JP4980665B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関する。

特許文献１には、裏面入射型の固体撮像装置が記載されている。その固体撮像装置においては、半導体基板の裏面に入射した被撮像体からの光が、半導体基板の内部で光電変換される。そして、それにより生じた電荷を受光部が受けることにより、被撮像体が撮像される。

なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１の他に、特許文献２が挙げられる。
特開２００２−３３４６９号公報 特開２０００−２１７８０３号公報

しかしながら、特許文献１の固体撮像装置には、過剰電荷の逃がし易さという面で向上の余地がある。この点、過剰電荷を逃がし易くするために、基板全体の比抵抗を小さくすることが考えられる。ところが、そうすると、基板に受光部等を形成する際に、既存のデバイス・プロセスのプラットフォームをそのまま用いることが困難になってしまう。

本発明による固体撮像装置は、半導体基板の裏面に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する固体撮像装置であって、上記半導体基板の一部を構成し、第１の比抵抗をもつ第１の半導体層と、上記半導体基板の表面上に設けられ、上記第１の比抵抗よりも大きな第２の比抵抗をもつ第２の半導体層と、上記第２の半導体層中に設けられ、上記光電変換により生じた信号電荷を受ける受光部と、を備え、前記第１の比抵抗は、０．１Ωｃｍ以下であり、前記第２の比抵抗は、５Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下であり、上記第１の半導体層は、前記半導体基板の他の部分よりも不純物濃度が高く、かつ前記半導体基板の前記裏面側の表層に形成された不純物拡散層であることを特徴とする。
また、本発明による固体撮像装置は、半導体基板の裏面に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する固体撮像装置であって、上記半導体基板の一部を構成し、第１の比抵抗をもつ第１の半導体層と、上記半導体基板の表面上に設けられ、上記第１の比抵抗よりも大きな第２の比抵抗をもつ第２の半導体層と、上記第２の半導体層中に設けられ、上記光電変換により生じた信号電荷を受ける受光部と、を備え、上記第１の比抵抗は、０．１Ωｃｍ以下であり、上記第２の比抵抗は、５Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下であり、上記半導体基板は、シリコン基板と、上記シリコン基板上に設けられ、上記第１の半導体層に相当するエピタキシャル層とを含んでおり、上記シリコン基板は、Ｐ型またはＰ−型であり、上記エピタキシャル層は、Ｐ＋型であることを特徴とする。

この固体撮像装置においては、比較的小さな比抵抗（第１の比抵抗）をもつ第１の半導体層が設けられている。これにより、過剰電荷を半導体基板の表面側から逃がし易くすることができる。その一方で、受光部が設けられた第２の半導体層は、第１の半導体層よりも大きな比抵抗（第２の比抵抗）をもっている。このため、第１および第２の半導体層が共に第１の比抵抗をもつ場合とは異なり、第２の半導体層に受光部等を形成する際に、既存のデバイス・プロセスのプラットフォームをそのまま用いることが可能である。

本発明によれば、製造が容易で且つ過剰電荷を逃がし易い構造の固体撮像装置が実現される。

以下、図面を参照しつつ、本発明による固体撮像装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）

図１（ａ）は、本発明による固体撮像装置の第１実施形態を示す断面図である。固体撮像装置１は、半導体基板１０（第１の半導体層）、半導体層２０（第２の半導体層）、および受光部３０を備える裏面入射型の固体撮像装置である。固体撮像装置１は、半導体基板１０の裏面Ｓ２に入射した光を半導体基板１０の内部または半導体層２０の内部で光電変換することにより、被撮像体を撮像する。

本実施形態において半導体基板１０は、Ｐ＋型シリコン基板である。この半導体基板１０は、比抵抗ρ_１（第１の比抵抗）をもっている。ρ_１は、例えば０．０１Ωｃｍである。好ましくはρ_１≦０．１Ωｃｍである。また、半導体基板１０の厚みは、上記光すなわち撮像に用いられる光の吸収長以下であることが好ましい。例えば、当該光の波長が１μｍの場合、吸収長は約１００μｍである。

半導体基板１０の表面Ｓ１上には、半導体層２０が設けられている。本実施形態において半導体層２０は、Ｐ型シリコン層である。この半導体層２０は、比抵抗ρ_２（第２の比抵抗）をもっている。ここで、ρ_２>ρ_１である。ρ_２は、例えば１０Ωｃｍである。好ましくは、５Ωｃｍ≦ρ_２≦１００Ωｃｍである。半導体層２０は、例えば、エピタキシャル成長法により形成される。

半導体層２０中には、受光部３０が形成されている。具体的には、受光部３０は、半導体層２０の表面（半導体基板１０と反対側の面）側の表層中に設けられている。この受光部３０は、上記光電変換により生じた信号電荷を受ける。本実施形態において受光部３０は、Ｎ型不純物拡散層である。この受光部３０は、隣接する半導体層２０と共にフォトダイオードを構成している。

半導体層２０中には、ＭＯＳＦＥＴ５０も形成されている。すなわち、固体撮像装置１には、受光部３０等により構成されるＭＯＳイメージセンサ部と、ＭＯＳＦＥＴ５０等により構成されるロジック回路部とが混載されている。ＭＯＳＦＥＴ５０は、ソース・ドレイン領域として機能するＮ型不純物拡散層５２、およびゲート電極５４を含んでいる。

半導体層２０の表面上には、配線層６０が設けられている。この配線層６０中には、図示しない配線が形成されている。

図２（ａ）を参照しつつ、固体撮像装置１の動作の一例を説明する。同図においては、半導体基板１０の裏面Ｓ２に、被撮像体である指９０を接触させている。蛍光灯やＬＥＤ等の光源からの光Ｌ１を指９０に入射させると、その透過光Ｌ２が裏面Ｓ２に入射する。このとき、透過光Ｌ２は、指９０の指紋９２の形状についての情報を含んだものとなる。透過光Ｌ２は、半導体基板１０の内部または半導体層２０の内部で光電変換される。その光電変換により発生した信号電荷を受光部３０が受けることにより、指紋９２の像が撮像される。なお、光Ｌ１は、可視光、近赤外光または赤外光の何れであってもよい。また、固体撮像装置１の動作時、半導体基板１０に固定電位（例えばグランド電位）が与えられていることが好ましい。図１（ａ）および図２（ａ）において半導体基板１０がグランドに接続されている場合の例を、それぞれ図１（ｂ）および図２（ｂ）に示す。

本実施形態の効果を説明する。固体撮像装置１においては、小さな比抵抗ρ_１をもつ半導体基板１０が設けられている。これにより、指を裏面Ｓ２に接触する際に導入されるＥＳＤによる過剰電荷を固定電位（例えばグランド電位）に接続された半導体基板１０から逃がし易くなり、固体撮像装置１中の回路素子（ＭＯＳＦＥＴ５０等）の静電破壊を起こりにくくすることができる。ρ_１≦０．１Ωｃｍであれば、かかる効果を顕著に得ることができる。

受光部３０が設けられた半導体層２０は、半導体基板１０よりも大きな比抵抗ρ_２をもっている。このため、半導体基板１０および半導体層２０が共に比抵抗ρ_１をもつ場合とは異なり、半導体層２０に受光部３０およびＭＯＳＦＥＴ５０等を形成する際に、既存のデバイス・プロセスのプラットフォームをそのまま用いることが可能である。比抵抗ρ_２の値を比抵抗ρ_１に追随させて小さくする必要がないため、既存のデバイス・プロセスを利用可能な範囲の値に比抵抗ρ_２を設定できるからである。５Ωｃｍ≦ρ_２≦１００Ωｃｍであれば、既存のデバイス・プロセスを用いる上で特に好適である。既存のデバイス・プロセスを使用できないと、標準ロジックプロセスの使用や標準マクロ等の回路部品の採用が妨げられてしまうという問題があるが、本実施形態によればこの問題を回避することができる。

ところで、光電変換で生じた信号電荷の一部は、受光部３０に達する前に再結合により消滅する。この点、半導体基板１０の厚みが撮像に用いられる光の吸収長以下であれば、再結合する信号電荷の割合を充分に低く抑えることができるため、感度が特に高い固体撮像装置１が得られる。

半導体基板１０に固定電位が与えられる場合、過剰電荷を更に逃がし易くすることができる。そのため、静電破壊の発生が一層抑制される。

半導体層２０がエピタキシャル成長法により形成される場合、すなわち半導体層２０がエピタキシャル層である場合には、半導体基板１０よりも大きな比抵抗をもつ半導体層２０を容易に形成することができる。また、半導体基板１０の比抵抗ρ_１から半導体層２０の比抵抗ρ_２へと急峻に比抵抗を変化させることができる。
（第２実施形態）

図３（ａ）は、本発明による固体撮像装置の第２実施形態を示す断面図である。固体撮像装置２も、半導体基板１０、半導体層２０、および受光部３０を備える裏面入射型の固体撮像装置である。固体撮像装置２においては、半導体基板１０の構成が固体撮像装置１と相違する。固体撮像装置２において半導体基板１０はＰ型またはＰ−型のシリコン基板であり、その裏面Ｓ２側の表層にＰ＋型不純物拡散層１２（第１の半導体層）が形成されている。このＰ＋型不純物拡散層１２が上記比抵抗ρ_１をもっている。すなわち、固体撮像装置１では半導体基板１０の全体が第１の半導体層によって構成されていたのに対し、固体撮像装置２では半導体基板１０の一部のみが第１の半導体層によって構成されている。固体撮像装置２のその他の構成、および動作は、固体撮像装置１と同様である。図３（ａ）においても半導体基板１０に固定電位が与えられることが好ましく、第１の半導体層であるＰ＋型不純物拡散層１２に固定電位が与えられることが特に好ましい。Ｐ＋型不純物拡散層１２がグランドに接続されている場合の例を、図３（ｂ）に示す。

ところで、固体撮像装置１におけるように半導体基板１０の全体が第１の半導体層に相当する場合、上述のとおり、再結合する信号電荷の割合を低く抑えるという観点からは、半導体基板１０全体の厚みを小さくすることが求められる。一方、半導体基板１０の強度ひいては固体撮像装置の強度を充分に確保するという観点からは、半導体基板１０の厚みを大きくすることが求められる。

本実施形態によれば、これらの相反する要求を共に満たすことができる。すなわち、第１の半導体層を半導体基板１０の一部にのみ設けた構造であれば、その第１の半導体層が半導体基板１０の裏面Ｓ２の近傍に位置する限り、半導体基板１０全体の厚みを大きくしても、再結合する信号電荷の割合を低く抑えることが可能である。具体的には、第１の半導体層の半導体層２０側の面と半導体基板１０の裏面Ｓ２との間の距離ｄ１（図３（ａ）および図３（ｂ）参照）が、撮像に用いられる光の吸収長以下であることが好ましい。本実施形態において上記距離ｄ１は、Ｐ＋型不純物拡散層１２の厚みに等しい。固体撮像装置２のその他の効果は、固体撮像装置１と同様である。

本発明による固体撮像装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。半導体基板１０の少なくとも一部が比抵抗ρ_１をもつ第１の半導体層によって構成されている限り、半導体基板１０の構造としては上記実施形態で例示したもの以外にも様々なものが考えられる。例えば、図４（ａ）に示すように、半導体基板１０は、第１の半導体層に相当するＰ＋型シリコン基板１４と、その上に設けられたエピタキシャル層１５と、を含んでいてもよい。エピタキシャル層１５は、Ｐ型またはＰ−型のシリコン層である。

あるいは、図５（ａ）に示すように、半導体基板１０は、シリコン基板１６と、その上に順に積層されたエピタキシャル層１７，１８とを含んでいてもよい。シリコン基板１６は、Ｐ型またはＰ−型である。エピタキシャル層１７は、Ｐ＋型シリコン層であり、第１の半導体層に相当する。エピタキシャル層１８は、Ｐ型またはＰ−型のシリコン層である。この場合、図中の距離ｄ２が、「第１の半導体層の半導体層２０側の面と半導体基板１０の裏面Ｓ２との間の距離」である。なお、図５（ａ）において、エピタキシャル層１８が設けられていなくてもよい。その場合、第１の半導体層であるエピタキシャル層１７は、半導体基板１０の表面Ｓ１側の表層に位置することとなる。図４（ａ）および図５（ａ）においても半導体基板１０に固定電位が与えられることが好ましく、第１の半導体層（図４（ａ）ではＰ＋型シリコン基板１４、図５（ａ）ではエピタキシャル層１７）に固定電位が与えられることが特に好ましい。図４（ａ）においてＰ＋型シリコン基板１４がグランドに接続されている場合の例を図４（ｂ）に、図５（ａ）においてエピタキシャル層１７がグランドに接続されている場合の例を図５（ｂ）に示す。

上記実施形態においてはＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴ５０が設けられた例を示したが、ＭＯＳＦＥＴ５０の代わりに、あるいはＭＯＳＦＥＴ５０に加えて、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴを設けてもよい。

上記実施形態においてはＰ型の半導体基板、Ｐ型の半導体層およびＮ型の受光部を例示したが、Ｎ型の半導体基板、Ｎ型の半導体層およびＰ型の受光部であってもよい。

また、半導体基板における第１の半導体層以外の部分は、１０００Ωｃｍ以上の比抵抗をもつ高抵抗半導体層であってもよい。当該部分には、図３（ａ）および図３（ｂ）では半導体基板１０（Ｐ＋型不純物拡散層１２が形成された部分を除く）が、図４（ａ）および図４（ｂ）ではエピタキシャル層１５が、図５（ａ）および図５（ｂ）ではシリコン基板１６およびエピタキシャル層１８が該当する。

本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置にも好適に適用することができる。

（ａ）および（ｂ）は、本発明による固体撮像装置の第１実施形態を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１の固体撮像装置の動作の一例を説明するための断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明による固体撮像装置の第２実施形態を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施形態の一変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施形態の他の変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 固体撮像装置
２ 固体撮像装置
１０ 半導体基板
１２ Ｐ＋型不純物拡散層
１４ Ｐ＋型シリコン基板
１５ エピタキシャル層
１６ シリコン基板
１７ エピタキシャル層
１８ エピタキシャル層
２０ 半導体層
３０ 受光部
５０ ＭＯＳＦＥＴ
５２ Ｎ型不純物拡散層
５４ ゲート電極
６０ 配線層
９０ 指
９２ 指紋
Ｌ１ 光源からの光
Ｌ２ 透過光
Ｓ１ 表面
Ｓ２ 裏面

Claims (6)

1. 半導体基板の裏面に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する固体撮像装置であって、
   前記半導体基板の一部を構成し、第１の比抵抗をもつ第１の半導体層と、
   前記半導体基板の表面上に設けられ、前記第１の比抵抗よりも大きな第２の比抵抗をもつ第２の半導体層と、
   前記第２の半導体層中に設けられ、前記光電変換により生じた信号電荷を受ける受光部と、
   を備え、
   前記第１の比抵抗は、０．１Ωｃｍ以下であり、
   前記第２の比抵抗は、５Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下であり、
   前記第１の半導体層は、前記半導体基板の他の部分よりも不純物濃度が高く、かつ前記半導体基板の前記裏面側の表層に形成された不純物拡散層である固体撮像装置。
2. 半導体基板の裏面に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する固体撮像装置であって、
   前記半導体基板の一部を構成し、第１の比抵抗をもつ第１の半導体層と、
   前記半導体基板の表面上に設けられ、前記第１の比抵抗よりも大きな第２の比抵抗をもつ第２の半導体層と、
   前記第２の半導体層中に設けられ、前記光電変換により生じた信号電荷を受ける受光部と、
   を備え、
   前記第１の比抵抗は、０．１Ωｃｍ以下であり、
   前記第２の比抵抗は、５Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下であり、
   前記半導体基板は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に設けられ、前記第１の半導体層に相当するエピタキシャル層とを含んでおり、
   前記シリコン基板は、Ｐ型またはＰ−型であり、
   前記エピタキシャル層は、Ｐ＋型である固体撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の固体撮像装置において、
   前記第１の半導体層の前記第２の半導体層側の面と前記半導体基板の前記裏面との間の距離は、前記光の吸収長以下である固体撮像装置。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の固体撮像装置において、
   前記半導体基板には、所定の固定電位が与えられる固体撮像装置。
5. 請求項４に記載の固体撮像装置において、
   前記固定電位は、グランド電位である固体撮像装置。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の固体撮像装置において、
   前記第２の半導体層は、エピタキシャル層である固体撮像装置。

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