JP4394437B2

JP4394437B2 - 裏面照射型撮像素子

Info

Publication number: JP4394437B2
Application number: JP2003433512A
Authority: JP
Inventors: 剛治江藤; 秀樹武藤
Original assignee: 剛治江藤; リンク・リサーチ株式会社
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2004235621A

Description

本発明は、裏面照射型撮像素子に関する。特に、本発明は、科学及び技術の分野での計測用途の撮影に適した裏面照射型撮像素子に関する。

チップの電極等が配置された面（表面）とは反対側の面（裏面）から、可視光等の入射線を入射させる裏面照射型撮像素子が知られている（特許文献１参照）。この裏面照射型撮像素子では、各画素の変換部（例えば入射線が可視光線である場合には光電変換部）がチップの裏面側に設けられ、Ａ／Ｄ変換器や信号蓄積部のような信号電荷に何らかの処理を行う部分（電荷処理部）がチップの表面側に設けられる。

裏面照射型撮像素子は１００％に近い開口率を得ることができるので、非常に高い感度を実現することができる。従って、天文学、電子顕微鏡の分野等の高感度が必要となる用途では、裏面照射型撮像素子が使用されることが多い。また、画像１枚あたりの露光時間が短くなる高速度撮影にも、高感度を有する裏面照射型撮像素子が適している。

裏面照射型撮像素子における主たる問題としては、電荷処理部への信号電荷の混入がある。詳細には、拡散や回り込みにより、変換部で発生した光電子等の信号電荷が電荷処理部の本来その信号電荷が流入すべきでない部分に混入する。この混入した信号電荷は、電荷処理部の機能を阻害する。

裏面照射型撮像素子における他の問題としては、光の透過がある。裏面照射型撮像素子では、チップの厚さを極力薄くする必要がある。これはチップが厚いと入射線に応じて発生した電荷が機能領域に到達する間に、隣接する画素間で信号電荷が互いに混入したり、チップ内の結晶欠陥に起因するノイズが信号電荷に混入するからである。このようにチップの厚さが薄いため、透過性の強い（吸収係数の小さい）長波長側の光が表面側の機能領域まで達し、機能領域内で好ましくない不要の電荷を発生させる。この電荷も機能領域に設けられた要素の機能を阻害する。

本発明者らは、画素内又はその近傍に直線状の信号蓄積部を備える画素周辺記録型撮像素子（In-situ Storage Image Sensor:ＩＳＩＳ）を開発した（例えば、特許文献２、非特許文献１、及び非特許文献２参照）。この画素周辺記録型撮像素子に裏面照射構造を採用した場合、前述の信号電荷の混入と光の透過に起因する問題が特に顕著となる。

特開平９−３３１０５２号公報特開２００１−３４５４４１号公報江藤剛治他、「１０３枚連続撮影のための１００万枚／秒のＣＣＤ撮像素子（A CCE Image Sensor of 1M frames/s for Continuous Image Capturing of 103 Frames）」、技術論文要約（Digest of Technical Papers）、２００２年ＩＥＥＥ固体回路国際会議（2002 IEEE International Solid-State Circuits Conference）、２００２年、第４５巻、ｐ．４６−４７江藤剛治、外４名、「斜行直線ＣＣＤ型画素周辺記録領域を持つ１００万枚／秒の撮像素子」、映像情報メディア学会誌、社団法人映像情報メディア学会、２００２年、第５６巻、第３号、ｐ．４８３−４８６

本発明は、裏面照射型撮像素子における信号電荷の混入防止及び光の透過に起因する不要な電荷の発生防止を課題とする。

本明細書において、「入射線」という語は、撮像素子に対して入射する検出対象となるエネルギ又は粒子の流れをいい、紫外線、可視光線、及び赤外線等の光を含む電磁波、電子、イオン、及び正孔のような荷電粒子の流れ、並びにＸ線に加えα線、γ線、β線、及び中性子線を含む放射線を包含する。

本発明は、入射線が入射する入射面側に設けられ、前記入射線を信号電荷に変換し、かつ２次元配列を構成する複数の画素のそれぞれについて設けられた変換部と、前記変換部から前記入射面とは反対の表面側へ延び、前記変換部で生じた信号電荷を収集する電荷収集部と、前記表面側に設けられ、前記電荷収集部で収集された信号電荷を処理する電荷処理部と、前記変換部と前記電荷処理部の間に設けられ、前記変換部から前記電荷処理部への前記信号電荷の流入を抑制する抑制領域とを備えることを特徴とする裏面照射型撮像素子を提供する。

変換部と電荷変換部の間に抑制領域を備えるので、変換処理部で発生した信号電荷が、拡散や回り込みによって電荷収集部ではなく電荷処理部に流入するのを防止することができる。従って、かかる信号電荷の電荷処理部への混入に起因するノイズの発生等を防止することができる。

具体的には、前記変換部、前記電荷収集部、前記電荷処理部、及び前記抑制領域は、半導体材料からなり、前記変換部は第１の導電型を有し、前記電荷収集部は第２の導電型を有し、かつ前記抑制領域は、前記第１の導電型を有するが導電型不純物の濃度が前記変換部よりも高く、前記信号電荷処理部がその中に埋め込まれ、かつ前記電荷収集部が貫通している電荷阻止層を備える。

信号電荷が電子の場合、第１の導電型がｐ型で第２の導電型はｎ型である。信号電荷が正孔の場合、第１の導電型がｎ型で第２の導電型はｐ型である。

好ましくは、前記抑制領域は、第２の導電型を有し、前記変換部と前記電荷阻止層との間に介在し、かつ前記電荷収集部と入射面側の端部と連続する電荷収集層をさらに備える。

変換部で発生した信号電荷はいったん電荷収集層に信号電荷が集まり、第２の抑制部の信号電荷が水平方向に移動して電荷収集部に収集される。従って、電荷収集層を設けることで、電荷処理部への信号電荷の混入をより効果的に防止することができる。

電荷処理部の機能及び構造は特に限定されない。例えば、前記電荷処理部は、前記信号電荷をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。

本発明は画素周辺記録型撮像素子にも適用することができる。すなわち、前記電荷処理部は、各画素内部又はその近傍に設けられ、前記信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部であってもよい。裏面照射型の特徴である高感度と、画素周辺記録型の特徴である非常に高い撮影速度とを併せ持ち、かつ信号電荷が信号電荷蓄積部に混入することによるノイズの発生を防止することができる。

前記入射線は光である場合、前記入射面に配置され、かつ前記入射面から前記電荷処理部に透過して前記電荷処理部で前記信号電荷と同種の電荷を発生させる波長の光を遮断する光学フィルタをさらに備えてもよい。電荷処理部に直接光が到達して不要な電荷を発生し、画質低下の原因となるのを防止することができる。

また、本発明は、前記裏面照射型撮像素子を備える電子顕微鏡及び撮影装置を提供する。

本発明の裏面照射型撮像素子では、変換部と電荷処理部の間に抑制領域を備えるので、変換部で発生した信号電荷が、拡散や回り込みによって電荷収集部ではなく電荷処理部に流入するのを防止することができる。従って、かかる信号電荷の電荷処理部への混入に起因するノイズの発生等を防止することができる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る裏面照射型撮像素子１を備える透過型電子顕微鏡２を示す。この透過型電子顕微鏡２は、電子銃３から試料５に電子流４（入射線）を照射し、透過した電子流４を裏面照射型撮像素子１に結像させる。６Ａ〜６Ｃは磁界レンズである。電子銃３、試料５、裏面照射型撮像素子１、及び磁界レンズ６Ａ〜６Ｃが配置されている透過型電子顕微鏡２の内部は真空ポンプ７により所要の真空度に維持されている。

図２から図４をさらに参照すると、裏面照射型撮像素子１の裏面ないしは入射面８側には試料５を透過した電子流４が入射する蛍光膜９が配置され、この蛍光膜９と入射面８はファイバーガラス１０により光学的に連結されている。入射する電子流４の強度に応じた輝度で蛍光膜９が発光し、この蛍光膜９の発する光１１が入射面８に入射する。

図２に示すように、裏面照射型撮像素子１の入射面８には、複数の画素１３が２次元に配列されている。図２では、単純化のために、９個（３行×３列）の画素１３のみを図示しているが、画素１３の行数及び列数はそれぞれ２以上であればよい。

図３及び図４に示すように、チップ１４の入射面８側にはｐ⁻型の変換層２１が設けられている。また、変換層２１よりもチップ１４の表面２２側には、ｐ^＋型の電荷阻止層２３が設けられている。

変換層２１で生じた信号電荷を収集するためのｎ⁻型の電荷収集部２４が各画素１３毎に設けられている。この電荷収集部２４の一端は変換層２１内に位置し、変換層２１からチップ１４の表面２２側へ延びている。チップ１４の表面２２側に位置する電荷収集部２４の他端にはｎ型のインプット領域２５が設けられている。電荷収集部２４は電荷阻止層２３を貫通して延びており、インプット領域２５は電荷阻止層２３に埋め込まれている。

電荷阻止層２３の表面２２側の領域には、Ａ／Ｄ変換器を含む種々の周辺回路２６（電荷処理部）が各画素１３毎に設けられている。これらの周辺回路２６は電荷阻止層２３に埋め込まれている。図３及び図４において、２７は周辺回路２６の電極、２８はインプット領域２５から周辺回路２６に信号電荷を送るための電極である。図５に概略的に示すように、周辺回路２６が備えるシリアル型のＡ／Ｄ変換器３１は比較器３２と、カウンタ３３を備えている。比較器３２にはインプット領域２５から信号電荷である電圧Ｖ_ｉｎが入力されると共に、比較用電圧Ｖ_refが入力され、比較器３２の出力はカウンタ３３に出力される。カウンタ３３の出力は画像信号としてコントローラ３４（図１参照）に出力される。コントローラ３４はメモリ、画像処理回路等を含む種々の要素を備え、コントローラ３４から表示装置３５に撮影した画像が出力される。前述のようにＡ／Ｄ変換器３１は各画素１３毎に設けられているが、コントローラ３４から出力されるリセット信号及び比較用電圧Ｖ_ｒｅｆは全画素１３に共通である。

裏面照射型撮像素子１の変換層２１、電荷阻止層２３、電荷収集部２４、及びインプット領域２５は例えばそれぞれ不純物濃度１×１０^１０〜１×１０^１５ｃｍ^−３のｐ⁻型、不純物濃度１×１０^１５〜１×１０^１６ｃｍ^−３のｐ^＋型、不純物濃度１×１０^１３〜１×１０^１６ｃｍ^−３のｎ型、不純物濃度１×１０^１６〜１×１０^２０ｃｍ^−３のｎ^＋型のシリコンを主体とするような半導体材料からなる。この場合、ｐ⁻型の基板にフォトレジストをマスクとしてボロンとリンのイオン注入を行った後、熱拡散を行うことにより製造することができる。

試料５を透過した電子流４が蛍光膜９に入射すると、蛍光膜９が発光する。蛍光膜９で発生した光１１はファイバーガラス１０を介して裏面照射型撮像素子１に入射する。入射面８から入射した光１１は、変換層２１に到達して電子と正孔の対を発生させる。このうち電子は負の電荷を有しているので、ｎ⁻型の電荷収集部２４に集まり、さらにｎ型のインプット領域２５に集積する。正孔はｐ⁻型の変換層２１を通って、チップ外に連続的に排出される。インプット領域２５に集積した電子、すなわち信号電荷は周辺回路２６に出力され、Ａ／Ｄ変換器３１によるアナログ信号からデジタル信号への変換を含む種々の処理がなされた後、画像信号としてコントローラ３４へ出力される。

ｐ⁻型の変換層２１と周辺回路２６とはｐ^＋型の電荷阻止層２３により互いに隔てられている。従って、変換層２１で発生した電子が、拡散や回り込みにより電荷収集部２４及びインプット領域２５を介することなく直接周辺回路２６に到達するのを防止することができる。よって、信号電荷の混入による周辺回路２６でのノイズ発生等を防止することができる。電荷阻止層２３は隣接する周辺回路２６間を電気的に互いに隔てる機能も有している。

（第２実施形態）
図６及び図７に示す本発明の第２実施形態に係る裏面照射型撮像素子１は、ｎ⁻型の電荷収集層２９を備えている。この電荷収集層２９は変換層２１と電荷阻止層２３との間に介在し、電荷収集部２４の入射面８側の端部と連続している。変換層２１で発生した電荷はいったん電荷収集層２９に集まる。電荷収集層２９に集まった電荷は水平方向に移動して電荷収集部２４に収集される。従って、電荷収集層２９を設けることで、周辺回路２６への信号電荷の混入をより効果的に防止することができる。

第２実施形態の裏面照射型撮像素子１は例えば以下のように製作する。ｐ⁻型の基板の表面側から高エネルギーのイオン注入又は熱拡散により２〜８μｍ低度の厚いｎ⁻層を形成する。次に、同様の方法で表面から２〜８μｍ程度のところにｐ＋層を形成し、さらにその表面側にイオン注入により周辺回路２６を形成する。

第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

（第３実施形態）
図８及び図９に示す本発明の第３実施形態の裏面照射型撮像素子１は、蛍光膜９とファイバーガラス１０（図３、図４、図６、及び図７）を備えておらず、試料５を透過した電子流４が入射面８に直接入射する。電子流４が変換層２１に到達すると発生する２次電子が信号電荷となる。この信号電荷は電荷収集部２４に集積し、インプット領域２５を介して周辺回路２６に送られる。変換層２１と周辺回路２６との間には電荷阻止層２３が介在するので、変換層２１で発生した２次電子が直積周辺回路２６に到達するのを防止することができる。

この第３実施形態のような電子流直入型の裏面照射型撮像素子では、高エネルギの電子流に直接曝されるので、素子寿命が短くなる傾向がある。従って、磁気レンズ６Ａ〜６Ｃ（図１参照）の設定等により電流強度を弱めた後に、入射面８に入射させることが好ましい。

第３実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

（第４実施形態）
図１０及び図１１に示す本発明の第４実施形態の裏面照射型撮像素子１では、変換層２１と電荷阻止層２３との間に電荷収集部２４と連続するｎ⁻型の電荷収集層２９が介在している。変換層２１で生じた２次電子を電荷収集層２９で集めて電荷収集部２４に収集することにとより、周辺回路２６への信号電荷の混入をより効果的に防止することができる。

第４実施形態のその他の構成及び作用は第３実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

（第５実施形態）
図１２から図１７に示す本発明の第５実施形態は、画素周辺記録型撮像素子（In-situ Storage Image Sensor : ISIS）に本発明を適用した例である。

図１２を参照すると、第５実施形態の裏面照射型撮像素子１０１を備える高速ビデオカメラ１００は、入射面１０２に可視光線１３７を結像させるレンズ１０４、裏面照射型撮像素子１０１から出力されたアナログの画像信号を増幅するアンプ１０５、増幅された画像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１０６、及びデジタルの画像信号を記憶するメインメモリ１０７を備える。画像処理装置１０８はメインメモリ１０７から読み出した画像信号を処理して表示装置１０９に表示する。コントローラ１１０は、撮像素子１０１、アンプ１０５、及びＡ／Ｄ変換器１０６を含むビデオカメラ全体の動作を制御する。

図１３は裏面照射型撮像素子１０１を入射面１０２（図１５から図１７参照）から見た図である。図１３では、単純化のために、１２個（４行×３列）の画素１２１のみを図示しているが、画素の行数及び列数はそれぞれ２以上であればよい。また、図１３では後述する光学フィルタ１３０、変換層１３１、及び電荷収集部１３４（図１５から図１７参照）は図示していない。

図１３を参照して裏面照射型のＩＳＩＳの構造を説明すると、画素１２１毎にインプット領域１２２が設けられている。インプット領域１２２及びそれを含む画素１２１は行方向と列方向が互いに直交するように配置されている。各インプット領域１２２毎に図において左斜め下へ向けて延びる信号記録用ＣＣＤ１２３が設けられている。また、各インプット領域１２２の列毎に１本ずつ図において垂直方向（列方向）に延びるＣＣＤ（垂直読み出し用ＣＣＤ１２４）が設けられている。さらに、各垂直読み出し用ＣＣＤ１２４に隣接してドレーン線１２６が設けられている。さらにまた、図において水平方向（行方向）に延びるＣＣＤ（水平読み出し用ＣＣＤ１２５）が設けられている。

各信号記録用ＣＣＤ１２３は、一端が図示しないインプットゲートを介して対応するインプット領域１２２に接続され、他端が垂直読み出し用ＣＣＤ１２４に接続されている。同一の列を構成するインプット領域１２２に一端が接続されている信号記録用ＣＣＤ１２３の他端は、その列に対応する垂直読み出し用ＣＣＤ１２４に合流している。換言すると、同一の列を構成するインプット領域１２２に接続されたすべての信号記録用ＣＣＤ１２３が同一の垂直読み出し用ＣＣＤ１２４に合流している。垂直読み出し用ＣＣＤ１２４が備える信号記録要素ないしはエレメント１２４ａのうち、信号記録用ＣＣＤ１２３が合流するエレメント１２３ａの一つ上流側のエレメント１２４ａは、ドレーンゲート１２７を介してドレーン線１２６に接続されている。各垂直読み出し用ＣＣＤ１２４の図において下端は、水平読み出し用ＣＣＤ１２５に接続されている。

第５実施形態の裏面照射型撮像素子１０１では、撮影中に連続上書きが実行される。図１４を参照すると、矢印Ｙ１で示すように、撮影中はインプット領域１２２から信号記録用ＣＣＤ１２３のエレメント１２３ａに信号電荷が順次転送される。ある瞬間に“１”から“２６”までの番号を付した各エレメント１２３ａに信号電荷が蓄積されているとすると、各エレメント１２３ａに付した番号が小さい程古い画像に対応する信号電荷であることを示し、この番号が大きい程新しい画像に対応する信号電荷であることを示す。図１４で示す状態の次の瞬間には、番号“１”を付したエレメント１２３ａからドレーンゲート１２７を介してドレーン線１２６に信号電荷が排出され、番号“２６”を付したエレメント１２３ａにインプット領域１２２から最新の２７番目の画像に対応する信号電荷が入力される。また、２番目から２６番目までの画像に対応する信号電荷は１個ずつ下流側のエレメント１２３ａに送られる。従って、２番目から２７番目までの画像に対応する信号電荷が信号記録用ＣＣＤ１２３に記録される。撮影中は、この連続上書き過程が継続する。

撮影対象とする現象の生起が確認されると連続上書きが停止される。記憶された信号電荷の読み出し操作は概ね以下の通りである。（１）信号記録用ＣＣＤ１２３での電荷転送を停止し、矢印Ｙ２で示すように垂直読み出し用ＣＣＤ１２４上でのみ電荷転送を行い、信号電荷を水平読み出し用ＣＣＤ１２５送る。この操作により垂直読み出し用ＣＣＤ１２４は空になる。（２）信号記録用ＣＣＤ１２３から垂直読み出し用ＣＣＤ１２４上で電荷転送を行い、垂直読み出し用ＣＣＤ１２４を満杯にする。

図１２において信号記録用ＣＣＤ１２３が斜め下に向けて延びていないと、一つのインプット領域１２２に接続された信号記録用ＣＣＤ１２３はそのインプット領域１２２の一つ下側のインプット領域１２２と干渉し、信号記録用ＣＣＤ１２３を十分に長くすることができない。信号記録用ＣＣＤ１２３を十分に長くするには、下側に行く程インプット領域１２２を少しずつ右にずらして信号記録用ＣＣＤ１２３を真下に延ばせるようにすればよい。この場合、画素軸をなすインプット領域１２２の中心点は、正方格子又は長方形格子を構成せず菱形となる。かかる菱形格子を解消するには、インプット領域１２２の位置を少しずつ上にずらせばよい。この結果得られたレイアウトを時計回りに少し回転させると図１２のレイアウトとなる。これが信号記録用ＣＣＤ１２３を画素軸に対して斜行させている理由である。

図１２及び図１３では、単純化のために信号記録用ＣＣＤ１２３及び垂直読み出し用ＣＣＤ１２４には２６枚の画像に対応する信号電荷が蓄積される。しかし、これらのエレメント１２３ａ，１２４ａの数を増やせば、連続撮影可能な画像枚数を増大することができる。例えば、各画素周辺に１０３個のエレメントを設ければ、１００万枚／秒の撮影速度で撮影した画像を１０枚／秒の再生速度で１０秒の動画として再生することができる。

図１５から図１７を参照すると、チップ１２８の入射面１０２には光学フィルタ１３０が配置されている。また、チップ１２８の入射面１０２側にはｐ⁻型の変換層１３１が設けら、変換層１３１よりもチップ１２８の表面１３２側には、ｐ^＋型の電荷阻止層１３３が設けられている。

変換層１３１で生じた信号電荷を収集するためのｎ⁻型の電荷収集部１３４が各画素１２１毎に設けられている。この電荷収集部１３４の一端は変換層１３１内に位置し、変換層１３１からチップ１２８の表面１３２側へ延びている。チップ１２８の表面１３２側に位置する電荷収集部１３４の他端にはｎ型のインプット領域１２２が設けられている。電荷収集部１３４は電荷阻止層１３３を貫通して延びており、インプット領域１２２は電荷阻止層１３３に埋め込まれている。

電荷阻止層１３３の表面１３２側の領域には信号記録用ＣＣＤ１２３が設けられている。これらの信号記録用ＣＣＤ１２３は電荷素子層１３３に埋めこまれている。図１５から図１７において、１３５は信号記録用ＣＣＤ１２３を駆動するための電極、１３６はインプット領域１２２から信号記録用ＣＣＤ１２３に信号電荷を送るための電極である。本実施形態では、信号記録用ＣＣＤ１２３は４相駆動であるので、図１７に示すように、各エレメント１２３ａ毎に４個の電極１３５が設けられている。

裏面照射型撮像素子１０１の変換層１３１、電荷収集部１３４、インプット領域１２２は、及び電荷阻止層１３３は例えばそれぞれ不純物濃度１×１０^１０〜１×１０^１５ｃｍ^−３のｐ⁻型、不純物濃度１×１０^１５〜１×１０^１６ｃｍ^−３のｐ^＋型、不純物濃度１×１０^１３〜１×１０^１６ｃｍ^−３のｎ型、不純物濃度１×１０^１６〜１×１０^２０ｃｍ^−３のｎ^＋型のシリコンを主体とするような半導体材料からなる。この場合、ｐ⁻型の基板にフォトレジストをマスクとしてボロンとリンのイオン注入を行った後、熱拡散を行うことにより製造することができる。

光学フィルタ１３０を介して入射面１０２から入射した光１３７は、変換層１３１に到達して電子と正孔の対を発生させる。このうち電子は負の電荷を有しているので、ｎ⁻型の電荷収集部１３４に集まり、さらにｎ型のインプット領域１２２に集積する。正孔はｐ⁻型の変換層１３１を通って、チップ外に連続的に排出される。インプット領域１２２に集積した電子、すなわち信号電荷は対応する信号記録用ＣＣＤ１２３に出力される。

ｐ⁻型の変換層１３１とｎ型の信号記録用ＣＣＤ１２３とはｐ^＋型の電荷阻止層１３３により互いに隔てられている。従って、変換層１３１で発生した電子が、拡散や回り込みにより電荷収集部１３４及びインプット領域１２２を介することなく直接信号記録用ＣＣＤ１２３に到達するのを防止することができる。よって、信号電荷の混入による信号記録用ＣＣＤ１２３でのノイズ発生等を防止することができる。電荷阻止層１３３は隣接する信号記録用ＣＣＤ１２３間を電気的に互いに隔てるチャネルストップとしても機能している。

次に、光学フィルタ１３０について説明する。表１は通常のＣＣＤ型撮像素子の製造に使用されるシリコン単結晶ウェハーについての入射光の波長と吸収係数から計算したチップの厚さと透過率の関係を示している。裏面照射型では最も薄い場合には２０μｍ程度の厚さのチップが使用される。

裏面照射の画素周辺記録型撮像素子では、光の透過率を１／１００００以下にすることが望ましい。例えば前述のように信号記録用ＣＣＤ１２３と垂直読み出し用ＣＣＤ１２４に１００枚分の画像に対応する信号電荷を蓄積できる場合、１枚の画像が撮影れされると、その画像の信号電荷は最大９９枚の画像が撮影されるまで保持される。光が信号記録用ＣＣＤ１２３や垂直読み出し用ＣＣＤ１２４に到達すると電荷を発生する。入射面１０２から入射した光が表面１３２側の信号記録用ＣＣＤ１２３まで通過する割合（透過率）が１／１００００であると、１枚の画像を撮影する毎に本来の信号電荷の１／１００００の信号が信号電荷に加えられる。従って、１００枚分撮影する間に１／１００００×１００（枚）＝１／００、すなわち１％の不要な信号が本来の信号電荷に加えられる。この割合が数％を越えると非常に見苦しいスミアという現象が発生する。

表１より、厚さ２０μｍのシリコン単結晶を通過する６００ｎｍの光の透過率は６．６９２×１０^−５であり、厚さ３０μｍのシリコン単結晶を通過する６５０ｎｍの光の透過率は７．５９×１０^−５である。従って、これらの場合には、前述の１／１００００以下という透過率についての条件を満たす。一方、厚さ２０μｍのシリコン単結晶を通過する６５０ｎｍの光の透過率は０．００１７９であり、厚さ３０μｍのシリコン単結晶を通過する７００ｎｍの光の透過率は０．００１３９３である。これらの場合には、前述の１／１００００以下という透過率についての条件を満たさない。例えば、厚さが３０μｍのシリコン単結晶に７００ｎｍの光が入射する場合、透過率である０．００１９３を１００倍すると０．１９３９３となる。従って、１００枚分撮影する間には、１３．９３％もの不要な電荷が信号電荷に加えられる。

以上の検討より、チップの厚さが３０μｍの場合には、光学フィルタ１３０は７００〜１０００ｎｍの波長の光を実質的に遮断すること、具体的にはこれらの光の透過率が１％以下であることが好ましい。ただし、連続撮影枚数が１００枚に満たない場合に、光学フィルタ１３０のこれらの光の透過率は１％以上であってもよく、逆に１００枚を上回る場合には光の透過率は１％未満である必要がある。また、連続撮影停止から図示しないシャッタが閉鎖されて光学系からの裏面照射型撮像素子１０１への光が入射なくなるまでには、ある程度の時間を要し、この間に多量の光が入射する。具体的には、撮影速度が１Ｍ枚／秒の場合、撮影時の入射光量の１０^４倍程度の光が入射面１０２に入手する。従って、光学フィルタ１３０の光の透過率は、この連続撮影停止から入射面１０２への入射停止までの時間を考慮して設定する必要がある。

光の透過率を適切に設定した光学フィルタ１３０を設けことにより、信号記録用ＣＣＤ１２３に直接光が到達して不要な電荷を発生し、画質低下の原因となるのを防止することができる。

（第６実施形態）
図１８から図２０に示す本発明の第６実施形態に係る裏面照射型撮像素子１０１は、ｎ⁻型の電荷収集層１３８を備えている。この電荷収集層１３８は変換層１３１と電荷阻止層１３３との間に介在し、電荷収集部１３４の入射面１０２側の端部と連続している。変換層１３１で発生した電荷はいったん電荷収集層１３８に集まる。電荷収集層１３８に集まった電荷は水平方向に移動して電荷収集部１３４に収集される。従って、電荷収集層１３８を設けることで、信号記録用ＣＣＤ１２３への信号電荷の混入をより効果的に防止することができる。

第６実施形態の裏面照射型撮像素子１０１は例えば以下のように製作する。ｐ⁻型の基板の表面側から高エネルギーのイオン注入又は熱拡散により２〜８μｍ低度の厚いｎ⁻層を形成する。次に、同様の方法で表面から２〜８μｍ程度のところにｐ＋層を形成し、さらにその表面側にイオン注入により周辺回路を形成する。

第６実施形態のその他の構成及び作用は第５実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本発明は、前記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、入射線は、光線以外の電磁波、電子線以外のイオン正孔のような荷電粒子の流れ、並びにＸ線に加えα線、γ線、β線、及び中性子線を含む放射線であってもよい。入射線が放射線の場合には、撮像素子の入射面側にシンチレータを配置し、放射線の強度に応じてシンチレータが発生する光線を撮像素子に入射させればよい。この場合、撮像素子の寿命の観点から、シンチレータの材料として緑色や青色の光、すなわち比較的波長の短い光を発生するものを選択することが好ましい。また、カラー撮影が必要な場合には、チップの厚さを厚くし、赤い光も記録用ＣＣＤや垂直読み出し用ＣＣＤの届かないようにする必要がある。さらに、高解像度の画像解析を行う場合、自然光で最もエネルギーの高い緑色から黄色の光を用い、かつ赤色から近赤外の光を遮断して色収差を低減して撮影すればよい。

本発明の第１実施形態に係る裏面照射型撮像素子を備える透過型電子電子顕微鏡を示す概略図。本発明の第１実施形態に係る裏面照射型撮像素子の概略的な正面図。図２のIII−III線での断面図。図２のIV−IV線での断面図。第１実施形態に係る裏面照射型撮像素子が備えるＡ／Ｄ変換器の概略図。本発明の第２実施形態に係る裏面照射型撮像素子を示す図２のIII−III線での断面図。本発明の第２実施形態に係る裏面照射型撮像素子を示す図２のIV-IV線での断面図。本発明の第３実施形態に係る裏面照射型撮像素子を示す図２のIII−III線での断面図。本発明の第３実施形態に係る裏面照射型撮像素子を示す図２のIV-IV線での断面図。本発明の第４実施形態に係る裏面照射型撮像素子を示す図２のIII−III線での断面図。本発明の第４実施形態に係る裏面照射型撮像素子を示す図２のIV-IV線での断面図。本発明の第５実施形態に係る裏面照射型撮像素子を備える高速カメラを示す概略図。本発明の第５実施形態に係る裏面照射型撮像素子を示す概略的な正面図。図１３の部分拡大図。図１３のXV−XV線での断面図。図１３のXVI−XVI線での断面図。図１３のXVII−XVII線での断面図。本発明の第６実施形態に係る裏面照射型撮像素子を示す図１３のXV−XV線での断面図。本発明の第６実施形態に係る裏面照射型撮像素子を示す図１３のXVI−XVI線での断面図。本発明の第６実施形態に係る裏面照射型撮像素子を示す図１３のXVII−XVII線での断面図。

符号の説明

１裏面照射型撮像素子
２透過型電子顕微鏡
３電子銃
４電子線
５試料
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ磁界レンズ
７真空ポンプ
８入射面
９蛍光膜
１０ファイバーガラス
１１光
１３画素
１４チップ
２１変換層
２２表面
２３電荷阻止層
２４電荷収集部
２５インプット領域
２６周辺回路
２７，２８電極
２９電荷収集層
３１Ａ／Ｄ変換器
３２比較器
３３カウンタ
３４コントローラ
３５表示装置
１００高速ビデオカメラ
１０１裏面照射型撮像素子
１０２入射面
１０３可視光線
１０４レンズ
１０５アンプ
１０６Ａ／Ｄ変換器
１０７メインメモリ
１０８画像処理装置
１０９表示装置
１１０コントローラ
１２１画素
１２２インプット領域
１２３信号記録用ＣＣＤ
１２４垂直読み出し用ＣＣＤ
１２５水平読み出し用ＣＣＤ
１２６ドレーン線
１２７ドレーンゲート
１２８チップ
１３０光学フィルタ
１３１変換層
１３２表面
１３３電荷阻止層
１３４電荷収集部
１３５，１３６電極
１３７光
１３８電荷収集層

Claims

入射線が入射する入射面側に設けられ、前記入射線を信号電荷に変換し、かつ２次元配列を構成する複数の画素のそれぞれについて設けられた半導体材料からなる変換部と、
前記変換部から前記入射面とは反対の表面側へ延び、前記変換部で生じた信号電荷を収集する半導体材料からなる電荷収集部と、
前記表面側に設けられ、前記電荷収集部で収集された信号電荷を処理する半導体材料からなる電荷処理部と、
前記変換部と前記電荷処理部の間に設けられ、前記変換部から前記電荷処理部への前記信号電荷の流入を抑制する半導体材料からなる抑制領域と
を備え、
前記変換部は第１の導電型を有し、
前記電荷収集部は第２の導電型を有し、
前記抑制領域は、前記第１の導電型を有するが導電型不純物の濃度が前記変換部よりも高く、前記電荷処理部がその中に埋め込まれ、かつ前記電荷収集部が貫通している電荷阻止層と、第２の導電型を有し、前記変換部と前記電荷阻止層との間に介在し、かつ前記電荷収集部の入射面側の端部と連続する電荷収集層とを備えることを特徴とする裏面照射型撮像素子。
前記電荷処理部は、前記信号電荷をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器であることを特徴とする、請求項１に記載の裏面照射型撮像素子。
前記電荷処理部は、各画素内部又はその近傍に設けられ、前記信号電荷を蓄積する信号電荷蓄積部であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の裏面照射型撮像素子。
前記信号電荷蓄積部はそれぞれ前記信号電荷を蓄積する複数個の信号記録要素を備えることを特徴とする、請求項３に記載の裏面照射型撮像素子。
前記入射線は光であり、かつ
前記入射面に配置され、かつ前記入射面から前記電荷処理部に透過して前記電荷処理部で前記信号電荷と同種の電荷を発生させる波長の光を遮断する光学フィルタをさらに備えることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の裏面照射型撮像素子。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の裏面照射型撮像素子を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の裏面照射型撮像素子を備えることを特徴とする撮影装置。