JP4649441B2 - 裏面照射型撮像素子及びこれを備えた撮像装置 - Google Patents
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Description
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。
・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。
(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
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。
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。
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。
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。
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。
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))。
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。
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))。
・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。
・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。
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。
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
Claims (13)
- 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、
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によって形成された電位井戸の最も深い場所である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。 - 請求項1記載の裏面照射型撮像素子であって、
前記第一の不純物拡散層の前記最大電位点が、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。 - 請求項1又は2記載の裏面照射型撮像素子であって、
前記第一の不純物拡散層の前記最大電位点が、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。 - 請求項1〜3のいずれか1項記載の裏面照射型撮像素子であって、
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。 - 請求項1〜4のいずれか1項記載の裏面照射型撮像素子であって、
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。 - 請求項5記載の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撮像装置。 - 請求項6記載の撮像装置であって、
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。 - 請求項6又は7記載の撮像装置であって、
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。 - 請求項6〜8のいずれか1項記載の撮像装置であって、
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。 - 請求項6〜9のいずれか1項記載の撮像装置であって、
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。 - 請求項10記載の撮像装置であって、
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。 - 請求項10又は11記載の撮像装置であって、
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。 - 請求項6〜9のいずれか1項記載の撮像装置であって、
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。
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