JPH03109769A - 固体撮像装置の単位画素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、固体撮像装置の単位画素に関するものである
。

［従来の技術］ 近年、半導体素子製作技術は目ざましい発展を成しとげ
、今日、半導体基板材料としてＳｔを用し）たＩＣ（Ｉ
ｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ）は、電気信号の
処理手段、エネルギー変換手段、あるいは物理量の検知
手段等として、幅広い応用がなされるに至った。

上述の５ｔ−ＩＣを、光エネルギーから電気エネルギー
へエネルギー変換する光電変換素子として使用した例と
しては、可視光イメージセンサのような固体撮像装置が
挙げられ、ホームビデオカメラ等の主要な構成要素とな
っている。

さて、上述した５ｉ−ＩＣは、価電子帯と伝導帯のバン
ドギャップエネルギーが約１．１ｅＶのＳｉ半導体基板
を用いて製作されるため、このバンドギャップ間の電子
励起を利用して光エネルギーを光電変換しようとした場
合は、入射フォトンのエネルギーは約１．１ｅＶ以上で
なければならない。即ち、入射光の波長に換算すると、
波長約１．１μｍ以下の光は容易に光電変換できること
になる。

ところで、最近、可視画像を映像化するビデオカメラと
同様に、赤外線画像を映像化する赤外線撮像装置なるも
のが、防衛・宇宙・民生などの幅広い分野で応用されよ
うとしている。かかる赤外線撮像装置としては、常温付
近の温度をもつ物体から放射され、かつ、大気分子によ
って吸収されにくい波長域（例えば３〜５μｍ、８〜１
２μｍ）のフォトンエネルギーの小さい光を検出して、
映像化できる性能を有するものが要求されている。

しかし、上述した３〜５μｍ、８〜１２μｍ程度の波長
域の光のフォトンエネルギーは、約０．０９〜０．４ｅ
Ｖに相当し、Ｓｔ半導体のバンドギャップエネルギー（
１，１ｅＶ　）より小さいため、このバンドギャップ間
で電子を励起することはできず、５ｉ−ＩＣを用いて光
電変換することはできない。

そこで、このようなフォトンエネルギーの小さい光を光
電変換する素子としては、例えば、混晶比Ｘを変えるこ
とによりバンドギャップエネルギーを約０〜１．６ｅＶ
の間で任意に設定可能な１１ｇ１□ＣｄＸＴｅや、バン
ドギャップエネルギーが約０．２ｅＶであるＩｎＳｂな
どの半導体基板を利用したものが製作されてきた。

上記のＨｇ＋−＋Ｌ：ｄ）（ＴｅやＩｎＳｂ基板を用い
た光電変換素子は、ポイントセンサとしては、その感度
がほぼ理論限界値に近い極めて優秀な性能を有するもの
が得られてはいるが、エリアイメージセンサとしては、
素子製作技術が充分発達していない等の理由により、可
視光イメージセンサのような画素数の多い、言い換えれ
ば空間分解能の高いものは得られていない。

一方、フォトンエネルギーの小さい光を光電変換する素
子の別の例としては、半導体と金属とをショットキー接
触させた時に生ずるショットキーバリアを利用して光電
変換を行うショットキー型の光電変換素子なるものがあ
る。ショットキー型の光電変換素子では、ショットキー
バリア以上のエネルギーをもつフォトンの一部が光電変
換される。例えば、半導体材料としてＳｉ、金属として
ＰｔＳｉを用いた場合のショットキーバリアは約０．２
３ｅＶとなるため、フォトンエネルギーとして０．２３
ｅＶ以上のエネルギーを持つ光、すなわち波長に換算す
れば、約５．４μＩより短波長の光を光電変換すること
ができる。

上記ショットキー型光電変換素子は、前に述べたＨｇ＋
−ｘＣｄｘＴｅやＩｎＳｂとい）た半導体材料のバンド
ギャップ間での電子励起により光電変換を行う素子に比
べると、単位面積あたりの感度は１７１００程度と劣る
ものの、５１基板上に光電変換領域を形成できるため、
高度に発達した５ｔ−ｒｃ製造技術を利用することによ
って、画素数の多い、言い換えれば空間分解能の高いエ
リアイメージセンサを比較的容易に製作することができ
る。

以下、図面を用いて、ショットキー型の光電変換素子を
用いた従来の固体撮像装置の単位画素について説明を行
う。

第７図は、従来の固体撮像装置の平面的な模式図を示し
たものである。図において、５１はショットキー型の光
電変換素子からなる受光部、５２は受光部で発生した電
荷を読み出す信号読出部、５３は出力アンプである。５
４は単位画素であり、固体撮像装置においては、単位画
素５４が平面的に複数個配置されてなる。

次に、上記単位画素について更に詳しく説明を行なう。

第６図は、従来の固体撮像装置の単位画素の断面図を示
したものである。図において、４１はＰ型Ｓｉ基板、４
２はＳｉ基板表面に金属を蒸着して形成されたシリサイ
ド層（ＰｔＳｉ層）であり、４１と４２が接する矢印４
ａの領域が光電変換領域となっている。

一方、４３は埋め込みチャネル型電荷結合素子（Ｂｕｒ
ｉｅｄ−ｃｈａｎｎｅｌ　Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅ
ｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　、以下ｒＢｃｃＤ、と略す）のｎ型
拡散層、４４は絶縁層４８（後述）を介してｎ型拡散層
４３と対向するように設けられたＣＣＤ転送電極であり
、矢印４ｂの領域が光電変換領域４ａで発生した電荷を
読み出すためのＣＣＯ信号読出領域である。上記の光電
変換領域４ａとＣＣＯ信号読出領域４ｂは、図に示され
るようにＳｉ基板の同じ側の面４ｘに設けられている。

又、シリサイド層４２のエツジ部分には、ｎ型ガードリ
ング４５及び光電変換された電荷を信号読出領域４ｂに
移すためのｎ＋トランスファー拡散層４６とが設けられ
ており、Ｓｉ基板の面４ｘと反対側の面４ｙ（以下、面
４ｙ側を背面という）には、反射防止膜４７が形成され
ている。

さて、第６図に示した断面図において、入射光は、Ｐ型
Ｓｔ基板４１の背面４ｙ側から矢印４０で示されるよう
に入射し、反射防止膜４７を透過して、さらにＰ型Ｓｔ
基板４１をも透過する。そして、入射光のうち、矢印４
０ａの範囲から入射した光のみが、光電変換領域４ａに
到達する。

しかし、Ｓｉ基板４１とシリサイド層４２からなるショ
ットキー型の光電変換素子においては、通常、シリサイ
ド層４２の膜厚は１００Å以下と非常に薄いため、入射
光を完全に吸収することはできず、一部の入射光は光電
変換領域４ａで光電変換されずにそのままシリサイド層
４２を透過してしまう。このため、図に示される如く、
シリサイド層４２の上に絶縁層４８を設け、更にその上
に反射膜４９を設けて、シリサイド層４２を透過した光
を矢印４０ｃで示すように反射させ、再びシリサイド層
４２へ導くことにより、入射光を効率良く光電変換させ
るようになされている。

ところで、上記のようなシリサイド層４２上に絶縁層４
８を介して反射膜４９を設ける受光部の構造は、文献１
　（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ　ｖｏｌ、ＨＤ−３２，ｎ
ｏ、８．１９８５年８月号９１）１５６４〜１５７３．
Ｗ、Ｆ、Ｋｏｓｏｎｏｃｋｙら著）の１５６９ページに
示されており、この文献においては、シリサイド層４２
上の絶縁層４８の厚さは６０００人〜８０００人が最適
であるとされている。

一方、ＣＯＤ信号読出領域４ｂ上のＣＣＯ転送電極４４
を含む絶縁層４８の厚さ（矢印４８ｂ）については、Ｃ
ＣＵ信号読出部の電気特性を充分確保しようとすると、
約１００００Å以上（シリサイド層４２上の絶縁層の厚
さ４８ａより大）にする必要がある。

従って、従来の画素構造における絶縁層４８は、第６図
の断面図に示されるように、受光部で凹形となり、反射
膜４９のエツジ部４９ａは、中心部に対して持ち上がっ
た形となっていた。即ち、従来は、反射膜４９がＳｉ基
板の背面から見た場合に凸面鏡となっていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記のような従来の固体撮像装置の単位画素に
おいては、第６図の４０ｂの範囲に入射した光は、ちょ
うど反射膜４９のエツジ部分４９ａにて反射されて矢印
４０ｄのように進行する。

そして、さらに半導体基板４１の背面４ｙにて再び反射
され、矢印４０ｅのように進行し、しまいには、別の画
素の光電変換領域に到達して光電変換されるということ
が起こるため、いわゆるスミア現象が発生し、得られる
画像が著しく劣化してしまうという問題点があった。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ス
ミアの発生を防止して鮮明な画像を得ることのできる固
体撮像装置の単位画素を提供することを目的とするもの
である。

［課題を解決するための手段］ 本発明による固体撮像装置の単位画素は、半導体基板の
同一面にそれぞれ形成された受光部と、該受光部で発生
した電荷を読み出すための信号読出部とからなり、前記
受光部が、前記基板の背面から入射した光を受光して電
荷を発生する光電変換領域と、その上に形成された絶縁
層と、更にその上に形成された反射膜とからなる単位画
素であって、上記の課題を達成するために、前記反射膜
が、前記半導体基板の背面から見た場合に、平面鏡又は
凹面鏡となるように形成したものである。

［作　用］ 本発明によれば、受光部の絶縁層の厚さが、周囲（信号
読出部）の絶縁層の厚さに比べてほぼ等しいか又は厚く
、受光部の絶縁層上に設けられる反射膜が半導体基板の
背面から見た場合に凹面鏡又は平面鏡となるように形成
されるので、反射膜に到達した入射光が、光電変換領域
の外側に向けて反射されることがない。即ち、ある画素
に入射した光の一部が、別の画素の光電変換領域に到達
するということがないので、スミアの発生が防止される
。

また、反射膜を凹面鏡とした場合には、反射膜のエツジ
部に到達した入射光が外側へ反射されることがないばか
りでなく、逆に内側へ反射されることになるので、反射
光は確実に対応する光電変換領域に到達する。そのため
、スミア現象が防止されるだけでなく、受光部の面積を
大きくすることなく、従来に比べてより多くの入射光な
光電変換することが可能となる。

固体撮像装置においては、ある一定の単位画素面積の中
に受光部と信号読出部とが同一平面上に配置されるため
、単位画素の面積に対する受光部の面積の割合（以下、
「開口率」という）はおのずと制限され、実際に受光部
の面積を拡大することは困難であるが、本発明において
受光部の反射膜を凹面鏡とすれば、見かけの開口率を向
上させて、感度を向上させることができる。

更に、入射光のシリサイド層における吸収効率を高める
ためには、受光部の絶縁層の膜厚を以下に説明するよう
に設定すれば良い。

第３図は、説明のため受光部の構造を模式的に示した断
面図である。図において、半導体基板３１の一方の面に
シリサイド層３２が形成され、その上に絶縁層３８．更
にその上に反射膜３９が積層されており、半導体基板３
１の背面には反射防止膜３７が設けられている。

このような受光部において、矢印３０の方向から入射し
た光を効率良くシリサイド層３２で吸収させるために最
適な絶縁層３８の膜厚は、光学的干渉効果を考慮するこ
とにより、近似的に導くことができる。即ち、シリサイ
ド層３２は絶縁層３８に比べてその膜厚は極めて薄いた
め、３ａと３ｂの光が干渉により互いに弱め合う条件求
めて近似的な解とすることができる。

３ａと３ｂの光が弱め合う条件は、 １ （但し、ｄは絶縁層３８の膜厚、えは入射光の波長、ｎ
は絶縁層３８の屈折率１ｍは整数。）であり、絶縁層３
８の膜厚を上記（１）式を満たすように設定すれば、高
い吸収効率を確保することができる。

［実施例］ 第１図は、本発明の第１実施例による固体撮像装置の単
位画素の断面図である。

図において、Ｐ型Ｓｔ基板１１の一方の面１ｘには、Ｐ
ｔＳｉ層１２（シリサイド層）が形成されており、Ｓｉ
基板１１とｐｔｓｉ層１２が接する矢印１ａの領域が光
電変換領域となっている。ＰｔＳｉ［１２上には絶縁層
１８．更にＡＩからなる反射膜が１９が積層されており
（後述）　、ＰｔＳｉ層１２．絶縁層１８、反射膜１９
によって受光部が構成されている。

一方、この受光部と同一面側の隣り合う区域には、ＢＣ
ＣＤのｎ型拡散層１３．絶縁層１８（後述）ＣＣＤ転送
電極１４からなる信号読出部が設けられており、矢印１
ｂの領域が光電変換領域１ａで発生した電荷を読み出す
ための信号読み出し領域となっている。

又、ＰｔＳｉ層１２のエツジ部分には、ｎ型ガードリン
グ１５及び光電変換された電荷を信号読出領域１ｂに移
す°ためのｎ　＋　）ランスファー拡散層１６とが設け
られており、Ｓｌ基板の背面１ｙには、反射防止膜１７
が形成されている。

本実例においては、受光部の絶縁層１８の膜厚（矢印１
８ａ）は、信号読出部のＣＣＯ電極１４を含む絶縁層１
８の膜厚（矢印ｔａｂ）より厚くなっており、絶縁層１
８の形状は受光部において凸形となっている。そして、
凸形の受光部の絶縁層１８上に設けられた反射膜１９は
Ｓｌ基板の背面１ｙから見た場合に凹面鏡となっている
。

このような構造の単位画素において、１０ａの範囲から
の入射光は、従来と同様に、反射防止膜１７、Ｓｌ基板
１１を透過して（もしくはＰｔＳｉ層１２も透過した後
反射膜１９で反射されて）光電変換領域１ａに到達し、
ここで光電変換される。

そして、本実施例では、上述したように反射膜１９が入
射光に対して凹面鏡となっているので、ｔａｂの領域か
らの入射光も、反射膜１９のエツジ部で矢印１８ｃで示
すように内側に向けて反射されて光電変換領域１ａに到
達する；即ち、従来のように反射膜１９のエツジ部で反
射された入射光が別の画素の光電変換領域に入射するこ
とがないので、スミアの発生が確実に防止される。また
、本実施例では、光電変換領域１ａに対応する１０ａの
領域以外の１０ｂからの入射光も光電変換なされるので
、みかけの開口率が向上して感度が向上する。

更に、受光部の絶縁層１８の膜厚１８ａを、前述した式
（１）を満たすように設定すれば、ＰｔＳｉ層１２層形
２射光の吸収効率を高めることができる。例えば、入射
光が４μｍ、絶縁層１８をＳｉｎ。

（屈折率１．４）で構成した場合、前記（１）式におい
てｎ＋−１とすれば絶縁層の膜厚はｄ〜２．１　μｍと
なる。

ここで、第１図に示した単位画素を作製する方法の一例
を図面を用いて説明する。

このような単位画素を形成するには、一般に、Ｐ型Ｓｔ
基板１１内部の拡散領域（ＢＣＣＤのｎ型拡散層１３．
ｎ型ガードリング１５．ｎ”）−ランスファー拡散層１
６；以下の説明ではまとめて拡散領域と言う）と信号読
出部をすべて形成した後、受光部のＰｔＳｉ層１．２　
、　ＰｔＳｉ層１２上の絶縁層１８゜＾１反射膜１９と
いう順序で形成する。そこで、ここでは信号読出部形成
後の作製方法について第４図（ａ）〜（ｈ）を用いて説
明する。

先ず、第４図（ａ）は、Ｐ型Ｓｔ基板１１内部の拡散領
域１３，１５．１６とＣＣＤ転送電極１４．絶縁層１８
を含む信号読出部をすべて形成し終えた状態の断面図で
ある。第１図のような単位画素を作製する釘は、まず、
受光部の絶縁層１８を通常のフォトリソグラフィー・エ
ツチング技術により除去しく第４図（ｂ））、その後、
第４図（Ｃ）のようにＳｔ基板１１上にＰｔＳｉ層１２
層形２する。ここまでの工程は従来の固体撮像装置の作
製方法と変わりはない、その後、受光部を含むＳｉ基基
板１衰ラス８　（Ｂｏｒｏ−Ｐｈｏｓｐｈｏ　５ｉｌｉ
ｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ　：以下ｒＢＰｓ６」という）を
埋積しく第４図（ｄ））、続いてＢＰＳＧ８の平坦化処
理（通常「リフロー法」と称す）により第４図（ｅ）の
ように表面を平坦化する。

次に、受光部の絶縁層１８（先に形成されていた絶縁層
１８とＢＰＳＧ８は一体化するので以後単に絶縁層１８
する）上にレジスト９を形成しく第４図（ｆ）　）　、
通常のウェットエツチング技術もしくは、ドライエツチ
ング技術を利用して信号読出部の絶縁層１８をエツチン
グ除去した後、レジスト９を除去する。これにより、第
４図（ｇ）のように絶縁層１８が受光部で凸形状となる
。

最後に、第４図（ｈ）のように受光部の絶縁層１８上に
ＡＩを蒸着して反射膜１９を形成すれば、第１図に示さ
れた単位画素が得られる。

上述した方法では、絶縁層１８を平坦化する方法として
ＢＰＳＧを用いたりフロー法を採用したが、これに限ら
ず、例えば、スピンオンガラス（ＳＯＧ）ポリイミド等
の材料を利用しても良いし、エッチバック法で平坦化し
ても良い。

又、絶縁層１８を平坦化した後、第５図（ｇ）のような
凸形状とする方法もエツチング法に限られるものではな
く、例えば第５図（ａ）〜（ｅ）に示されるような方法
をとることもできる。即ち、第５図（ａ）（第４図（ｅ
）と同じ）のように絶縁層１８を平坦化した後、絶縁層
１８の全面を薄くエツチングしく第５図（ｂ））、更に
絶縁層１８をリアクティブイオンエツチング（ＲＩＥ）
等の異方性エツチング技術を利用して、−旦、急峻な斜
面１８ｄをもつ凸形を作り（第５図（Ｃ））、その後、
バイアススパッタ法により５ｉ０２などの絶縁膜を埋積
し、第５図（ｄ）のようなゆるやかな斜面１８ｅをもつ
凸形を形成しても良い（第５図（ｄ））。しかる後、絶
縁層１８の凸形部分に反射膜１９を形成すれば（第５図
（ｅ））、前述の方法と同様に第１図に示した単位画素
を作製することができる。

次に、第２図は本発明の゛第２実施例による固体撮像装
置の単位画素を示す断面図である。

本実施例においては、絶縁層２８を平坦に形成しく受光
部の膜厚２８ａと信号読出部の膜厚２８ｂがほぼ等しい
）、その上に＾１反射膜２９をＰｔ５ｊ層１２と対向す
るように形成した。即ち、本実施例においては反射膜２
９を入射光に対して平面鏡として形成した。絶縁層２８
と反射膜２９以外の構成は、第１図と同様である。

このように、平坦な絶縁層２８上に反射膜２９を形成す
ると、領域２０ｂから入射した光は反射膜２９において
ほぼ真下に反射されるので、別の画素の光電変換領域に
到達することがなく、スミアの発生が防止され、画質は
良好なものとなる。

なお、上記の実施例においては、入射光が赤外線である
場合について説明したが、本発明は赤外線に限らず可視
光、紫外線、Ｘ線を受光する場合にも適用することがで
きる。つまり、本発明における半導体基板及び光電変換
領域の構成材料は、Ｓｉ基板とＰｔＳｉ層の組合せ（シ
ョットキー型）に限定されるものではなく、入射光に応
じて適宜選択されるものである。赤外線を受光する場合
であれば、半導体基板としてはＳｉ以外にもＧａＡｓ、
　ＣｄＴｅ等を用いることができ、光電変換領域の構成
材料としてはＰｔＳｉ以外にもＨｇ　、　−、ＣｄｘＴ
ｅ　、　Ｐｂ　、−、Ｓｎ、Ｔｅ　、　ＩｎＳｂ等の材
料を用いことができる。

また、信号読み出し部についてもはＣＣＤに限らず、Ｍ
ＯＳ（Ｍｅｔａｌ　０ｘｉｄｅ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ）シフトレジスタ、　ＢＢＤ　（Ｂｕｃｋｅｔ　
Ｂｒｉｇａｄｅ　Ｄｅｖｉｃｅ）、Ｃ５Ｄ（Ｃｈａｒｇ
ｅＳｗｅｅｐ　Ｄｅｖｉｃｅ）等を用いて構成してもよ
い。

［発明の効果］ 以上のように、本発明においては、受光部の反射膜が入
射光に対して平面鏡又は凹面鏡となるように形成されて
いるので、反射膜で反射された光が別の画素の光電変換
領域に入射することがなく、スミアの発生を防止して、
鮮明な画像を得ることができる。

また、反射膜を凹面鏡とすれば、受光部の面積を増加さ
せることなく、みかけの開口率を向上させて固体撮像装
置の感度を高めることができる。

さらに、受光部の絶縁層の膜厚を光学的干渉効果を考慮
した値に設定することにより、高い入射光吸収効率が確
保される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第１実施例による固体撮像装置の単位画
素の断面図、第２図は本発明第２実施例による固体撮像
装置の単位画素の断面図、第３図は受光部を模式的に表
わした断面図、第４図（ａ）〜（ｈ）は第１図に示され
た単位画素の製造方法を説明するための断面図、第５図
（ａ）〜（ｅ）は第１図に示された単位画素の別の製造
方法を説明するための断面図、第６図は従来の固体撮像
装置の単位画素の断面図、第７図は従来の固体撮像装置
の平面的穣式図である。 ［主要部分の符号の説明］ １ａ・・・・・・・・・・・・光電変換領域ｌｂ・・・
・・・・・・・・・信号読出領域１１・・・・・・・・
・・・・・・・Ｓｔ基板１２・・・・・・・・・・・・
・・・ＰｔＳｉ層（シリサイド層）１３・・・・・・・
・・・・・・・・ＢＣＣＤｎ型拡散層１４・・・・・・
・・・・・・・・・ＣＣＤ転送電極１７・・・・・・・
・・・・・・・・反射防止膜１８．２８・・・・・・絶
縁層 １９．２９・・・・・・反射膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体基板の同一面にそれぞれ形成された受光部と、該
   受光部で発生した電荷を読み出すための信号読出部とか
   らなり、前記受光部が、前記基板の背面から入射した光
   を受光して電荷を発生する光電変換領域と、その上に形
   成された絶縁層と、更にその上に形成された反射膜とか
   らなる固体撮像装置の単位画素において、 前記反射膜が、前記半導体基板の背面から見た場合に、
   平面鏡又は凹面鏡となるように形成されたことを特徴と
   する固体撮像装置の単位画素。