JP4753673B2 - 裏面照射型撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、裏面照射型撮像素子に関する。特に、本発明は、顕微鏡や電子顕微鏡での高速撮影のような科学及び技術の分野での計測用途の超高速度で超高感度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。

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）。また、本発明者らは、この画素周辺記録型撮像素子の原理を適用した裏面照射型撮像素子を開発した（特許文献３参照）。

図３０及び図３１は、画素周辺記録型の裏面照射型撮像素子を示す。裏面照射型撮像素子２０１の入射面（裏面）２０２には、複数の画素２０３が２次元に配列されている。図３０では、単純化のために、１２個（４行×３列）の画素２０３のみを図示しているが、画素２０３の行数及び列数はそれぞれ２以上であればよい。また、図３０では、単純化のために、後述する光電変換層２０５及び電荷収集層２０６は図示していない。

図３１に示すように、チップ２０４の入射面２０２側にはｐ⁻型の光電変換層２０５が設けられている。また、光電変換層２０５の表面２０８側に隣接してｎ⁻型の電荷収集層２０６が設けられている。さらに、個々の画素２０３毎に表面２０８側にｎ型のインプット領域２０９が設けられている。画素２０３毎に、電荷収集層２０６からインプット領域２０９に延びるｎ⁻型の電荷集積部２０７が設けられている。

個々のインプット領域２０９には図３０において斜め下方向に延びる信号記録用ＣＣＤ２１１が接続されている。各インプット領域２０９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ＣＣＤ２１２）が設けられている。さらに、各垂直読み出し用ＣＣＤ２１２に隣接してドレーン線２２７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。

信号記録用ＣＣＤ２１１と垂直読み出し用ＣＣＤ２１２はチップ２０４の表面側に設けたｐ型の電荷阻止領域２１３に埋め込まれている。この電荷阻止領域２１３のｐ型不純物の濃度分布は一定である。また、図３１において符号Ｔで示すように、チップ２０４の表面２０８側から測った電荷阻止領域２１３の厚みは一定である。隣接する２個の信号記録用ＣＣＤ２１１間及び信号記録用ＣＣＤ２１１と垂直読み出し用ＣＣＤ２１２の間には、ｐ^＋型のチャネルストップ２１４が設けられている。２１５は信号記録用ＣＣＤ２１１を駆動するための電極、２１６はインプット領域２０９から信号記録用ＣＣＤ２１１に信号電荷を送るための電極である。

矢印Ａで示す入射面２０２への光の入射によって光電変換層２０５で発生した電子（信号電荷）は、点線Ｂで示すように電荷収集層２０６へ移動する。また、電子は電荷収集層２０６中を図３１において水平方向に移動して電荷集積部２０７に到達し、インプット領域２０９から信号記録用ＣＣＤ２１１に送られる。

図３２を併せて参照すると、ｐ型の電荷阻止領域２１３内にｎ型の信号記録用ＣＣＤ２１１及び垂直読み出し用ＣＣＤ２１とｐ^＋型のチャネルストップ２１４とが交互に埋め込まれていることで、ｎ⁻型の電荷収集層２０６の電位分布が影響を受ける。詳細には、図３２において矢印Ｃで示すように電位の低い閉領域が生じる。そのため、電位が最も高い部分を水平方向（電子の移動方向）に結んだ点線Ｄ上では、図３３に示すように、電位分布に凹凸が生じる。電子はこの電位分布の凹凸を超えて電荷収集層２０６中を移動する必要がある。従って、この電位分布の凹凸により、電子が電荷収集層２０６中を移動する移動速度を低下する。例えば、電位分布の凹凸の差Ｅが０．３Ｖ以上となると、常温下であっても短時間間隔で見ると一部の電子が捕捉されて残像が生じるので、時間分解能が低下する。低温下のように各電子の拡散移動の速度が低い場合にはさらに低電圧でも電位分布の凹凸に電子が捕捉される。図３３において符号２１７は電位分布の凹凸で捕捉された電子を概念的に示す。電位分布の凹凸に電子が捕捉されることで、電子の移動速度が非常に小さくなるので、フレーム間の時間間隔を狭めると残像を生じ、時間分解能が低下する。同様に、電子顕微鏡での使用のように光電子数が少ない高感度での撮影においても、電位分布の凹凸に電子が捕捉されることで、電子の移動速度が非常に小さくなるので、フレーム間の時間間隔を狭めると残像を生じ、時間分解能が低下する。

このように電荷収集層２０６中の電位分布の凹凸の存在により、電荷収集層中の電子の移動速度が低下し、時間分解能、すなわち撮影速度の低下を招く。従って、電荷収集層２０６中の電位分布の凹凸は超高速度で超高感度の撮影を達成する上で重要な問題である。

特開平９−３３１０５２号公報 特開２００１−３４５４４１号公報 特開２００４−２３５６２１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、信号蓄積部としてＣＣＤを備える裏面照射型撮像素子において、電荷収集層中の信号電荷の移動速度を向上し、時間分解能、すなわち撮影速度を向上することを課題とする。

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。

本発明の第１の態様は、入射線が入射する裏面側に設けられ、前記入射線を信号電荷に変換する第１導電型の変換層と、２次元配列を構成する複数の画素のそれぞれについて前記裏面と反対側の表面側に設けられた第２導電型の複数のインプット領域と、前記複数のインプット領域のそれぞれについて前記表面側に設けられ、互いに平行に延び、かつ対応する前記インプット領域からの信号電荷を転送する第２導電型の複数のＣＣＤ型電荷転送路と、前記変換層の前記表面側に隣接して設けられ、前記変換層で発生した電荷を前記インプット領域に向けて移動させる第２導電型の電荷収集層と、前記電荷収集層から個々の前記インプット領域まで延びる第２導電型の複数の電荷集積部と、前記表面側に設けられ、前記ＣＣＤ型電荷転送路が埋め込まれ、かつ前記ＣＣＤ型電荷転送路に沿って延びる第１の部分の不純物濃度が、互いに隣接する前記ＣＣＤ型電荷転送路間の隙間に沿って延びる第２の部分の不純物濃度よりも高い第１導電型の複数の電荷阻止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。第１導電型がｐ型である場合、第２導電型がｎ型である。逆に、第１導電型がｎ型で、第２導電型がｐ型であってもよい。

電荷阻止領域の第１及び第２の部分の不純物濃度を前述のように設定することで、電荷収集層における電位分布の凹凸が解消ないしは低減される。その結果、変換層で発生した信号電荷が電荷収集層中を移動する速度が向上するので、時間分解能、すなわち撮影速度が向上する。

前記互いに隣接する前記ＣＣＤ型電荷転送路間に、前記電荷阻止領域よりも不純物濃度が高い第１導電型のチャネルストップをさらに設けてもよい。

前記電荷阻止領域に対応する部分における前記光電変換層の不純物濃度は、前記インプット領域に対応する部分における前記光電変換層の不純物濃度よりも高いことが好ましい。

光電変換層の不純物濃度を前述のように設定することで、電荷収集層中にインプット領域に向かう電位勾配が形成される。これによっても電荷収集層における信号電荷の移動速度が向上する。代案としては、前記インプット領域に対応する部分の表面に第２の導電型の不純物をさらに注入してもよい。

前記第２導電型の電荷収集層内の領域の前記電荷阻止領域に対応する部分に第１導電型の不純物ドープ層をさらに設けてもよい。

不純物ドープ層を設けることによっても、電荷収集層中にインプット領域に向かう電位勾配が形成され、電荷収集層における信号電荷の移動速度が向上する。

電位勾配をインプット領域に向けるには、前記不純物ドープ層は前記入射線の入射方向から見ると、前記画素の列方向に配置され、かつ個々が前記インプット領域に向けて前記画素の列方向の幅が狭くなる複数の部分からなることが好ましい。

代案としては、前記不純物ドープ層は前記入射線の入射方向から見ると前記画素の列方向に延びる帯状である。

本発明の裏面照射型撮像素子では、変換層で発生した信号電荷が電荷収集層中を移動する速度を向上し、それによって時間分解能、すなわち撮影速度を向上することができる。

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実施形態に係る画素周辺記録型の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の受光面の上に配置した蛍光面７に結像させる。蛍光面７から出射された光が裏面照射型撮像素子１に入射する。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８により所要の真空度に維持されている。裏面照射型撮像素子１の出力は、画像信号としてコントローラ９に出力される。コントローラ９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９から表示装置１０に撮影した画像が出力される。

図２から図６をさらに参照すると、裏面照射型撮像素子１の入射面（裏面）１１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、１２個（４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。また、図２及び図３では、後述する光電変換層１５及び電荷収集層１６は図示していない。

図４から図６に示すように、チップ１４の入射面１１側にはｐ⁻型の光電変換層１５が設けられている。また、光電変換層１５の表面１２側に隣接してｎ⁻型の電荷収集層１６が設けられている。さらに、個々の画素１３毎に表面１２側にｎ型のインプット領域１７が設けられている。さらにまた、画素１３毎に、電荷収集層１６からインプット領域１７に延びるｎ⁻型の電荷集積部１８が設けられている。

個々のインプット領域１７には図２において斜め下方向に延びる信号記録用ＣＣＤ２１が接続されている。各インプット領域１７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ＣＣＤ）２２が設けられている。さらに、各垂直読み出し用ＣＣＤ２２に隣接してドレーン線２３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ＣＣＤ２４）２４が設けられている。

各信号記録用ＣＣＤ２１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１７に接続され、他端が垂直読み出し用ＣＣＤ２２に接続されている。同一の列を構成するインプット領域１７に一端が接続されている信号記録用ＣＣＤ２１の他端は、その列に対応する垂直読み出し用ＣＣＤ２２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１７に接続されたすべての信号記録用ＣＣＤ２１が同一の垂直読み出し用ＣＣＤ２２に合流している。垂直読み出し用ＣＣＤ２２が備える信号記録要素ないしはエレメント２５のうち、信号記録用ＣＣＤ２１が合流するエレメント２５ａの一つ上流側のエレメント２５ｂは、ドレーンゲート２６を介してドレーン線２３に接続されている。各垂直読み出し用ＣＣＤ２２の図において下端は、水平読み出し用ＣＣＤ２４に接続されている。

撮影中の裏面照射型撮像素子１は、連続上書きを実行する。図３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１７から信号記録用ＣＣＤ２１のエレメント２５に信号電荷が順次転送される。ある瞬間に“１”から“Ｎ”までの番号を付した各エレメント２５に信号電荷が蓄積されているとすると、各エレメント２５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３で示す状態の次の瞬間には、番号“１”を付したエレメント２５からドレーンゲート２６を介してドレーン線２３に信号電荷が排出され、番号“Ｎ”を付したエレメント２５にインプット領域１７から最新のＮ＋１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Ｎ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２５に送られる。従って、２番目からＮ＋１番目までの画像に対応する信号電荷が信号記録用ＣＣＤ２１に記録される。撮影中は、この連続上書きを反復する。

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ＣＣＤ２１での電荷転送を停止し、矢印Ｙ１で示すように垂直読み出し用ＣＣＤ２２上でのみ電荷転送を行い、信号電荷を水平読み出し用ＣＣＤ２４に送る。この操作により垂直読み出し用ＣＣＤ２２は空になる。
（２）信号記録用ＣＣＤ２１から垂直読み出し用ＣＣＤ２２に電荷転送を行い、垂直読み出し用ＣＣＤ２２を信号電荷で満杯にする。

信号記録用ＣＣＤ２１と垂直読み出し用ＣＣＤ２２はチップ１４の表面側に設けたｐ型の電荷阻止領域１９に埋め込まれている。また、隣接する２個の信号記録用ＣＣＤ２１間及び信号記録用ＣＣＤ２１と垂直読み出し用ＣＣＤ２２の間には、ｐ^＋型のチャネルストップ２０が設けられている。２７は信号記録用ＣＣＤ２１を駆動するための電極、２８はインプット領域１８から信号記録用ＣＣＤ２１に信号電荷を送るための電極である。

電荷阻止領域１９のｐ型不純物の濃度は部分的に異なる。具体的には、図９（Ｂ）において散点の濃度で表現しているように、電荷阻止領域１９の信号記録用ＣＣＤ２１及び垂直読み出し用ＣＣＤ２２に沿って延びる部分１９ａのｐ型不純物の濃度は、互いに隣接する信号記録用ＣＣＤ２１間や信号記録用ＣＣＤ２１と垂直読み出し用ＣＣＤの間の隙間に沿って延びる部分（チャネルストップ２０に沿って延びる部分）１９ｂのｐ型不純物の濃度よりも濃い。

また、電荷阻止領域１９の信号記録用ＣＣＤ２１や垂直読み出し用ＣＣＤ２２に沿って延びる部分１９ａ（ｐ型不純物の濃度が濃い部分）の厚みＴ１は、互いに隣接する信号記録用ＣＣＤ２１間や信号記録用ＣＣＤ２１と垂直読み出し用ＣＣＤの間に隙間に沿って延びる部分１９ｂ（ｐ型不純物の濃度が薄い部分）の厚みＴ２よりも大きい。そのため図４に明瞭に表されているように、画素１３の行方向の断面で見ると、電荷阻止領域１９と電荷収集層１６の境界は正弦波状ないしは波状を呈する。

入射面１１から入射した光Ａは、光電変換層１５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、図４において点線Ｂで示すように、ｎ⁻型の電荷収集層１６に移動し、さらに電荷収集層１６中を水平方向に移動してｎ⁻型の電荷集積部１８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⁻型の光電変換層１５を通ってチップ１４外に連続的に排出される。インプット領域１７に集積した電子、すなわち信号電荷は、前述のように信号記録用ＣＣＤ２１に送られる。

電荷阻止領域１９の信号記録用及び垂直読み出し用ＣＣＤ２１，２２の対応する部分１９ａとチャネルストップ２０に対応する部分１９ｂにおけるｐ型不純物の濃度を前述のように設定したことにより、図７に示すように、ｎ⁻型の電荷収集層１６中の電荷分布がほぼ均一となる。詳細には、図７に示す電荷収集層１６の中心線Ｄに沿った電位分布が、図８に示すようにほぼ平坦となる。換言すれば、電荷阻止領域１９のｐ型不純物の濃度を前述のように設定したことにより、電荷分布の凹凸（図３２及び図３３参照）が解消ないしは低減される。従って、電子が電荷収集層１６中を移動する際の移動速度が高くなる。本実施形態では、透過型電子顕微鏡での使用であるので、通常の撮影と比較して光電子数が少ないが、電子の移動速度が向上することで、フレーム間の時間間隔を狭めた際の残像の発生を防止ないしは抑制できる。また、低温下のように各電子の拡散移動の速度が低い場合でも、電子の捕捉（図３３の符号２１７参照）は生じない。

次に、本実施形態の裏面照射型撮像素子１の製造方法を説明する。図９（Ａ）を参照すると、電荷阻止層１９の信号記録用ＣＣＤ２１、垂直読み出し用ＣＣＤ２２、及びドレーン線２３に対応する部分（ｎ型の領域に対応する部分）には、斜線を伏して示すようにｐ型の層の上にさらにｐ型不純物をドーピングして拡散させる。その結果、図９（Ｂ）において散点の密度で表現しているように、電荷阻止層１９の信号記録用ＣＣＤ２１、垂直読み出し用ＣＣＤ２２、及びドレーン線２３に対応する部分１９ａのｐ型不純物の濃度が、チャネルストップ２０に対応する部分（ｐ型の領域に対応する部分）１９ｂよりもｐ型不純物の濃度が濃くなる。

図１０を参照すると、まず図１０（Ａ）に示すシリコン製の基板３０を準備し、図１０（Ｂ）に示すように、この基板３０上にｐ⁻型とｎ⁻型のエピタキシャル層３１，３２を形成する。ｐ⁻型のエピタキシャル層３１は光電変換層１５に対応し、ｎ⁻型のエピタキシャル層３２は電荷収集層１６に対応する。また、後に詳述するようにｎ⁻型のエピタキシャル層３２にインプット領域１７、電荷集積部１８、電荷阻止領域１９、信号記録用ＣＣＤ２１、垂直読み出し用ＣＣＤ２２等を形成する。また、電極２７，２８を形成する。次に、図１０（Ｃ）に示すように、ｎ⁻型のエピタキシャル層３２をガラス基板３３に貼り付ける。このガラス基板３３には外部回路との接続用の電極等が予め形成されている。最後に、図１０（Ｄ）に示すようにシリコン製の基板３０を研削してｐ⁻型のエピタキシャル層３１を露出させる。

図１１から図１６を参照して、エピタキシャル層３１，３２を形成後の工程についてさらに詳細に説明する。また、図１７（Ａ）から図１８（Ｂ）は不純物濃度の分布を概念的に示す線図である。これらの線図において、縦軸は厚み方向の位置（図４の表面１２を原点とする。）を示し、横軸は不純物濃度を示す。理解を容易にするために、図１１から図１６の上下方向の向きは、図４から図６と合わせている。

まず、図１１及び図１７（Ａ）に示すようにエピタキシャル層３１，３２が形成されている。次に、イオンドーピングによりｐ型の不純物をｎ⁻型のエピタキシャル層３２に注入し、図１２及び図１７（Ｂ）に示すようにｐ型の領域３５を形成する（１度目のｐ型不純物の注入）。この際にエピタキシャル層３２の厚み方向全体についてｐ型の領域３５が形成されなかった部分が電荷集積部１８となり、この部分にはｎ型の不純物が注入されてインプット領域１７となる。

次に、図１３及び図９（Ａ）に示すように、ｐ型の領域３５に選択的にｐ型の不純物を注入する（２度目のｐ型不純物の注入）。詳細には、図１３において符号３７で概略的に示すマスクを使用して、後の工程で形成される信号記録用ＣＣＤ２１、垂直読み出し用ＣＣＤ、及びドレーン線２３と対応する領域（部分１９ａとなる領域）にｐ型の不純物を導入し、後の工程で形成されるチャネルストップ２０と対応する領域（部分１９ｂとなる領域）にはｐ型の不純物を導入しない。ｐ型の不純物が拡散することにより、部分１９ａのｐ型不純物の濃度が部分１９ｂのｐ型不純物の濃度よりも濃い電荷素子領域１９が形成される。電荷収集層１６と電荷阻止領域１９の境界は正弦波状ないしは波状となる。図１７（Ｃ），（Ｄ）には、表面１２側から測った電荷阻止領域１９の厚みが部分１９ａ（信号記録用ＣＤＤ２１、垂直読み出し用ＣＣＤ２２、及びドレーン線２３に対応する。）と部分１９ｂ（チャネルストップ２０に対応する。）とでは異なること（部分１９ａ，部分１９ｂのｐ型不純物の濃度が異なること。）が明瞭に表れている。

次に、図１５に示すように、ｎ型の不純物をイオンドーピングにより電荷阻止領域１９の部分１９ａに注入し、信号記録用ＣＣＤ２１、垂直読み出し用ＣＣＤ２２、及びドレーン線２３を形成する。さらに、図１６に示すように、電荷阻止領域１９の部分１９ａにｐ^＋型の不純物を導入してチャネルストップ２０を形成する。図１８（Ａ），（Ｂ）には、電荷阻止領域１９の信号記録用ＣＣＤ２１に対応する部分１９ａとチャネルストップ２０に対応する部分１９ｂとでは、不純物濃度の分布と電荷阻止領域１９の厚みが異なること（部分１９ａ，部分１９ｂのｐ型不純物の濃度が異なること。）が明瞭に表れている。

以上、１個の素子に着目して本実施形態の裏面照射型撮像素子１の製造方法を説明した。量産化のためには、１枚のシリコン製基板３０上に複数個の裏面照射型撮像素子１を形成し、その後シリコン製基板３０及びその上に形成された半導体層を個々の素子にダイシングする必要がある。図１９（Ａ）は、切断後の１個の裏面照射型撮像素子１を示す。この図１９Ａを参照すれば明らかなように、切断面３０２において入射面（裏面）１１から順にｐ⁻型の光電変換層１５、ｎ型の電荷収集層１６、及びｐ型の電荷阻止領域１９が並んでいる。この切断面３０２におけるｐ−ｎ−ｐの導電型配列は、裏面照射型撮像素子１内における電子や正孔の好ましくない挙動の原因となる。

そこで、図１９（Ｂ）に示すように、ダイシング後に、切断面３０２の電荷収集層１６（ｎ型）の部分にｐ型不純物をドーピングして拡散させ、この部分の導電型をｐ⁻型とすることが好ましい。このようにすれば、切断面３０２の導電型は入射面（裏面）１１から表面１２に到るまですべてｐ型となるので、前述した電子や正孔の好ましくない挙動を防止ないしは抑制できる。なお、ｎ⁻型のエピタキシャル層３２（図１１から図１６参照）の切断面３０２に対応する部分に予めｐ⁻型の導電型を有する領域を設けておいてもよい。

図１２を参照して説明したように、シリコン製基板３０上に、ｐ⁻型とｎ⁻型のエピタキシャル層３１，３２を形成し、さらにイオンドーピングによりｐ型の不純物をｎ⁻型のエピタキシャル層３２に注入してｐ型の領域３５を形成している。しかし、エピタキシャル層３１とエピタキシャル層３２との間での不純物の拡散により、これらのエピタキシャル層３１，３２間の境界が不明確になる。詳細には、この境界付近のエピタキシャル層３１（本来はｐ⁻型）は、エピタキシャル層３２からのｎ型不純物の侵入により電位がマイナス側になる傾向がある。同様に、エピタキシャル層３２と領域３５との間での不純物の拡散により、両者の境界が不明確になる。詳細には、この境界付近のエピタキシャル層３２（本来はｎ⁻型）は、領域３５からのｐ型不純物の侵入により電位がプラス側になる傾向がある。また、エピタキシャル層３１と比較してエピタキシャル層３２と領域３５は非常に薄い。例えば、エピタキシャル層３１の厚みＴ１が５０μｍ程度である場合、エピタキシャル３２の厚みＴ２と領域３５の厚みＴ３はそれぞれ５μｍ程度に過ぎない。この厚みの相違のために不純物の拡散の影響がより顕著になる。前述のようにｐ⁻型のエピタキシャル層３１、ｎ−型のエピタキシャル層３２、及びｐ型の領域３５は、それぞれ光電変換層１５、電荷収集層１６、及び電荷阻止領域１９となるので、これらの間の境界が不明確となると、裏面照射型撮像素子１の内部での電子や正孔の好ましくない挙動の原因となる。

そこで、図２０において線３０２で模式的に示すようにエピタキシャル層３１，３２の不純物濃度に厚み方向に分布を持たせることが好ましい。具体的には、エピタキシャル層３１ではシリコン基板３０側（裏面１１側）から表面１２側に向けて、ｐ型不純物の濃度を徐々に高くする。また、エピタキシャル層３２においても、領域３５側（裏面１１側）から表面１２側に向けてｎ型不純物の濃度を徐々に高くする。不純物濃度分布をこのように設定することにより、前述の不純物の拡散の影響が相殺され、図２０において線３０２で示すように、エピタキシャル層３１，３２間の境界及びエピタキシャル層３２と領域３５の境界が明確となる。

（第２実施形態）
図２１は本発明の第２実施形態に係る裏面照射型撮像素子１を示す。ｐ⁻型の光電変換層１５の電荷阻止領域１９に対応する部分には、入射面１１の近傍にｐ型領域１５１が設けられている。このｐ型領域１５１を設けることで、電荷収集層１６中にインプット領域１７に向かう電位勾配が形成される。これによっても電荷収集層１６における電荷の移動速度が向上する。

ｐ型領域１５１を形成するには、エピタキシャル層３１，３２（図１１参照）を基板３０（図１０参照）に形成した後、エピタキシャル層３１に対して入射面１１側から電荷阻止領域１９に対応する領域（後の工程で電荷阻止領域１９が形成される領域）にｐ型の不純物をイオンドーピングにより注入する。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。

図２２は第２実施形態の変形例を示す。エピタキシャル層３１，３２（図１１参照）を基板３０（図１０参照）に形成した後、エピタキシャル層３２に対して表面１２側から電荷集積部１８及びインプット領域１７に対応する領域（後の工程で電荷集積部１８とインプット領域１７が形成される領域）にｎ型の不純物をイオンドーピングにより注入し、熱拡散等により拡散させる。その結果、散点の密度で表現しているように、電荷収集層１６の電荷阻止領域１９に対応する部分のｎ型不純物の濃度よりも、電荷収集層１６のインプット領域１７に対応する部分のｎ型不純物の濃度が濃くなる。図２２において、点線Ｆはエピタキシャル層３２へのｎ型の不純物の注入を行わなかった場合の光電変換層１５（エピタキシャル層３１）と電荷収集層１６（エピタキシャル層３２）の境界を示す。

（第３実施形態）
図２３から図２５は、本発明の第３実施形態に係る裏面照射型撮像素子１を示す。電荷阻止領域１９に対応する部分には、チップ１４の表面１２側からｐ型の不純物ドープ層４０を設けている。図２３に示すように、この不純物ドープ層４０は、光Ａの入射方向から見ると、画素１３の列方向に配置された複数の部分４０ａからなる。個々の部分４０ａはインプット領域１７に向けて画素の列方向の幅が漸次狭くなっており、凸レンズ状の形状を呈する。この不純物ドープ層４０を設けることによっても、電荷収集層１６中にインプット領域１７に向かう電位勾配が形成され、電荷収集層１６における電子の移動速度が向上する。また、不純物ドープ層４０の個々の部分の入射方向から見た形状を前述の凸レンズ状としたことにより、個々の画素１３の光電変換層１５で発生した電荷は、対応するインプット領域１７に向かってスムーズに移動する（図２３の点線の矢印Ｇ参照）。

図２６に示すように、ｐ型の不純物ドープ層４０の個々の部分４０ａは菱形状であってもよい。図２３及び図２６の部分４０ａの輪郭は細かい折れ線で構成されていてもよい。また、図２７及び図２８に示すように、不純物ドープ層４０の個々の部分４０ａは光Ａの入射方向から見ると画素１３の列方向に延びる帯状であってもよい。さらに、不純物ドープ層４０に代えて、チップ１４の表面側の不純物ドープ層４０と対応する以外の部分にｎ型の不純物ドープ層を形成しても同様の効果が得られる。

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。

信号電荷は正孔でもよい。この場合、光電変換層、電荷収集層、インプット領、電荷集積部、電荷阻止領域、及びＣＣＤの導電型は前述の実施形態の場合とは逆になる。

裏面照射型撮像素子１は、図２９に示すような高速ビデオカメラ１００にも使用することができる。高速ビデオカメラ１００は、入射面１１に可視光線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。

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を入射方向（裏面側）から見た概略図。 図２の部分拡大図。 図２のIV−IV線での断面図。 図２のV−V線での断面図。 図２のVI−VI線での断面図。 図４の部分Ｈでの電位分布を示す図。 図７の線Ｃに沿った電位分布を示す線図。 （Ａ）は電荷阻止領域への２度目のｐ型不純物の注入を示す部分的断面図、（Ｂ）２度目に注入されたｐ型不純物が拡散した後の状態を示す部分断面図。 （Ａ）から（Ｄ）は第１実施形態の裏面照射型撮像素子の製造方法を説明するための概略図。 第１実施形態の裏面照射型撮像素子の製造方法を説明するための部分断面図。 第１実施形態の裏面照射型撮像素子の製造方法を説明するための部分断面図。 第１実施形態の裏面照射型撮像素子の製造方法を説明するための部分断面図。 第１実施形態の裏面照射型撮像素子の製造方法を説明するための部分断面図。 第１実施形態の裏面照射型撮像素子の製造方法を説明するための部分断面図。 完成時の第１実施形態の裏面照射型撮像素子を示す部分断面図。 （Ａ）は図１１における厚み方向の不純物濃度分布を示す線図、（Ｂ）は図１２における厚み方向の不純物濃度分布を示す線図、（Ｃ）は図１４の線XVII−XVIIに沿った不純物濃度分布を示す線図、（Ｄ）は図１４の線XVII’−XVII’に沿った不純物濃度分布を示す線図。 （Ａ）は図１６の線XVIII−XVIIIに沿った不純物濃度分布を示す線図、（Ｂ）は図１６の線XVIII’−XIVII’に沿った不純物濃度分布を示す線図。 （Ａ）は素子の切断面に処理を施さない場合の裏面照射型撮像素子の部分断面図、（Ｂ）は素子の切断面にｐ型不純物をドープした場合の裏面照射型撮像素子の部分断面図。 裏面照射型撮像素子の厚み方向の電位分布を模式的に示す部分断面図。 第２実施形態の裏面照射型撮像素子を示す断面図。 第２実施形態の変形例に係る裏面照射型撮像素子を示す断面図。 第３実施形態の裏面照射型撮像素子を示す入射方向から見た概略図。 図２３の線XXIV−XXIVでの断面図。 図２３の線XXV−XXVでの断面図。 第３実施形態の変形例に係る裏面照射型撮像素子を示す入射方向から見た概略図。 第３実施形態の他の変形例に係る裏面照射型撮像素子を示す入射方向から見た概略図。 図２７の線XXVIII−XXVIIIでの断面図。 本発明の裏面照射型素子を備える高速撮影装置の一例を示す概略図。 従来の裏面照射型撮像素子の一例を示す入射方向から見た概略図。 図３０の線XXXI−XXXIでの断面図。 図３１の部分Ｅでの電位分布を示す図。 図３２の線Ｃに沿った電位分布を示す図。

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 電子流
５ 試料
６Ａ〜６Ｃ 磁界レンズ
８ 真空ポンプ
９ コントローラ
１０ 表示装置
１１ 入射面
１２ 表面
１３ 画素
１４ チップ
１５ 光電変換層
１６ 電荷収集層
１７ インプット領域
１８ 電荷集積部
１９ 電荷阻止領域
１９ａ，１９ｂ 部分
２０ チャネルストップ
２１ 信号記録用ＣＣＤ
２２ 垂直読み出し用ＣＣＤ
２３ ドレーン線
２４ 水平読み出し用ＣＣＤ
２５ エレメント
２６ ドレーンゲート
２７，２８ 電極
３０ 基板
３１，３２ エピタキシャル層
３３ ガラス基板
４０ 不純物ドープ層
４０ａ 部分

Claims (7)

1. 入射線が入射する裏面側に設けられ、前記入射線を信号電荷に変換する第１導電型の変換層と、
   ２次元配列を構成する複数の画素のそれぞれについて前記裏面と反対側の表面側に設けられた第２導電型の複数のインプット領域と、
   前記複数のインプット領域のそれぞれについて前記表面側に設けられ、互いに平行に延び、かつ対応する前記インプット領域からの信号電荷を転送する第２導電型の複数のＣＣＤ型電荷転送路と、
   前記変換層の前記表面側に隣接して設けられ、前記変換層で発生した電荷を前記インプット領域に向けて移動させる第２導電型の電荷収集層と、
   前記電荷収集層から個々の前記インプット領域まで延びる第２導電型の複数の電荷集積部と、
   前記表面側に設けられ、前記ＣＣＤ型電荷転送路が埋め込まれ、かつ前記ＣＣＤ型電荷転送路に沿って延びる第１の部分の不純物濃度が、互いに隣接する前記ＣＣＤ型電荷転送路間の隙間に沿って延びる第２の部分の不純物濃度よりも高い第１導電型の複数の電荷阻止領域と
   を備えることを特徴とする、裏面照射型撮像素子。
2. 前記互いに隣接する前記ＣＣＤ型電荷転送路間に、前記電荷阻止領域よりも不純物濃度が高い第１導電型のチャネルストップをさらに設けたことを特徴とする、請求項１に記載の裏面照射型撮像素子。
3. 前記電荷阻止領域に対応する部分における前記光電変換層の不純物濃度は、前記インプット領域に対応する部分における前記光電変換層の不純物濃度よりも高い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。
4. 前記インプット領域に対応する部分の表面に第２の導電型の不純物をさらに注入した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。
5. 前記第２導電型の電荷収集層内の領域の前記電荷阻止領域に対応する部分に第１導電型の不純物ドープ層をさらに設けた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。
6. 前記不純物ドープ層は前記入射線の入射方向から見ると、前記画素の列方向に配置され、かつ個々が前記インプット領域に向けて前記画素の列方向の幅が狭くなる複数の部分からなることを特徴とする請求項５に記載の裏面照射型撮像素子。
7. 前記不純物ドープ層は前記入射線の入射方向から見ると前記画素の列方向に延びる帯状であることを特徴とする請求項５に記載の裏面照射型撮像素子。

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