JP5711807B2 - 裏面入射型固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、裏面入射型固体撮像素子に関する。

ＢＴ（Ｂａｃｋ−ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ Ｔｈｉｎｎｉｎｇ）−ＣＣＤは、基板の光入射面側を薄膜化した裏面入射型固体撮像素子として知られている。非特許文献１によれば、ＢＴ−ＣＣＤに入射する被検出光と、入射した被検出光がＢＴ−ＣＣＤの検出側の面で反射した光との間で干渉（エタロン現象）が発生し、近赤外域の検出特性に影響する。このエタロン現象を抑制するため、同文献では、光感応領域の厚さを大きくし、更に、反射防止膜を光感応領域に設けることとしている。

「Etaloning in Back-IlluminatedCCDs」, ＲＯＰＥＲ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ ＴＥＣＨＩＮＩＣＡＬ ＮＯＴＥ（ロパー・サイエンティフィック・テクニカルノート）、ＲＯＰＥＲ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ（ロパー・サイエンティフィック社）発行、２０００年、Ｎｏ．７

しかしながら、従来のＢＴ−ＣＣＤの解決手法は、薄膜化による検出感度の向上というＢＴ−ＣＣＤ本来の利点を犠牲にしており、画像品質の本質的な向上には至っていない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、エタロン現象による画像劣化を抑制し、画像品質を向上可能な裏面入射型固体撮像素子を提供することを目的とする。

第１の発明に係る裏面入射型固体撮像素子は、裏面入射型固体撮像素子において、半導体基板と、前記半導体基板上に隣接して設けられ、隣接するもの同士の間に形成される開口部が、電荷転送方向に沿って千鳥状に配置された電荷転送電極と、を備え、前記半導体基板は、第１導電型の半導体基板と、前記第１導電型の半導体基板上に形成された第２導電型の半導体領域と、を備え、前記第１導電型の半導体基板と前記第２導電型の半導体領域との間には、ＰＮ接合が形成され、前記開口部の直下の領域には、前記第１導電型の半導体基板と同一導電型の半導体領域が形成されており、ＰＮ接合が形成されていないことを特徴とする。

第２の発明に係る裏面入射型固体撮像素子は、裏面側に光入射面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記光入射面とは反対側の光検出面に設けられた複数の電荷転送電極と、を備えた裏面入射型固体撮像素子において、前記電荷転送電極の隣接するもの同士の間に、光透過用の複数の開口部が形成されており、前記開口部は、電荷転送方向に沿って千鳥状に配置されており、前記半導体基板は、第１導電型の半導体基板と、前記第１導電型の半導体基板上に形成された第２導電型の半導体領域と、を備え、前記第１導電型の半導体基板と前記第２導電型の半導体領域との間には、ＰＮ接合が形成され、前記開口部の直下の領域には、前記第１導電型の半導体基板と同一導電型の半導体領域が形成されており、ＰＮ接合が形成されていないことを特徴とする。

第３の発明に係る裏面入射型固体撮像素子は、前記第２導電型の半導体領域上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された前記電荷転送電極と、前記電荷転送電極上に形成された保護膜と、を備えることを特徴とする。

第４の発明に係る裏面入射型固体撮像素子においては、隣接する前記電荷転送電極の一部分は、スペーサとなる前記絶縁層を介して、重複しており、隣接する前記電荷転送電極は、それぞれが台形状に凹んだ切り欠き部を有しており、隣接する前記電荷転送電極の前記切り欠き部が対向することで、前記開口部が画成されている、ことを特徴とする。

本発明の裏面入射型固体撮像素子によれば、高品質な画像を取得することができる。

実施の形態に係る裏面入射型固体撮像素子１００の斜視図である。 裏面入射型固体撮像素子１００を光入射方向とは逆側から見た底面図である。 表面側（光入射面（裏面）とは逆側）に形成された撮像領域１０と水平シフトレジスタ２０を示す図である。 １つの画素をＸＺ平面に沿って切った当該画素の縦断面図である。 比較例の電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の構造を説明するための撮像領域の平面図である。 図５に示した画素におけるＢ−Ｂ矢印断面図である。 実施形態に係る電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の構造を説明するための撮像領域の平面図である。 図７に示した画素におけるＢ−Ｂ矢印断面図である。 実施形態に係る電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の構造を説明するための撮像領域の平面図である。 図９に示した画素におけるＢ１−Ｂ１矢印断面図である。 図９に示した画素におけるＢ２−Ｂ２矢印断面図である。 実施形態に係る電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の構造を説明するための撮像領域の平面図である。 実施形態に係る電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の構造を説明するための撮像領域の平面図である。

以下、実施の形態に係る裏面入射型固体撮像素子１００について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、実施の形態に係る裏面入射型固体撮像素子１００の斜視図である。なお、同図には、説明の便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元直交座標系が示されている。

裏面入射型固体撮像素子１００は、半導体基板の裏面側をＫＯＨ水溶液などでエッチングして薄膜化したＢＴ−ＣＣＤ（電荷結合素子）であり、エッチングされた中央領域には凹部ＴＤが形成され、凹部ＴＤの周囲には厚い枠部が存在している。凹部ＴＤの側面１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄは、底面１０１に対して鈍角を成して傾斜している。なお、この枠部は、エッチングによって除去し、全領域が薄膜化された裏面入射型固体撮像素子とすることも可能である。

半導体基板の薄膜化された中央領域は光感応領域（撮像領域）であり、この光感応領域に対象物からの光像Ｌが、Ｚ軸の負方向に沿って入射する。半導体基板の凹部ＴＤの底面１０１は、光入射面を構成している。光感応領域には複数の垂直シフトレジスタからなる撮像用のＣＣＤが画素として形成されている。

図２は、裏面入射型固体撮像素子１００を光入射方向とは逆側から見た底面図である。薄膜化された半導体基板の底面１０１に対応する領域には、撮像領域１０が形成されている。撮像領域１０に入射した光像は、二次元電荷像に変換され、この電荷はＹ軸の負方向に沿って転送される。撮像領域１０の電荷転送方向の終端には、水平シフトレジスタ２０が設けられており、垂直方向に転送されてきた各画素の電荷は、Ｘ軸方向に沿って順次転送される。裏面入射型固体撮像素子１００の枠部には複数の電極パッドが設けられている。

主な電極パッドは、二相の転送電圧を電荷転送電極に印加するための電極パッドＰ１Ｖ，Ｐ２Ｖ、二相の転送電圧を電荷転送電極に印加するための電極パッドＰ１Ｈ，Ｐ２Ｈ、半導体基板をグランドに接続するための電極パッドＳＳ、水平方向に転送された電荷を読み出すための電極パッドＳＧ，ＯＧ，ＯＤ，ＲＧ，ＲＤであり、出力は電極パッドＯＳから取り出すことができる。

その他の電極パッドは、仕様に応じて適宜設ければよいが、本例では、水平シフトレジスタ２０への電荷転送ゲートを機能させるための電極パッドＴＧ、テスト用信号を入力するための電極パッドＩＳＶ，ＩＳＨ、これらのテスト用信号の電荷転送ゲートを機能させるための電極パッド１Ｇ１Ｖ，１Ｇ２Ｖ，１Ｇ１Ｈ，１Ｇ２Ｈを備えている。ＣＣＤの電荷転送方式としては、フレームトランスファー方式、インターライントランスファー方式、フル・フレームトランスファー方式などが知られている。このようなＣＣＤの構造は数多く知られており、特に限定されないが、一例として、フル・フレームトランスファー方式のＣＣＤについて説明する。

図３は、表面側（光入射面（裏面）とは逆側）に形成された撮像領域１０と水平シフトレジスタ２０を示す図である。なお、同図は模式的な図であり、Ｘ軸方向に延びる各転送電極の形状は長方形であって、これらの間に隙間が存在するように記載されているが、実際には、これらの一部又は全部が重なり、その形状は後述のように、光透過用の開口部を有するように設定されている。

撮像領域１０は、複数の垂直シフトレジスタｎ_１〜ｎ_Ｎ（Ｎは２以上の整数）、すなわち垂直電荷転送用ＣＣＤが整列してなる。なお、実際の撮像領域は、撮像領域１０の中央領域であり、周辺の画素は必要に応じて遮光が行われている。垂直方向の画素はＹ軸に沿って並んでおり、電荷転送電極ｍ_１〜ｍ_Ｍ（Ｍは２以上の整数）のぞれぞれはＸ軸に沿って延びている。電荷転送電極ｍ_１〜ｍ_Ｍには、電極パッドＰ１Ｖ，Ｐ２Ｖから二相の転送電圧が印加され、電荷転送電極ｍ_１〜ｍ_Ｍ直下の半導体領域に蓄積された電荷を垂直方向（Ｙ軸負方向）に転送する。なお、各垂直シフトレジスタｎ_１〜ｎ_Ｎを構成する垂直ＣＣＤチャネル（半導体電荷転送領域）の間には、このＣＣＤチャネルを流れる電荷とは反対の導電型のアイソレーション領域が形成されており、アイソレーション領域は異なる画素列からの電荷の相互混合を抑制している。

垂直方向の電荷転送の最終位置には転送ゲート電極ｍ_Ｔが設けられており、電極パッドＴＧからの電圧に依存して、撮像領域１０から転送ゲート電極ｍ_Ｔの直下のポテンシャルを経て水平シフトレジスタ２０内に電荷が流れ込むことになる。水平シフトレジスタ２０は、水平方向（Ｘ軸正方向）に電荷を転送する水平電荷転送用ＣＣＤがＸ軸に沿って整列したものであり、Ｘ軸方向に延びた半導体電荷転送領域ＨＳＲの上に、電荷転送電極ｈ_１〜ｈ_Ｋ（Ｋは２以上の整数）が設けられ、これらの電荷転送電極がＸ軸方向に沿って並んでいる。

電荷転送電極ｈ_１〜ｈ_Ｋには、電極パッドＰ１Ｈ，Ｐ２Ｈから二相の転送電圧が印加され、電荷転送電極ｈ_１〜ｈ_Ｋの直下の半導体領域に蓄積された電荷を水平方向（Ｘ軸方向）に転送する。Ｘ軸の電荷転送の最終位置には、電荷読出回路が設けられている。電荷読出回路は、電極パッドＳＧに接続された水平シフトレジスタの終端に位置する信号ゲート領域を備えている。この信号ゲート領域の隣には、ＭＯＳ−ＦＥＴ構造のトランジスタＱ_１を介してフローティング・ディフュージョン領域ＦＤが設けられている。フローティング・ディフュージョン領域ＦＤは、リセットトランジスタＱ_２を介してリセットドレイン電極パッドＲＤに接続され、また、出力トランジスタＱ_３のゲート電極に接続されている。出力トランジスタＱ_３の一方の端子は、オーバーフロードレイン電極パッドＯＤに接続され、他方は出力端子ＯＳを構成している。出力端子ＯＳには、負荷抵抗Ｒが接続される。トランジスタＱ_２のゲート電極にはリセットゲート電極パッドＲＧが接続されている。

電極パッドＯＧ，ＯＤ，ＲＤには終始適当なハイレベルの電位が印加される。信号読み出し時においては、電極パッドＳＧ及び電極パッドＲＧをハイレベルとし、フローティング・ディフュージョン領域ＦＤの電位をリセット用の電極パッドＲＤのリセット電位とした後、電極パッドＲＧをローレベルとすることで、出力信号がフローティングレベルとなる。次に、電極パッドＳＧをローレベルとすることで、信号ゲート領域に一時的に蓄積されていた信号電荷が、フローティング・ディフュージョン領域ＦＤ内に流れ込み、電極パッドＯＳから取り出される出力信号が蓄積電荷量に応じた信号レベルとなる。

残りの構成は、テスト動作を行うためのものであり、電極パッドＩＳＶ，ＩＳＨからテスト信号を入力し、電極パッドＩＧ１Ｖ，ＩＧ２Ｖ，ＩＧ１Ｈ，ＩＧ２Ｈに、適当な電位を与えて、テスト動作を行う。電極パッドＩＳＶは、半導体基板に電気的に接続された電極ｍ_Ｖに接続され、電極パッドＩＧ１Ｖ，ＩＧ２Ｖは、ＣＣＤチャネル上に絶縁膜を介して設けられたゲート電極ｍ_Ｇ１，ｍ_Ｇ２に接続されている。これらに適当な信号を入力して、正常である場合とは異なる出力が得られた場合には、異常であると判定する。

なお、図３における各ＣＣＤチャネルｎ_Ｎと数本の転送電極ｍ_Ｍとの交差領域が、各画素を構成している（図７の画素ＰＩＸＥＬ参照）。

図４は、１つの画素をＸＺ平面に沿って切った当該画素の縦断面図である。

入射光Ｌは、半導体基板の裏面（光入射面）から入射する。すなわち、半導体基板は光入射面を有している。この画素は、基板表面側から順番に保護膜１、電荷転送電極２（＝図３に示した各電荷転送電極ｍ_１〜ｍ_Ｍ）、絶縁層３、Ｓｉからなる半導体基板４、反射防止膜５を備えている。半導体基板４は、Ｐ型半導体基板４Ｃと、Ｐ型半導体基板４Ｃ上に形成されたＮ型半導体領域（層）４Ａと、Ｐ型半導体基板４Ｃの裏面側に形成されたアキュムレーション層４Ｄと、ＣＣＤチャネルの両側に形成されたアイソレーション領域４Ｂとを備えている。Ｐ型半導体基板４ＣとＮ型半導体領域４Ａとは接触してＰＮ接合を形成しており、埋め込みチャネル型ＣＣＤが構成されている。なお、Ｎ型半導体領域４Ａ（ＰＮ接合）は省略することもでき、この場合には、当該ＣＣＤは表面チャネル型ＣＣＤとして機能する。

本例では、保護膜１は、ＢＰＳＧ（Boro-Phospho SilicateGlass）からなり、電荷転送電極２はポリシリコンからなり、絶縁層３はＳｉＯ_２からなり、アイソレーション領域４Ｂ及びアキュムレーション層４Ｄは、共に高濃度のＰ型不純物が添加されたＳｉからなる。なお、画素においては、半導体における導電型は、Ｐ型とＮ型（第１導電型・第２導電型）を入れ替えても機能する。高濃度とは不純物濃度がＰ型半導体基板４Ｃの不純物濃度よりも高いことを意味し、好適には１×１９ｃｍ^３以上の濃度である。

ここで、上記構造の固体撮像素子の製造方法について説明する。

まず、図４に示すように、Ｐ型の半導体基板４Ｃを用意する。この半導体基板４Ｃは薄膜化されている。次に、画素に相当する領域にマスクをパターニング形成し、基板表面にＰ型不純物をイオン注入法又は拡散法を用いて添加してアイソレーション領域４Ｂを形成し、しかる後、熱酸化を行うことで、アイソレーション領域４Ｂ上に絶縁層３を形成する。次に、マスクを除去し、更に熱酸化を行うと、ＳｉＯ_２からなる絶縁層３はシリコンの光検出面上にも形成される。

この絶縁層３を介して半導体基板内部にＮ型の不純物をイオン注入し、絶縁層３の直下領域にＮ型半導体領域４Ａを形成する。当初の半導体基板はＰ型半導体基板４Ｃであるため、これらの間にＰＮ接合が形成される。次に絶縁層３上にＡｌなどの金属又はポリシリコンからなる電荷転送電極２を形成し、その上にＢＰＳＧからなる保護膜１を形成する。

次に、図４に示したように、半導体基板４の裏面側に、高濃度のＰ型不純物を添加してアキュムレーション層４Ｄを形成し、続いて、アキュムレーション層４Ｄ上に反射防止膜５を形成する。反射防止膜５は、誘電体多層膜からなり、例えばＳｉ及びＧｅの酸化物を積層してなる。以上の工程により、上述の裏面入射型固体撮像素子は完成するが、実際には、隣接する電荷転送電極２が重複している構造であるため、下層の電荷転送電極２の形成後、ＳｉＯ_２からなりスペーサとなる絶縁層を当初の絶縁層３に連続するように形成し、このスペーサを介して、上層の電荷転送電極２を形成する。これらの形成工程は異なっているので、下層（奇数行目）の電荷転送電極２を形成するためのマスクと、上層（偶数行目）の電荷転送電極２を形成するためのマスクの合わせ精度が要求される。

次に、電荷転送電極の構造について説明する。まず、比較例となる従来の電極構造について説明する。

図５は、比較例の電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の構造を説明するための撮像領域の平面図であり、Ｘ軸方向に延びた複数の電荷転送電極と、Ｙ軸方向に延びたＣＣＤチャネルｎ_Ｎ（ｎｋ＋１〜ｎｋ＋４）が示されている（但しｐ，ｋは整数）。同図の点線ＰＩＸＥＬで囲まれた領域が１つの画素に相当する。この画素におけるＡ−Ａ矢印断面図は、図４に示したものと同一である。

また、この画素におけるＢ−Ｂ矢印断面図は、図６に示されている。上層の電極ｍｐ＋６、ｍｐ＋８、ｍｐ＋１０の直下には、低濃度のＮ型半導体領域４Ａ’が形成されている。低濃度とは、Ｎ型半導体領域４Ａよりも低い不純物濃度を意味する。Ｎ型半導体領域４Ａ及び低濃度のＮ型半導体領域（層）４Ａ’は、Ｐ型半導体基板４Ｃの表層を形成しており、隣接するＮ型半導体領域４Ａの間に、低濃度のＮ型半導体領域４Ａ’が位置している。この低濃度のＮ型半導体領域４Ａ’は、Ｎ型半導体領域４Ａよりも不純物濃度が低くなるように形成される。不純物濃度の制御手法としては、これらの形成時期と不純物添加量を異ならせる方法や、絶縁層３の厚みを低濃度側で厚くしておき、これを介してイオン注入を行う方法などがある。

次に、上記実施形態に係る電荷転送電極の構造について説明する。この電荷転送電極の構造は、比較例のものから一部分を切り欠いて除いたものであり、所謂オープンゲート構造を構成している。

図７は、上記実施形態に係る電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の構造を説明するための撮像領域の平面図であり、Ｘ軸方向に延びた複数の電荷転送電極と、Ｙ軸方向に延びたＣＣＤチャネルｎ_Ｎ（ｎｋ＋１〜ｎｋ＋４）が示されている（但しｐ，ｋは整数）。同図の点線ＰＩＸＥＬで囲まれた領域が１つの画素に相当する。この画素におけるＡ−Ａ矢印断面図は、図４に示したものと同一である。

また、この画素におけるＢ−Ｂ矢印断面図は、図８に示されている。上層の電極ｍｐ＋６、ｍｐ＋８、ｍｐ＋１０の直下には、低濃度のＮ型半導体領域４Ａ’が形成されている。この低濃度のＮ型半導体領域４Ａ’は、Ｎ型半導体領域４Ａよりも不純物濃度が低くなるように形成される。不純物濃度の制御手法は、上述の通りである。

電荷転送方向（Ｙ軸）に沿って隣接する電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の一部分は重複しており、その形成にあたっては、下層の電荷転送電極ｍｐ＋７、ｍｐ＋９、ｍｐ＋１１・・・の形成後、スペーサとなる絶縁層３を介して上層の電荷転送電極ｍｐ＋６、ｍｐ＋８、ｍｐ＋１０・・・を形成する。

ここで、図７に示すように、電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）のＹ軸方向に沿って隣接するもの同士の間には、光透過用の複数の開口部ＯＰが形成されている。以下、電荷転送電極の構造について詳細に説明する。なお、以下の電荷転送電極の説明において、言及しない辺はＸ軸に平行な直線である。電荷転送電極ｍｐ＋７の一辺はＹ軸正方向に向かって周期的に台形状に凹んだ切り欠き部を有しており、これに隣接する電荷転送電極ｍｐ＋８の一辺はＹ軸負方向に向かって周期的に台形状に凹んだ切り欠き部を有しており、双方の切り欠き部が対向することで開口部ＯＰが画成されている。

これと同様の関係で、隣接する電荷転送電極ｍｐ＋９と電荷転送電極ｍｐ＋１０の切り欠き部の間に開口部ＯＰが形成されている。これらの４つの電荷転送電極ｍｐ＋７〜ｍｐ＋１０は同一の画素ＰＩＸＥＬ内に含まれている。開口部ＯＰの直下の領域には、図８に示すように、高濃度のＰ型半導体領域４Ｃ’が形成されている。したがって、かかる領域においては、ＰＮ接合は形成されておらず、キャリアが蓄積されない。

裏面入射した光Ｌは、光検出面側において検出されるが、本実施形態の固体撮像素子においては、光検出に供する光の一部を、開口部ＯＰを介して外部に透過させている。これにより、開口部ＯＰにおいては電荷転送電極がないため、入射光の反射が抑制され、入射光と反射光の干渉が抑制される。したがって、エタロン現象による画像劣化が抑制され、画像品質が向上する。

また、図７に示すように、複数の開口部ＯＰは、電荷転送方向（Ｙ軸方向）に沿って整列して配置されている。このように、隣接する電荷転送電極の間に形成された開口部ＯＰが整列している場合、その構成が簡易である。しかしながら、この構造の場合、下層及び上層の電荷転送電極の製造時の合わせ精度が要求され、合わせ精度が低い場合には各列毎の画素における開口部ＯＰの面積が異なることとなり、画素毎の特性がばらつく等の更に改良すべき余地がある。エタロン特性、ダーク特性などに若干の固定ノイズパターンが生じる虞もある。

そこで、開口部ＯＰの配列を更に改良した実施形態について、次に説明する。

図９は、この実施形態に係る電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の構造を説明するための撮像領域の平面図であり、Ｘ軸方向に延びた複数の電荷転送電極と、Ｙ軸方向に延びたＣＣＤチャネルｎ_Ｎ（ｎｋ＋１〜ｎｋ＋４）が示されている（但しｐ，ｋは整数）。同図の点線ＰＩＸＥＬで囲まれた領域が１つの画素に相当する。この画素におけるＡ−Ａ矢印断面図は、図４に示したものと同一である。

また、この画素におけるＢ１−Ｂ１矢印断面図は図１０に示されており、Ｂ２−Ｂ２矢印断面図は図１１に示されている。上層の電極ｍｐ＋６、ｍｐ＋８、ｍｐ＋１０の直下には、低濃度のＮ型半導体領域４Ａ’が形成されている。この低濃度のＮ型半導体領域４Ａ’は、Ｎ型半導体領域４Ａよりも不純物濃度が低くなるように形成される。不純物濃度の制御手法は、上述の通りである。

電荷転送方向（Ｙ軸）に沿って隣接する電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の一部分は重複しており、その形成にあたっては、下層の電荷転送電極ｍｐ＋７、ｍｐ＋９、ｍｐ＋１１・・・の形成後、スペーサとなる絶縁層３を介して上層の電荷転送電極ｍｐ＋６、ｍｐ＋８、ｍｐ＋１０・・・を形成する。

図７に示したものと同様に、図９の構造においても、電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）のＹ軸方向に沿って隣接するもの同士の間には、光透過用の複数の開口部ＯＰが形成されている。電荷転送電極ｍｐ＋７の一辺はＹ軸正方向に向かって周期的に台形状に凹んだ切り欠き部を有しており、これに隣接する電荷転送電極ｍｐ＋８の一辺はＹ軸負方向に向かって周期的に台形状に凹んだ切り欠き部を有しており、双方の切り欠き部が対向することで開口部ＯＰが画成されている。これらの切り欠き部の形成位置のＸ軸方向に沿った周期は同一である。

これと同様の関係で、隣接する電荷転送電極ｍｐ＋９と電荷転送電極ｍｐ＋１０の切り欠き部の間に開口部ＯＰが形成されている。これらの切り欠き部の形成位置のＸ軸方向に沿った周期は同一であるが、電荷転送電極ｍｐ＋７、ｍｐ＋８の切り欠き部の形成位置とは、言うなればＸ軸方向に沿った形成位置の位相が反転した関係を有している。これらの４つの電荷転送電極ｍｐ＋７〜ｍｐ＋１０は同一の画素ＰＩＸＥＬ内に含まれている。開口部ＯＰの直下の領域には、図１０に示すように、高濃度のＰ型半導体領域４Ｃ’が形成されている。したがって、かかる領域においては、ＰＮ接合は形成されておらず、キャリアが蓄積されない。

ここで、図９に示すように、開口部ＯＰは、電荷転送方向（Ｙ軸方向）に沿って千鳥状に配置されている。すなわち、開口部ＯＰは、互い違いに配置されている。上述のように、下層に位置する奇数行目の電荷転送電極（ｍｐ＋１、ｍｐ＋３、ｍｐ＋５、ｍｐ＋７・・・）は同時に形成され、上層に位置する偶数行目（ｍｐ＋２、ｍｐ＋４、ｍｐ＋６、ｍｐ＋８・・・）の電荷転送電極は、下層の電極の形成後において同時に形成される。したがって、本実施形態のような千鳥状の開口部配置を採用する場合、偶数行目の電荷転送電極が製造時に横方向にずれて、例えば、電荷転送電極ｍｐ＋７と電荷転送電極ｍｐ＋８の間の開口部ＯＰの面積が増加した場合、電荷転送電極ｍｐ＋９と電荷転送電極ｍｐ＋１０の間の開口部ＯＰの面積は減少する。すなわち、この構造は合わせ精度のトレランスが高く、画素毎の透過光量は等しくなり、特性が均一化するという利点を有し、固定ノイズパターンの発生も抑制される。

次に、上記電荷転送電極の構造を更に変形した実施形態について説明する。

図１２は、この実施形態に係る電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の構造を説明するための撮像領域の平面図であり、Ｘ軸方向に延びた複数の電荷転送電極と、Ｙ軸方向に延びたＣＣＤチャネルｎ_Ｎ（ｎｋ＋１〜ｎｋ＋４）が示されている（但しｐ，ｋは整数）。同図の点線ＰＩＸＥＬで囲まれた領域が１つの画素に相当する。上記実施形態との相違点は、電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の形状と配置のみである。その他の構成は、開口部ＯＰの直下においてＰ型の不純物が添加され、図８、図１０又は図１１に示されるように、Ｐ型半導体領域４Ｃ’が形成されている点を除いて、上述の実施形態と同一である。また、電荷転送方向（Ｙ軸）に垂直であって開口部を通らない平面で切った画素の断面構造は図４に示したものと同一である。

電荷転送電極ｍｐ＋７は第１形状を有し、電荷転送電極ｍｐ＋８は第２形状を有し、電荷転送電極ｍｐ＋９は第３形状を有し、電荷転送電極ｐ＋４は第４形状を有している。これらの第１乃至第４形状は互いに全て異なっており、これらの４つの形状が画素毎に電荷転送方向に沿って繰り返されている。

電荷転送電極ｍｐ＋７の有する第1形状は、その一辺がＹ軸正方向に向かって周期的に台形状に凹んだ切り欠き部を有している。

電荷転送電極ｍｐ＋８の有する第２形状は、その一辺がＹ軸負方向に向かって周期的に台形状に凹んだ切り欠き部を有しているが、その周期は電荷転送電極ｍｐ＋７と同一であって、切り欠き部の最奥部の辺の長さが電荷転送電極ｍｐ＋７とは異なる。電荷転送電極ｍｐ＋７と電荷転送電極ｍｐ＋８の切り欠き部は対向して第１パターンの開口部ＯＰを形成している。

電荷転送電極ｍｐ＋９の有する第３形状は、その一辺がＹ軸正方向に向かって周期的に台形状又は三角形状に凹んだ切り欠き部を有している。電荷転送電極ｍｐ＋９においては、Ｘ軸方向の単位長当たりの切り欠き部の数は、電荷転送電極ｍｐ＋７、ｍｐ＋８の切り欠き部の数よりも多い。なお、台形状の切り欠き部と三角形状の切り欠き部はＸ軸に沿って交互に形成されている。

電荷転送電極ｍｐ＋１０の有する第４形状は、その一辺がＹ軸負方向に向かって周期的に台形状に凹んだ切り欠き部を有しているが、その周期は電荷転送電極ｍｐ＋９と同一であって、切り欠き部の最奥部の辺の長さが、電荷転送電極ｍｐ＋９における台形状の切り欠き部の最奥部の辺の長さよりも長い。これらの電荷転送電極ｍｐ＋９と電荷転送電極ｍｐ＋１０の切り欠き部は対向して第２パターンの開口部ＯＰを形成している。また、開口部ＯＰの第１パターン及び第２パターンは互いに異なっている。

このような構造の場合、電荷転送電極の形状や開口部のパターンが異なっているため、開口部ＯＰのランダム性が高く、例えば、電荷転送電極ｍｐ＋８とｍｐ＋１０が横方向にずれた場合においても、開口部面積の変動を抑制することができる。

なお、上記電荷転送電極の一般形状は、ｐを０以上の整数とした場合、ｐ＋１行目の電荷転送電極は第１形状を有し、ｐ＋２行目の電荷転送電極は第２形状を有し、ｐ＋３行目の電荷転送電極は第３形状を有し、ｐ＋４行目の電荷転送電極は第４形状を有していると表現することができる。

図１３は、別の実施形態に係る電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）の構造を説明するための撮像領域の平面図であり、Ｘ軸方向に延びた複数の電荷転送電極と、Ｙ軸方向に延びたＣＣＤチャネルｎ_Ｎ（ｎｋ＋１〜ｎｋ＋４）が示されている（但しｐ，ｋは整数）。同図の点線ＰＩＸＥＬで囲まれた領域が１つの画素に相当する。上記比較例との相違点は、Ｘ軸に沿って直線的に延びた電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）が、それぞれ複数の開口部ＯＰを有している点であり、開口部ＯＰの直下には、Ｐ型の不純物が添加され、図８、図１０又は図１１に示されるようなＰ型半導体領域４Ｃ’が開口部ＯＰの直下に形成されている。その他の構成は上述の比較例と同一である。また、電荷転送方向（Ｙ軸）に垂直であって開口部を通らない平面で切った画素の断面構造は図４に示したものと同一である。なお、各画素内の開口部ＯＰの数及び配列は互いに同一である。

このように、本実施形態の固体撮像素子では、各電荷転送電極２（ｍｐ＋１〜ｍｐ＋１７・・）内に、光透過用の複数の開口部ＯＰが形成されており、光検出に供する光の一部を、開口部ＯＰを介して外部に透過させている。これにより、開口部ＯＰにおいては電荷転送電極がないため、入射光の反射が抑制され、入射光と反射光の干渉が抑制される。したがって、エタロン現象による画像劣化が抑制され、画像品質が向上する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、半導体材料としてはＧａＡｓやＧａＮなどの化合物半導体を用いることも可能である。

以上、説明したように、上述の裏面入射型固体撮像素子は、裏面側に光入射面を有する半導体基板と、半導体基板の光入射面とは反対側の光検出面に設けられた複数の電荷転送電極とを備えた裏面入射型固体撮像素子において、電荷転送電極の隣接するもの同士の間に、光透過用の複数の開口部が形成されていることを特徴とする。

裏面入射した光は、光検出面側において検出されるが、本発明の固体撮像素子では、本来、光検出に供する光の一部を、開口部を介して外部に透過させている。これにより、開口部においては電荷転送電極がないため、反射が抑制され、入射光と反射光の干渉が抑制される。したがって、エタロン現象による画像劣化が抑制され、画像品質が向上する。

また、上記開口部は、電荷転送方向に沿って整列して配置されていることが好ましい。このように、隣接する電荷転送電極の間に形成された開口部が整列している場合、その構成が簡易であるにも拘らず、反射光が抑制される。しかしながら、この構造の場合、電荷転送電極の製造時の合わせ精度が要求され、合わせ精度が低い場合には各列毎の画素における開口部の面積が異なることとなり、画素毎の特性がばらつく等の更に改良すべき余地がある。

そこで、上記開口部は、電荷転送方向に沿って千鳥状に配置されていることが好ましい。すなわち、開口部は、互い違いに配置されている。このような千鳥状の開口部配置を採用する場合、奇数行目（ｐ＋１行目とｐ＋３行目（ｐを０以上の整数とする））の電荷転送電極は同時に形成され、偶数行目（ｐ＋２行目とｐ＋４行目）の電荷転送電極が別途同時に形成されるとすると、偶数行目の電荷転送電極が製造時に横方向にずれてｐ＋１行目とｐ＋２行目の電荷転送電極の間の開口部面積が増加した場合、ｐ＋３行目とｐ＋４行目の電荷転送電極の間の開口部面積は減少する。すなわち、この構造は合わせ精度のトレランスが高く、画素毎の透過光量は等しくなり、特性が均一化する。

また、電荷転送電極の形状及び配置に関し、ｐ＋１行目の電荷転送電極は第１形状を有し、ｐ＋２行目の電荷転送電極は第２形状を有し、ｐ＋３行目の電荷転送電極は第３形状を有し、ｐ＋４行目の電荷転送電極は第４形状を有し、第１乃至第４形状は互いに全て異なり、ｐ＋１行目とｐ＋２行目の電荷転送電極との間には第１パターンの開口部が形成され、ｐ＋３行目とｐ＋４行目の電荷転送電極との間には第２パターンの開口部が形成され、第１及び第２パターンは互いに異なっていることが好ましい。

このような構造の場合、電荷転送電極の形状や開口部のパターンが異なっているため、開口部のランダム性が高く、例えば、ｐ＋２行目とｐ＋４行目の電荷転送電極が横方向にずれた場合においても、開口部面積の変動を抑制することができる。

また、上述の裏面入射型固体撮像素子は、裏面側に光入射面を有する半導体基板と、半導体基板の光入射面とは反対側の光検出面に設けられた複数の電荷転送電極とを備えた裏面入射型固体撮像素子において、各電荷転送電極内に、光透過用の複数の開口部が形成されていることを特徴とする。

この構造の場合においても、光検出に供する光の一部を、開口部を介して外部に透過させている。これにより、開口部においては電荷転送電極がないため、反射が抑制され、入射光と反射光の干渉が抑制される。したがって、エタロン現象による画像劣化が抑制され、画像品質が向上する。

１００…裏面入射型固体撮像素子、Ｌ…入射光、１…保護膜、２…電荷転送電極、３…絶縁層、４…半導体基板、５…反射防止膜、４Ａ…Ｎ型半導体領域（層）、４Ｂ…アイソレーション領域、４Ｃ…Ｐ型半導体基板、４Ｄ…アキュムレーション層。

Claims (4)

1. 裏面入射型固体撮像素子において、
   半導体基板と、
   前記半導体基板上に隣接して設けられ、隣接するもの同士の間に形成される開口部が、電荷転送方向に沿って千鳥状に配置された電荷転送電極と、
   を備え、
   前記半導体基板は、
   第１導電型の半導体基板と、
   前記第１導電型の半導体基板上に形成された第２導電型の半導体領域と、
   を備え、
   前記第１導電型の半導体基板と前記第２導電型の半導体領域との間には、ＰＮ接合が形成され、
   前記開口部の直下の領域には、前記第１導電型の半導体基板と同一導電型の半導体領域が形成されており、ＰＮ接合が形成されていない、
   ことを特徴とする裏面入射型固体撮像素子。
2. 裏面側に光入射面を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の前記光入射面とは反対側の光検出面に設けられた複数の電荷転送電極と、
   を備えた裏面入射型固体撮像素子において、
   前記電荷転送電極の隣接するもの同士の間に、光透過用の複数の開口部が形成されており、
   前記開口部は、電荷転送方向に沿って千鳥状に配置され、
   前記半導体基板は、
   第１導電型の半導体基板と、
   前記第１導電型の半導体基板上に形成された第２導電型の半導体領域と、
   を備え、
   前記第１導電型の半導体基板と前記第２導電型の半導体領域との間にはＰＮ接合が形成され、
   前記開口部の直下の領域には、前記第１導電型の半導体基板と同一導電型の半導体領域が形成されており、ＰＮ接合が形成されていない、
   ことを特徴とする裏面入射型固体撮像素子。
3. 前記第２導電型の半導体領域上に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層上に形成された前記電荷転送電極と、
   前記電荷転送電極上に形成された保護膜と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の裏面入射型固体撮像素子。
4. 隣接する前記電荷転送電極の一部分は、スペーサとなる前記絶縁層を介して、重複しており、
   隣接する前記電荷転送電極は、それぞれが台形状に凹んだ切り欠き部を有しており、隣接する前記電荷転送電極の前記切り欠き部が対向することで、前記開口部が画成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の裏面入射型固体撮像素子。

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