JP6169856B2 - 裏面入射型エネルギー線検出素子 - Google Patents

裏面入射型エネルギー線検出素子 Download PDF

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Description

本発明は、裏面入射型エネルギー線検出素子に関する。
裏面入射型エネルギー線検出素子として、エネルギー線入射面としての第一主面と当該エネルギー線入射面に対向する第二主面とを有し、エネルギー線の入射に応じて電荷を発生する電荷発生領域が第二主面側に設けられている半導体基板を備えたものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開平１０−３３５６２４号公報
裏面入射型エネルギー線検出素子では、シリコン窒化物又はシリコン窒化酸化物を含む保護膜が半導体基板の第二主面側に配置される。シリコン窒化物又はシリコン窒化酸化物を含む保護膜は、素子を物理的に保護するだけでなく、半導体基板へ水素を供給する水素含有膜又は水素供給膜として機能する。すなわち、上記保護膜は、半導体基板へ水素を供給することにより、半導体基板の界面準位を減少させて、暗電流を低減する効果を有している。
シリコン窒化物又はシリコン窒化酸化物を含む保護膜には、その成膜時に、応力が発生する。裏面入射型エネルギー線検出素子では、発生した電荷が拡散して解像度を低下させない及び電荷の移動距離を短くして電荷を高速に読み出すといった目的から、特に、半導体基板が薄化されている。このため、裏面入射型エネルギー線検出素子は、第二主面側からエネルギー線が入射する第二主面入射型エネルギー線検出素子に比して、保護膜に発生した応力の影響を大きく受けやすい。保護膜の応力による影響の一つとして、ホワイトスポット現象が存在する。ホワイトスポット現象とは、電荷発生領域で発生した電荷に応じて得られる画像に、暗電流に起因した欠陥画素がホワイトスポットとして示される現象である。
本発明は、保護膜に発生する応力を緩和させることが可能な裏面入射型エネルギー線検出素子を提供することを目的とする。
本発明に係る裏面入射型エネルギー線検出素子は、エネルギー線入射面としての第一主面とエネルギー線入射面に対向する第二主面とを有し、エネルギー線の入射に応じて電荷を発生する電荷発生領域が第二主面側に設けられている半導体基板と、電荷発生領域を少なくとも覆うように第二主面側に設けられ、シリコン窒化物又はシリコン窒化酸化物を含む保護膜と、を備え、保護膜は、保護膜に発生する応力を緩和させる応力緩和部を有することを特徴とする。
本発明に係る裏面入射型エネルギー線検出素子では、シリコン窒化物又はシリコン窒化酸化物を含む保護膜が、電荷発生領域を少なくとも覆うように半導体基板の第二主面側に設けられているので、保護膜により、暗電流の低減及び物理的な保護を図ることができる。保護膜は、応力緩和部を有しているので、保護膜に発生する応力が緩和される。従って、本発明によれば、ホワイトスポット現象などの画像欠陥の発生が抑制された裏面入射型エネルギー線検出素子を実現することができる。
応力緩和部は、保護膜の厚み方向に窪んだ有底状又は無底状の凹部であってもよい。応力緩和部が有底状の凹部である場合、保護膜の厚みは、凹部の位置で薄くなる。応力緩和部が無底状の凹部である場合、凹部の位置では保護膜は存在しない。いずれの場合でも、比較的簡易な構成にて、保護膜に発生する応力を確実に緩和することができる。暗電流の低減及び物理的な保護の観点からは、応力緩和部は、有底状の凹部であることが好ましい。
凹部は、第二主面に平行な方向に延びる溝部であってもよい。この場合、溝部の位置で、保護膜に発生する応力が緩和される。従って、応力が集中する箇所が判明している場合、当該箇所に溝部を位置させることで、保護膜に発生する応力が集中するのを簡易に且つ確実に緩和することができる。
応力緩和部として、同一の方向に延びる複数の溝部を有していてもよい。この場合、保護膜に発生する応力をより一層緩和することができる。
電荷発生領域は、第一方向に併置された複数のエネルギー線感応領域を有し、電荷発生領域に対向するように配置され、各エネルギー線感応領域にて発生した電荷を第一方向に直交する第二方向にそれぞれ転送する電荷転送部を、更に備え、複数の溝部が、第一方向に沿う方向に延びていてもよい。この場合、第二方向において、複数の溝部による応力緩和効果が高い。電荷を転送する方向、すなわち第二方向に複数の溝部が並ぶため、複数のエネルギー線感応領域間での、暗電流低減効果のばらつきが抑制される。
電荷発生領域は、第一方向に併置された複数のエネルギー線感応領域を有し、電荷発生領域に対向するように配置され、各エネルギー線感応領域にて発生した電荷を第一方向に直交する第二方向にそれぞれ転送する電荷転送部を、更に備え、複数の溝部が、第二方向に沿う方向に延びていてもよい。この場合、第一方向において、複数の溝部による応力緩和効果が高い。
複数の溝部は、隣り合う二つのエネルギー線感応領域の間の領域に対応するように配置されていてもよい。半導体基板における、隣り合う二つのエネルギー線感応領域の間の領域では、暗電流が発生し難い。複数の溝部が、隣り合う二つのエネルギー線感応領域の間の領域に対応するように配置されることにより、暗電流低減効果を阻害することなく、保護膜に発生する応力を緩和することができる。
凹部は、格子状の溝部であってもよい。この場合、溝部が延びる方向それぞれにおいて、高い応力緩和効果を得ることができる。
応力緩和部として、二次元配列された複数の凹部を有していてもよい。この場合、複数の凹部の配列方向それぞれにおいて、高い応力緩和効果を得ることができる。
電荷発生領域は、第一方向に併置された複数のエネルギー線感応領域を有し、電荷発生領域に対向するように配置され、各エネルギー線感応領域にて発生した電荷を第一方向に直交する第二方向にそれぞれ転送する電荷転送部を、更に備え、電荷転送部は、第一方向と第二方向とに交差する方向に延び且つ互いに間隔をおいて配置された複数の配線を有し、複数の溝部が、複数の配線上に位置していてもよい。この場合、複数の配線が第一方向と第二方向とに交差する方向に延びているので、複数の溝部も第一方向と第二方向とに交差する方向に延びることとなり、第一方向と第二方向とにおいて、高い応力緩和効果を得ることができる。電荷を転送する方向、すなわち第二方向に複数の溝部が並ぶため、複数のエネルギー線感応領域間での、暗電流低減効果のばらつきが抑制される。
素子における、配線が配置された領域では、隣り合う二つの配線の間の領域に比して、暗電流が発生し難い。これは、配線が配置された領域では、配線により、水素が閉じ込められやすく、閉じ込められた水素が暗電流の低減に寄与するためと考えられる。従って、複数の溝部が、複数の配線上に位置している場合、暗電流低減効果を阻害することなく、保護膜に発生する応力を緩和することができる。複数の溝部が、複数の配線上に位置することから、配線に対する物理的な保護効果の低下は否めない。しかしながら、配線の幅は比較的狭く、これに対応する溝部の幅も比較的狭くなるため、保護膜全体における物理的な保護効果が大幅に低下することはない。
電荷発生領域は、第一方向に併置された複数のエネルギー線感応領域を有し、電荷発生領域に対向するように配置され、各エネルギー線感応領域にて発生した電荷を第一方向に直交する第二方向にそれぞれ転送する電荷転送部を、更に備え、電荷転送部は、第一方向と第二方向とに交差する方向に延び且つ互いに間隔をおいて配置された複数の配線を有し、複数の溝部が、隣り合う二つの配線の間の領域上に位置していてもよい。この場合、複数の配線が第一方向と第二方向とに交差する方向に延びているので、複数の溝部も第一方向と第二方向とに交差する方向に延びることとなり、第一方向と第二方向とにおいて、高い応力緩和効果を得ることができる。電荷を転送する方向、すなわち第二方向に複数の溝部が並ぶため、複数のエネルギー線感応領域間での、暗電流低減効果のばらつきが抑制される。複数の溝部が、隣り合う二つの配線の間の領域上に位置しているため、各配線は、保護膜により確実に保護され、配線の短絡や断線を防ぐことができる。
本発明によれば、保護膜に発生する応力を緩和させることが可能な裏面入射型エネルギー線検出素子を提供することができる。
第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子を第一主面側から見た図である。 第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子を第二主面側から見た図である。 図１及び図２のＩＩＩ―ＩＩＩ線に沿った断面構成を説明するための図である。 第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子の構成を模式的に示す図である。 補助配線及び電荷排出用配線の配置の一例を示す構成図である。 オーバーフロードレイン及び画素分離部の配置の一例を示す構成図である。 第１実施形態の変形例に係る裏面入射型エネルギー線検出素子を第二主面側から見た図である。 第２実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子を第二主面側から見た図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面構成を説明するための図である。 第３実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子を第二主面側から見た図である。 第４実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子における保護膜を示す図である。 第５実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子における保護膜を示す図である。 第６実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子における保護膜を示す図である。 第７実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子における保護膜を示す図である。 第８実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子における保護膜を示す図である。 第９実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子における保護膜を示す図である。 裏面入射型エネルギー線検出素子の断面構成を説明するための図である。
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
まず、図１〜図６を参照して、第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１の構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子を第一主面側から見た図である。図２は、第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子を第二主面側から見た図である。図３は、図１及び図２のＩＩＩ―ＩＩＩ線に沿った断面構成を説明するための図である。図４は、第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子の構成を模式的に示す図である。図５は、補助配線及び電荷排出用配線の配置の一例を示す構成図である。図６は、オーバーフロードレイン及び画素分離部の配置の一例を示す構成図である。
図１及び図３に示されるように、裏面入射型エネルギー線検出素子１は、半導体基板１１を備える。半導体基板１１はシリコンからなる基板である。半導体基板１１は、互いに対向する第一主面１１ａと第二主面１１ｂとを有している。第一主面１１ａはエネルギー線が入射するエネルギー線入射面とされる。半導体基板１１の第二主面１１ｂ側には、入射するエネルギー線に応じて電荷を発生する電荷発生領域１３が設けられている。
図３に示されるように、半導体基板１１は薄型部を有している。薄型部は、半導体基板１１の電荷発生領域１３に対向する領域を当該領域の周辺部分を残して、第一主面１１ａ側から薄化することにより成形されている。半導体基板１１は、薄型部の周囲に位置した厚い枠部を有している。薄型部の厚さは数十μｍ程度であり、枠部の厚さは数百μｍ程度である。
電荷発生領域１３の構成について説明する。電荷発生領域１３はエネルギー線感応領域１３１を有している。エネルギー線感応領域１３１は、エネルギー線の入射に感応し、エネルギー線の入射強度に応じた電荷を発生する領域である。エネルギー線感応領域１３１は第一方向に並べて配置されることにより、複数のエネルギー線感応領域１３１が併置されている。エネルギー線感応領域１３１はフォトダイオードを含んでいる。エネルギー線感応領域１３１のフォトダイオードにエネルギー線が入射されると、光電効果により電荷が発生する。
次に図４及び図５を参照して、電荷転送部１３２について説明する。裏面入射型エネルギー線検出素子１は、電荷発生領域１３に対向するように配置されている電荷転送部１３２を備える。電荷転送部１３２は、エネルギー線感応領域１３１にて発生した電荷を第一方向（図４の横方向）に直交する第二方向（図４の縦方向）にそれぞれ転送する。
本実施形態では、電荷発生領域１３に発生した電荷を転送する方式としてフルフレーム転送（ＦＦＴ）方式のＣＣＤを例として、ＦＦＴ方式のＣＣＤが電荷発生領域１３に対向するように配置されている場合を説明するが、電荷を転送する方式はＦＦＴ方式のＣＣＤに限定されない。図４においては、電荷の転送について説明するため、電荷転送のための電極又は配線等については転送電極のみを示し、補助配線及び電荷排出用配線については図示していない。
電荷転送部１３２には、第二方向を電荷の転送方向とした垂直転送チャネル６が複数列配列されている。垂直転送チャネル６は、エネルギー線感応領域１３１で生じた電荷を第二方向に転送する。垂直転送チャネル６に直交する第一方向を長手方向として、多結晶シリコンからなる複数の垂直転送電極から構成される垂直転送電極群７が形成され、垂直シフトレジスタが構成されている。
垂直転送電極群７において、複数の転送電極は、転送電極ごとに転送電圧が印加され、電荷発生領域１３と対向する位置に複数配列されている。本実施形態では、２つの異なる相の転送電圧φｖ１及びφｖ２が印加された転送電極が、それぞれ組となって、エネルギー線感応領域１３１と対向する位置に第一方向に配列されている。ここでは説明のため転送電圧を２相とするが、相の数は限定されない。これによって、第二方向への電荷の転送が行われる。
配列されたそれぞれの垂直転送チャネル６は水平転送チャネル８に接続されている。そして、垂直転送チャネル６に直交して、複数の水平転送電極からなる水平転送電極群９が形成されて、水平シフトレジスタが構成されている。
水平転送電極群９において、複数の水平転送電極は、水平転送電極ごとに転送電圧が印加され、電荷発生領域１３と対向する位置に複数配列されている。本実施形態では、２つの異なる相の転送電圧φＨ１及びφＨ２が印加された転送電極が、それぞれ組となって、エネルギー線感応領域１３１と対向する位置に第二方向に配列されている。ここでは説明のため転送電圧を２相とするが、相の数は限定されない。これによって、第一方向への電荷の転送が行われる。
次に、図５を参照して、垂直転送チャネル６及び垂直転送電極群７からなる垂直シフトレジスタの各電極及び配線からなる垂直シフトレジスタの構成について、具体的な構成例を参照して説明する。ここで、水平シフトレジスタの水平転送チャネル８、水平転送電極群９、及びそれらに付設される電荷読み取り部５等の構成については、図４に示したものと同様であり、以下では図示及び説明を省略する。
垂直転送チャネル６及び垂直転送電極群７からなる垂直シフトレジスタと、水平転送チャネル８及び水平転送電極群９からなる水平シフトレジスタとによって、電荷が転送される。電荷は電荷読出し部５まで転送される。電荷の転送は電荷転送制御部７０により制御される。電荷読出し部５は電荷増幅器などであり電荷を電圧に変換する。電荷読出し部５により時系列信号として読出される。
図５においては、説明のため、垂直転送チャネル６及び垂直転送電極群７によって区分される格子状の２次元の画素配列を、エネルギー線感応領域１３１を実線で区切って図示している。構成される２次元の画素配列は、例えば、約２０μｍ×２０μｍの画素が２次元的に、第一方向に５１２、１０２４又は２０４８列、第二方向に１２８、２５６又は５１２行配置されてもよい。各画素は、エネルギー線感応領域１３１のフォトダイオードに対応する。電極及び配線については、エネルギー線感応領域１３１の上部に設けられる垂直転送電極群７の各垂直転送電極の図示を省略するとともに、垂直転送電極の上部に設けられる補助配線１２１ｎ〜１２３ｎ（ｎは正の整数である）及び電荷排出用配線１３０ｎ（ｎは正の整数である）の各配線を、その配線パターンによって模式的に図示している。図５においては、補助配線１２１ｎ〜１２３ｎ（ｎは１〜４）及び電荷排出用配線１３０ｎ（ｎは２又は３）が示されている。
エネルギー線感応領域１３１は、第二方向に伸びる複数の垂直転送チャネル６によって、その第一方向が複数列に分割されている。図５においては、例として１６列の画素列Ｈ１〜Ｈ１６を示している。
図５に示される裏面入射型エネルギー線検出素子１は、３相の転送電圧φ１〜φ３によって第二方向の電荷転送が行われる３相駆動型に構成されている。ここでは説明のため転送電圧を３相とするが、相の数は限定されない。エネルギー線感応領域１３１は、これら３相の転送電圧φ１〜φ３が印加される３個の垂直転送電極が組となって構成された垂直転送電極群７によって、第二方向に沿って複数行に分割されている。図５においては、例として１６行の画素行Ｖ１〜Ｖ１６を示している。
以上の第一方向を区分する画素列Ｈ１〜Ｈ１６、及び第二方向を区分する画素行Ｖ１〜Ｖ１６により、図５に示すエネルギー線感応領域１３１は、２次元に配列された１６×１６個の画素を有して構成されている。
電荷転送部１３２は、補助配線１２１ｎ〜１２３ｎ、及び電荷排出用配線１３０ｎの各配線を備える。これらの配線１２１ｎ〜１２３ｎ，１３０ｎは、例えば、垂直転送電極に用いられている多結晶シリコンよりも低抵抗な材質、好ましくはアルミニウム（Ａｌ）などの金属又は金属シリサイドによって形成されている。
補助配線１２１ｎ〜１２３ｎのそれぞれは、３相の転送電圧φ１〜φ３を対応する垂直転送電極に対して補助的に供給するためのものであり、それぞれ複数の垂直転送電極に電気的に接続されて設置されている。図５においては、補助配線１２１ｎ〜１２３ｎと垂直転送電極との接続点の位置を、各補助配線上の白丸によって図示している。
これらの補助配線は、３相の転送電圧φ１〜φ３に対応する上記した３個の補助配線１２１ｎ〜１２３ｎを組とした配線パターンにより、それぞれ略第一方向に伸びる形状に形成されている。それぞれの補助配線１２１ｎ〜１２３ｎには、その左右の端部から転送電圧φ１〜φ３が供給されている。このように３相の転送電圧φ１〜φ３に対応した補助配線１２１ｎ〜１２３ｎを組とする構成により、各垂直転送電極に対して効率的に転送電圧が供給される。
図５及び図６に示される過剰電荷排出領域１２は、エネルギー線感応領域１３１に対して、第二方向に沿った所定の一辺側に、それぞれ形成されている。これにより、エネルギー線感応領域１３１で発生した過剰電荷は過剰電荷排出領域１２へ集められる。
図５に示されるように、過剰電荷排出領域１２は、下方の８行の画素行Ｖ１〜Ｖ８に含まれる１６×８個の画素に対しては、２列の画素列Ｈ１とＨ２、画素列Ｈ３とＨ４、画素列Ｈ５とＨ６、画素列Ｈ７とＨ８、画素列Ｈ９とＨ１０、画素列Ｈ１１とＨ１２、画素列Ｈ１３とＨ１４、及び画素列Ｈ１５とＨ１６のそれぞれの境界領域に、第二方向の辺に沿って連続して、それぞれ形成されている。
上方の８個の画素行Ｖ９〜Ｖ１６に含まれる１６×８個の画素に対しては、２列の画素列Ｈ２とＨ３、画素列Ｈ４とＨ５、画素列Ｈ６とＨ７、画素列Ｈ８とＨ９、画素列Ｈ１０とＨ１１、画素列Ｈ１２とＨ１３、画素列Ｈ１４とＨ１５のそれぞれの境界領域、画素列Ｈ１の左側の領域、及び画素列Ｈ１６の右側の領域に、第二方向の辺に沿って連続して、それぞれ過剰電荷排出領域１２が形成されている。
過剰電荷排出領域１２へ集められた電荷は、過剰電荷を排出するための電荷排出用配線１３０ｎにより排出される。電荷排出用配線１３０ｎは電荷転送部１３２に設けられている。電荷排出用配線１３０ｎにより、エネルギー線感応領域１３１で発生した過剰電荷を端子Ｖｏｆｄより効率的に率的に排出することができる。
よって、過剰電荷排出領域１２により、エネルギー線感応領域１３１で生じた電荷が、エネルギー線感応領域１３１の蓄積容量を超えた場合であっても、他のエネルギー線感応領域１３１へ漏れ出すブルーミング等の不都合が防止される。例えば、過剰電荷排出領域１２としてオーバーフロードレインが形成されていてもよい。
過剰電荷排出領域１２は、エネルギー線感応領域１３１での第二方向に沿った画素列に含まれる各画素に対して、第二方向に沿った一方の辺側に過剰電荷排出領域１２が形成されている画素数と、第二方向に沿った他方の辺側に過剰電荷排出領域１２が形成されている画素数とが略等しくなるように形成されていることが好ましい。
例えば、ベルトコンベア上にある物体など、一定速度で移動する物体を撮像する方法として、物体の移動速度に対応した速度で電荷発生領域に蓄積される電荷を転送しつつ、電荷の蓄積を行うＴＤＩ（Time Delay and Integration）駆動法が用いられる場合がある。ＴＤＩ駆動法に対して、画素列の一方側又は他方側に過剰電荷排出領域１２が形成されている画素数が画素列毎に略等しい場合、過剰電荷排出領域１２による不感領域を好適に補完することができる。
図５及び図６に示される画素分離部１４は、エネルギー線感応領域１３１に対して、第二方向に沿った所定の他辺側に、それぞれ形成されている。図６に示されるように、裏面入射型エネルギー線検出素子１は、画素分離部１４を有している。画素分離部１４は画素を分離する。画素分離部１４は、例えば、ＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）によって形成された酸化膜（ＳｉＯ２）である。
図５に示されるように、画素分離部１４は、下方の８行の画素行Ｖ１〜Ｖ８に含まれる１６×８個の画素に対しては、２列の画素列Ｈ２とＨ３、画素列Ｈ４とＨ５、画素列Ｈ６とＨ７、画素列Ｈ８とＨ９、画素列Ｈ１０とＨ１１、画素列Ｈ１２とＨ１３、画素列Ｈ１４とＨ１５のそれぞれの境界領域に、第二方向の辺に沿って連続して、それぞれ形成されている。
上方の８個の画素行Ｖ９〜Ｖ１６に含まれる１６×８個の画素に対しては、２列の画素列Ｈ１とＨ２、画素列Ｈ３とＨ４、画素列Ｈ５とＨ６、画素列Ｈ７とＨ８、画素列Ｈ９とＨ１０、画素列Ｈ１１とＨ１２、画素列Ｈ１３とＨ１４、及び画素列Ｈ１５とＨ１６のそれぞれの境界領域に、第二方向の辺に沿って連続して、それぞれ画素分離部１４が形成されている。画素列Ｈ１の第二方向左側の領域、及び画素列Ｈ１６の第二方向右側の領域に、画素分離部１４が形成されてもよい。
図２に示されるように、保護膜２１は半導体基板１１の第二主面１１ｂ側に電荷発生領域１３を少なくとも覆うように備えられている。本実施形態では、図２及び図３に示されるように、保護膜２１は、半導体基板１１の第二主面１１ｂ側全体を覆うように備えられている。保護膜２１は、シリコン窒化物又はシリコン窒化酸化物を含む部材で形成されている。保護膜２１の厚さは数μｍ程度である。保護膜２１は、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成されてもよい。
図２及び図３に示されるように、保護膜２１は厚み方向に窪んだ溝部２３を有している。本実施形態では溝部２３が応力緩和部として機能する場合を説明する。保護膜２１は保護膜２１の厚み方向に対して略垂直な方向に底面２３ａを有している。保護膜２１は保護膜２１の厚み方向に対して略平行な方向に内側面２３ｂを有している。底面２３ａと内側面２３ｂとにより保護膜２１内に溝部２３が形成される。
第二主面１１ｂに接する保護膜２１の面に対向する面と第二主面１１ｂとの厚みを第１の厚みとする。第二主面１１ｂと底面２３ａとの厚みを第２の厚みとする。第１の厚みは第２の厚みに比べて厚い。第２の厚みは、電荷発生領域１３に対向する範囲において、一方の端から他方の端まで均一でなくてよい。
保護膜２１の溝部２３が延伸する方向に対して直交する方向の断面は、底面２３ａと内側面２３ｂとで構成される矩形状である。保護膜２１の溝部２３が延伸する方向に対して直交する方向の断面形状は、矩形状に限らず、例えば、多角形状、円形状を呈してもよい。
第１実施形態では、図２に示されるように溝部２３は第一方向に位置している。溝部２３の一方の端と他方の端とは電荷発生領域１３と対向する領域内に位置している。溝部２３は第二方向の略中心に位置している。溝部２３は第二主面１１ｂに平行な方向に延びている。
応力は保護膜２１の略中央に集中すると考えられる。溝部２３が保護膜２１の略中央に位置することにより、保護膜２１の略中央に集中する応力が緩和される。
応力は保護膜２１において、電荷排出領域１２の端と画素分離部１４の端とが対向する領域が向き合う領域に集中すると考えられる。溝部２３が電荷排出領域１２の端と画素分離部１４の端とが対向する領域と向き合って位置することにより保護膜２１に集中する応力が緩和される。
本実施形態では、電荷排出領域１２の端と画素分離部１４の端とが対向する領域が、保護膜２１の略中央と向き合って位置する。溝部２３が保護膜２１の略中央に位置し、電荷発生領域１３の画素配列の画素行に沿った方向に延びることにより、保護膜２１に集中する応力が簡易に且つ確実に緩和される。
例えば、画素数が上述した１６×１６画素の場合、保護膜には画素行Ｖ８と画素行Ｖ９との間の領域と対向する位置に応力集中すると考えられる。溝部２３が、画素行Ｖ８とＶ９との間の領域と対向するように保護膜２１に位置することにより、保護膜２１に集中する応力が簡易に且つ確実に緩和される。
このように、保護膜２１に生じる応力がする箇所が判明している場合、応力が集中する領域に、溝部２３が位置することにより、保護膜２１の応力を簡易に且つ確実に緩和することができる。
以上、第１実施形態によれば、保護膜２１により暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、溝部２３により保護膜２１に発生する応力を緩和することができる。
（第２実施形態）
図８及び図９を参照して、第２実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子について説明する。第２実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１は、保護膜２１を除いて第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１と同様である。以下、第１実施形態との重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。
図８は、第２実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子を第二主面１１ｂ側から見た図である。図９のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面構成を説明するための図である。
図８及び図９に示されるように、保護膜２１は、同一の方向に延びる複数の溝部２３を有していている。保護膜２１は、電荷発生領域１３に対向する位置に複数の溝部２３を有していている。保護膜２１は第１の厚みと第２の厚みとを、周期的に有している。保護膜２１が第１の厚みと第２の厚みとを周期的に有する際の第１の厚みと第２の厚みとの間隔は同一の間隔が繰り返されていてもよく、異なる間隔が繰り返されていてもよい。
第２実施形態では、図９に示されるように保護膜２１は、第一方向に延びる複数の溝部２３を有している。複数の溝部２３は、画素配列の画素行に対して平行な方向に延びている。このため、第二方向において複数の溝部２３による応力緩和効果が得られる。電荷を転送する方向に複数の溝部２３が並ぶため、複数のエネルギー線感応領域１３１間での、暗電流の低減効果のばらつきが抑制される。よって、保護膜２１が第一方向に延びる複数の溝部２３を有することにより、保護膜２１の応力が簡易に且つ確実により一層緩和される。
以上、第２実施形態によれば、保護膜２１により暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、複数の溝部２３により保護膜２１に発生する応力をより一層緩和することができる。
本実施形態における保護膜２１の構成は、電荷が転送されつつ蓄積されるＴＤＩ駆動法などの撮像方法を用いる半導体素子において好適に採用されてもよい。
（第３実施形態）
図１０を参照して、第３実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子について説明する。第３実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１は、保護膜２１を除いて第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１と同様である。以下、第１実施形態との重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。
図１０は、第３実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１を第二主面１１ｂ側から見た図である。
図１０に示されるように、保護膜２１は、同一の方向に延びる複数の溝部２３を有していている。保護膜２１は、電荷発生領域１３に対向する位置に複数の溝部２３を有していている。
複数の溝部２３は第二方向に延びている。図１０に示されるように、複数の溝部２３は、隣り合う２つのエネルギー線感応領域１３１の間の領域に対向するように配置されている。複数の溝部２３は、過剰電荷排出領域１２又は画素分離部１４に対向するように配置される。本実施形態では、複数の溝部２３は、画素配列の画素列に対して平行な方向、即ち第二方向に延びている。このため、第一方向において複数の溝部２３による応力緩和効果が得られる。
更に、溝部２３が過剰電荷排出領域１２又は画素分離部１４に対向する位置に配置するため、エネルギー線感応領域１３１と対向する保護膜２１の厚みは第１の厚みであり、過剰電荷排出領域１２又は画素分離部１４と対向する保護膜２１の厚みは第２の厚みである。このため、保護膜２１により暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、複数の溝部２３により保護膜２１に発生する応力をより一層緩和することができる。
以上、第３実施形態によれば、保護膜２１により暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、溝部２３により保護膜に発生する応力を緩和することができる。
（第４実施形態）
図１１を参照して、第４実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子について説明する。第４実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１は、保護膜２１を除いて第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１と同様である。以下、第１実施形態との重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。
図１１は、第４実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１における保護膜２１を示す部分拡大図である。
第４実施形態では、図１１に示されるように保護膜２１は、電荷が転送される第二方向と第一方向とに対称になるように溝部２３を有している。さらに、第４実施形態では、９０°回転させた場合でも、保護膜２１は第１の厚みと第２の厚みとを略同一の位置に有する。
図１１に示されるように、保護膜２１は、第一方向と第二方向とに延びる複数の溝部２３を有している。本実施形態では、保護膜２１は格子状の溝部２３を有している。複数の溝部２３は画素配列の画素列に対して平行な方向と、画素配列の画素行に対して平行な方向とに延びている。即ち、複数の溝部２３は格子状（碁盤格子状）に延びている。
このため、複数の溝部２３により、溝部２３が延びる方向それぞれにおいて、高い応力緩和効果を得ることができる。よって、保護膜２１が複数の溝部２３を有することにより、保護膜２１の応力が簡易に且つ確実により一層緩和される。
以上、第４実施形態によれば、保護膜２１により暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、溝部２３により、溝部２３が延びる方向それぞれにおいて、保護膜２１に発生する応力を緩和することができる。
（第５実施形態）
図１２を参照して、第５実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子について説明する。第５実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１では、保護膜２１を除いて第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子と同様である。以下、第１実施形態との重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。
図１２は、第５実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子における保護膜２１を示す部分拡大図である。
第５実施形態では、図１２に示されるように保護膜２１は二次元配列された複数の凹部２４を有している。保護膜２１は、第一方向と第二方向とに並べられた凹部２４を有している。保護膜２１は電荷が転送される第二方向と第一方向とに略等しい間隔に凹部２４を有している。
保護膜２１は厚み方向に窪んだ凹部２４を有している。保護膜２１は保護膜２１の厚み方向に対して略垂直な方向に底面２４ａを有している。保護膜２１は保護膜２１の厚み方向に対して略平行な方向に内側面２４ｂを有している。底面２４ａと内側面２４ｂとにより保護膜２１内に凹部２４が形成される。本実施形態では、第二主面１１ｂと底面２４ａとの厚みを第２の厚みとする。第１の厚みは第２の厚みに比べて厚い。
保護膜２１の厚み方向に対して直交する方向の断面は、底面２４ａと内側面２４ｂとで構成される矩形状である。保護膜２１の厚み方向に対して直交する方向の断面は、底面２４ａと内側面２４ｂとで構成される矩形状である。矩形状に限らず、例えば、多角形状、楕円形状、円形状を呈してもよい。
凹部２４は、エネルギー線感応領域１３１の各画素に対して底面２４ａの面積が略等しくてもよい。この場合、暗電流の低減効果を等しくなる。
このため、複数の凹部２４により、凹部２４が配置される方向それぞれにおいて、高い応力緩和効果を得ることができる。
以上、第５実施形態によれば、保護膜２１により暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、保護膜２１が複数の凹部２４を有することにより、保護膜２１の応力が簡易に且つ確実により一層緩和される。
（第６実施形態）
図１３を参照して、第６実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子について説明する。第６実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１では、保護膜２１を除いて第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子と同様である。以下、第１実施形態との重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。
図１３は、第６実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１における保護膜２１を示す部分拡大図である。
図１３に示されるように、保護膜２１は二次元配列された複数の凹部２４を有している。本実施形態では、第一方向と第二方向とに並べられた凹部２４を有しており、保護膜２１の少なくとも一部は、第二主面１１ｂと平行な断面の断面形状が略円形状を呈している。この断面形状は略楕円形状であってもよい。この断面形状が略円形状の場合、当該断面形状が多角形状である場合に比べ、より応力の集中が回避される。このため、凹部２４が配置される方向それぞれにおいて、高い応力緩和効果を得ることができる。
以上、第６実施形態によれば、保護膜２１により暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、保護膜２１が凹部２４を有することにより、保護膜２１の応力が簡易に且つ確実により一層緩和される。保護膜２１に対して平行な断面の凹部２４の断面形状が多角形状である場合に比べ、より応力を緩和することができる。
（第７実施形態）
図１４を参照して、第７実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子について説明する。第７実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１では、保護膜２１を除いて第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１と同様である。以下、第１実施形態との重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。
図１４は、第７実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１における保護膜２１を示す部分拡大図である。
図１４に示されるように、保護膜２１は二次元配列された複数の凹部２４を有している。保護膜２１は電荷発生領域１３の画素に対向する位置に凹部２４を有している。保護膜２１は凹部２４を碁盤の目状等の二次元配列に複数有している。本実施形態では、凹部２４の底面２４ａ、即ち、第二主面１１ｂと平行な断面の断面形状は円形状を呈している。上記断面形状又は底面２４ａの形状は楕円形状を呈してもよい。この断面形状が略円形状の場合、当該断面形状が多角形状である場合に比べ、より応力の集中が回避される。このため、凹部２４が配置される方向それぞれにおいて、高い応力緩和効果を得ることができる。
以上、第７実施形態によれば、保護膜２１により暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、保護膜２１が凹部２４を有することにより、保護膜２１の応力が簡易に且つ確実により一層緩和される。保護膜２１に対して平行な断面の凹部２４の断面形状が多角形状である場合に比べ、より応力を緩和することができる。
（第８実施形態）
図１５を参照して、第８実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子について説明する。第８実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１では、保護膜２１を除いて第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１と同様である。以下、第１実施形態との重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。
図１５は、第８実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１における保護膜２１を示す部分拡大図である。
図１５に示されるように、保護膜２１は、複数の溝部２３を有している。本実施形態では、複数の溝部２３は電荷発生領域１３の補助配線１２１ｎ〜１２３ｎ上に位置している。補助配線１２１ｎ〜１２３ｎは、第一方向と第二方向とに交差する方向に延びているため、複数の溝部２３も第一方向と第二方向とに交差する方向に延びている。このため、第一方向と第二方向とにおいて保護膜２１に発生する応力を緩和することができる。更に、電荷を転送する方向、すなわち第二方向に複数の溝部が並ぶため、複数のエネルギー線感応領域間での、暗電流低減効果のばらつきが抑制される。
補助配線１２１ｎ〜１２３ｎが配置された領域では、配線により水素が閉じ込められやすく、閉じ込められた水素が暗電流の低減に寄与するため、隣り合う二つの配線の間の領域に比べ、暗電流が発生し難い。このため、暗電流低減効果を阻害することなく、保護膜２１に発生する応力を緩和することができる。
以上、第８実施形態によれば、保護膜２１により暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、保護膜２１が複数の溝部２３を有することにより、保護膜２１の応力が簡易に且つ確実により一層緩和される。
（第９実施形態）
図１６を参照して、第９実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子について説明する。第９実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１では、保護膜２１を除いて第１実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子と同様である。以下、第１実施形態との重複説明は省略し、相違点を中心に説明する。
図１６は、第９実施形態に係る裏面入射型エネルギー線検出素子１における保護膜２１を示す部分拡大図である。
図１６に示されるように、保護膜２１は、複数の溝部２３を有している。本実施形態では、複数の溝部２３は、電荷発生領域１３の補助配線１２１ｎ〜１２３ｎの隣り合う二つの配線の間の領域上に位置している。隣り合う二つの配線の間の領域は、例えば、図４における１２１ｎと１２２ｎとの間の領域である。補助配線１２１ｎ〜１２３ｎは、第一方向と第二方向とに交差する方向に延びているため、複数の溝部２３も第一方向と第二方向とに交差する方向に延びている。このため、第一方向と第二方向とにおいて保護膜２１に発生する応力を緩和することができる。更に、電荷を転送する方向、すなわち第二方向に複数の溝部が並ぶため、複数のエネルギー線感応領域間での、暗電流低減効果のばらつきが抑制される。
以上、第９実施形態によれば、保護膜２１により暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、保護膜２１が複数の溝部２３を有することにより、保護膜２１の応力が簡易に且つ確実により一層緩和される。更に、電荷転送部１３２の配線が保護膜２１により確実に保護されるため、配線の短絡や断線を防ぐことができ、歩留まりが改善し、製品の品質が向上する。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様で実施し得る。
上述した第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第８実施形態、及び第９実施形態では、溝部２３が応力緩和部として機能する例を示したが、溝部２３の代わりに凹部を応力緩和部として適用できる。例えば、図７に示されるように、第１実施形態における応力緩和部として溝部２３の代わりに凹部２４を適用してもよい。この場合、保護膜２１は少なくとも１以上の凹部２４を有することにより、暗電流の低減及び物理的な保護を図りつつ、凹部２４により保護膜２１に発生する応力を緩和することができる。
上述した第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第８実施形態、及び第９実施形態では、複数の溝部２３が応力緩和部として機能する例を示したが、保護膜２１が有する複数の溝部２３の第１の厚みは、溝部２３ごとに異なってもよい。
上述した第５実施形態、第６実施形態、及び第７実施形態では、複数の凹部２４が応力緩和部として機能する例を示したが、保護膜２１が有する複数の凹部２４の第１の厚みは、凹部２４ごとに異なってもよい。
上述した第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、及び第４実施形態では、応力緩和部として溝部２３又は凹部２４は、電荷発生領域１３に対向する保護膜２１上に位置している。しかし、溝部２３又は凹部２４の位置は、電荷発生領域１３に対向する保護膜２１上に限定されない。例えば、溝部２３又は凹部２４は、保護膜２１全体に位置してもよい。
上述した実施形態では、保護膜２１が溝部２３及び凹部２４の何れか一方を有している場合を説明したが、保護膜２１は応力緩和部として溝部２３又は凹部２４を有してもよい。この場合、保護膜２１は溝部２３を有していない保護膜２１に領域に凹部２４を有してもよい。
上述した実施形態では、底面２３ａを有する溝部２３、又は底面２４ａを有する凹部２４が応力緩和部として機能する例を示したが、溝部２３は底面２３ａを有していなくてもよく、凹部２４は底面２４ａを有していなくてもよい。即ち、溝部２３は厚み方向に窪んだ無底状の溝部であってもよく、凹部２４は厚み方向に窪んだ無底状の凹部であってもよい。図１７に示されるように、保護膜２１が溝部２５を有する場合であっても、溝部２５は応力緩和部として機能する。従って、溝部が有底状の溝部である場合であっても、無底状の溝部である場合であっても、比較的簡易な構成にて、保護膜に発生する応力を確実に緩和することができる。暗電流の低減及び物理的な保護の観点からは、応力緩和部は、有底状の溝部であることが好ましい。
上述した実施形態において、画素に対する溝部２３，２５又は凹部２４の面積が画素間で略等しくてもよい。この場合、暗電流の低減効果がエネルギー線感応領域１３１に対して略均一となるため、暗電流の低減効果のばらつきがより一層生じにくくなる。例えば、第１実施形態において、底面２３ａの面積の和が画素間において略等しい場合、画素間での暗電流の低減効果が対して略均一となるため、暗電流の低減効果のばらつきがより一層生じにくくなる。
上述した実施形態では、電荷発生領域１３に発生した電荷を転送する方式として、フルフレーム転送（ＦＦＴ）方式のＣＣＤを例に説明したが、電荷発生領域１３に発生した電荷を転送する方式は、例えば、フレーム転送（ＦＴ）方式やインターライン（ＩＴ）方式などの他の形態のＣＣＤであってもよい。ＦＴ方式のＣＣＤの場合には、垂直シフトレジスタは上下２つの領域に分割されて、それぞれ電荷発生領域（上の領域）及び蓄積部（下の領域）が形成される。電荷発生領域１３に発生した電荷を転送する方式は、ＣＣＤに限定されない。
１…裏面入射型エネルギー線検出素子、１１…半導体基板、１１ａ…第一主面、１１ｂ…第二主面、１３…電荷発生領域、２１…保護膜、２３…溝部（応力緩和部）、２４…凹部（応力緩和部）、１２１ｎ-１２３ｎ，１３０…配線、１３１…エネルギー線感応領域、１３２…電荷転送部。

Claims (10)

  1. エネルギー線入射面としての第一主面と前記第一主面に対向する第二主面とを有し、エネルギー線の入射に応じて電荷を発生する電荷発生領域が前記第二主面側に設けられている半導体基板と、
    前記電荷発生領域を少なくとも覆うように前記第二主面側に設けられ、シリコン窒化物又はシリコン窒化酸化物を含む保護膜と、を備え、
    前記電荷発生領域では、画素が二次元配列されており、
    前記保護膜は、前記保護膜に発生する応力を緩和させる応力緩和部を有し、
    前記応力緩和部は、前記保護膜の厚み方向に窪んだ有底状又は無底状の凹部であることを特徴とする裏面入射型エネルギー線検出素子。
  2. 前記凹部は、前記第二主面に平行な方向に延びる溝部であることを特徴とする請求項１に記載の裏面入射型エネルギー線検出素子。
  3. 前記応力緩和部として、同一の方向に延びる複数の前記溝部を有することを特徴とする請求項２に記載の裏面入射型エネルギー線検出素子。
  4. 前記電荷発生領域は、第一方向に併置された複数のエネルギー線感応領域を有し、
    前記電荷発生領域に対向するように配置され、各前記エネルギー線感応領域にて発生した電荷を前記第一方向に直交する第二方向にそれぞれ転送する電荷転送部を、更に備え、
    前記複数の溝部が、前記第一方向に沿う方向に延びていることを特徴とする請求項３に記載の裏面入射型エネルギー線検出素子。
  5. 前記電荷発生領域は、第一方向に併置された複数のエネルギー線感応領域を有し、
    前記電荷発生領域に対向するように配置され、各前記エネルギー線感応領域にて発生した電荷を前記第一方向に直交する第二方向にそれぞれ転送する電荷転送部を、更に備え、
    前記複数の溝部が、前記第二方向に沿う方向に延びていることを特徴とする請求項３に記載の裏面入射型エネルギー線検出素子。
  6. 前記複数の溝部は、隣り合う二つの前記エネルギー線感応領域の間の領域に対応するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の裏面入射型エネルギー線検出素子。
  7. 前記凹部は、格子状の溝部であることを特徴とする請求項１に記載の裏面入射型エネルギー線検出素子。
  8. 前記応力緩和部として、二次元配列された複数の前記凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の裏面入射型エネルギー線検出素子。
  9. 前記電荷発生領域は、第一方向に併置された複数のエネルギー線感応領域を有し、
    前記電荷発生領域に対向するように配置され、各前記エネルギー線感応領域にて発生した電荷を前記第一方向に直交する第二方向にそれぞれ転送する電荷転送部を、更に備え、
    前記電荷転送部は、前記第一方向と前記第二方向とに交差する方向に延び且つ互いに間隔をおいて配置された複数の配線を有し、
    前記複数の溝部が、前記複数の配線上に位置していることを特徴とする請求項３に記載の裏面入射型エネルギー線検出素子。
  10. 前記電荷発生領域は、第一方向に併置された複数のエネルギー線感応領域を有し、
    前記電荷発生領域に対向するように配置され、各前記エネルギー線感応領域にて発生した電荷を前記第一方向に直交する第二方向にそれぞれ転送する電荷転送部を、更に備え、
    前記電荷転送部は、前記第一方向と前記第二方向とに交差する方向に延び且つ互いに間隔をおいて配置された複数の配線を有し、
    前記複数の溝部が、隣り合う二つの前記配線の間の領域上に位置していることを特徴とする請求項３に記載の裏面入射型エネルギー線検出素子。
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