JP5132262B2 - Back-illuminated linear image sensor, driving method thereof, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、例えばリモートセンシング等の分野で用いられる裏面入射型のリニアイメージセンサ、該リニアイメージセンサの駆動方法、及び製造方法に関する。 The present invention relates to a back-illuminated linear image sensor used in the field of remote sensing, for example, a driving method of the linear image sensor, and a manufacturing method.
半導体基板上に多数の光検出器をアレイ状に配置し、同一基板上に信号電荷の読出回路や出力アンプを備えたイメージセンサが多数開発されている。リモートセンシングにおいては、光検出器を1次元アレイ状に配置したリニアイメージセンサを人工衛星等に搭載して、アレイと垂直な方向を衛星の進行方向に一致させることによって、地表の2次元画像を撮影する。画像解像度を向上させるためには、光検出器における画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましいが、そうすることで光検出器の面積が縮小する。よって、光検出器への入射光量が減少し、S/N比が劣化するという課題がある。 A large number of image sensors have been developed in which a large number of photodetectors are arranged in an array on a semiconductor substrate, and a signal charge readout circuit and an output amplifier are provided on the same substrate. In remote sensing, a linear image sensor with photodetectors arranged in a one-dimensional array is mounted on an artificial satellite, etc., and a two-dimensional image of the ground surface is obtained by making the direction perpendicular to the array coincide with the traveling direction of the satellite. Take a picture. In order to improve the image resolution, it is desirable to make the pixel pitch in the photodetector as small as possible, but doing so reduces the area of the photodetector. Therefore, there is a problem that the amount of light incident on the photodetector is reduced and the S / N ratio is deteriorated.
S/N比を改善するための巧妙な手段として、TDI方式(Time Delay and Integration)のイメージセンサが開発されている。TDI方式は、2次元イメージセンサであるFFT(フル・フレーム・トランスファ)型CCD(Charge Coupled Devices)を用い、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることでS/N比を改善する、CCDイメージセンサの読出し方式である。リモートセンシングの場合、垂直方向の電荷転送を衛星の移動速度に合わせることでTDI動作が実現できる。即ち、垂直CCDでM段のTDI動作を行うと、蓄積時間が実効的にM倍となる。よって、感度がM倍向上し、S/N比は、√M倍に改善される。 As a clever means for improving the S / N ratio, a TDI (Time Delay and Integration) image sensor has been developed. The TDI system uses an FFT (full frame transfer) CCD (Charge Coupled Devices), which is a two-dimensional image sensor, and improves the S / N ratio by synchronizing the charge transfer timing with the movement timing of the subject image. This is a readout method of a CCD image sensor. In the case of remote sensing, TDI operation can be realized by adjusting the charge transfer in the vertical direction to the moving speed of the satellite. That is, when M stages of TDI operations are performed with a vertical CCD, the accumulation time is effectively M times. Therefore, the sensitivity is improved M times, and the S / N ratio is improved to √M times.
多くの場合、可視光のイメージセンサは、当該センサのチップの表面側から光を入射させて撮像を行う。入射した光は、Si基板内部で光電変換されて信号電荷を発生させる。上記FFT型CCDや、FT(フレーム・トランスファ)型CCDでは、垂直電荷転送を制御するポリシリコン電極越しに光が入射する。よって、特に短波長領域の光がポリシリコン電極で吸収されてしまい、CCDの感度が低下するといった課題がある。その対策として、センサチップの裏面側から光を入射させる裏面入射型のイメージセンサが提案されている。 In many cases, an image sensor for visible light performs imaging by making light incident from the surface side of the chip of the sensor. Incident light is photoelectrically converted inside the Si substrate to generate signal charges. In the above-described FFT type CCD and FT (frame transfer) type CCD, light is incident through a polysilicon electrode that controls vertical charge transfer. Therefore, there is a problem that light in the short wavelength region is absorbed by the polysilicon electrode, and the sensitivity of the CCD is lowered. As a countermeasure, a back-illuminated image sensor in which light is incident from the back side of the sensor chip has been proposed.
例えば特許文献1には、基板の裏面側に光電面を配置した従来のX線イメージセンサが開示されている。該センサは、X線を基板の表面側から入射させるが、光電面で発生した可視光領域の光に対しては裏面入射型FT−CCDとして構成されたものである。裏面入射型CCDは、Si基板の光入射面(基板裏面)側で発生した信号電荷を、Si基板の表面側に設けたCCDで効率よく集める必要がある。よって、光電変換部のSi基板厚を数十μm程度まで薄く形成する。このとき、読出回路、例えば水平CCDや出力アンプ等、に電荷が混入すると、クロストークを生じるため、これを防止する必要がある。特許文献1の例では、Siエッチングの異方性を利用して光電変換部のみを選択的に薄膜化し、読出回路部分は、元のSi基板厚(300μm程度)を残すようにして可視光を遮断している。
For example,
又、特許文献2の発明は、裏面入射型イメージセンサにおいて、Si異方性エッチングにより光電変換部を薄膜化した際のベベル部分(基板裏面の窪みの斜面部分)に対して、遮蔽部材を形成することにより、上記ベベル部分への光入射を防止するものである。 The invention of Patent Document 2 forms a shielding member for the beveled portion (the slope portion of the recess on the backside of the substrate) when the photoelectric conversion portion is thinned by Si anisotropic etching in the back-illuminated image sensor. By doing so, light incidence to the bevel portion is prevented.
しかしながら、従来の裏面入射型イメージセンサでは、基板裏面の光入射領域と遮光領域の境界を精度よく形成することができないという問題があった。例えば特許文献1のように、Si異方性エッチング後のSi基板厚によって遮光効果を持たせようとする場合、ベベル部分の膜厚が連続的に変化する。よって、光入射領域と遮光領域との境界部分は、ある幅を有する、透過率が徐々に変化する帯状となってしまい、境界線がぼやけたものになる。
However, the conventional back-illuminated image sensor has a problem that the boundary between the light incident area and the light-shielding area on the back surface of the substrate cannot be formed with high accuracy. For example, as in
又、異方性エッチングで形成されるベベル部分は、Siの(111)面であり、その開口部エッヂ(底辺)が基板の(100)方向に平行に形成される。一方、基板表面側に形成される光検出器アレイの方向は、必ずしも基板の(100)方向に一致しない。 Further, the bevel portion formed by anisotropic etching is the (111) plane of Si, and its opening edge (bottom side) is formed in parallel to the (100) direction of the substrate. On the other hand, the direction of the photodetector array formed on the substrate surface side does not necessarily coincide with the (100) direction of the substrate.
一般にウェハプロセスでは、Siウェハに設けられたオリエンテーションフラット又はノッチ(以降、オリフラ等と記す)を基準として、回路パターンを基板の面方位に位置合せする。オリフラ等はウェハの製造過程で形成されるが、標準的なウェハのオリフラ等の製造公差は、±1deg程度である。そのため、基板裏面側の開口部のエッヂと基板表面側の検出器アレイとの間には、最大で1deg程度の角度ずれが生じる。 In general, in a wafer process, a circuit pattern is aligned with a surface orientation of a substrate with reference to an orientation flat or notch (hereinafter referred to as an orientation flat) provided on a Si wafer. The orientation flat or the like is formed in the wafer manufacturing process, but the manufacturing tolerance of the standard wafer orientation flat or the like is about ± 1 deg. For this reason, an angle shift of about 1 deg at the maximum occurs between the edge of the opening on the back side of the substrate and the detector array on the front side of the substrate.
リモートセンシングでは、画素アレイ長が数十mm以上の長尺チップが用いられる場合が多い。よって、例えば画素アレイ長が60mmの場合において、角度ずれが1deg生じたとすると、開口部エッヂから画素までの距離において、画素アレイの両端で1mm以上のずれが発生することになる。その結果、画素間の感度の均一性が低下するといった問題がある。 In remote sensing, a long chip having a pixel array length of several tens of mm or more is often used. Therefore, for example, when the pixel array length is 60 mm and the angle shift is 1 deg, a shift of 1 mm or more occurs at both ends of the pixel array in the distance from the opening edge to the pixel. As a result, there is a problem that the uniformity of sensitivity between pixels is lowered.
又、ベベル部分は、Siの(111)面を反映して斜めに形成されるため、ここに光が入射すると反射光によるゴーストが発生する。特許文献2の発明は、ベベル部分に光が入射することを防止するものであり、そのために、開口窓を形成した遮蔽部材をチップに貼り付ける方式を採る。しかしながら、このような方法で光入射領域と遮光領域との境界を形成しようとしても、光入射領域と遮光領域との境界線を光電変換領域の端に高精度で位置合せすることは困難である。よって、遮蔽部材の開口部の縁部で散乱された光が迷光となって光入射領域に入射してしまうといった問題がある。 Further, since the bevel portion is formed obliquely reflecting the (111) plane of Si, a ghost due to reflected light is generated when light enters here. The invention of Patent Document 2 prevents light from entering the bevel portion. For this purpose, a method of attaching a shielding member having an opening window to the chip is adopted. However, even if an attempt is made to form the boundary between the light incident region and the light shielding region by such a method, it is difficult to align the boundary line between the light incident region and the light shielding region with the edge of the photoelectric conversion region with high accuracy. . Therefore, there is a problem that light scattered at the edge of the opening of the shielding member becomes stray light and enters the light incident region.
さらにまた、基板裏面の入射面に金属膜等を蒸着してパターニングし、これを遮光膜とする方法も考えられる。しかしながら、薄膜化した部分の割れ防止や、高段差構造でのパターニングの点で、該方法を利用した製造は難しいという問題もある。 Furthermore, a method of depositing and patterning a metal film or the like on the incident surface on the back surface of the substrate and using this as a light shielding film is also conceivable. However, there is also a problem that manufacturing using this method is difficult in terms of preventing cracking of the thinned portion and patterning with a high step structure.
以上の結果、TDI方式イメージセンサを裏面入射型にする場合、光電変換部以外の領域に入射した光によって発生したノイズ電荷が信号電荷に混入して、クロストークを生じるという問題がある。上記ノイズ電荷を排除するには、メカニカルシャッタを併用する等の工夫が必要であり、メカニカルシャッタを併用した構成では連続撮像、例えば動画撮像は困難である。 As a result, when the TDI image sensor is a back-illuminated type, there is a problem in that noise charges generated by light incident on a region other than the photoelectric conversion unit are mixed into the signal charges and crosstalk occurs. In order to eliminate the noise charge, it is necessary to devise such as using a mechanical shutter, and continuous imaging such as moving image imaging is difficult with a configuration using a mechanical shutter together.
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、光電変換部以外の領域に入射した光によって発生するクロストークを低減可能な裏面入射型のリニアイメージセンサ、該リニアイメージセンサの駆動方法、及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and a back-illuminated linear image sensor capable of reducing crosstalk generated by light incident on a region other than a photoelectric conversion unit, the linear An object of the present invention is to provide an image sensor driving method and a manufacturing method thereof.
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第1態様における裏面入射型リニアイメージセンサは、表面に電荷転送素子が列状に複数配列された半導体基板における裏面側に形成した光入射領域から入射した光により上記電荷転送素子に発生した信号電荷を送出する裏面入射型のTDI処理を実施するリニアイメージセンサであって、受光部と、水平転送部と、高速転送部と、駆動部とを備えたことを特徴とする。上記受光部は、上記光入射領域に対向して上記半導体基板の表面に沿って第1方向に配列された第一の電荷転送素子を有し、発生した上記信号電荷を上記第1方向に転送する。上記水平転送部は、上記裏面側において上記光入射領域以外の遮光領域に対向して上記表面に沿って第2方向に配列された第二の電荷転送素子を有し、上記信号電荷を第2方向に転送する。上記高速転送部は、上記表面に沿って上記受光部と上記水平転送部との間であり上記光入射領域と上記遮光領域との境界部にて上記第1方向に配列された第三の電荷転送素子を有し、ここで該第三の電荷転送素子は、上記受光部から供給される上記信号電荷を上記第1方向に転送しかつ光入射領域から入射した光が上記第三の電荷転送素子に入射してノイズ電荷を生成する。上記駆動部は、上記受光部に対して電荷転送を行わず上記高速転送部に対して電荷転送を行わせ、上記ノイズ電荷のみを排出させかつ上記受光部から転送された信号電荷を上記水平転送部へ転送させる高速転送動作制御を行う。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
That is, the back-illuminated linear image sensor according to the first aspect of the present invention includes the charge transfer element according to light incident from a light incident region formed on the back side of a semiconductor substrate in which a plurality of charge transfer elements are arranged in a line on the surface. A linear image sensor that performs back-illuminated TDI processing for transmitting signal charges generated in the above-described configuration, and includes a light receiving unit, a horizontal transfer unit, a high-speed transfer unit, and a drive unit. The light receiving unit includes a first charge transfer elements arranged in a first direction along the surface of the semiconductor substrate opposite to the light incident region, transfers the generated the signal charge to said first direction To do. The horizontal transfer unit includes a second charge transfer element arranged in the second direction along the surface so as to face a light shielding region other than the light incident region on the back surface side, Forward in the direction. The high-speed transfer unit is a third charge arranged between the light receiving unit and the horizontal transfer unit along the surface and arranged in the first direction at a boundary between the light incident region and the light shielding region. It has a transfer device, wherein said third charge transfer device, the light of the signal charge supplied incident from the transfer vital light incident region in the first direction the third charge transfer from the light receiving portion It enters the element and generates a noise charge. The driving unit causes the high-speed transfer unit to perform charge transfer without performing charge transfer to the light receiving unit, discharges only the noise charge, and horizontally transfers the signal charge transferred from the light receiving unit. High-speed transfer operation control to be transferred to the unit.
本発明の第1態様における裏面入射型リニアイメージセンサによれば、受光部及び水平転送部との間に高速転送部を備え、これらの駆動を制御する駆動部をさらに備えた。よって、駆動部は、高速転送部に対して、高速転送部に発生したノイズ電荷をまず排出させ、次に、受光部にて発生した信号電荷を水平転送部に転送する。よって、受光部以外の領域に入射した光によって発生するクロストークを低減することができ、メカニカルシャッタなしに動画撮像が可能になる。又、高速転送部は、半導体基板の裏面に形成される光入射領域と遮光領域との境界部分に位置し、ノイズ電荷を生成する。しかしながら上述のように、ノイズ電荷は、まず排出されることから、受光部を構成する電荷転送素子のアレイに対して上記境界部分が正確に平行に形成される必要はない。よって、裏面入射型リニアイメージセンサの製造を従来に比べて容易にすることができる。 According to the back-illuminated linear image sensor of the first aspect of the present invention, the high-speed transfer unit is provided between the light receiving unit and the horizontal transfer unit, and the drive unit that controls the drive is further provided. Therefore, the drive unit first causes the high-speed transfer unit to discharge noise charges generated in the high-speed transfer unit, and then transfers the signal charge generated in the light-receiving unit to the horizontal transfer unit. Therefore, crosstalk generated by light incident on a region other than the light receiving portion can be reduced, and moving image imaging can be performed without a mechanical shutter. The high-speed transfer unit is located at the boundary between the light incident region and the light shielding region formed on the back surface of the semiconductor substrate, and generates noise charges. However, as described above, since noise charges are first discharged, it is not necessary that the boundary portion be formed in parallel with the array of charge transfer elements constituting the light receiving unit. Therefore, it is possible to make the back-illuminated linear image sensor easier to manufacture than in the past.
本発明の実施形態である裏面入射型リニアイメージセンサ、該リニアイメージセンサの駆動方法、及び製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
又、以下に説明する裏面入射型リニアイメージセンサでは、電荷転送素子としてCCD(電荷結合素子)を使用するが、これに限定されず、CMOSを使用することも可能である。又、リニアイメージセンサにおけるS/N比の改善を図るため、本実施形態の裏面入射型リニアイメージセンサにおいても、上述のTDI(Time Delay and Integration)方式を採り、FFT(フル・フレーム・トランスファ)型CCD、又はFT(フレーム・トランスファ)型CCDを使用する。
A back-illuminated linear image sensor according to an embodiment of the present invention, a driving method of the linear image sensor, and a manufacturing method will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals.
In the back-illuminated linear image sensor described below, a CCD (charge coupled device) is used as a charge transfer device, but the present invention is not limited to this, and a CMOS can also be used. Further, in order to improve the S / N ratio in the linear image sensor, the back-illuminated linear image sensor of the present embodiment also adopts the above-mentioned TDI (Time Delay and Integration) method, and FFT (full frame transfer). A type CCD or an FT (frame transfer) type CCD is used.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による裏面入射型イメージセンサ101の一例としての裏面入射型TDI−CCDの回路構成を示す素子平面図である。又、図1に示すA−A’線における、当該裏面入射型TDI−CCDの断面を模式的に図2に示す。
当該裏面入射型リニアイメージセンサ101は、基本的構成として、受光部50、高速転送部60、水平転送部70、及び駆動部80を備え、受光部50、高速転送部60及び水平転送部70を形成した半導体基板30の裏面つまりバルクSi基板12の裏面12aに設けた光入射領域19から入射した光により発生した信号電荷を送出する。尚、駆動部80は、受光部50、高速転送部60、及び水平転送部70等を形成する半導体基板とは別設される、又は当該半導体基板上に形成される構成部分である。又、駆動部80は、高速転送部60を構成するCCDを駆動する第1駆動部81と、受光部50を構成するCCDを駆動する第2駆動部82と、水平転送部70並びに後述の蓄積部6、蓄積制御ゲート7、及びリセットゲート8を駆動する第3駆動部83とを有する。
FIG. 1 is an element plan view showing a circuit configuration of a back-illuminated TDI-CCD as an example of a back-illuminated
The back-illuminated
上記裏面に対向する半導体基板30の表面側には、上記FFT又はFT型のCCDにて形成したTDI画素1が2次元アレイ状に配列された受光部50が設けられる。受光部50は、本実施形態では、5行8列にてTDI画素1が形成され、受光部50の各列では、TDI画素1が第1方向に相当する垂直方向(図面の下方)91に沿って配列される。高速転送部60は、本実施形態では、3行8列にて垂直CCD3が形成され、各列では垂直CCD3が第1方向91に沿って配列されている。高速転送部60の各列に対応して、蓄積部6、蓄積制御ゲート7、及びリセットゲート8が形成され、水平転送部70では、第2方向に相当する水平方向(図面の右方)92に沿って水平CCD5が1行8列にて配列されている。
On the front side of the
このように構成された裏面入射型リニアイメージセンサ101では、上述の入射光により受光部50にて生成され時間遅延積分された信号電荷が、高速転送部60を介して、水平転送部70を構成する水平CCD5へ垂直方向91に転送される。水平転送部70に転送された上記信号電荷は、水平CCD5により、水平方向92へ転送されて、出力アンプ9から読み出される。
尚、図1では、受光部50について、TDI画素1を、5行8列にて図示しているが、これは勿論例示であり、複数行、一若しくは複数列にて配列することができる。
In the back-illuminated
In FIG. 1, the
上述のように、受光部50と水平転送部70との間には、垂直CCD3群からなる高速転送部60、蓄積部6、蓄積制御ゲート7、及びリセットゲート8が設けられている。尚、図1に点線で示した枠10及び枠11は、図2に示すように、Si基板12の裏面12a側からSi基板12の一部を薄膜化して形成した凹状の光入射領域19における縁を示したものである。又、蓄積部6、蓄積制御ゲート7及びリセットゲート8を蓄積制御部と呼ぶ。又、後述するように本実施形態の裏面入射型リニアイメージセンサ101によれば、高速転送部60を光入射領域19と遮光領域との境界部を受光部50の端に精度よく位置合せする必要はなくなる。この点を明示するため、図1では意図的に、枠10及び枠11が受光部50等のアレイに対して傾斜した状態にて図示を行っている。又、図1では、高速転送部60について、CCDを3行にて図示しているが、これに限定されず、複数行であればよく、その行数は、上記境界部の面積との関係で決定される。
As described above, between the
図2を参照して、当該裏面入射型イメージセンサ101を説明する。
バルクSi基板12、BOX酸化膜13、Siエピタキシャル層14からなるSOI基板15の表面側に、転送チャネル16及びゲート電極17などで構成された読出し回路が形成されている。ここで、ゲート電極17に含まれる、17aはTDI転送ゲート、17bは垂直CCD転送ゲート、17cは蓄積ゲート、17dは蓄積制御ゲート、及び17eは水平CCD転送ゲートである。又、転送チャネル16に含まれる、16aはTDI画素1のチャネル部分、16bは垂直CCD3のチャネル部分、16cは蓄積部のチャネル部分、及び16eは水平CCD5のチャネル部分である。尚、TDI転送ゲート17a及びTDI画素1のチャネル部分16aにより受光部50を構成し、垂直CCD転送ゲート17b及び垂直CCD3のチャネル部分16bにより高速転送部60を構成し、蓄積ゲート17c、蓄積制御ゲート17d、及び蓄積部のチャネル部分16cにより蓄積部6及び蓄積制御ゲート7を構成し、水平CCD転送ゲート17e及び水平CCD5のチャネル部分16eにより水平転送部70を構成している。
The back-illuminated
On the surface side of the
又、18は、酸化膜などからなる保護膜である。さらに、上述したように、基板裏面12a側からSi異方性エッチングにより、光入射領域19が形成される。ここで、光入射領域19の縁部で境界部に相当するベベル部分20は、Si(111)面を反映した斜面である。又、21は、光入射領域19をパターニングする際の酸化膜や窒化膜などからなるエッチングマスクである。
上述のような構成により、図1及び図2に示すように、光入射領域19に対応して受光部50が配置され、上記ベベル部分20に対応して高速転送部60が配置され、光入射領域19以外の裏面12aに相当する遮光領域19cに対応して蓄積部6、蓄積制御ゲート7、リセットゲート8、及び水平転送部70が配置される。
With the above-described configuration, as shown in FIGS. 1 and 2, the
このような構成を有する裏面入射型イメージセンサ101における動作について以下に説明する。
裏面入射型イメージセンサ101において、撮像時には、光を裏面12a側から入射させる。光入射領域19は、バルクSi12が除去されてエピタキシャル層14の膜厚部分まで薄膜化されており、エピタキシャル層14の膜厚は10〜20μm程度である。よって、受光部50では、入射光に応じて信号電荷が発生し、発生した信号電荷がTDI画素1のチャネル16aに集積される。一方、蓄積部6や水平CCD5は、膜厚が数100μmのバルクSi12によって遮光されており光電荷を発生しない。両者の間に位置する高速転送部60では、高速転送部60に対応した箇所のSi膜厚が10μmから数百μmまで連続的に変化するため、可視光に対する透過率も連続的に変化する。よって、高速転送部60でも光電荷が発生し、高速転送部60に入射した光によって発生した光電荷は、転送チャネル16bに集積される。
The operation of the back-illuminated
In the back-illuminated
転送チャネル16bに集積された光電荷が、受光部50にて発生した上記信号電荷に混入するとクロストークを生じるため、これを防止する駆動方法が必要である。
図3は、本発明の実施の形態1による裏面入射型TDI−CCD101のポテンシャル図であり、転送チャネル16のポテンシャルの模様を時系列に表している。以下、図3及び図9を用いて本発明の実施の形態1による裏面入射型TDI−CCD101の駆動方法について説明する。該駆動方法は、要約すると、1撮像周期ごとに受光部50で1段のTDI転送を行い、1撮像周期ごとに高速転送部60では受光部50から転送された信号電荷22の水平CCDへの高速転送を行うとともに、信号電荷22の高速転送の直前に、高速転送部60にて発生したノイズ電荷23の排出を行うものである。尚、このような駆動方法は、上記駆動部80にて制御され、受光部50、高速転送部60、蓄積部6、蓄積制御ゲート7、リセットゲート8、及び水平転送部70に対して実行される。
When the photocharge integrated in the
FIG. 3 is a potential diagram of the back-illuminated TDI-
受光部50のTDI画素1では、上記入射光による信号電荷22が集積され、受光部50を構成するTDI−CCDの段数に比例して22a、22b、・・・、22eの順に信号電荷量は多くなる。又、高速転送部60は、光入射領域19と遮光領域19cとの境界部に相当する上記ベベル部分20に対応して位置することから、高速転送部60も光電荷を発生し集積する。しかしながら、高速転送部60にて発生した光電荷は、信号電荷22以外のノイズ電荷23(ノイズ電荷23a〜23c)である。図3の(a)に示すように1撮像周期が終了した後、受光部50及び高速転送部60に集積された信号電荷22及びノイズ電荷23を、それぞれ垂直方向91に、CCDの1段ずつ転送する(図9のステップS1)。この状態を図3の(b)に示す。
In the
図3の(b)の状態では、図3の(a)の時点で高速転送部60の最終段CCDに存在したノイズ電荷23cは、蓄積部6へと転送される。次に、第2駆動部82は、受光部50のTDI画素1に対して垂直方向91への電荷の転送を行わず、一方、その間に第1駆動部81は、高速転送部60の垂直CCD3に対して垂直方向91への電荷の転送を行う(図9のステップS2)。この状態を図3の(c)及び(d)に示す。
In the state of FIG. 3B, the
この駆動動作により、高速転送部60に集積されているノイズ電荷23aとノイズ電荷23bとは、蓄積部6へと転送され、高速転送部60に発生した全てのノイズ電荷23は、蓄積部6に集積される。
又、このとき、図3の(a)に示す時点で受光部50の最終段にあった信号電荷22eは、高速転送部60の垂直CCD3の内、蓄積部6の1段手前の垂直CCD3に保持される。以上の図3の(b)から(d)への一連の転送動作を高速に行うことで、つまり第1駆動部81から高速転送部60へ供給するクロックの周波数を、通常の電荷転送動作に使用する周波数よりも上げる(高速にする)ことで、この期間中に高速転送部60で発生するノイズ電荷(スミア)を抑制する。
By this driving operation, the noise charges 23 a and the noise charges 23 b accumulated in the high-
At this time, the
次に、図3の(e)に示す、ノイズ電荷23の高速転送が完了した時点で、第3駆動部83によりリセットゲート8(図3では図示せず)を開け、ノイズ電荷23を排出する(図9のステップS2)。
次いで、図3の(f)に示すように、高速転送部60に対して1段分の電荷転送を行い、信号電荷22eを蓄積部6へ転送する。さらに蓄積制御ゲート7を開け、図3の(g)に示すように、信号電荷22eを水平転送部70の水平CCD5へ転送する(図9のステップS3)。
以上の高速転送動作を完了した後、第3駆動部83により、蓄積制御ゲート7を閉じ、水平CCD5を駆動して、出力アンプ9より信号電荷22eを時系列に1撮像周期分の信号として読み出す。
Next, when the high-speed transfer of the
Next, as shown in FIG. 3 (f), one stage of charge transfer is performed to the high-
After completing the above high-speed transfer operation, the
以上説明したような駆動方法によれば、高速転送部60で発生する不要な光電荷23は、撮像周期のブランキング期間に、信号電荷22の転送動作とは独立して排出することができ、信号電荷22に混入することを防止できる。よって、TDI−CCDを使用した裏面入射型リニアイメージセンサにおいて、クロストークを低減することができ、メカニカルシャッタなしで動画撮像が可能になる。
According to the driving method described above, the
又、高速転送部60を設け、該高速転送部60を光入射領域19と遮光領域19cとの境界部に配置させるように構成したことから、本実施形態では、上記境界部を受光部50の端に精度よく位置合せする必要はない。よって、上記境界部は、高速転送部60を構成する垂直CCD3の配列方向における高速転送部60の規定範囲内の任意の位置に形成するだけで、画素間の感度均一性に優れた、TDI−CCDを用いた裏面入射型リニアイメージセンサを実現することができる。
In addition, since the high-
尚、図3に示した本発明の実施の形態1による裏面入射型TDI−CCDイメージセンサ101の駆動方法では、図3の(e)に示す時点でリセットゲート8を開いてノイズ電荷23を排出する場合を示したが、図3の(b)〜(e)の期間中はリセットゲート8を開いたままにして、ノイズ電荷23を排出するようにしてもよい。この駆動方法によれば、高速転送期間中に蓄積部6にノイズ電荷23a〜ノイズ電荷23cが積算されなくなる。よって、蓄積部6の飽和容量を確保する必要はなく、回路面積を低減することができるという利点がある。
In the driving method of the back-illuminated TDI-
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2による裏面入射型イメージセンサ102の一例としての裏面入射型TDI−CCDの回路構成を示す素子平面図である。実施の形態2における裏面入射型TDI−CCDのイメージセンサ102は、実施の形態1にて説明した高速転送部60に代えて高速転送部61を備え、これに伴い、上述のリセットゲート8を削除した構成を有する。その他の構成は、実施の形態1におけるイメージセンサ101の構成に同じであり、同一構成部分については説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 is an element plan view showing a circuit configuration of a back-illuminated TDI-CCD as an example of the back-illuminated
当該イメージセンサ102の高速転送部61は、列ごとに設けられた垂直CCD24と、該垂直CCD24に隣接したオーバーフロー部25とを有する。オーバーフロー部25は、オーバーフロードレインと制御ゲート等からなる(図示せず)。
The high-
このように構成される本実施形態2の裏面入射型リニアイメージセンサ102の動作つまり駆動方法について、図5及び図10を参照して説明する。尚、上記駆動方法は、上記駆動部80の制御にて、受光部50、高速転送部61、蓄積部6、蓄積制御ゲート7、及び水平転送部70に対して実行される。
The operation, that is, the driving method of the back-illuminated
図5は、裏面入射型TDI−CCDイメージセンサ102のポテンシャル図であり、転送チャネル16のポテンシャルの模様を時系列に表している。
実施の形態1のイメージセンサ101における受光部50と同様に、当該イメージセンサ102における受光部50でも、TDI画素1では信号電荷22が集積され、TDI画素1の段数に比例して信号電荷22a、22b、・・・、22eの順に信号電荷量は多くなる。又、高速転送部61の各垂直CCD24にも、ノイズ電荷23が集積されている。
FIG. 5 is a potential diagram of the back-illuminated TDI-
Similarly to the
図5の(a)に示すように1撮像周期が終了すると、次に、図5の(b)に示す時点で、第1駆動部81の制御によりオーバーフロー部25のオーバーフローゲートを開いてノイズ電荷23をオーバーフロードレインへと排出する。オーバーフロー部25は、垂直CCD24毎に設けられているため、高速転送部61を構成する垂直CCD24に集積されたノイズ電荷23a〜ノイズ電荷23cは同時に排出される(図10のステップS11)。
When one imaging cycle is completed as shown in FIG. 5A, next, at the time shown in FIG. 5B, the overflow gate of the
ノイズ電荷23の排出完了後、第1駆動部81は、オーバーフローゲートを閉じる。そして、第2駆動部82は、受光部50に集積された信号電荷22を垂直方向に1段分、転送する(図10のステップS12)。よって、受光部50の最終段に集積されていた信号電荷22eは、高速転送部61の初段に転送される。転送後の状態を図5の(c)に示す。
次に、駆動部80は、受光部50に対しては電荷の転送を行わず、高速転送部61に対してのみ電荷を垂直方向に順次転送する(図10のステップS13)。この状態を図5の(d)〜(f)に示す。図5の(d)〜(f)の一連の転送動作を高速に行うことで、上記信号電荷22eは、蓄積部6へ転送される。
After the discharge of the
Next, the
次いで、図5の(g)に示すように、蓄積制御ゲート7を開けて信号電荷22eを水平CCD5へと転送する(図10のステップS13)。以上の転送動作を完了した後、制御ゲート7を閉じ、水平CCD5を駆動して、出力アンプ9より信号を時系列に1撮像周期分の信号を読み出す。
Next, as shown in FIG. 5G, the accumulation control gate 7 is opened, and the
このように実施の形態2における裏面入射型リニアイメージセンサ102によれば、高速転送部61の列毎の垂直CCD24にオーバーフロー部25を設けたことにより、高速転送部61で発生する不要なノイズ電荷23は、それぞれの垂直CCD24におけるオーバーフロー部25で同時に排出することができる。該動作により、実施の形態1におけるイメージセンサ101と同様に、ノイズ電荷23は、撮像周期のブランキング期間に、信号電荷22の転送動作とは独立して排出され、信号電荷22に混入することはない。よって、TDI−CCDを使用した裏面入射型リニアイメージセンサにおいて、クロストークを低減することができ、メカニカルシャッタなしで動画撮像が可能になる。
As described above, according to the back-illuminated
又、実施の形態1のイメージセンサ101における高速転送部60と同様に、高速転送部61を光入射領域19と遮光領域19cとの境界部に配置したことから、光入射領域19と遮光領域19cとの境界部を受光部50の端に精度よく位置合せする必要はない。よって、上記境界部は、高速転送部61を構成する垂直CCD24の配列方向における高速転送部61の規定範囲内の任意の位置に形成するだけで、画素間の感度均一性に優れた、TDI−CCDを用いた裏面入射型リニアイメージセンサを実現することができる。
Similarly to the high-
尚、実施の形態2のイメージセンサ102では、高速転送部61の列毎の垂直CCD24にオーバーフロー部25を設けたことより、実施の形態1のイメージセンサ101に比べて垂直CCD24の幅は小さくなる。垂直CCDの幅が小さくなることで、電荷転送容量は減少する。しかしながら、高速転送部61は、光検知を目的としないため、垂直CCD24の1段当たりの長さを伸ばすことで電荷転送容量を確保することができる。
In the
実施の形態3.
図6は、本発明の実施の形態3による裏面入射型TDI−CCDのイメージセンサ103の回路構成を示す平面図である。当該イメージセンサ103は、上述した実施の形態1におけるイメージセンサ101に対して、遮光材料からなる遮光膜27をさらに加えた構成を有する。その他の構成は、イメージセンサ101の構成と変わる部分はない。よって以下には、遮光膜27についてのみ説明を行う。尚、図6に示す符号26は、遮光膜27の縁を示している。又、図7は、図6に示すB−B’部分の断面の構造を模式的に示す素子断面図である。
又、当該実施の形態3では、上述のように、実施形態1のイメージセンサ101に遮光膜27を設けた構成であるが、勿論、実施形態2のイメージセンサ102に遮光膜27を設けた構成を採ることも可能である。
FIG. 6 is a plan view showing a circuit configuration of the
Further, in the third embodiment, as described above, the
図6及び図7に示すように、遮光膜27は、Si異方性エッチングにより基板の裏面12a側から薄膜化した光入射領域19、及び光入射領域19以外の遮光領域19cを覆うように形成され、その後、光入射領域19のくぼみの底面19aの一部だけに開口19bを形成するようにエッチングにより除去される。図6及び図7に示すように、底面19aにおいて遮光膜27が存在しない領域に対応して、少なくとも受光部50が位置する。
尚、当該実施の形態3におけるイメージセンサ103の動作については、上述した実施の形態1におけるイメージセンサ101の駆動方法に同じであるので、ここでの説明は省略する。
As shown in FIGS. 6 and 7, the
The operation of the
以下には、当該実施の形態3による裏面入射型TDI−CCDのイメージセンサ103の製造方法について、図8を用いて説明する。
基板ウェハとして、図8の(a)に示すように、バルクSi12、BOX酸化膜13、Siエピタキシャル層14からなるSOI基板15を用いる。標準的なSiプロセスを用いて、図8の(b)に示すように、SOI基板15の表面側に、転送チャネル16や転送ゲート17などを有するCCD、つまり受光部50、高速転送部60、水平転送部70等を形成する。
Hereinafter, a method of manufacturing the back-illuminated TDI-
As a substrate wafer, as shown in FIG. 8A, an
図8の(c)では、バルクSi12の裏面12aを機械研磨して、バルクSi12を所望の膜厚まで薄膜化する。その後、図8の(d)に示すように、裏面12aにエッチングマスク21を形成する。エッチングマスク21は、上述した蓄積部6、蓄積制御ゲート7、リセットゲート8、及び水平転送部70に対応して位置するように形成する。
尚、図8の(d)以降では、裏面12aが図面上方となるように図示している。このとき基板裏面12aは、平坦であるため、エッチングマスク21のパターニングには通常のSiプロセスが利用できる。
In FIG. 8C, the
In FIG. 8D and subsequent figures, the
次に、図8の(e)では、KOHやTMAHなどのエッチャントを用いたウェットエッチングにより、裏面12a側からSi異方性エッチングを行い、光段差構造となる光入射領域19を形成する。このとき、BOX酸化膜13がエッチングストッパとして作用するため、受光部50下のSi膜厚を均一に形成することができる。
Next, in (e) of FIG. 8, Si anisotropic etching is performed from the
次に図8の(f)に示すように、スプレーコート法を用いて、裏面12aの光入射領域19に対して、感光性を有した遮光材料を塗布する。標準的なSiプロセスでは、レジストなどの感光性材料の塗布にはスピンコート法を用いるが、光入射領域19のような高段差構造の場合、スピンコート法ではくぼみ部分だけにレジストが溜まってしまい、均一に塗布されないといった問題が生じる。よって、上述のようにスプレーコート法を用いている。当該実施の形態3では、スプレーガン28にて、遮光材料を噴射して塗布することから、高段差構造でも遮光材料を均一に塗布することが可能になる。
Next, as shown in FIG. 8F, a light-shielding material having photosensitivity is applied to the
次に、図8の(g)では、両面アライナまたは両面ステッパ等の露光機を用いて、遮光膜27を露光し、引き続きこれを現像してパターニングを行う。一般的に高段差構造に対する露光では、マスクパターンをウェハ上に投影する際、段差の高い部分と低い部分の両者にピントを合せることは困難である。しかるに当該実施の形態3では、開口したいパターンが高段差構造の底面だけに位置するようにレイアウトされているため、ピント合わせが容易で、所望のパターンを投影可能である。
Next, in FIG. 8G, the
このとき、マスクアライメントは、基板表面側のCCDの回路パターンに対して、つまり上記回路パターンを基準として位置合せを行う。このため、図6に示すような、製造公差によるオリフラ等の角度ずれによって表面の回路パターンと、裏面側における光入射領域19のエッヂ10及び11とが平行に形成されていない場合であっても、遮光膜27のエッヂ26を上記回路パターンに平行に形成することが可能になる。尚、遮光膜27の透過率は、できるだけ小さいことが望ましく、そのため遮光膜27の膜厚は、数μm以上の厚さに形成する必要がある。
At this time, the mask alignment is performed with respect to the circuit pattern of the CCD on the substrate surface side, that is, with reference to the circuit pattern. For this reason, even if the circuit pattern on the front surface and the
この場合、遮光膜27のエッヂ26の形状を、きれいな直線状に仕上げることは困難であり、実際には、図6に示すように凹凸を有した曲線形状になりやすい。しかしながら、上述した実施の形態1におけるイメージセンサ101の場合と同様に、高速転送部60を設けたことより、光入射領域19と遮光領域19cとの境界を受光部50の端に精度よく位置合せする必要はない。つまり上記境界は、高速転送部60における垂直CCD3の配列方向にて高速転送部60の規定範囲内に位置すればよく、そうすることで、画素間の感度均一性に優れた裏面入射型TDI−CCDを実現できる。
In this case, it is difficult to finish the shape of the
上述した、実施の形態3におけるイメージセンサ103では、以下のような利点がある。
即ち、遮光膜27を設けたことで、遮光膜27を設けない場合に比べて蓄積部6、蓄積制御ゲート7、リセットゲート8、及び水平転送部70に対する遮光性を向上させることができる。
又、遮光膜27は、エッチング等の加工工程が不要で露光工程のみでパターニングできるため、製造歩留が向上するとともに、光入射領域19の底面19aだけをパターニングすればよい。よって、光入射領域19のような段差の高低差が比較的大きい構造に対する露光機のフォーカス合わせが容易になりパターニング精度が向上する。
The
That is, by providing the
Further, since the
尚、以上説明した実施の形態1〜3の例では、Si基板にSOI基板15を用いる場合を示したが、エピウェハなどの他のウェハを用いて形成した裏面入射型センサであっても同様である。
In the above-described examples of the first to third embodiments, the case where the
1 TDI画素、 3 垂直CCD、 5 水平CCD、 6 蓄積部、
7 蓄積制御ゲート、 8 リセットゲート、 12 バルクSi、
12a 裏面、 16 転送チャネル、 17 ゲート電極、 19 光入射領域、
19c 遮光領域、 22 信号電荷、 23 ノイズ電荷、 24 垂直CCD、
25 オーバーフロー部、 27 遮光膜、
50 受光部、 60、61 高速転送部、 70 水平転送部、 80 駆動部、
101〜103 裏面入射型リニアイメージセンサ。
1 TDI pixel, 3 vertical CCD, 5 horizontal CCD, 6 storage unit,
7 Storage control gate, 8 Reset gate, 12 Bulk Si,
12a back surface, 16 transfer channel, 17 gate electrode, 19 light incident region,
19c light shielding area, 22 signal charge, 23 noise charge, 24 vertical CCD,
25 overflow part, 27 light shielding film,
50 light receiving unit, 60, 61 high-speed transfer unit, 70 horizontal transfer unit, 80 drive unit,
101-103 Back-illuminated linear image sensor.
Claims (7)
上記光入射領域に対向して上記半導体基板の表面に沿って第1方向に配列された第一の電荷転送素子を有し、発生した上記信号電荷を上記第1方向に転送する受光部と、
上記裏面側において上記光入射領域以外の遮光領域に対向して上記表面に沿って第2方向に配列された第二の電荷転送素子を有し、上記信号電荷を第2方向に転送する水平転送部と、
上記表面に沿って上記受光部と上記水平転送部との間であり上記光入射領域と上記遮光領域との境界部にて上記第1方向に配列された第三の電荷転送素子を有し、ここで該第三の電荷転送素子は、上記受光部から供給される上記信号電荷を上記第1方向に転送しかつ光入射領域から入射した光が上記第三の電荷転送素子に入射してノイズ電荷を生成する、高速転送部と、
上記受光部に対して電荷転送を行わず上記高速転送部に対して電荷転送を行わせ、上記ノイズ電荷のみを排出させかつ上記受光部から転送された信号電荷を上記水平転送部へ転送させる高速転送動作制御を行う駆動部と、
を備えたことを特徴とする裏面入射型リニアイメージセンサ。 Charge transfer device implementing the back-illuminated type TDI process for transmitting a signal charge generated in the charge transfer device by light incident from the light incident region formed on the back surface side of the semiconductor substrate which are arrayed in rows on the surface A linear image sensor,
Having a first charge transfer element arranged in a first direction along the surface of the semiconductor substrate opposite to the light incident region, the signal charge generated and a light receiving portion for transferring to the first direction ,
A horizontal transfer having a second charge transfer element arranged in a second direction along the surface facing a light shielding region other than the light incident region on the back surface side, and transferring the signal charge in the second direction; And
A third charge transfer element arranged between the light receiving portion and the horizontal transfer portion along the surface and arranged in the first direction at a boundary portion between the light incident region and the light shielding region; wherein said third charge transfer device, the light of the signal charges supplied from the light receiving unit is incident from only One light input region transferred to the first direction is incident on the third charge transfer device noise A high-speed transfer unit that generates electric charge;
High-speed transfer that causes the high-speed transfer unit to perform charge transfer without performing charge transfer to the light-receiving unit, discharges only the noise charge, and transfers the signal charge transferred from the light-receiving unit to the horizontal transfer unit A drive unit that performs transfer operation control; and
A back-illuminated linear image sensor.
受光部及び高速転送部に配列された全ての第一の電荷転送素子及び第三の電荷転送素子に対して第1方向へ一段分のみ電荷転送を行い、上記受光部における最終段の上記第一の電荷転送素子に存在する信号電荷を上記高速転送部に転送し、
上記信号電荷の転送後、上記受光部に対して電荷転送を停止する一方、上記高速転送部のみに対して電荷転送を行い上記高速転送部の上記第三の電荷転送素子にて生成したノイズ電荷を排出させ、
上記ノイズ電荷の排出後、上記受光部から上記高速転送部に転送された上記信号電荷を水平転送部に転送する、
ことを特徴とする裏面入射型リニアイメージセンサの駆動方法。 A driving method of a back-illuminated linear image sensor according to claim 1 or 2,
Performs light receiving portion and the charge transfer only one stage for all of the first charge transfer device and a third charge transfer devices arranged in the high-speed transfer section to the first direction, the first final stage in the light receiving portion The signal charge existing in the charge transfer element is transferred to the high-speed transfer unit,
After transferring the signal charge, the charge transfer to the light receiving unit is stopped, while the charge transfer is performed only to the high-speed transfer unit and the noise charge generated by the third charge transfer element of the high-speed transfer unit is generated. Discharge
After discharging the noise charge, the signal charge transferred from the light receiving unit to the high-speed transfer unit is transferred to a horizontal transfer unit.
A driving method for a back-illuminated linear image sensor.
一撮像周期の終了後、高速転送部の全ての第三の電荷転送素子に対して、生成されたノイズ電荷を排出させ、
上記ノイズ電荷の排出後、受光部に備わる全ての第一の電荷転送素子、及び上記高速転送部に備わる全ての上記第三の電荷転送素子に対して第1方向へ一段分のみ電荷転送を行い、上記受光部における最終段の第一の電荷転送素子に存在する信号電荷を上記高速転送部に転送し、
上記受光部に対して電荷転送を停止する一方、上記高速転送部のみに対して電荷転送を行い上記信号電荷を水平転送部に転送する、
ことを特徴とする裏面入射型リニアイメージセンサの駆動方法。 A driving method of a back-illuminated linear image sensor according to claim 3,
After the end of one imaging cycle, the generated noise charge is discharged to all the third charge transfer elements of the high-speed transfer unit,
After discharge of the noise charge, all of the first charge transfer device provided in the light receiving unit, and performs a charge transfer only one stage for all of the third charge transfer device provided in the high-speed transfer section to the first direction , Transfer the signal charge present in the first charge transfer element of the final stage in the light receiving unit to the high-speed transfer unit,
While stopping the charge transfer to the light receiving unit, transfer the charge to only the high-speed transfer unit and transfer the signal charge to the horizontal transfer unit,
A driving method for a back-illuminated linear image sensor.
受光部、高速転送部、及び水平転送部を形成した半導体基板の裏面に凹状の光入射領域を形成し、ここで、上記受光部は上記光入射領域に対応して位置し、上記高速転送部は上記光入射領域と該光入射領域以外の遮光領域との境界部に位置し、
上記光入射領域及び上記遮光領域を覆って遮光膜を形成し、
上記光入射領域における上記遮光膜を除去して開口を形成するとき、該開口形成用マスクのアライメントは、上記受光部又は上記高速転送部における電荷転送素子のパターンに対して位置合わせを行う、
ことを特徴とする裏面入射型リニアイメージセンサの製造方法。 A method for manufacturing a back-illuminated linear image sensor according to any one of claims 1 to 4,
A concave light incident region is formed on the back surface of the semiconductor substrate on which the light receiving unit, the high-speed transfer unit, and the horizontal transfer unit are formed, wherein the light receiving unit is positioned corresponding to the light incident region, and the high-speed transfer unit Is located at the boundary between the light incident region and the light shielding region other than the light incident region,
Forming a light shielding film covering the light incident region and the light shielding region;
When forming the opening by removing the light shielding film in the light incident region, the alignment of the opening forming mask is aligned with the pattern of the charge transfer element in the light receiving unit or the high-speed transfer unit.
A method of manufacturing a back-illuminated linear image sensor.
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