JP4604093B2 - 裏面照射型撮像素子及び裏面照射型撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板の裏側面から光を照射し、入射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から読み出して撮像を行う裏面照射型撮像素子及び裏面照射型撮像素子の駆動方法に関する。

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、読み出し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。

下記特許文献１に示す裏面照射型撮像素子は、Ｐ型のエピタキシャル層を有する半導体基板に配線層を設け、裏面に受光面を有し、受光面から入射した光の電子をフォトダイオードによって誘導し、エピタキシャル層の深さ方向に電場を形成する構成である。

特開２００３−３３８６１５号公報

ところで、上記の構成の裏面照射型撮像素子は、裏面の近くで光電変換された電子が、光電変換された領域の下に設けられた電荷転送領域ではなく、隣り合う画素の電荷転送領域へ移動し、転送されてしまう、所謂、クロストークが発生し、画質が低下する要因となることが懸念される。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、クロストークの発生を抑制することができるとともに、信号電荷の読み出しの効率を向上することができる裏面照射型撮像素子及び裏面照射型撮像素子の駆動方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）半導体基板の裏面側から光を照射し、入射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、
前記半導体基板に設けられ、入射光を光電変換することで信号電荷を生成する不純物拡散層と、
前記半導体基板の表面側に形成された回路基板と、
前記半導体基板の表面側に設けられ、信号電荷を転送する電荷転送領域と、
前記回路基板に形成された複数の画素領域のそれぞれの中央近傍に設けられ、撮像時に電圧が印加されることで、前記不純物拡散層で生成される信号電荷を前記半導体基板の表面側に捕集する電荷捕集電極と、
前記回路基板の裏面側において、前記電荷転送領域を形成した領域の表面側に絶縁層を介して設けられ、信号電荷を転送する電圧が印加される電荷転送電極と、
電荷転送時に、前記電荷捕集電極と前記電荷転送電極にそれぞれ電圧を印加し、信号電荷を前記電荷転送領域に誘導する電圧供給部とを備えていることを特徴とする裏面照射型撮像素子。
（２）半導体基板の裏面側から光を照射し、入射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の駆動方法であって、
前記裏面照射型撮像素子に、入射光を光電変換することで信号電荷を生成するため前記半導体基板に設けられた不純物拡散層と、前記半導体基板の表面側に形成された回路基板と、前記半導体基板の表面側に設けられ、信号電荷を転送する電荷転送領域と、前記回路基板の裏面側において、前記電荷転送領域を形成した領域の表面側に絶縁層を介して設けられた電荷転送電極とが備えられ、
撮像時に、前記回路基板に形成された複数の画素領域のそれぞれの中央近傍に設けられた電荷捕集電極に電圧を印加することで、前記不純物拡散層で生成される信号電荷を前記半導体基板の表面側に捕集し、電荷転送時に、前記電荷捕集電極と前記電荷転送電極にそれぞれ電圧を印加することで、信号電荷を前記電荷転送領域に誘導することを特徴とする裏面照射型撮像素子の駆動方法。

本発明にかかる裏面照射型撮像素子は、半導体基板に積層された回路基板に電荷捕集電極が設けられ、電圧を印加することができる構成であるため、撮像時に電圧を印加することで不純物拡散層で光電変換により生成された信号電荷を半導体基板の表面側に捕集することができる。すると、信号電荷が、電荷捕集電極へ誘導されるため、隣り合う他の画素の電荷転送領域へ誘導されてしまうことを抑制される。

また、本発明にかかる裏面照射型撮像素子は、電荷転送時に、電荷捕集電極と電荷転送電極にそれぞれ電圧を印加し、信号電荷を電荷転送領域に誘導する電圧供給部が設けられている構成とすることが好ましい。こうすれば、信号読み出し時に、電荷捕集電極と電荷転送電極とのそれぞれに所定の電圧を印加することで、電荷捕集電極と電荷転送電極との間の電位ポテンシャルを制御することができ、従来のように電荷転送電極にのみ電圧を印加する構成に比べて、信号電荷の読み出しを円滑に行うことができ、信号読み出しの効率を向上できる。また、電荷捕集電極に印加する電圧を電荷転送電極に印加する電圧に対して十分に低くすることで、電荷転送電極に印加する最大電圧の値をできるだけ小さくすることができ、この結果、電荷転送電極を駆動するための電源電圧を低くすることができる。

本発明によれば、クロストークの発生を抑制することができるとともに、信号電荷の読み出し効率を向上することができる裏面照射型撮像素子及び裏面照射型撮像素子の駆動方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる裏面照射型撮像素子の一実施形態の構成を示す断面図である。
裏面照射型撮像素子１０は、裏面側から入射光が入射し、入射光に応じて光電変換を行い、信号電荷を生成する光学変換層が形成された半導体基板１と、半導体基板１で生成された信号電荷を転送するための駆動電圧などを印加するための回路が形成された回路基板２とから構成されている。回路基板２は、半導体基板１の表面側、つまり、入射光が入射する半導体基板１の裏面側に対して反対側に絶縁層を介して設けられている。

裏面照射型撮像素子１０は、半導体基板１の一方の面側から照射される入射光を光電変換することで信号電荷を発生させ、該半導体基板１の他方の面側から信号電荷を読み出して撮像を行う構成である。なお、本実施形態では、図１に示すように半導体基板１の上側から光を入射させ、半導体基板１の下側から信号電荷を読み出す構成である。以下の説明では、半導体基板における、入射光が入射する側をの裏面側とし、入射光が入射する側とは反対側を表面側とする。また、回路基板２においては、半導体基板１側を裏面側とする。

半導体基板１は、ｎ型のシリコン層１６と、ｎ型のシリコン層１６よりも不純物濃度の高いｎ＋型からなる光電変換層として機能する不純物拡散層ＰＤとを有している。半導体基板１の表面側には、不純物拡散層ＰＤで生成された信号電荷を蓄積させることができる電荷転送領域１８と、該電荷転送領域１８が設けられた画素と隣り合う他の画素との間に設けられた素子分離領域１５とが形成されている。

半導体基板１の表面には絶縁層１３が設けられ、更に、該絶縁層１３を介して回路基板２が設けられている。回路基板２は絶縁層１１を有している。回路基板２の該絶縁層１１の裏面側には、ポリシリコン等によって構成された電荷捕集電極１２と、転送時に電圧が印加され、不純物拡散層ＰＤに蓄積された信号電荷を転送する電荷転送電極１４とが設けられている。電荷捕集電極１２の作用については、後述する。

半導体基板１のｎ型のシリコン層１６の裏面側には、ｎ型のシリコン層１６よりも不純物濃度の低いｎ−型のシリコン層１７が形成されている。シリコン層１７の裏面側には、入射光に対して透明な絶縁層１８が形成され、また、絶縁層１８の裏面側には、該絶縁層１８とシリコン層１７との屈折率差に起因する半導体基板の下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層１９が形成されている。

高屈折率層１９の上には、画素ごとにＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のいずれか１つが所定のパターンで配置されてなるカラーフィルタ層２１が形成されている。カラーフィルタ層２１の上には、上方に突出する湾曲面を有する上凸レンズ形状のマイクロレンズ層２２が形成されている。なお、マイクロレンズ層２２は設けずに、高屈折率層１９の上にカラーフィルタ層２１のみを形成した構成としてもよい。

図２は、本実施形態の裏面照射型撮像素子の一部を示す平面図である。図２では、絶縁層１１の裏面側に設けられた電荷捕集電極１２と電荷転送電極１４とを説明するため、その他の部分は省略又は簡略して示している。電荷捕集電極１２は、図中破線で格子状に区画される複数の画素領域において、各画素領域の中央近傍に設けられている。電荷転送電極１４は、電荷転送領域１８を形成した領域の下に形成され、その一部が電荷捕集電極１２の近接する位置まで延設されている。

本実施形態において、画素とは、撮像画像を構成する最小単位の領域を意味し、ＲＧＢのそれぞれのカラーフィルタ層２１と、各カラーフィルタ層２１の下に設けられた不純物拡散層ＰＤとを含む。また、各画素ごとに電荷捕集電極１２、電荷転送電極１４、電荷転送領域１８が形成されている。

電荷捕集電極１２には、撮像時及び電荷読み出し時に電圧を印加する電圧供給部３１が接続され、また、電荷転送電極１４には、電荷読み出し時に電圧を印加する電圧供給部３２が接続されている。

電荷捕集電極１２と電荷転送電極１４はそれぞれ、別のポリシリコンで構成されていてもよく、又は同じポリシリコンをパターン形成することで同時に形成してもよい。

図３は、本実施形態の裏面照射型撮像素子の撮像時の状態を説明する断面図である。図４は、本実施形態の裏面照射型撮像素子の電荷読み出し時の状態を説明する断面図である。
裏面照射型撮像素子１０は、撮像時には、入射光がマイクロレンズ層２２を透過し、該カラーフィルタ層２１を透過した入射光に応じて不純物拡散層ＰＤにおける光電変換によって信号電荷が生成される。図３に示すように、本実施形態の裏面照射型撮像素子１０では、撮像時においては電荷捕集電極１２に所定の正電位の電圧が印加され、不純物拡散層ＰＤで生成された信号電荷を構成する電子が、電荷捕集電極１２側に誘導される。そして、電荷捕集電極１２の電位を一定にすることで、誘導された電子が不純物拡散層ＰＤにおける表面側近傍で捕集された状態のまま維持される。

図４に示す電荷読み出し時には、電荷転送電極１４と電荷捕集電極１２との両方に所定の電圧を印加することで、半導体基板１の、電荷転送電極１４及び電荷捕集電極１２の上方に電位ポテンシャルが形成される。ここで、電荷転送電極１４の電位を電荷捕集電極１２の電位より大きくするため、電荷捕集電極１２側から電荷転送電極１４側へ電位が高くなる電位ポテンシャルの傾斜が形成され、信号電荷の電子が電荷転送電極１４側へ誘導され、該電荷転送電極１４の上方に形成された電荷転送領域１８に移される。

図５は、電荷読み出し時の電圧供給部から印加される電圧を示すグラフである。電荷読み出し時には、電圧供給部３１，３２が、電荷捕集電極１２と電荷転送電極１４に所定の電圧差ＶＤでそれぞれ電圧ＶＨ，ＶＬを印加し、信号電荷を電荷転送領域１８に誘導している。電圧供給部３１，３２の電圧差ＶＤを大きくすることで、信号電荷を円滑的に誘導でき、不純物拡散層ＰＤに残ってしまう信号電荷の量を低減することができるため、転送効率が良い。ここで、電荷捕集電極１２に印加する電圧ＶＬを電荷転送電極１４に印加する電圧ＶＨに対して十分に低くすることで、電荷転送電極１４に印加する最大電圧の値をできるだけ小さくすることができ、この結果、電荷転送電極１４を駆動するための電源電圧を低くすることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変形、改良などが可能である。
例えば、上記実施形態では、信号電荷を読み出す構成をＣＣＤ型の読み出し構成としたがこれに限定されず、ＣＭＯＳ型の読出回路を備えていてもよい。

本発明にかかる裏面照射型撮像素子の一実施形態の構成を示す断面図である。 裏面照射型撮像素子の一部を示す平面図である。 裏面照射型撮像素子の撮像時の状態を説明する断面図である。 裏面照射型撮像素子の電荷読み出し時の状態を説明する断面図である。 電荷読み出し時の電圧供給部から印加される電圧を示すグラフである。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 回路基板
１０ 裏面照射型撮像素子
１２ 電荷捕集電極
１４ 電荷転送電極
１８ 電荷転送領域
ＰＤ 不純物拡散領域

Claims (2)

1. 半導体基板の裏面側から光を照射し、入射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、
   前記半導体基板に設けられ、入射光を光電変換することで信号電荷を生成する不純物拡散層と、
   前記半導体基板の表面側に形成された回路基板と、
   前記半導体基板の表面側に設けられ、信号電荷を転送する電荷転送領域と、
   前記回路基板に形成された複数の画素領域のそれぞれの中央近傍に設けられ、撮像時に電圧が印加されることで、前記不純物拡散層で生成される信号電荷を前記半導体基板の表面側に捕集する電荷捕集電極と、
   前記回路基板の裏面側において、前記電荷転送領域を形成した領域の表面側に絶縁層を介して設けられ、信号電荷を転送する電圧が印加される電荷転送電極と、
   電荷転送時に、前記電荷捕集電極と前記電荷転送電極にそれぞれ電圧を印加し、信号電荷を前記電荷転送領域に誘導する電圧供給部とを備えていることを特徴とする裏面照射型撮像素子。
2. 半導体基板の裏面側から光を照射し、入射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の駆動方法であって、
   前記裏面照射型撮像素子に、入射光を光電変換することで信号電荷を生成するため前記半導体基板に設けられた不純物拡散層と、前記半導体基板の表面側に形成された回路基板と、前記半導体基板の表面側に設けられ、信号電荷を転送する電荷転送領域と、前記回路基板の裏面側において、前記電荷転送領域を形成した領域の表面側に絶縁層を介して設けられた電荷転送電極とが備えられ、
   撮像時に、前記回路基板に形成された複数の画素領域のそれぞれの中央近傍に設けられた電荷捕集電極に電圧を印加することで、前記不純物拡散層で生成される信号電荷を前記半導体基板の表面側に捕集し、電荷転送時に、前記電荷捕集電極と前記電荷転送電極にそれぞれ電圧を印加することで、信号電荷を前記電荷転送領域に誘導することを特徴とする裏面照射型撮像素子の駆動方法。

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