KR100982741B1 - 이면조사형 촬상소자 - Google Patents

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타케하루 에토오
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Abstract

본 발명의 이면조사형 촬상소자는 변환층(23), 전하수집부(24) 및 억제영역(23, 29)을 구비한다. 변환층(23)은 입사선이 입사하는 입사면(102)측에 설치되고, 입사선을 신호전하로 변환하며, 2차원배열을 구성하는 복수의 화소의 각각에 대하여 설치되어 있다. 전하수집부(24)는 변환층(23)으로부터 입사면(8)과는 반대의 표면(22)측으로 연장되고, 변환층(23)에서 발생한 신호전하를 수집한다. 억제영역(23, 29)은 변환층(23)과 주변회로(26)의 사이에 설치되고, 변환층(21)으로부터 주변회로(26)에의 신호전하의 유입을 억제한다.

Description

이면조사형 촬상소자{BACK-ILLUMINATED IMAGE SENSOR}
본 발명은 이면조사형 촬상소자에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 과학 및 기술 분야에서의 계측용도의 촬영에 적합한 이면조사형 촬상소자에 관한 것이다.
칩의 전극 등이 배치된 면(표면)과는 반대측의 면(이면)으로부터 가시광 등의 입사선을 입사시키는 이면조사형 촬상소자가 알려져 있다(예를 들면, 일본국 특허공개공보 평9-331052호 공보참조). 이 이면조사형 촬상소자에서는 각 화소의 변환부(예를 들면, 입사선이 가시광선인 경우에는 광전변환부)가 칩의 이면측에 설치되고, A/D변환기나 신호축적부와 같은 신호전하에 어떤 처리를 행하는 부분(전하처리부)이 칩의 표면 측에 설치되어 진다.
이면조사형 촬상소자는 100%에 가까운 개구율을 얻을 수 있기 때문에 매우 높은 감도를 실현할 수 있다. 따라서, 천문학이나 전자현미경의 분야 등의 고감도가 필요하게 되는 용도에서는 이면조사형 촬상소자가 사용되는 일이 많다. 그리고, 화상 1매당의 노광시간이 짧아지는 고속도 촬영에도 고감도를 가지는 이면조사형 촬상소자가 적합하다.
이면조사형 촬상소자에 있어서의 주된 문제로서는, 전하처리부에의 신호전하의 혼입이 있다. 상세하게는, 확산이나 회입(돌아들어감, 이하 같다)에 의해 변환 부에서 발생한 광전자 등의 신호전하가 전하처리부의 본래 그 신호전하가 유입하지 않아야 할 부분에 혼입하는데, 이렇게 혼입한 신호전하는 전하처리부의 기능을 저해한다.
이면조사형 촬상소자에 있어서의 다른 문제로서는 빛의 투과가 있다. 이면조사형 촬상소자에서는 칩의 두께를 극히 얇게 할 필요가 있는데, 이것은 칩이 두꺼우면 입사선에 따라 발생한 전하가 기능영역에 도달하는 동안에 인접하는 화소사이에서 신호전하가 서로 혼입하거나 칩 내의 결정결함에 기인하는 노이즈가 신호전하에 혼입하기 때문이다. 이와 같이 칩의 두께가 얇기 때문에 투과성이 강한(흡수계수가 작은) 장파장측의 빛이 표면측의 기능영역까지 도달하고, 기능영역 내에서 바람직하지 않은 불필요한 전하를 발생시킨다. 이 전하도 기능영역에 설치된 요소의 기능을 저해한다.
본 발명자들은 화소 내 또는 그 근방에 직선형상의 신호축적부를 구비하는 화소주변 기록형 촬상소자(In-situ Storage Image Sensor : ISIS)를 개발하였다. 예를 들면, 이하의 문헌이 있다. 일본국 특허공개공보2001-345441호 공보; 江藤 剛治 외「103매 연속촬영을 위한 100만매/초의 CCD촬상소자(A CCE Image Sensor of 1M frames/s for Continous Image Capturing of 103 Frames)」, 기술논문 요약(Digest of Technical Papers), 2002년 IEEE고체회로 국제회의(2002 IEEE International Solid-State Circuits Conference), 2002년, 제45권, p46-47; 江藤 剛治, 외4명, 「사행직선CCD형 화소주변기록영역을 가지는 100만매/초의 촬상소자」, 영상정보미디어학회지, 사단법인 영상정보미디어학회, 2002년, 제56권, 제3호, P.483-486. 이러한 화소주변 기록형 촬상소자에 이면조사구조를 채용한 경우, 상술한 신호전하의 혼입과 빛의 투과에 기인하는 문제가 특히 현저하게 된다.
본 발명은 이면조사형 촬상소자에 있어서의 신호전하의 혼입방지 및 빛의 투과에 기인하는 불필요한 전하의 발생방지를 과제로 한다.
본 발명서에 있어서, 「입사선」이라고 하는 말은 촬상소자에 대해서 입사하는 검출대상이 되는 에너지 또는 입자의 흐름을 말하고, 자외선, 가시광선 및 적외선 등의 빛을 포함하는 전자파(電磁波), 전자(電子), 이온, 및 정공(正孔)과 같은 하전입자의 흐름 및 X선에 더하여 α선, γ선, β선 및 중성자선을 포함하는 방사선을 포함한다.
본 발명은 입사선이 입사하는 입사면측에 설치되어지고, 상기 입사선을 신호전하로 변환하고, 또한 2차원 배열을 구성하는 복수의 화소의 각각에 대하여 설치된 변환부; 상기 변환부로부터 상기 입사면과는 반대의 표면측으로 연장되고, 상기 변환부에서 발생한 신호전하를 수집하는 전하수집부; 상기 표면측에 설치되어지고, 상기 전하수집부에서 수집된 신호전하를 처리하는 전하처리부 및 상기 변환부와 상기 전하처리부의 사이에 설치되어지고, 상기 변환부로부터 상기 전하처리부에의 상기 신호전하의 유입을 억제하는 억제영역을 구비하는 이면조사형 촬상소자를 제공한다.
변환부와 전하변환부의 사이에 억제영역을 구비하기 때문에 변환처리부에서 발생한 신호전하가 확산이나 회입에 의해 전하수집부가 아닌 전하처리부에 유입하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이러한 신호전하의 전하처리부에의 혼입에 기인하는 노이즈의 발생 등을 방지할 수 있다.
구체적으로는, 상기 변환부, 상기 전하수집부, 상기 전하처리부 및 상기 억제영역은 반도체 재료로 이루어지고, 상기 변환부는 제1의 도전형을 가지고, 상기 전하수집부는 제2의 도전형을 가지며, 또한 상기 억제영역은 상기 제1의 도전형을 갖는데 도전형 불순물의 농도가 상기 변환부보다도 높고, 상기 전하처리부가 그 속에 매입되며, 전하수집부가 관통하여 있는 전하저지층을 구비한다.
신호전하가 전자인 경우, 제1의 도전형이 p형이고 제2의 도전형은 n형이다. 신호전하가 정공인 경우, 제1의 도전형이 n형이고 제2의 도전형은 p형이다.
바람직하게는, 상기 억제영역은 제2의 도전형을 가지고, 상기 변환부와 상기 전하저지층과의 사이에 개재되고, 또한 상기 전하수집부와 입사면측의 단부와 연속하는 전하수집층을 더욱 구비한다.
변환부에서 발생한 신호전하는 일단 전하수집층에 신호전하로 모이고, 제2의 억제부의 신호전하가 수평방향으로 이동하여 전하수집부에 수집된다. 따라서, 전하수집층을 설치함으로써 전하처리부에의 신호전하의 혼입을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
전하처리부의 기능 및 구조는 특히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 전하처리부는 상기 신호전하를 아날로그신호로부터 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기이다.
본 발명은 화소주변 기록형 촬상소자에도 적용할 수 있다. 즉, 상기 전하처리부는 각 화소 내부 또는 그 근방에 설치되고, 상기 신호전하를 축적하는 신호전하축적부이어도 좋다. 이면조사형의 특징인 고감도와 화소주변기록형의 특징인 매우 높은 촬영속도를 모두 가지며, 또한 신호전하가 신호전하축적부에 혼입하는 것에 의한 노이즈의 발생을 방지할 수 있다.
상기 입사선은 빛인 경우 상기 입사면에 배치되고, 또한 상기 입사면으로부터 상기 전하처리부에 투과하여 상기 전하처리부에서 상기 신호전하와 동종의 전하를 발생시키는 파장의 빛을 차단하는 광학 필터를 더 구비하여도 좋다. 전하처리부에 직접 빛이 도달하여 불필요한 전하를 발생시키고, 화질저하의 원인이 되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 이면조사형 촬상소자를 구비하는 전자현미경 및 촬영장치를 제공한다.
본 발명의 이면조사형 촬상소자에서는 변환부와 전하처리부의 사이에 억제영역을 구비하기 때문에 변환부에서 발생한 신호전하가 확산이나 회입에 의해 전하수집부가 아닌 전하처리부에 유입하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이러한 신호전하의 전하처리부에의 혼입에 기인하는 노이즈의 발생 등을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 목적 및 특징은 첨부도면을 참조한, 적합한 실시형태에 관한 이하의 설명에 의해 명확하게 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 구비하는 투과형 전자현미경을 도시하는 개략도.
도 2는 본 발명의 제1실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자의 개략적인 정면도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선의 단면도.
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선의 단면도.
도 5는 제1실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자가 구비하는 A/D 변환기의 개략도.
도 6은 본 발명의 제2실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 도시하는 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선의 단면도.
도 7은 본 발명의 제2실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 도시하는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선의 단면도.
도 8은 본 발명의 제3실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 도시하는 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선의 단면도.
도 9는 본 발명의 제3실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 도시하는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선의 단면도.
도 10은 본 발명의 제4실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 도시하는 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선의 단면도.
도 11은 본 발명의 제4실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 도시하는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선의 단면도.
도 12는 본 발명의 제5실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 구비하는 고속카메라를 도시하는 개략도.
도 13은 본 발명의 제5실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 도시하는 개략적인 정면도.
도 14는 도 13의 부분확대도.
도 15는 도 13의 ⅩⅤ-ⅩⅤ선의 단면도.
도 16은 도 13의 ⅩⅥ-ⅩⅥ선의 단면도.
도 17은 도 13의 ⅩⅦ-ⅩⅦ선의 단면도.
도 18은 본 발명의 제6실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 도시하는 도 13의 ⅩⅤ-ⅩⅤ선의 단면도.
도 19는 본 발명의 제6실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 도시하는 도 13의 ⅩⅥ-ⅩⅥ선의 단면도.
도 20은 본 발명의 제6실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자를 도시하는 도 13의 ⅩⅦ-ⅩⅦ선의 단면도.
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
(제1실시형태)
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자(1)를 구비하는 투과형 전자현미경(2)을 도시한다. 이 투과형 전자현미경(2)은 전자총(3)으로부터 시료(5)에 전자류(4; 입사선)를 조사하고, 투과한 전자류(4)를 이면조사형 촬상소자(1)에 결상시킨다.
참조부호 6A∼6C는 자계렌즈이다. 전자총(3), 시료(5), 이면조사형 촬상소자 (1) 및 자계렌즈(6A∼6C)가 배치되어 있는 투과형 전자현미경(2)의 내부는 진공펌프(7)에 의해 소요의 진공도로 유지되어 있다.
도 2에서 도 4를 더 참조하면, 이면조사형 촬상소자(1)의 이면 내지는 입사면(8) 측에는 시료(5)를 투과한 전자류(4)가 입사하는 형광막(9)이 배치되고, 이 형광막(9)과 입사면(8)은 화이버 글래스(10)에 의해 광학적으로 연결되어 있다. 입사하는 전자류(4)의 강도에 따른 휘도에서 형광막(9)이 발광하고, 이 형광막(9)이 발하는 빛(11)이 입사면(8)에 입사한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 이면조사형 촬상소자(1)의 입사면(8)에는 복수의 화소(13)가 2차원으로 배열되어 있다. 도 2에서는 단순화를 위하여, 9개(3행×3열)의 화소(13)만을 도시하고 있는데, 화소(13)의 행수 및 열수는 각각 2 이상이면 좋다.
도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 칩(14)의 입사면(8) 측에는 p-형의 변환층(21)이 설치되어 있다. 그리고, 변환층(21)보다도 칩(14)의 표면(22) 측에는 p+형의 전하저지층(23)이 설치되어 있다.
변환층(21)에서 발생한 신호전하를 수집하기 위한 n-형의 전하수집부(24)가 각 화소(13)마다 설치되어 있다. 이 전하수집부(24)의 일단은 변환층(21) 내에 위치하고, 변환층(21)으로부터 칩(14)의 표면(22) 측으로 연장되어 있다. 칩(14)의 표면(22) 측에 위치하는 전하수집부(24)의 타단에는 n형의 인풋영역(25)이 설치되어 있다. 전하수집부(24)는 전하저지층(23)을 관통하여 연장되어 있고, 인풋영역(25)은 전하저지층(23)에 매입되어 있다.
전하저지층(23)의 표면(22)측의 영역에는, A/D변환기를 포함하는 여러 가지의 주변회로(26; 전하처리부)가 각 화소(13)마다 설치되어 있다. 이들의 주변회로(26)는 전하저지층(23)에 매입되어 있다. 도 3 및 도 4에 있어서, 참조번호 27은 주변회로(26)의 전극을 나타내고, 28은 인풋영역(25)으로부터 주변회로(26)에 신호전하를 보내기 위한 전극을 나타낸다. 도 5에 개략적으로 도시하는 바와 같이, 주변회로(26)가 구비하는 시리얼형의 A/D변환기(31)는 비교기(32)와 카운터(33)를 구비하고 있다. 비교기(32)에는 인풋영역(25)으로부터 신호전하인 전압(Vin)이 입력됨과 동시에 비교용 전압(Vref)이 입력되고, 비교기(32)의 출력은 카운터(33)에 출력된다. 카운터(33)의 출력은 화상신호로서 콘트롤러(34, 도 1 참조)에 출력된다. 콘트롤러(34)는 메모리, 화상처리회로 등을 포함하는 여러 가지의 요소를 구비하고, 콘트롤러(34)로부터 표시장치(35)로 촬영한 화상이 출력된다. 상술한 바와 같이, A/D변환기(31)는 각 화소(13)마다 설치되어 있는데, 콘트롤러(34)로부터 출력되는 리셋신호 및 비교용 전압(Vref)은 전 화소(13)에 공통이다.
이면조사형 촬상소자(1)의 변환층(21), 전하저지층(23), 전하수집부(24) 및 인풋영역(25)은 예를 들면 각각 불순물 농도 1×1010∼1×1015㎝-3의 p-형, 불순물 농도 1×1015∼1×1016㎝-3의 p+형, 불순물 농도 1×1013∼1×1016㎝-3의 n형, 불순물 농도 1×1016∼1×1020㎝-3의 n+형의 실리콘을 주체로 하는 반도체재료로 이루어진다. 이 경우, p-형의 기판에 포토 레지스트를 마스크로 하여 보론과 인의 이온주입을 행한 후, 열확산을 행함으로써 제조할 수 있다.
시료(5)를 투과한 전자류(4)가 형광막(9)에 입사하면, 형광막(9)이 발광한다. 형광막(9)에서 발생한 빛(11)은 화이버 글래스(10)를 개재하여 이면조사형 촬상소자(1)에 입사한다. 입사면(8)으로부터 입사한 빛(11)은 변환층(21)에 도달하여 전자와 정공의 쌍을 발생시킨다. 이 중 전자는 부(-)의 전하를 가지고 있기 때문에 n-형의 전하수집부(24)에 모이고, 더욱이 n형의 인풋영역(25)에 집적된다. 정공은 p-형의 변환층(21)을 통하여, 칩 밖으로 연속적으로 배출된다. 인풋영역(25)에 집적된 전자, 즉 신호전하는 주변회로(26)에 출력되고, A/D변환기(31)에 의한 아날로그신호로부터 디지털 신호에의 변환을 포함하는 여러 가지의 처리가 이루어진 후에 화상신호로서 콘트롤러(34)에 출력된다.
p-형의 변환층(21)과 주변회로(26)와는 p+형의 전하저지층(23)에 의해 서로 가로막혀 있다. 따라서, 변환층(21)에서 발생한 전자가 확산이나 회입에 의해 전하수집부(24) 및 인풋영역(25)을 개재함 없이 직접 주변회로(26)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 신호전하의 혼입에 의한 주변회로(26)에서의 노이즈 발생 등을 방지할 수 있다. 전하저지층(23)은 인접하는 주변회로(26) 사이를 전기적으로 서로 가로막는 기능도 가지고 있다.
(제2실시형태)
도 6 및 도 7에 도시하는 본 발명의 제2실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자(1)는 n-형의 전하수집층(29)을 구비하고 있다. 이 전하수집층(29)은 변환층(21)과 전하저지층(23)의 사이에 개재되고, 전하수집부(24)의 입사면(8)측의 단부와 연속하여 있다. 변환층(21)에서 발생한 전하는 일단 전하수집층(29)에 모인다. 전하 수집층(29)에 모인 전하는 수평방향으로 이동하여 전하수집부(24)에 수집된다. 따라서, 전하수집층(29)을 설치함으로써 주변회로(26)에의 신호전하의 혼입을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
제2실시형태의 이면조사형 촬상소자(1)는 예를 들면 이하와 같이 제작한다. p-형의 기판의 표면측으로부터 고에너지의 이온주입 또는 열확산에 의해 2∼8㎛정도의 두꺼운 n-층을 형성한다. 다음에, 동일한 방법으로 표면으로부터 2∼8㎛정도의 곳에 p+층을 형성하고, 더욱이 그 표면 측에 이온주입에 의해 주변회로(26)를 형성한다.
제2실시형태의 기타의 구성 및 작용은 제1실시형태와 동일하므로 동일의 요소에는 동일의 부호를 붙여 설명을 생략한다.
(제3실시형태)
도 8 및 도 9에 도시하는 본 발명의 제3실시형태의 이면조사형 촬상소자(1)는, 형광막(9)과 파이버 글래스(10)(도 3, 도 4, 도 6 및 도 7)를 구비하고 있지 않으며, 시료(5)를 투과한 전자류(4)가 입사면(8)에 직접 입사한다. 전자류(4)가 변환층(21)에 도달하면 발생하는 2차전자가 신호전하가 된다. 이 신호전하는 전하수집부(24)에 집적하고, 인풋영역(25)을 개재하여 주변회로(26)에 보내진다. 변환층(21)과 주변회로(26)와의 사이에는 전하저지층(23)이 개재되기 때문에 변환층(21)에서 발생한 2차전자가 직접 주변회로(26)에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
이 제3실시형태와 같은 전자류직입형의 이면조사 촬상소자에서는 고에너지의 전자류에 직접 쏘이기 때문에 소자수명이 짧아지는 경향이 있다. 따라서, 자기렌즈 (6A∼6C, 도 1 참조)의 설정 등에 의해 전류강도를 약하게 한 후에 입사면(8)에 입사시키는 것이 바람직하다.
제3실시형태의 기타의 구성 및 작용은 제1실시형태와 동일하므로 동일의 요소에는 동일의 부호를 붙여 설명을 생략한다.
(제4실시형태)
도 10 및 도 11에 도시하는 본 발명의 제4실시형태의 이면조사형 촬상소자(1)에서는 변환층(21)과 전하저지층(23)과의 사이에 전하수집부(24)와 연속하는 n-형의 전하수집층(29)이 개재되어 있다. 변환층(21)에서 발생한 2차전자를 전하수집층(29)에서 모아서 전하수집부(24)에 수집함으로써 주변회로(26)에의 신호전하의 혼입을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
제4실시형태의 기타의 구성 및 작용은 제3실시형태와 동일하므로 동일의 요소에는 동일의 부호를 붙여 설명을 생략한다.
(제5실시형태)
도 12부터 도 17에 도시하는 본 발명의 제5실시형태는 화소주변기록형 촬상소자(In-situ Storage Image Sensor ; ISIS)에 본 발명을 적용한 예이다.
도 12를 참조하면, 제5실시형태의 이면조사형 촬상소자(101)를 구비하는 고속 비디오카메라(100)는 입사면(102)에 가시광선(103)을 결상시키는 렌즈(104), 이면조사형 촬상소자(101)로부터 출력된 아날로그의 화상신호를 증폭하는 앰프(105), 증폭된 화상신로를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기(106) 및 디지털의 화상신호를 기억하는 메인 메모리(107)를 구비한다. 화상처리장치(108)는 메인 메모리(107)로 부터 독출(讀出)한 화상신호를 처리하여 표시장치(109)에 표시한다. 콘트롤러(110)는 촬상소자(101), 앰프(105) 및 A/D변환기(106)를 포함하는 비디오카메라 전체의 동작을 제어한다.
도 13은 이면조사형 촬상소자(101)를 입사면(102, 도 15에서 도 17 참조)으로부터 본 도이다. 도 13에서는 단순화를 위하여, 12개(4행×3열)의 화소(121)만을 도시하고 있는데, 화소의 행수 및 열수는 각각 2 이상이면 좋다. 그리고, 도 13에서는 후술하는 광학필터(130), 변환층(131) 및 전하수집부(134, 도 15에서 도 17 참조)는 도시하고 있지 않다.
도 13을 참조하여 이면조사형의 ISIS의 구조를 설명하면, 화소(121)마다 인풋영역(122)이 설치되어 있다. 인풋영역(122) 및 그것을 포함하는 화소(121)는 행방향과 열방향이 서로 직교하도록 배치되어 있다. 각 인풋영역(122)마다 도면에서 볼 때, 왼쪽 경사 아래를 향하여 연장되는 신호기록용 CCD(123)가 설치되어 있다. 그리고 각 인풋영역(122)의 열마다 1개씩, 도면에서 볼 때 수직방향(열방향)으로 연장되는 CCD(수직독출용 CCD(124)가 설치되어 있다. 더욱이, 각 수직독출용 CCD(124)에 인접하여 드레인선(126)이 설치되어 있다. 또한, 도면에서 볼 때 수평방향(행방향)으로 연장되는 CCD수평독출용 CCD(125)가 설치되어 있다.
각 신호기록용 CCD(123)는 일단이 도시하지 않은 인풋 게이트를 개재하여 대응하는 인풋영역(122)에 접속되고, 타단이 수직독출용CCD(124)에 접속되어 있다. 동일한 열을 구성하는 인풋영역(122)에 일단이 접속되어 있는 신호기록용 CCD(123)의 타단은 그 열에 대응하는 수직독출용 CCD(124)에 합류하고 있다. 바꾸어 말하 면, 동일한 열을 구성하는 인풋 영역(122)에 접속된 모든 신호기록용 CCD(123)가 동일한 수직독출용 CCD(124)에 합류하고 있다. 수직독출용 CCD(124)가 구비하는 신호기록요소 내지는 엘리먼트(124a) 중, 신호기록용 CCD(123)가 합류하는 엘리먼트(123a)의 한 개의 상류측의 엘리먼트(124a)는 드레인 게이트(127)를 개재하여 드레인선(126)에 접속되어 있다. 각 수직독출용 CCD(124)의 도면에서의 하단은 수평독출용 CCD(125)에 접속되어 있다.
제5실시형태의 이면조사형 촬상소자(101)에서는 촬영중에 연속 덮어쓰기가 실행된다. 도 14를 참조하면, 화살표(Y1)로 도시하는 바와 같이, 촬영중에는 인풋영역(122)으로부터 신호기록용 CCD(123)의 엘리먼트(123a)에 신호전하가 순차적으로 전송된다. 어느 순간에 “1”로부터 “26”까지의 번호를 붙인 각 엘리먼트(123a)에 신호전하가 축적되어 있다고 하면, 각 엘리먼트(123a)에 붙인 번호가 작을수록 오래된 화상에 대응하는 신호전하임을 나타내고, 이 번호가 클수록 새로운 화상에 대응하는 신호전하임을 나타낸다. 도 14에서 도시하는 상태의 다음의 순간에는 번호“1”을 붙인 엘리먼트(123a)로부터 드레인 게이트(127)를 개재하여 드레인선(126)에 신호전하가 배출되고, 번호“26”을 붙인 엘리먼트(123a)에 인풋 영역(122)으로부터 최신의 27번째의 화상에 대응하는 신호전하가 입력된다. 그리고, 2번째로부터 26번째까지의 화상에 대응하는 신호전하는 1개씩 하류측의 엘리먼트(123a)에 보내진다. 따라서, 2번째로부터 27번째까지의 화상에 대응하는 신호전하가 신호기록용 CCD(123)에 기록된다. 촬영중에는 이러한 연속 덮어쓰기 과정이 계속된다.
촬영대상으로 하는 현상의 생기(生起)가 확인되면 연속 덮어쓰기가 정지된다. 기억된 신호전하의 독출 조작은 대략 이하와 같다. (1) 신호기록용 CCD(123)에서의 전하전송을 정지하고, 화살표(Y2)로 도시하는 바와 같이 수직독출용 CCD(124)상에서만 전하전송을 행하고, 신호전하를 수평독출용 CCD(125)에 보낸다. 이 조작에 의해 수직독출용 CCD(124)는 비어 있게 된다. (2) 신호기록용 CCD(123)로부터 수직독출용 CCD(124)상에서 전하전송을 행하고, 수직독출용 CCD(124)를 가득 채운다.
도 12에 있어서 신호기록용 CCD(123)가 경사 아래를 향하여 연장되어 있지 않으면, 하나의 인풋 영역(122)에 접속된 신호기록용 CCD(123)는 그 인풋영역(122)의 한 개 하측의 인풋영역(122)과 간섭하고, 신호기록용 CCD(123)를 충분히 길게 할 수 없다. 신호기록용 CCD(123)를 충분히 길게 하려면, 하측으로 갈수록 인풋영역(122)을 조금씩 오른쪽으로 어긋나게 하여 신호기록용 CCD(123)를 바로 아래로 연장시키도록 하면 좋다. 이 경우에 화소축을 이루는 인풋 영역(122)의 중심점은 정방격자 또는 장방형 격자를 구성하지 않고 능형(菱形)이 된다. 이러한 능형격자를 해소하기 위해서는 인풋 영역(122)의 위치를 조금씩 위로 어긋나게 하면 좋다. 이 결과 얻어진 레이아웃을 시계방향으로 조금씩 회전시키면 도 12의 레이아웃이 된다. 이것이 신호기록용 CCD(123)가 화소축에 대하여 사행되어 있는 이유이다.
도 12 및 도 13에서는 단순화를 위하여, 신호기록용 CCD(123) 및 수직독출용 CCD(124)에는 26매의 화상에 대응하는 신호전하가 축적된다. 그러나, 이들의 엘리멘트(123a, 124a)의 수를 늘리면, 연속촬영이 가능한 화상매수를 증대시킬 수 있 다. 예를 들면, 각 화소 주변에 103개의 엘리먼트를 설치하면, 100만매/초의 촬영속도로 촬영한 화상을 10매/초의 재생속도로 10초의 동영상으로서 재생할 수 있다.
도 15부터 도 17을 참조하면, 칩(128)의 입사면(102)에는 광학필터(130)가 배치되어 있다. 그리고, 칩(128)의 입사면(102)측에는 p-형의 변환층(131)이 설치되고, 변환층(131) 보다도 칩(128)의 표면(132)측에는 p+형의 전하저지층(133)이 설치되어 있다.
변환층(131)에서 발생한 신호전하를 수집하기 위한 n-형의 전하수집부(134)가 각 화소(121)마다 설치되어 있다. 이 전하수집부(134)의 일단은 변환층(131) 내에 위치하고, 변환층(131)으로부터 칩(128)의 표면(132) 측으로 연장되어 있다. 칩(128)의 표면(132) 측에 위치하는 전하수집부(134)의 타단에는 n형의 인풋영역(122)이 설치되어 있다. 전하수집부(134)는 전하저지층(133)을 관통하여 연장되어 있고, 인풋영역(122)은 전하저지층(133)에 매입되어 있다.
전하저지층(133)의 표면(132) 측의 영역에는 신호기록용 CCD(123)가 설치되어 있다. 이들의 신호기록용 CCD(123)는 전하소자층(133)에 매입되어 있다. 도 15에서 도 17에 있어서, 참조번호 135는 신호기록용 CCD(123)를 구동하기 위한 전극을 나타내고, 136은 인풋영역(122)으로부터 신호기록용 CCD(123)에 신호전하를 보내기 위한 전극을 나타낸다. 본 실시형태에서는, 신호기록용 CCD(123)는 4상구동이기 때문에 도 17에 도시하는 바와 같이 각 엘리먼트(123a) 마다 4개의 전극(135)이 설치되어 있다.
이면조사형 촬상소자(101)의 변환층(131), 전하수집부(134), 인풋영역(122) 및 전하저지층(133)은 예를 들면 각각 불순물 농도 1×1010∼1×1015㎝-3의 p-형, 불순물 농도 1×1015∼1×1016㎝-3의 p+형, 불순물 농도 1×1013∼1×1016㎝-3의 n형, 불순물 농도 1×1016∼1×1020㎝-3의 n+형의 실리콘을 주체로 하는 반도체재료로 이루어진다. 이 경우, p-형의 기판에 포토 레지스트를 마스크로 하여 보론과 인의 이온주입을 행한 후에 열확산을 행함으로써 제조할 수 있다.
광학필터(130)를 개재하여 입사면(102)으로부터 입사한 빛(137)은 변환층(131)에 도달하여 전자와 정공의 쌍을 발생시킨다. 이 중 전자는 부(-)의 전하를 가지고 있기 때문에 n-형의 전하수집부(134)에 모이고, 더욱이 n형의 인풋영역(122)에 집적된다. 정공은 p-형의 변환층(131)을 통하여 칩 밖으로 연속적으로 배출된다. 인풋영역(122)에 집적한 전자, 즉 신호전하는 대응하는 신호기록용 CCD(123)에 출력된다.
p-형의 변환층(131)과 n형의 신호기록용 CCD(123)와는 p+형의 전하저지층(133)에 의해 서로 가로막혀져 있다. 따라서, 변환층(131)에서 발생한 전자가 확산이나 회입에 의해 전하수집부(134) 및 인풋영역(122)을 개재함이 없이 직접 신호기록용 CCD(123)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 신호전하의 혼입에 의한 신호기록용 CCD(123)에서의 노이즈 발생 등을 방지할 수 있다. 전하저지층(133)은 인접하는 신호기록용 CCD(123) 사이를 전기적으로 서로 가로막는 채널 스토퍼로서도 기능을 하고 있다.
다음에, 광학 필터(130)에 대하여 설명한다. 표 1은 통상의 CCD형 촬상소자 의 제조에 사용되는 실리콘 단결정 웨이퍼에 대한 입사광의 파장과 흡수계수로부터 계산한 칩의 두께와 투과율의 관계를 나타내고 있다. 이면조사형에서는 가장 얇은 경우에는 20㎛ 정도 두께의 칩이 사용된다.
파장(nm) 흡수계수 투과율(20㎛) 투과율(30㎛)
400 5.337 4.39954×10-47 2.92×10-70
450 2 4.24835×10-18 8.76×10-27
500 1.11 2.28382×10-10 3.45×10-15
550 6.93×10-1 9.50764×10-7 9.27×10-10
600 4.81×10-1 6.69208×10-5 5.47×10-7
650 3.16×10-1 0.001792758 7.59×10-5
700 2.19×10-1 0.012475357 0.001393
750 1.52×10-1 0.047834889 0.010462
800 9.49×10-2 0.149868056 0.058018
850 6.24×10-2 0.286848809 0.153631
이면조사의 화소주변 기록형 촬상소자에서는 빛의 투과율을 1/10000 이하로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면 상술한 바와 같이 신호기록용 CCD(123)와 수직독출용 CCD(124)에 100매분의 화상에 대응하는 신호전하를 축적할 수 있는 경우에 1매의 화상이 촬영되면 그 화상의 신호전하는 최대 99매의 화상이 촬영될 때까지 유지된다. 빛이 신호기록용 CCD(123)나 수직독출용 CCD(124)에 도달하면 전하를 발생한다. 입사면(102)으로부터 입사한 빛이 표면(132) 측의 신호기록용 CCD(123)까지 통과하는 비율(투과율)이 1/10000이면, 1매의 화상을 촬영할 때마다 본래의 신호전하의 1/10000의 신호가 신호전하에 더하여진다. 따라서, 100매분을 촬영하는 사이에 1/10000×100(매)=1/00, 즉 1%의 불필요한 신호가 본래의 신호전하에 더하여진다. 이 비율이 수%를 넘으면 매우 거북한 스미어라고 하는 현상이 발생한다.
표 1에서 두께 20㎛의 실리콘 단결정을 통과하는 600nm의 빛의 투과율은 6.692×10-5이고, 두께 30㎛의 실리콘 단결정을 통과하는 650nm의 빛의 투과율은 7.59×10-5이다. 따라서, 이들의 경우에는, 상술한 1/10000 이하라고 하는 투과율에 대한 조건을 충족한다. 한편, 두께 20㎛의 실리콘 단결정을 통과하는 650nm의 빛의 투과율은 0.00179이고, 두께 30㎛의 실리콘 단결정을 통과하는 700nm의 빛의 투과율은 0.001393이다. 이들의 경우에는 상술한 1/10000 이하라고 하는 투과율에 대한 조건을 충족하지 않는다. 예를 들면, 두께가 30㎛의 실리콘 단결정에 700nm의 빛이 입사하는 경우의 투과율인 0.00193을 100배 하면 0.19393이 된다. 따라서, 100매분을 촬영하는 동안에는 13.93%의 불필요한 전하가 신호전하에 더하여진다.
이상의 검토로부터, 칩의 두께가 30㎛인 경우에는 광학 필터(130)는 700∼1000nm의 파장의 빛을 실질적으로 차단하는 것, 구체적으로는 이들의 빛의 투과율이 1% 이하인 것이 바람직하다. 다만, 연속촬영매수가 100매에 미치지 않는 경우에 광학 필터(130)의 이들의 빛의 투과율은 1% 이상이어도 좋고, 거꾸로 100매를 상회하는 경우에는 빛의 투과율은 1% 미만일 필요가 있다. 그리고, 연속촬영정지로부터 도시하지 않은 셔터가 폐쇄되어 광학계로부터의 이면조사형 촬상소자(101)에의 빛의 입사가 없어질 때까지는 어느 정도의 시간을 필요로 하고, 이 동안에 다량의 빛이 입사한다. 구체적으로는, 촬영속도가 1M매/초인 경우에 촬영시의 입사광량의 104배 정도의 빛이 입사면(102)에 입사한다. 따라서, 광학필터(130)의 빛의 투과율은 이 연속촬영정지로부터 입사면(102)에의 입사정지까지의 시간을 고려하여 설정할 필요가 있다.
빛의 투과율을 적절하게 설정한 광학필터(130)를 설치함으로써 신호기록용 CCD(123)에 직접 빛이 도달하여 불필요한 전하를 발생시키고, 화질저하의 원인이 되는 것을 방지할 수 있다.
(제6실시형태)
도 18부터 도 20에 나타내는 본 발명의 제6실시형태에 관한 이면조사형 촬상소자(101)는 n-형의 전하수집층(138)을 구비하고 있다. 이 전하수집층(138)은 변환층(131)과 전하저지층(133)과의 사이에 개재되고, 전하수집부(134)의 입사면(102) 측의 단부와 연속하여 있다. 변환층(131)에서 발생한 전하는 일단 전하수집층(138)에 모인다. 전하수집층(138)에 모인 전하는 수평방향으로 이동하여 전하수집부(134)에 수집된다. 따라서, 전하수집층(138)을 설치함으로써 신호기록용 CCD(123)에의 신호전하의 혼입을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
제6실시형태의 이면조사용 촬상소자(101)는 예를 들면 이하와 같이 제작한다. p-형의 기판의 표면측으로부터 고에너지의 이온 주입 또는 열확산에 의해 2∼8㎛ 정도의 두꺼운 n-층을 형성한다. 다음에, 동일한 방법으로 표면으로부터 2∼8㎛ 정도의 곳에 p+층을 형성하고, 더욱이 그 표면 측에 이온 주입에 의해 주변회로를 형성한다.
제6실시형태의 기타의 구성 및 작용은 제5실시형태와 동일하므로 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 여러 가지의 변형이 가능하다. 예를 들면, 입사선은 광선 이외의 전자파, 전자선 이외의 이온 정공과 같은 하전입자의 흐름, 그리고 X선에 더하여 α선, γ선, β선 및 중성자선을 포함하는 방사선이어도 좋다. 입사선이 방사선인 경우에는 촬상소자의 입사면측에 신틸레이터를 배치하고, 방사선의 강도에 따라서 신틸레이터가 발생하는 광선을 촬상소자에 입사시키면 좋다. 이 경우에 촬상소자의 수명의 관점으로부터 신틸레이터의 재료로서 녹색이나 청색의 빛, 즉 비교적 파장이 짧은 빛을 발생하는 것을 선택하는 것이 바람직하다. 그리고, 컬러 촬영이 필요한 경우에는 칩의 두께를 두껍게 하고, 붉은 빛도 기록용 CCD나 수직독출용 CCD가 미치지 않도록 할 필요가 있다. 그리고, 고해상도의 화상해석을 행하는 경우, 자연광에서 가장 에너지가 높은 녹색부터 황색의 빛을 이용하고, 적색부터 근적외의 빛을 차단하여 색수차를 저감하여 촬영하면 좋다.
첨부도면을 참조하여 본 발명을 완전히 설명하였으나, 당업자에게 있어서는 여러 가지의 변경 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 그러한 변경 및 변형은 본 발명의 의도 및 범위로부터 벗어나지 않는 한 본 발명에 포함된다고 해석하지 않으면 안 된다.

Claims (8)

  1. 입사선이 입사하는 입사면측에 설치되고, 상기 입사선을 신호전하로 변환하며, 2차원 배열을 구성하는 복수의 화소의 각각에 대하여 설치된 변환부;
    상기 변환부로부터 상기 입사면과는 반대의 표면측으로 연장되고, 상기 변환부에서 발생한 신호전하를 수집하는 전하수집부;
    상기 반대의 표면측에 설치되고, 상기 전하수집부에서 수집된 신호전하를 처리하는 전하처리부 및
    상기 변환부와 상기 전하처리부의 사이에 설치되고, 상기 변환부로부터 상기 전하처리부로의 상기 신호전하의 유입을 억제하는 억제영역을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이면조사형 촬상소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환부, 상기 전하수집부, 상기 전하처리부 및 상기 억제영역은 반도체 재료로 이루어지고,
    상기 변환부는 제1의 도전형을 가지고,
    상기 전하수집부는 제2의 도전형을 가지며,
    상기 억제영역은, 상기 제1의 도전형을 가지고, 상기 전하처리부가 그 안에 매입되며, 전하수집부가 관통하여 있는 전하저지층을 구비하는 것을 특징으로 하는 이면조사형 촬상소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 억제영역은 제2의 도전형을 가지고, 상기 변환부와 상기 전하저지층과의 사이에 개재되고, 상기 전하수집부의 입사면측의 단부와 연속하는 전하수집층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이면조사형 촬상소자.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전하처리부는 상기 신호전하를 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기인 것을 특징으로 하는 이면조사형 촬상소자.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 전하처리부는 각 화소 내부 또는 그 근방에 설치되고, 상기 신호전하를 축적하는 신호전하 축적부인 것을 특징으로 하는 이면조사형 촬상소자.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 입사선은 빛이고 또한 상기 입사면에 배치되며, 상기 입사면으로부터 상기 전하처리부에 투과하여 상기 전하처리부에서 상기 신호전하와 동종의 전하를 발생시키는 파장의 빛을 차단하는 광학필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이면조사형 촬상소자.
  7. 제 1 항의 이면조사형 촬상소자를 구비하는 전자현미경.
  8. 제 1 항의 이면조사형 촬상소자를 구비하는 촬영장치.
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