部を設け、このオプティカルブラック部（Optical Black部。以下、単に、「ＯＰＢ部」という）からの信号を黒レベルとしている。
しかしながら、赤外光は、可視光線よりも吸収され難いため、有効画素部に斜めに入射すると、基板の裏面で反射してＯＰＢ部のセンサ部にまで達することがある（図７）。特に、波長８００ｎｍ〜１３００ｎｍ程度の赤外光は、ＯＰＢ部のセンサ部で吸収されて光電変換が起こってしまうので、黒レベルが変動して、画面に色が付いたり、明るさが変わってしまったりする。

かかる問題に対して、例えば、半導体基板の裏面全体にシリコン酸化膜（低反射膜）を形成する技術が提案されている（特許文献１を参照）。このようにすれば、半導体基板の裏面における反射赤外光がシリコン酸化膜表面における反射赤外光と干渉して、減衰するので、黒レベルの変動を防止することができる。

特開２００７−３０５６７５号公報 James E. Carey, Catherine H.Crouch, Mengyan Shen and Eric Mazur, "Visible and near-infrared responsivity of femtosecond-laser microstructured silicon photodiodes ", Optics Letters, Vol. 30, No. 14, July 15, 2005. Zhihong Huang, James E. Carey, Mingguo Liu, Xiangyi Guo, Eric Mazur and Joe C. Campbell, "Microstructured silicon photodetector", Applied Physics Letters, 89, 033506, 2006.

このような技術は、他の問題にも適用し得る。
例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）により転送された信号電荷を増幅するＦＤＡ（Floating Diffusion Amplifier）部等の電界効果トランジスタは、ゲート−ドレイン間で高電界が生じると、ホットキャリアによって発光する（以下、「内部発光」という。）。この光が半導体基板の裏面で反射して、センサ部に入射するとノイズとなって画質が劣化する。

特に、近年では、小型化の要請から半導体基板が薄くなっており、ＦＤＡ部等からセンサ部までの距離が小さくなっている。このため、内部発光が半導体基板にあまり吸収されないうちにセンサ部に入射してしまい、当該センサ部への入射光量の増大が顕著になっている。このような画質の劣化も、上記従来技術のように低反射膜を設ければ、軽減することができると予想される。

しかしながら、内部発光する箇所は固体撮像素子の一部に過ぎないので、内部発光がセンサ部に至る経路上にのみ設ければ十分である。にも関わらず、低反射膜を形成するためには半導体基板の裏面全体に亘って加工を施さざるを得ないため、不必要なコストが発生するという問題がある。
また、低反射膜を設けると、その分、半導体基板の厚みが増してしまうので、固体撮像素子に対する薄型化の要請に反する。

本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、より低いコストで、かつ、素子の厚みを増すことなく、内部発光による黒レベルの変動を抑制することができる固体撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板と、入射光を光電変換して信号電荷を生成するセンサが、半導体基板の第１の主面に２次元配置されてなる画素部と、平面視において、半導体基板上の画素部の周囲に配設されたトランジスタと、を備え、平面視においてトランジスタと画素部との間の領域を含む、半導体基板の第２の主面の一部が、無反射構造を有する領域となっていることを特徴とする。

このようにすれば、無反射構造領域が半導体基板の裏面の一部にのみ設けられるので、例えば、半導体基板の裏面全体にシリコン酸化膜を設ける従来技術よりもコストを低減することができる。また、半導体基板の厚みの増大を回避することができる。
また、本発明に係る固体撮像素子は、前記無反射構造が、前記第１の主面から離れるに従って、ほぼ連続的に屈折率が低下する構造であることを特徴とする。このようにすれば、無反射構造領域においては内部発光の反射が抑制されるので、画質の劣化を防止することができる。

この場合において、前記無反射構造をブラックシリコン構造とするのが好ましい。このようにすれば、光電変換によって内部発光が吸収されるので、内部発光による画質の劣化を更に確実に防ぐことができる。
特に、無反射構造領域は高さ０．５μｍ以上、３０μｍ以下の凹凸が０．５μｍ以上、３０μｍ以下の間隔で形成されてなるとすれば、内部発光のうち、当該凹凸の間隔よりも波長が大きい成分について、反射を防止することができる。

また、無反射構造領域は表層部分に硫黄を含むとし、特に、硫黄を含む表層部分の深さを１μｍ以下とすれば、更に好適である。
また、本発明に係る固体撮像素子は、前記無反射構造領域が、半導体基板の裏面にレーザを照射することによって形成されてなることを特徴とする。このようにすれば、無反射構造領域を形成するためのコストを低減することができる。

この場合において、前記半導体基板は、体積抵抗率が８〜１２ΩｃｍであるＳｉ（１１１）半導体基板であって、前記レーザは、強度が４ｋＪ／ｍ^２で、パルス幅が１００フェムト秒で、周波数が１ｋＨｚのレーザであって、レーザの１スポット当たり平均２００パルスが、半導体基板の裏面に対して垂直に照射され、前記無反射構造領域は、レーザの照射後にアニール処理されてなるとするのが望ましい。

特に、前記アニール処理においては、半導体基板を３０分間、８２５Ｋとすれば、広い波長域に亘る光を吸収することができる。
本発明に係る撮像装置は、本発明に係る固体撮像素子を備えることを特徴とする。このようにすれば、優れた画質の撮像を実現することができる。

本実施の形態に係る固体撮像素子の主要な構成を示す図である。 図１の一点鎖線Ａ−Ａにおける固体撮像素子１の断面を示す図である。 無反射構造領域１３０の表面形状を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。 無反射構造領域１３０のアニール温度に応じた波長特性を示すグラフである。 非特許文献２に記載された条件で形成された無反射構造領域１３０を示す斜視図である。 従来技術に係る固体撮像素子の構成を例示する断面図であって、（ａ）は薄型化前の構成を示し、（ｂ）は薄型化後の構成を示す。 従来技術に係る固体撮像素子の構成を例示する断面図である。

以下、本発明に係る固体撮像素子の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［１］ 固体撮像素子の構成
先ず、本実施の形態に係る固体撮像素子の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る固体撮像素子の主要な構成を示す図である。

本実施の形態に係る固体撮像素子は所謂ＣＣＤ型固体撮像素子であって、図１に示されるように、固体撮像素子１は、その表面に画素部１００、回路部１１０及び電荷検出部１２０を備え、また、裏面に無反射構造領域１３０を備えている。なお、無反射構造領域１３０と他の部分との位置関係を示すために、表面図には、無反射構造領域１３０が薄く示され、また、裏面図には、画素部１００、回路部１１０及び電荷検出部１２０が破線で示されている。

画素部１００は、複数のセンサ部１０１、複数の垂直ＣＣＤ１０２及び水平ＣＣＤ１０３を備えており、センサ部１０１にて画素毎の入射光を光電変換して、信号電荷を生成した後、当該信号電荷を垂直ＣＣＤ１０２から水平ＣＣＤ１０３を経て電荷検出部１２０へ順次転送する。
電荷検出部１２０は、所謂ＦＤＡであって、水平ＣＣＤ１０３にて転送されてきた信号電荷を順次検出し、電界効果トランジスタによって出力インピーダンスを低下させる。回路部１１０は、画素部１００の周囲に配設されており、例えば、トランジスタを用いて固体撮像素子１を構成する半導体基板への印加電圧を制御する。この場合において、画素可算モード時にはフォトダイオードの飽和量を抑制するために、静止画モードよりも高い電圧が印加される。

無反射構造領域１３０は、所謂ブラックシリコン構造を有しており、回路部１１０や電荷検出部１２０からの発光がセンサ部１０１に到達しないように、これらの光を吸収する。無反射構造領域１３０は、無反射構造領域１３０がなければ、前記発光をセンサ部へ向けて反射するであろう領域のみに設けられている。
したがって、無反射構造領域１３０は、半導体基板の裏面であって、平面視において少なくとも電荷検出部１２０や回路部１１０が備えるトランジスタと画素部１００との間の領域を含む。

このため、上述の従来技術とは異なって、半導体基板の裏面全体に加工を施す必要が無いので、内部発光による画質劣化を防止するためのコストを低減することができる。また、半導体基板の裏面に更にシリコン酸化膜等を積層する必要が無いので、固体撮像素子の厚みの増大も回避することができる。
図２は、図１の一点鎖線Ａ−Ａにおける固体撮像素子１の断面を示す図である。図２に示されるように、固体撮像素子１は、ｎ型Ｓｉ半導体基板２００の表面側にｐ型の半導体ウェル領域２０１が形成されてなり、また、半導体ウェル領域２０１の表面側にはセンサ部１０１が形成されている。

センサ部１０１はｎ型の半導体領域からなり、ｐ型の半導体ウェル領域２０１と共にフォトダイオードを構成する。オンチップレンズ２３０はそれぞれ対向するセンサ部１０１上に、入射光を集光する。なお、カラー固体撮像素子の場合には、オンチップレンズ２３０とセンサ部１０１との間にカラーフィルタが配される。
垂直ＣＣＤ１０２上には電極２２２が配設されており、共に遮光部２２１にて遮光されている。電極２２２には、例えば、ＶＭ電圧（０Ｖ）とＶＬ電圧（−６Ｖ）が印加されることによって、信号電荷が転送される。また、電荷検出部１２０はソース電極２１１、ゲート電極２１２及びドレイン電極２１３を備えている。電荷検出部１２０で生じた内部発光Ｌは無反射構造領域１３０にて吸収されるので、センサ部１０１まで到達しない。

したがって、電荷検出部１２０における発光に起因する画質の劣化を防止することができる。同様に、回路部１１０における発光もまた無反射構造領域１３０にて吸収されるので、当該発光に起因する画質の劣化も防止される。
［２］ 無反射構造領域１３０
次に、無反射構造領域１３０について、更に詳しく説明する。

先ず、非特許文献１に従い、無反射構造領域１３０の形成方法について説明する。
半導体基板２００はｎ型のＳｉ（１１１）基板であって、体積抵抗率が８〜１２Ωｃｍである。この半導体基板２００の裏面に無反射構造領域１３０を形成するために、０．６７×１０^４ＰａのＳＦ_６雰囲気下で、パルス幅が１００フェムト秒のレーザを周波数１ｋＨｚで、当該裏面に対して垂直に照射した。レーザの強度は４ｋＪ／ｍ^２とした。

また、形成すべき無反射構造領域１３０の面積はレーザのスポット径よりも大きいので、１スポット当たり平均２００パルス入射するように、レーザの照射位置を移動させた。そして、レーザ照射を終えた後、８２５Ｋで３０分間だけアニール処理を施した。
図３は、無反射構造領域１３０の表面形状を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。図３（ａ）に示されるように、無反射構造領域１３０の表面には高さ２〜３μｍの微細構造（凹凸）が２〜３μｍ間隔で形成されている。この微細構造は照射するレーザの強度が高いほど高くなり、また、微細構造間の間隔も広くなる。

また、図３（ｂ）に示されるように、無反射構造領域１３０の表面から深さ数百ｎｍまで、言い換えると深さ１μｍ以下まで結晶構造が崩れている（以下、「表層」という。）。この表層は、導電型がｎ型であり、半導体基板２００の他の部分よりも電子密度が高くなっている。また、表層における電子移動度は１００ｃｍ^２／Ｖｓのオーダである。
このため、当該微細構造の表層と表層以外の部分とはｎ／ｎ^＋へテロ結合をなしているので、無反射構造領域１３０はフォトダイオードとして動作することができる。無反射構造領域１３０のフォトダイオードとして応答性能は、無反射構造領域１３０を形成する際のアニール温度に依存する。図４は、無反射構造領域１３０のアニール温度に応じた波長特性を示すグラフである。

図４に示されるように、無反射構造領域１３０は、アニール温度が８２５Ｋのとき、可視波長域から近赤外波長域までに亘る広い波長域で高い応答性能を示す。応答性能が高いとは、すなわち、光電変換効率が高いということであり、電荷検出部１２０等からの発光を吸収する効率が高いということになる。
また、上記従来技術では、反射光どうしの干渉を利用する都合上、シリコン酸化膜の厚さの４倍に等しい波長の光しか減衰させることができない。これに対して、本発明では、上述のような微細構造を利用するので、広い波長域に亘る光を減衰させることができるという利点もある。

なお、非特許文献２に記載されているように、０．６７×１０^４Ｐａに代えて６．７×１０^４ＰａのＳＦ_６雰囲気下で無反射構造領域１３０を形成しても良い。図５は、非特許文献２に記載された条件で形成された無反射構造領域１３０を示す斜視図である。図５に示される無反射構造領域１３０もまた、図３に示された無反射構造領域１３０と同様の形状や特性を有している。

また、図５に示される無反射構造領域１３０の表層は約１％の硫黄成分を含んでおり、このように高い濃度を有する硫黄成分が表層におけるドーパントとして機能している。これによって、無反射構造領域１３０は電荷検出部１２０等からの発光を効率よく吸収する。
なお、無反射構造領域１３０とセンサ部１０１との間にはｐ型の半導体ウェル領域２０１が形成されている。したがって、無反射構造領域１３０にて発光が光電変換されることによって電荷が発生しても、この半導体ウェル領域２０１が障壁となって、当該電荷はセンサ部１０１へ進入することができない。すなわち、無反射構造領域１３０で発生した電荷によって画質が劣化することはない。そして、無反射構造領域１３０にて発生した電荷は接地放電される。

［３］ 内部発光の発生と画質劣化のメカニズム
次に、内部発光が発生するメカニズム、並びに内部発光によって画質劣化が生じるメカニズムについて解説する。内部発光が発生するメカニズムは回路部１１０でも電荷検出部１２０でも同様であるので、以下、電荷検出部１２０における内部発光について説明し、これを以って回路部１１０における内部発光の説明に代える。

電荷検出部１２０が備えるトランジスタにおいて、ゲート電極２１２とドレイン電極２１３との間に高電圧が印加されると、ソース電極２１１からドレイン電極２１３に向かって走行してきた電子がドレイン近傍の高電界により衝突電離やアバランシェ増倍を起こす。これによって、電子−正孔対が再結合され、ホットキャリアが発生し、ドレイン近傍で内部発光が発生する。

図６は、従来技術に係る固体撮像素子の構成を例示する断面図であって、（ａ）は薄型化前の構成を示し、（ｂ）は薄型化後の構成を示す。
さて、図６（ａ）に示されるように、薄型化前の固体撮像素子６００においては、半導体基板６０１に厚みがあるために、電荷検出部６０２で生じた内部発光６０３は半導体基板６０１中を進行中に吸収される。このため、例えば、センサ部６０４ａには信号電荷を発生させるに足る光量の内部発光が到達するが、センサ部６０４ｂ〜６０４ｄには信号電荷を発生させるほどの光量の内部発光は到達しない。

一方、図６（ｂ）に示されるように、薄型化後の固体撮像素子６１０においては、半導体基板６１１が薄くなったために、電荷検出部６１２で生じた内部発光６１３は半導体基板６１１にあまり吸収されないうちに、換言すると、内部発光６１３はあまり減衰しないまま、例えば、センサ部６１４ａ〜６１４ｃに到達する。
また、センサ部に到達するまでの経路が短いほど、内部発光は散乱し難くなるので、より強度が高い内部発光がセンサ部に入射して、画質の劣化が更に顕著になる。

また、内部発光の影響は、個々のセンサ部の面積によってもことなる。例えば、コンパクトＤＳＣ（Digital Still Camera）に使用される固体撮像素子では、半導体基板の厚さが５００μｍ程度で画質の劣化が顕著になる。一方、１眼レフに使用される固体撮像素子では、コンパクトＤＳＣに比べて個々のセンサ部の面積が数倍程度大きいので、より少ない光量の内部発光でも個々のセンサ部に進入する光量が多くなり、影響が大きくなってしまう。このため、半導体基板の厚さが５００μｍ以上であっても画質の劣化が顕著になり得る。

また、内部発光による画質の劣化は、本来センサ部１１に入射する可視領域光の強度に比べると非常に弱く、カメラ設定において１秒以上の長時間露光を行う条件にて強調される。このような長時間露光の場合においても、本発明によれば画質の劣化を防止することができる。
［４］ 変形例
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。

（１） 上記実施の形態においては、無反射構造領域の表面に高さ２〜３μｍの微細構造が２〜３μｍ間隔で形成される場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、微細構造の高さや間隔は０．５μｍ〜３０μｍの範囲内であれば、本発明の効果を得ることができる。
なお、このような微細構造（凹凸）を有することにより、固体撮像素子の裏面において物質の境界面が一定でなくなると、急激な屈折率の変化がなくなるため、裏面で反射する光を低減することができる。特に、凹凸が深くなると、物質の境界面での屈折率の変化が更に緩やかになるため、固体撮像素子の裏面で反射する光を低減する効果が更に増大する。

また、内部発光の一部が反射されたとしても、無反射構造領域の形態上、乱反射されるので、特定のセンサ部に反射光が集中するのを防止することもできる。
また、このような微細構造を硫黄雰囲気下で形成することにより、裏面を微細で深い凹凸を均一かつ効率的に形成することができる。
（２） 本発明に係る固体撮像素子の構成する各部材の導電型が上記実施の形態に限定されないのはいうまでもなく、すべての部材について導電型を反転させても本発明の効果に変わりは無い。

（３） 上記実施の形態においては専ら本発明に係る固体撮像素子の実施の形態について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、本発明に係る固体撮像素子を備えた撮像装置もまた本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明に係る撮像装置の実施の形態として、例えば、本発明に係る固体撮像素子と、当該固体撮像素子に被写体からの入射光を導く光学部品、例えば、レンズや光学フィルタ等を備えたデジタルカメラがある。また、本発明に係る撮像装置が備える固体撮像素子は１個に限定されず、３つの固体撮像素子を用いた所謂３板式の構成など、複数個の固体撮像素子を用いても良い。

（４） 上記実施の形態においては特に言及しなかったが、一般的に半導体基板は短い波長の光ほどよく吸収するという物性を考慮すれば、無反射構造領域は、例えば、波長１０００ｎｍ以上の光を吸収すればよい。このようにすれば、短波長の光は半導体基板内で吸収され、長波長の光は無反射光像領域にて吸収されるので、内部発行に起因する画質の劣化を防止することができる。

（５） 上記実施の形態においては、専ら無反射構造領域がブラックシリコン構造を有する場合ついて説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、ブラックシリコン構造に代えて他の構造を用いても良い。
例えば、反射を抑制すべき波長以下の間隔で、高さが当該間隔よりも大きい凹凸を、凸部がその根本から先端に向かうに連れて縮径するように半導体基板の裏面に設けて、無反射構造領域としても良い。

このようにすれば、半導体基板の裏面の法線方向について、屈折率を連続的に変化させることができるので、光電変換を行わなくても、無反射構造領域における反射を抑制することができる。

本発明に係る固体撮像素子及び撮像装置は、固体撮像素子の内部における発光に起因する画質の劣化を解消する技術として有用である。

１………固体撮像素子
１１０…回路部
１２０…電荷検出部
１３０…無反射構造領域
１０１…センサ部
２００…半導体基板
２０１…半導体ウェル領域
２１１…ソース電極
２１２…ゲート電極
２１３…ドレイン電極
Ｌ………内部発光

Claims (10)

1. 半導体基板と、
   入射光を光電変換して信号電荷を生成するセンサが、半導体基板の第１の主面に２次元配置されてなる画素部と、
   平面視において、半導体基板上の画素部の周囲に配設されたトランジスタと、を備え、
   平面視においてトランジスタと画素部との間の領域を含む、半導体基板の第２の主面の一部が、無反射構造を有する領域となっている
   ことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記無反射構造は、前記第１の主面から離れるに従って、ほぼ連続的に屈折率が低下する構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記無反射構造はブラックシリコン構造である
   ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 無反射構造領域は高さ０．５μｍ以上、３０μｍ以下の凹凸が０．５μｍ以上、３０μｍ以下の間隔で形成されてなる
   ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の固体撮像素子。
5. 無反射構造領域は表層部分に硫黄を含む
   ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の固体撮像素子。
6. 前記硫黄を含む表層部分の深さは１μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
7. 前記無反射構造領域は、半導体基板の裏面にレーザを照射することによって形成されてなる
   ことを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の固体撮像素子。
8. 前記半導体基板は、体積抵抗率が８〜１２ΩｃｍであるＳｉ（１１１）半導体基板であって、
   前記レーザは、強度が４ｋＪ／ｍ^２で、パルス幅が１００フェムト秒で、周波数が１ｋＨｚのレーザであって、レーザの１スポット当たり平均２００パルスが、半導体基板の裏面に対して垂直に照射され、
   前記無反射構造領域は、レーザの照射後にアニール処理されてなる
   ことを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 前記アニール処理においては、半導体基板を３０分間、８２５Ｋとする
   ことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像素子。
10. 請求項１から９の何れかに記載の固体撮像素子を備える
    ことを特徴とする撮像装置。