JPH04103168A

JPH04103168A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH04103168A
Application number: JP2219985A
Authority: JP
Inventors: Tatsuji Oda; 小田　達治
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-08-23
Filing date: 1990-08-23
Publication date: 1992-04-06

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］本発明は基板同士を貼り合わせた構造の固体撮像素子に
関する。

〔発明の概要〕

本発明は、半導体基板同士か貼り合わせられた構造の固
体撮像素子において、一方の基板に受光部か形成され、
他方の基板に電荷転送部か形成される構造とすることに
より、さらには、その貼り合わせに不純物を含有し電荷
を転送し得るポリシリコン層を用いることにより、固体
撮像素子の高感度化等を実現するものである。

〔従来の技術〕

高精細度テレビジョン用のＣＣＤイメージヤは、従来の
素子に比較して２００万画素程度の多画素化が必要とさ
れる。ところが、従来の素子構造をそのまま踏襲して素
子を製造した場合では、画素サイズが小さくなる分だけ
、感度やダイナミックレンジの低下を招き、スミアの増
加等の特性劣化が生ずることになる。

そこで、このような多画素化に伴う諸問題を解決する素
子構造として、光電変換層としてのアモルファスシリコ
ン層を基板上に形成するＣＣＤイメージヤか知られる（
例えば、ｒＨＤＴＶ用２００万画素積層構造ＣＣＤイメ
ージセンサ」、テレビジョン学会技術報告、昭和６３年
１０月２８日発表、参照。）。この積層構造のＣＣＤイ
メージヤでは、基板上に積層されたアモルファスシリコ
ン層により光電変換かなされ、このアモルファスシリコ
ン層はほぼ画素領域の全域に広がることから、その光学
開口率をほぼ１００％にすることができる。また、基板
の表面には、電荷転送部を広い面積で形成することが可
能とされ、広いダイナミックレンジを得ることができる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところか、このような積層構造のＣＣＤイメージヤでは
、光電変換層であるアモルファスシリコン層中の残留電
荷を零にすることが困難であり、残留特性か著しく劣る
等の欠点を有している。

そこて、本発明は十分な感度やダイナミックレンジを確
保しながら、残留特性にも優れる構造の固体撮像素子の
提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像素子は、
単結晶性の第１の半導体基板に複数の行列状に配列され
る受光素子か形成され、その第１の半導体基板に貼り合
わせられた第２の半導体基板に上記受光素子で発生した
電荷を転送するための電荷転送部が形成されることを特
徴とする。さらに、本発明の固体撮像素子は、上記第１
の半導体基板と上記第２の半導体基板は、不純物を含有
するポリシリコン層により貼り合わせられ、そのポリシ
リコン層を介して上記受光素子で発生した電荷が上記電
荷転送部に転送される構造にすることかできる。

〔作用〕

本発明の固体撮像素子では、半導体基板の貼り合わせ構
造を採用するために、各受光素子の面積を大きくしなが
ら、同時に大きな面積の電荷転送部を形成することがで
き、十分な感度やダイナミックレンジを確保することが
できる。また、受光素子は単結晶の半導体基板に形成さ
れるため、その残留電荷をアモルファスシリコン層等の
光電変換層を使用した場合に比較して、大幅に低減する
ことができる。

また、半導体基板同士に貼り合わせに用いるポリシリコ
ン層を受光素子と電荷転送部の間の電荷の転送用に使用
することで、新たな配線等を付加することもなく、基板
間の電荷の転送を図ることができる。

〔実施例〕

本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。

第１の実施例本実施例のＣＣＤイメージヤは、第１図に示すように、
２枚のシリコン基板を貼り合わせて製造される素子構造
を有し、一方のシリコン基板１に、受光素子であるフォ
トダイオード３が形成され、他方のシリコン基板２に電
荷転送部４か形成される。

シリコン基板１は単結晶の半導体基板てあり、このシリ
コン基板１にマトリクス状に配列されるフォトダイオー
ド３が形成される。フォトダイオード３は、表面側のｐ
＋型の不純物領域５と、その下部に配されるｎ型の不純
物領域６からなり、このフォトダイオード３で入射光が
画素毎の信号電荷に変換される。フォトダイオード３の
各画素毎の分離はシリコン酸化膜７によりなされる。こ
のシリコン酸化膜７は、各フォトダイオード３の周囲を
囲むように形成され、その表面側にはアルミニュウム膜
８が形成される。アルミニュウム膜８は、ｐ＋型の不純
物領域５に接続すると共に、各画素間の遮光膜としても
機能する。第２図に示すように、このアルミニュウム膜
８の平面パターンは格子状とされ、その格子の目の部分
に各フォトダイオード３か位置することになる。これら
アルミニュウム膜８とフォトダイオード３の表面によ、
保護膜９か形成される。

シリコン基板２もシリコン基板１と同様に単結晶の半導
体基板てあり、ＣＣＤ構造の電荷転送部４か形成される
。ｎ型の不純物領域からなる基板部ｌｌ上にはｐ型のウ
ェル領域１２が形成される。

このウェル領域１２の表面には、埋め込みチャンネルと
して機能するｎ−型の不純物領域１３が形成され、さら
に基板主面には各垂直列を分離するためのチャンネルス
トップ領域１４が形成される。

ｎ−型の不純物領域Ｉ３上には、絶縁膜を介して２層の
転送電極層１５ａ、１５ｂか形成され、例えば４相の駆
動信号を与えることで第１図の断面に垂直な方向に信号
電荷が転送される。これら転送電極層１５ａ、１５ｂは
、層間絶縁膜１６に被覆されている。そして、この層間
絶縁膜１６を貫通するようにコンタクトホール１７が形
成され、このコンタクトホール１７の底部に電荷供給用
のＤ生型の不純物領域１８か形成される。このｎ′″型
の不純物領域１８は、ｎ−型の不純物領域１３と離間し
た位置に設けられ、領域１８．１３の間の領域上に延在
された転送電極層１５ａの電位によって、両領域１８．
１３は導通する。

コンタクトホールエフ内にはｎ型の不純物を含有したポ
リシリコン層１９が充填されており、そのポリシリコン
１１１９は前記層間絶縁膜１６上まで延在される。フォ
トダイオード３をマトリクス状に配設したシリコン基板
１は、そのポリシリコン層１９の面１９ａで貼着されて
おり、このポリシリコン層１９により結局２つのシリコ
ン基板１゜２が貼り合わせられている。

このような構造の本実施例のＣＣＤイメージヤは、まず
、シリコン基板ｌの各フォトダイオード３で入射光に応
じて信号電荷が発生する。発生した信号電荷はポリシリ
コン層１９を介してシリコン基板２のｎ′″型の不純物
領域１８に送られる。

例えば、転送電極層１５ａ、１５ｂを３値レベルで駆動
する場合、最も転送電極層１５ａの電位が高くなる時に
該不純物領域１８とｎ−型の不純物領域１３の間にチャ
ンネルか形成されるようにすることで、不純物領域１８
の信号電荷を埋め込みチャンネル層であるｎ−型の不純
物領域１３に転送できる。そして、転送電極層１５ａ、
１５ｂに所定のクロック信号を与えることで、ｎ−型の
不純物領域１３の信号電荷が垂直に転送された後、水平
に転送され、最終的に読み出されることになる。

ＣＣＤイメージヤを上記構造とすることで、シリコン基
板ｌ側には、受光素子であるフォトダイオード３のみが
分離されながらも全面に形成される。従って、その開口
率を十分に大きくすることができ、感度を高くすること
ができる。また、フォトダイオード３は、単結晶のシリ
コン基板１に形成されるため、残留電荷を小さくするこ
とができ、残像現象を抑えることができる。また、シリ
コン基板２側には、信号電荷を転送するための電荷転送
部４が形成される。このシリコン基板２には、受光素子
が配されないため、電荷転送部４の面積を大きく採るこ
とができ、その結果、信号電荷の取扱電荷量を大きくす
ることができる。さらに、本実施例のＣＣＤイメージヤ
では、基板同士の貼り合わせに用いるポリシリコン層１
９かそのまま電気的に接続するための転送路として活用
される。従って、次に説明するように、工程数の増大等
もなく、且つパターン合わせも余裕を持ったものとなる
。

第３図ａ〜第３図ｄは、本実施例のＣＣＤイメージヤを
製造する方法の一例を説明するための図である。まず、
第３図ａに示すように、ｎ型のシリコン基板３１を使用
して、そのｎ型のシリコン基板３１上にｐ型のウェル領
域３２が形成され、そのｐ型のウェル領域３２内に、電
荷転送用の埋め込みチャンネル層となるｎ−型の不純物
領域３３が各垂直列毎に形成される。各ｎ−型の不純物
領域３３の間の基板表面には、ｐ１型の不純物領域から
なるチャンネルストップ領域３４が形成される。通常の
ＣＣＤイメージヤにおいて、フォトダイオードが形成さ
れる位置には、本実施例のＣＣＤイメージヤでは、ｎ“
型の不純物領域３５か形成される。このｎ＋型の不純物
領域３５を介して後述する他の基板から信号電荷が転送
される。

これらの各領域３３，３４．．３５か形成された基板表
面には、絶縁膜が積層され、２層の配線層からなる転送
電極層３６ａ、３６ｂか所定の電極パターンに形成され
る。そして、転送電極層３６ａ３６ｂは層間絶縁膜３７
に被覆される。

続いて、眉間絶縁膜３７を貫通してｎ１型の不純物領域
３５の表面を露出させるコンタクトホール３８が形成さ
れる。このコンタクトホール３８を形成した後、全面を
覆うように不純物を含有したポリシリコン層（ＤＯＰＯ
３層）３９か被着される。このように全面を覆うポリシ
リコン層３９を形成した後、そのポリシリコン層３９を
精密に研磨して、ポリシリコン層３９の表面を平坦にす
る。

次に、全面にポリシリコン層３９の形成されたシリコン
基板３１にもう１つのシリコン基板４１が貼り合わされ
る。この時、９００〜１０００°Ｃ程度の熱処理かなさ
れる。このようにシリコン基板４１を貼り合わせた後、
そのシリコン基板４１を研磨し、その厚みか３μｍ程度
にされる。そして、第３図すに示すように、その表面の
全面にｐ“型の不純物領域４２か形成される。

表面にｐ“型の不純物領域４２を形成した後、第３図Ｃ
に示すように、そのシリコン基板４１に溝４３を形成す
る。溝４３は貼り合わせに用いたポリシリコン層３９も
分断するように形成される。

この溝４３は異方性エツチングにより形成され、同時に
周辺回路部上のシリコン基板４１もエツチングにより除
去される。この溝４３のパターンは、基板の主面におい
て格子状とされ、その結果、ｐ型の不純物領域４２とシ
リコン基板４１かマトリクス状に分断されることになる
。この時、溝４３の形成するためのマスク合わせは、赤
外光線の検知やウェハの一部を除去してマークを露出さ
せて行うことができ、特に溝４３の位置とコンタクトホ
ール３８の位置か重ならない限り、有効に発生した信号
電荷をチップの外部に取り出すことかてきるため、その
マスク合わせの精度は高精度でなくとも良い。

次に、第３図ｄに示すように、形成された溝４３の一部
に例えばシリコン酸化膜等の絶縁層４４が充填される。

そして、この絶縁層４４上に、アルミニュウム層４５が
形成される。このアルミニュウム層４５のパターンは、
溝４３のパターンに対応して格子状とされ、ｐ″″型の
不純物領域４２で接しながら全画素で共通とされる。

アルミニュウム層４５を形成した後、周辺回路の加工、
保護膜の形成やパッドの形成を行いＣＣＤイメージヤを
完成する。

本実施例のＣＣＤイメージヤでは、貼り合わせに使用し
たポリシリコン層３９がそのままシリコン基板４１側か
らシリコン基板３１側に電荷を転送するための転送路と
なるため、特に電荷転送のための配線を施すことなく、
２枚の基板間の電荷の転送が行われることになる。

このような構造を有する本実施例のＣＣＤイメージヤで
は、転送電極層か基板間に形成されるため、基板の一方
に電極を取り出す構造か必要になる。第５図及び第６図
は、その転送電極の取り出しのための構造を示す。第１
図に用しＡた符号をそのまま用いて説明すると、転送電
極層１５ａの一部は、取り出しを行う領域でその一部に
コンタクトホール５４か形成され、そのコンタクトホー
ル５４内に充填されるようにポリシリコン層１９か形成
される。このポリシリコン層１９はコンタクトホール５
４で駆動信号を与えるべき転送電極層１５ａに接続され
る。コンタクトホール５４か形成された領域では、ポリ
シリコン層１９とその上部のフォトダイオードを構成す
るｎ型の不純物領域６及びｎ１型の不純物領域５は、絶
縁層７により矩形状に囲まれて分離される。そして、特
に絶縁層７に囲まれた領域内では、表面のｐ＋型の不純
物領域５を貫通するようにｎ“型の不純物領域５１が表
面からｎ型の不純物領域６に至るように形成される。従
って、そのｎ＋型の不純物領域５１上の保護膜９を開口
したコンタクトホール５３に電極５２を形成することで
、電極５２から転送電極層１５ａへの導通かｎ＋型の不
純物領域５１、ｎ型の不純物領域６及びポリシリコン層
１９を介して図られることになる。

第２の実施例本実施例は、第１の実施例のＣＣＤイメージヤの変形例
であり、２つの基板の間に形成された貼り合わせ用のポ
リシリコン層か高融点金属膜を介在させた構造とされる
例である。なお、第４図中、第１の実施例と同じ部分に
ついては、第１の実施例の第１図中の符号をそのまま用
いて重複する説明を省略する。

本実施例のＣＣＤイメージヤでは、第４図に示すように
、層間絶縁膜１６上に、不純物を含有するポリシリコン
層（ＤＯＰＯＳ層）６１と、高融点金属膜６０と、不純
物を含有するポリシリコン層（ＤＯＰＯ３層）６２の３
層構造の層が形成される。高融点金ｊ１６０は、例えば
タングステンやモリブデン等である。この３層構造の層
は、コンタクトホール１７内に充填され、そのコンタク
トホール１７の底部で最下層のポリシリコン層６Ｉかｎ
“型の不純物領域に接続される。また、最上層のポリシ
リコン層６２は、精密研磨により平坦にされ、フォトダ
イオードの形成されろ側のシリコン基板１を貼り着ける
ことになる。

このような構造のＣＣＤイメージヤでは、ポリシリコン
層６１．６２中に介在させた高融点金属膜６０の遮光特
性によって光の透過が防止される。

このため電荷転送部４か形成されるシリコン基板２での
スミアの発生か防止されることになり、さらにＣＣＤイ
メージヤの高感度化を図ることか可能となる。

〔発明の効果〕

本発明の固体撮像素子では、半導体基板の貼り合わせ構
造となるため、各受光素子の面積を太き（すると共に電
荷転送部の面積を大きくすることができ、十分な感度や
ダイナミックレンジを確保することができる。また、受
光素子は単結晶性の半導体基板に形成されるため、その
残留電荷を大幅に低減することができる。さらに、基板
同士の貼り合わせに用いたポリシリコン層は、そのまま
電荷転送路として使用されるため、当該固体撮像素子を
製造する場合には、工程数の増大が抑えられると共に、
そのマスク合わせ精度も余裕のあるものとなる。

５・・・ｐ４型の不純物領域６・・・ｎ型の不純物領域１９・・・ポリシリコン層特許出願人　　　　ソニー株式会社代理人弁理士　小泡　晃　（他２名）

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮像素子の一例を示す要部断面図
、第２図はその一例を示す平面図、第３図ａ〜第３図ｄ
は上記−例を製造するための工程を説明する工程断面図
、第４図は本発明の固体撮像素子の他の一例を示す要部
断面図、第５図は本発明の固体撮像素子の一例の電機取
り出し領域の構造を説明するための部分断面図、第６図
はその電極取り出し領域の部分平面図である。１、　２・・・シリコン基板３・・・フォトダイオード４・・・電荷転送部第１図第２図第３図ａ第３図ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）単結晶性の第１の半導体基板に複数の行列状に配
列される受光素子が形成され、その第１の半導体基板に
貼り合わせられた第２の半導体基板に上記受光素子で発
生した電荷を転送するための電荷転送部が形成されるこ
とを特徴とする固体撮像素子。
（２）上記第１の半導体基板と上記第２の半導体基板は
、不純物を含有するポリシリコン層により貼り合わせら
れ、そのポリシリコン層を介して上記受光素子で発生し
た電荷が上記電荷転送部に転送されることを特徴とする
請求項（１）記載の固体撮像素子。