JP4957776B2 - 裏面照射型固体撮像素子、電子機器モジュール及びカメラモジュール - Google Patents
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読み出しトランジスタ54は、n型ソース・ドレイン領域57と、フォトダイオード53の表面側のソース・ドレイン領域を兼ねるn+領域61Bと、両領域57及び61B間のp−チャネル領域65上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極とにより構成される。読み出しトランジスタ54以外のトランジスタ55は、また対をなすn型ソース・ドレイン領域58及び59と、両領域58及び59間のp型半導体ウェル領域63上にゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極67とにより形成される。
また、n+半導体基板61の光照射面となる裏面には、暗電流の発生を抑制するための高不純物濃度のp型半導体領域よりなるp+アキュミュレーション層68が形成される。
なお、図9Aに画素リセット動作直後のポテンシャル分布を、図9Bに光照射直後のポテンシャル分布を模式的に示す。
本発明のカメラモジュールは、上記いずれかの裏面照射型固体撮像素子と光学レンズ系を備えることを特徴とする。
また、本発明のカメラモジュールでは、上記裏面照射型固体撮像素子を備えることにより、裏面照射型固体撮像素子における感度低下が防止でき、また照射光量が大きい場合でも光量と出力のリニアリティが良好となり、撮像画像の画質が良くなる。また、小型、各部品ごとに実装する必要がなくなり実装効率の向上、光学特性の調整をしなくてもよくなる。カメラモジュールを容易に実装できて製品設計を短縮することができる。
図1は、本発明に係る裏面照射型固体撮像素子を裏面照射型CMOS固体撮像素子に適用した一実施の形態を示す画素部分の概略構成図である。図2は、その画素の詳細断面である。
本実施の形態に係る裏面照射型固体撮像素子1は、第1導電型、シリコン半導体基板2に第2導電型の半導体領域からなる画素分離領域13を形成し、この画素分離領域13で区画された各画素領域にフォトダイオード3と、このフォトダイオード3に蓄積された信号電荷の読み出し動作を行うための素子、すなわち所要数のMOSトランジスタ、Tr(図2参照)を形成し構成される。20は単位画素である。画素分離領域13は、基板2の表面から裏面に至るように深さ方向に形成される。MOSトランジスタTrは基板2の表面側に形成され、フォトダイオード3は一部MOSトランジスタTrの下方に延びるようにして基板2の裏面側に延在して形成される。
そして、画素を区画する画素分離領域13には、後述する光電変換で発生し電子・正孔対のうちの信号電荷とならない電荷を裏面側から表面側へ引き抜くための、本発明に係る電荷引き抜き領域30(図2参照)が形成される。
一方、半導体基板2の裏面側のフォトダイオード3の界面に暗電流発生を抑制するためのアキュミュレーション層(電荷蓄積層)15が形成される。さらに半導体基板2の裏面上にオンチップカラーフィルタ22が形成され、このカラーフィルタ22上に各画素20に対応するようにオンチップレンズ21が形成される。このCMOS固体撮像素子1においては、基板裏面からオンチップレンズ21を通してフォトダイオード3に対して光Lが照射するようになされる。
この例では、第1導電型であるn型のシリコン半導体基板2の各画素領域を区画するように第2導電型であるp型の半導体領域からなる画素分離領域13が形成される。この画素分離領域13は比較的に低不純物濃度のp型は半導体領域で形成される。画素領域のn型半導体基板2には、その表面にp型画素分離領域13に接続して一部画素領域内に延在する比較的に深いp型半導体ウェル領域16が形成される。
そして、読み出しトランジスタ4のゲート電極に垂直読み出しパルスΦTGが印加され、リセットトランジスタ5のゲート電極にはリセットパルスΦRが印加され、垂直選択トランジスタ7のゲート電極には垂直選択パルスΦSELが印加される。
図4Aは図2の単位画素の領域を模式的に表した断面図、図4Bは基板裏面から光照射された受光時の基板深さ方向のポテンシャル分布図である。図4Bにおいて、ポテンシャル分布31は、図4AのA2ーA2線に沿うフォトダイオード領域3の深さ方向のポテンシャル分布を示し、ポテンシャル分布32は、図4AのB2ーB2線に沿う画素分離領域13の深さ方向のポテンシャル分布を示し、図4AのC2ーC2線に沿う電荷引き抜き領域30の深さ方向のポテンシャル分布を示す。フォトダイオード領域3のポテンシャル分布31は、図8Bのポテンシャル分布71と同じである。画素分離領域13のポテンシャル分布32は、図8Bのポテンシャル分布72と同じである。電荷引き抜き領域30のポテンシャル分布33は、ポテンシャルが裏面側から表面側に向かって漸次浅くなっている。
したがって、フォトダイオード3でのポテンシャル分布は、p+アキュミュレーション層15での正孔の影響を受けず、そのp+アキュミュレーション層15から電荷蓄積領域となるn+半導体領域2Bまでのポテンシャル勾配31aの変動が抑制される。すなわち、光電変換により大量の正孔が発生した場合、裏面側界面付近に溜められる正孔に起因して、空乏状態に比べて裏面側から表面側へのポテンシャル郊外31aが変化することを抑制することができ、ポテンシャル勾配31aが安定する。
また、照射光量が大きい場合でも、感度が一時的に低下することを抑制し、その光量と画素出力のリニアリティを良好に保持することができる。
図5は、裏面照射型固体撮像素子の多数の単位画素20を集積した撮像領域(いわゆるイメージ領域)36の上面図である(表面側の配線層領域24を取り除いた図である)。
この裏面照射型固体撮像素子35は、撮像領域36の周囲を取り囲むように基板表面から基板裏面に達する低不純物濃度のp型半導体領域からなるp−フィールド領域37を有し、前述した各画素に共通の裏面側のp+アキュミュレーション層15を、撮像領域36の周辺まで、すなわちp−フィールド領域37まで切れ目なく延長して設け、このp−フィールド領域37内に撮像領域36から少し離して、裏面側のp+アキュミュレーション層15に接して裏面側から表面側に至る前述と同様のp+領域の電荷引き抜き領域30を設けて構成される。
本実施の形態の裏面照射型固体撮像素子によれば、画素領域20の電荷引き抜き領域30と、撮像領域36の周辺の電荷引き抜き領域30との相乗作用により、さらに感度の低下を防ぎ、また画素の光量と出力とのリニアリティを良好に保持することができる。
図6は、本発明に係る電子機器モジュール、カメラモジュールの一実施の形態の構成図である。
本実施の電子機器モジュールあるいは、カメラモジュール40は、裏面照射型固体撮像素子1(または35またはこれらの組み合わせ)、光学レンズ系41、入出力部42、信号処理装置(Digital Signal Processors)43、光学レンズ系制御用の中央演算装置(CPU)44を1つに組み込んでモジュールを形成する。また、電子機器モジュール、あるいはカメラモジュール45としては、裏面照射型固体撮像素子1(または35またはこれらの組み合わせ)、光学レンズ系41及び入出力部42のみでモジュールを形成することもできる。裏面照射型固体撮像素子1、光学レンズ系41、入出力部42及び信号処理装置(Digital Signal Processors)43を備えた電子機器モジュールあるいはカメラモジュール46を構成することができる。
Claims (18)
- 半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、
前記光電変換部は、第1導電型からなる一の半導体領域と、該一の半導体領域と同導電型で、かつ、該一の半導体領域よりも高濃度の不純物濃度を有し、該一の半導体領域の表面側に形成された他の半導体領域とから構成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面に第2導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、前記アキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側に導き、前記画素の光電変換部以外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域が、前記アキュミュレーション層に接して形成される
裏面照射型固体撮像素子。 - 前記電荷引き抜き領域が、第2導電型の画素分離領域に形成され、
前記電荷引き抜き領域が、前記画素分離領域と同導電型でかつ画素分離領域より高濃度の不純物領域で形成される
請求項1記載の裏面照射型固体撮像素子。 - 半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、
前記光電変換部は、第1導電型からなる一の半導体領域と、該一の半導体領域と同導電型で、かつ、該一の半導体領域よりも高濃度の不純物濃度を有し、該一の半導体領域の表面側に形成された他の半導体領域とから構成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面に第2導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記アキュミュレーション層が前記画素が集積された撮像領域の周辺まで形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を前記アキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側に導き、前記撮像領域外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域が、前記アキュミュレーション層に接して形成される
裏面照射型固体撮像素子。 - 前記電荷引き抜き領域が、撮像領域周辺の第2導電型のフィールド領域に形成され、
前記電荷引き抜き領域が、前記フィールド領域と同導電型でかつフィールド領域より高濃度の不純物領域で形成される
請求項3記載の裏面照射型固体撮像素子。 - 半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、
前記光電変換部は、第1導電型からなる一の半導体領域と、該一の半導体領域と同導電型で、かつ、該一の半導体領域よりも高濃度の不純物濃度を有し、該一の半導体領域の表面側に形成された他の半導体領域とから構成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面に第2導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記アキュミュレーション層が前記画素が集積された撮像領域の周辺まで形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、前記アキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側へ導き、前記画素の光電変換部以外の領域と前記撮像領域外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域が、前記アキュミュレーション層に接して形成される
裏面照射型固体撮像素子。 - 前記電荷引き抜き領域が、第2導電型の画素分離領域と前記撮像領域周辺のフィールド領域に形成され、
前記電荷引き抜き領域が、前記画素分離領域及びフィールド領域と同導電型でかつ画素分離領域及びフィールド領域より高濃度の不純物領域で形成される
請求項5記載の裏面照射型固体撮像素子。 - 裏面照射型固体撮像素子、光学レンズ系及び信号処理手段を備えた電子機器モジュールであって、
前記裏面照射型固体撮像素子は、
前記光電変換部は、第1導電型からなる一の半導体領域と、該一の半導体領域と同導電型で、かつ、該一の半導体領域よりも高濃度の不純物濃度を有し、該一の半導体領域の表面側に形成された他の半導体領域とから構成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面に第2導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、前記アキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側に導き、前記画素の光電変換部以外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域が、前記アキュミュレーション層に接して形成される
電子機器モジュール。 - 前記裏面照射型固体撮像素子の前記電荷引き抜き領域が、第2導電型の画素分離領域に形成され、
前記電荷引き抜き領域が、前記画素分離領域と同導電型でかつ画素分離領域より高濃度の不純物領域で形成される
請求項7記載の電子機器モジュール。 - 裏面照射型固体撮像素子、光学レンズ系及び信号処理手段を備えた電子機器モジュールであって、
前記裏面照射型固体撮像素子は、
半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、
前記光電変換部は、第1導電型からなる一の半導体領域と、該一の半導体領域と同導電型で、かつ、該一の半導体領域よりも高濃度の不純物濃度を有し、該一の半導体領域の表面側に形成された他の半導体領域とから構成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面に第2導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記アキュミュレーション層が前記画素が集積された撮像領域の周辺まで形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を前記アキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側に導き、前記撮像領域外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域が、前記アキュミュレーション層に接して形成される
電子機器モジュール。 - 前記裏面照射型固体撮像素子の前記電荷引き抜き領域が、撮像領域周辺の第2導電型のフィールド領域に形成され、
前記電荷引き抜き領域が、前記フィールド領域と同導電型でかつフィールド領域より高濃度の不純物領域で形成される
請求項9記載の電子機器モジュール。 - 裏面照射型固体撮像素子、光学レンズ系及び信号処理手段を備えた電子機器モジュールであって、
前記裏面照射型固体撮像素子は、
半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、
前記光電変換部は、第1導電型からなる一の半導体領域と、該一の半導体領域と同導電型で、かつ、該一の半導体領域よりも高濃度の不純物濃度を有し、該一の半導体領域の表面側に形成された他の半導体領域とから構成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面に第2導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記アキュミュレーション層が前記画素が集積された撮像領域の周辺まで形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、前記アキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側へ導き、前記画素の光電変換部以外の領域と前記撮像領域外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域が、前記アキュミュレーション層に接して形成される
電子機器モジュール。 - 前記裏面照射型固体撮像素子の電荷引き抜き領域が、第2導電型の画素分離領域と前記撮像領域周辺のフィールド領域に形成され、
前記電荷引き抜き領域が、前記画素分離領域及びフィールド領域と同導電型でかつ画素分離領域及びフィールド領域より高濃度の不純物領域で形成される
請求項11記載の電子機器モジュール。 - 裏面照射型固体撮像素子、光学レンズ系を備えたカメラモジュールであって、
前記裏面照射型固体撮像素子は、
前記光電変換部は、第1導電型からなる一の半導体領域と、該一の半導体領域と同導電型で、かつ、該一の半導体領域よりも高濃度の不純物濃度を有し、該一の半導体領域の表面側に形成された他の半導体領域とから構成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面に第2導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、前記アキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側に導き、前記画素の光電変換部以外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域が、前記アキュミュレーション層に接して形成される
カメラモジュール。 - 前記裏面照射型固体撮像素子の前記電荷引き抜き領域が、第2導電型の画素分離領域に形成され、
前記電荷引き抜き領域が、前記画素分離領域と同導電型でかつ画素分離領域より高濃度の不純物領域で形成される
請求項13記載のカメラモジュール。 - 裏面照射型固体撮像素子、光学レンズ系を備えたカメラモジュールであって、
前記裏面照射型固体撮像素子は、
半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、
前記光電変換部は、第1導電型からなる一の半導体領域と、該一の半導体領域と同導電型で、かつ、該一の半導体領域よりも高濃度の不純物濃度を有し、該一の半導体領域の表面側に形成された他の半導体領域とから構成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面に第2導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記アキュミュレーション層が前記画素が集積された撮像領域の周辺まで形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、前記アキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側へ導き、前記画素の光電変換部以外の領域と前記撮像領域外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域が、前記アキュミュレーション層に接して形成される
カメラモジュール。 - 前記裏面照射型固体撮像素子の前記電荷引き抜き領域が、撮像領域周辺の第2導電型のフィールド領域に形成され、
前記電荷引き抜き領域が、前記フィールド領域と同導電型でかつフィールド領域より高濃度の不純物領域で形成される
請求項15記載のカメラモジュール。 - 裏面照射型固体撮像素子、光学レンズ系を備えたカメラモジュールであって、
前記裏面照射型固体撮像素子は、
半導体基板の表面側に各画素の光電変換部における電荷蓄積領域及び信号電荷の読出し動作を行う素子が形成され、
前記光電変換部は、第1導電型からなる一の半導体領域と、該一の半導体領域と同導電型で、かつ、該一の半導体領域よりも高濃度の不純物濃度を有し、該一の半導体領域の表面側に形成された他の半導体領域とから構成され、
前記半導体基板の裏面側の光照射面に第2導電型のアキュミュレーション層が形成され、
前記アキュミュレーション層が前記画素が集積された撮像領域の周辺まで形成され、
前記光電変換部において発生した電子・正孔対のうち、信号電荷として用いない電荷を、前記アキュミュレーション層を通じて前記裏面側から前記表面側へ導き、前記画素の光電変換部以外の領域と前記撮像領域外の領域より引き抜く電荷引き抜き領域を有し、
前記電荷引き抜き領域が、前記アキュミュレーション層に接して形成される
ことを特徴とするカメラモジュール。 - 前記裏面照射型固体撮像素子の電荷引き抜き領域が、第2導電型の画素分離領域と前記撮像領域周辺のフィールド領域に形成され、
前記電荷引き抜き領域が、前記画素分離領域及びフィールド領域と同導電型でかつ画素分離領域及びフィールド領域より高濃度の不純物領域で形成される
請求項17記載のカメラモジュール。
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