WO2003032395A1 - Solid-state imaging device and method for manufacturing solid-sate imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device and method for manufacturing solid-sate imaging device Download PDF

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WO2003032395A1
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Takashi Kasuga
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Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device.
  • an IT-IS (in-line-out line transferless scan) CCD is mainly used.
  • this type of solid-state imaging device if the number of pixels is increased while maintaining the same chip size as before, the size of the unit cell for photoelectric conversion naturally becomes smaller, resulting in lower sensitivity and saturation. The amount of charge handled such as signal amount decreases. In order to compensate for this, various improvements in characteristics have been made in the past, and the increase in the number of pixels has been realized by suppressing the characteristic deterioration due to the miniaturization of unit cells. However, if the number of pixels is further increased, a certain degree of performance degradation is inevitable.
  • a method has been proposed in which a photoelectric conversion section is formed of polycrystalline silicon or amorphous silicon on the signal charge transfer section, and the entire surface of the solid-state image sensor is used as a light receiving surface to improve the sensitivity by increasing the amount of received light.
  • polycrystalline silicon or amorphous silicon has lower electron and hole mobilities than single crystal silicon, causing problems such as afterimages, and it is difficult to realize a practical solid-state imaging device. is there.
  • a method has been proposed in which a silicon substrate is thinned to a thickness of about several tens of meters by back etching, and light is incident from the back side of the optical sensor to perform imaging.
  • the sensitivity is improved because the amount of incident light is increased without disturbing the transfer electrode and the like.
  • there is a limit to thinning the silicon substrate which limits its application to applications in the infrared region where the transmittance to silicon is high.
  • miniaturization is difficult, it is not suitable for a multi-pixel image sensor requiring high density.
  • An FT (frame transfer) type CCD in which the photoelectric conversion unit also serves as the charge transfer unit, is effective in expanding the area of the effective charge storage part, but the short wavelength side due to the light absorption of the transfer electrode.
  • the sensitivity is reduced by the above-mentioned method, and that the electric current generated by the photoelectric conversion unit also serving as the charge transfer unit is larger than that of the IT method, which is disadvantageous in terms of the SN ratio.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and its main object is to provide a solid-state imaging device having a structure capable of further increasing the number of pixels without increasing the size, and An object of the present invention is to provide a method for manufacturing the solid-state imaging device. Disclosure of the invention
  • Solid-state imaging device of the present invention and solid manufactured by the manufacturing method of the present invention
  • an electrode is arranged between the optical sensor and the buffer layer, that is, behind the optical sensor. If this electrode is used as a charge transfer electrode, for example, the charge transfer electrode on the light receiving surface side of the optical sensor is used. Can be omitted, in which case the light receiving surface of the optical sensor can be made wider than before.
  • this electrode When this electrode is used as an overflow drain electrode, unnecessary charges accumulated in the optical sensor can be discharged by applying a voltage to this electrode.
  • low-energy ion implantation is performed on a surface portion of the silicon substrate on the first surface side before an electrode is formed on the first surface of the silicon substrate.
  • an overflow barrier that is located below the optical sensor after completion can be formed. Therefore, it is not necessary to perform ion implantation deep in the silicon substrate to form an overflow barrier as in the conventional case, and the profile of the implanted impurity can be controlled well, and the overflow barrier can be made thinner. It can be a layer.
  • FIGS. 1A and 1B are partial cross-sectional side views showing an example of the solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a partial plan view showing the solid-state imaging device of FIG.
  • FIG. 3 is a partial sectional side view showing a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partial plan view of the second embodiment.
  • 5A, 5B, and 5C are process diagrams illustrating an example of a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention.
  • FIG. 6A, FIG. 6B, and FIG. 6C are step diagrams showing a step that follows FIG. 5C.
  • FIG. 1A and 1B are partial cross-sectional side views showing an example of the solid-state imaging device according to the present invention
  • FIG. 2 is a partial plan view of the solid-state imaging device of FIG. (A) in FIG. 1 shows a cross section along the line AA ′ in FIG. (B) of FIG. 1 shows a cross section along the line BB ′ in FIG.
  • the solid-state imaging device 2 of the present embodiment is configured by arranging a plurality of optical sensors 4 on the surface of a semiconductor substrate 6 side by side and in a matrix. I have. In the row direction, the optical sensors 14 are separated from each other by the element isolation regions 8 as shown in FIG. 1B, and in the column direction, as shown in FIG. 1A. The region 10 is separated by a p-type region into which high-concentration P-type impurities are ion-implanted, for example.
  • FIG. 2 is a diagram showing a structure below a light-shielding film described later.
  • first and second transfer electrodes 12 and 14 are provided for each optical sensor 14 as a transfer electrode for transferring signal charges generated by receiving light generated by the optical sensor 4.
  • the first and second transfer electrodes 12 and 14 are formed in common to the photosensors 4 in each row and extend in the row direction of the photosensors 4 and alternately in the column direction of the photosensors 14. Are located.
  • these first and second transfer electrodes 12 and 14 are embedded not under the surface of the semiconductor substrate 6 but under (behind) the optical sensor 4 as shown in FIG. Have been.
  • the semiconductor substrate 6 has a structure in which, for example, a support substrate 16 made of silicon, a buffer layer 18 made of an insulating material, and a thin film of single-crystal silicon, that is, a thin silicon layer 20 are stacked from the bottom in this order. .
  • Thin film On the surface side of the silicon layer 20, an optical sensor 14 composed of, for example, ap + region 22 containing a high concentration of p-type impurity and an n-type region 24 containing, for example, an n-type impurity, is formed.
  • the first and second transfer electrodes 12 and 14 are embedded between the n-type region 28 and the buffer layer 18, and the first and second transfer electrodes 12 and 14 and the n-type An insulating film 30 is interposed between the region 28 and the region 28.
  • a material for the first and second transfer electrodes 12 and 14 for example, polysilicon or a metal material such as aluminum or tungsten can be used.
  • a material for the insulating film 30 for example, silicon An oxide, silicon nitride, titanium oxide nitride, silicon carbide, or the like can be used.
  • the first and second transfer electrodes 12 and 14 are separated from each other by an insulating layer, and the first transfer electrode 12 is The second transfer electrode 14 is disposed substantially below the optical sensor 4, while the second transfer electrode 14 is disposed below the channel stop region 10.
  • An antireflection film 32 is formed on the surface of the optical sensor 14 to prevent reflection of light incident on the optical sensor 4 and increase the amount of light incident on the optical sensor 4.
  • the antireflection film 32 can be specifically formed of silicon oxide or nitride.
  • a light-shielding film 34 opened at the position of the optical sensor 4 is formed via an insulating layer, and a flattening film 38 is formed thereon.
  • an on-chip lens 42 is formed similarly to a conventional solid-state imaging device. Next, the operation of the solid-state imaging device 2 configured as described above will be described. During shooting, a mechanical sensor (not shown) placed in front of the solid-state image sensor 2 The shutter is opened, and light enters each optical sensor 4.
  • the optical sensor 4 photoelectrically converts the incident light to generate and store signal charges. Thereafter, when the mechanical shutter is closed and the exposure is stopped, a transfer pulse is sequentially applied to the first and second transfer electrodes 12 and 14, and unnecessary charges that have entered the transfer path during the exposure are discharged. Is done.
  • a positive voltage is applied to every other, for example, even-numbered first transfer electrodes 12, and the signal charges stored in the corresponding photosensors 4 are read out to the n-type regions 28 as transfer paths. It is. Here, it is assumed that signal charges are read out in an interlaced manner. Therefore, a positive voltage is applied to every other first transfer electrode 12 as described above. -Subsequently, the signal charges read out in this manner are applied to the first and second transfer electrodes 12 and 14 by applying transfer pulses to a horizontal charge transfer register (not shown) in the direction (first direction). (The direction in which the first and second transfer electrodes 12 and 14 are arranged). The signal charge for each row of the photosensor 4 supplied to the horizontal charge transfer register 1 is sequentially transferred by the horizontal charge transfer register 1, converted into a voltage, and output from the solid-state imaging device 2 as an image signal. Is done.
  • the transfer electrode is not formed on the surface of the thin-film silicon layer 20 as in the conventional case, and the area of the optical sensor 4 is larger than in the conventional case.
  • the optical sensor 14 has enough light Light enters. Therefore, it is possible to increase the number of pixels without increasing the size of the solid-state imaging device 2 and to secure the required sensitivity even if each unit cell (pixel) becomes smaller. It is possible.
  • the sensitivity of the solid-state imaging device 2 is higher than that of the conventional one because the optical sensor 14 is large, and the charge amount that the optical sensor 4 can handle further increases. Therefore, the dynamic range of the solid-state imaging device 2 is expanded.
  • the thin-film silicon layer 20 is formed of single-crystal silicon, the mobility of electrons and holes is sufficient, unlike the case of using polycrystalline silicon or amorphous silicon, and there is no problem such as an afterimage.
  • the light incident on the optical sensor 4 and further transmitted through the optical sensor 4 is applied to the surfaces of the first and second transfer electrodes 12 and 14 and the surface of the insulating film 30. The light is reflected by and returns to the optical sensor 4 side, where it is photoelectrically converted by the optical sensor 4. Even if this return light passes through the optical sensor 14, it is reflected on the upper and lower surfaces of the antireflection film 32, and is photoelectrically converted by the optical sensor 4.
  • the present embodiment light is multiple-reflected between the first and second transfer electrodes 12 and 14 and the insulating film 30 and the antireflection film 32.
  • the passing distance becomes longer as a whole, and the incident light is photoelectrically converted extremely efficiently. Therefore, sufficient sensitivity can be ensured even if the optical sensor 14 is formed thin and the optical sensor 4 is reduced in size, which is advantageous for reducing the size of the solid-state imaging device 2.
  • the material and thickness of the insulating film 30 are appropriately selected, and the light reflected on the surface of the insulating film 30 and the surface of the transfer electrode interfere with each other so as to reinforce each other, the reflected light becomes stronger at any time. It is effective for improving sensitivity.
  • the material and thickness are appropriately selected and the reflection The light reflected on the upper surface and the lower surface of the protection film 32 interferes with each other so as to reinforce each other, so that the sensitivity can be further improved.
  • the absorption coefficient of visible light in silicon is smaller on the longer wavelength side (red side), and the depth of the optical sensor 4 has been set to several microns to 10 microns in order to maintain sensitivity from the red to the near infrared.
  • the present embodiment such a restriction is eliminated.
  • the signal charges are read out by the interlace method.
  • three transfer electrodes are provided for each optical sensor 4 and the signal charges are read from all the optical sensors at once. Is also easy.
  • a second embodiment of the present invention will be described.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional side view showing a second embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a partial plan view of the second embodiment.
  • FIG. 3 shows a cross section taken along line CC ′ in FIG.
  • the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and a description thereof will be omitted here.
  • the solid-state imaging device 44 of the second embodiment shown in these drawings has the same structure as the conventional IT-IS solid imaging device with respect to the optical sensor 14 and the transfer of signal charges. However, it differs from the conventional solid-state imaging device and the solid-state imaging device 2 of the above embodiment in that the electrode according to the present invention is provided as an overflow drain electrode.
  • the semiconductor substrate 46 constituting the solid-state imaging device 44 has a structure in which a support substrate 16, a buffer layer 18, and a thin silicon layer 20 are laminated, and an overflow drain electrode 48 (in the present invention)
  • the electrodes involved are between the optical sensor 14 and the buffer layer 18, more specifically, the thin silicon layer 2. Embedded between 0 and buffer layer 18.
  • the overflow electrode 48 is provided for each column of the optical sensor 4 and extends in the column direction.
  • n + region 58 is formed on the surface of the thin-film silicon layer 20 in contact with the overflow drain electrode 48.
  • first and second surface transfer electrodes 50 and 52 are provided for each optical sensor 4, which are shown in FIG. As described above, the optical sensors 14 are alternately arranged in the column direction. Further, the first and second surface transfer electrodes 50 and 52 are formed in common for each of the photosensors 4 forming a row, and thus extend in the row direction. As shown in FIG. 3, an n-type region 54 is formed as a charge transfer path in the thin silicon layer 20 below the first and second surface transfer electrodes 50 and 52, and overflow occurs. A p + region 56 is formed between the barrier 26 A and the n-type region 54, and an n-type region 60 is formed between the charge transfer path and the photosensor 4.
  • first and second surface transfer electrodes 50 and 52 are covered with a light shielding film 62 as shown in FIG.
  • the unnecessary charges accumulated in the optical sensor 4 can be discharged by applying a positive voltage to the overflow drain electrode 48.
  • the overflow drain electrode 48 is provided for each column of the optical sensor 14, but the optical sensor 4 is provided for each row, or each of the optical sensors 4 is independently provided. Of course, it is possible to provide.
  • the overflow drain electrode 48 can realize pixel thinning, electronic zoom, high-performance electronic shutter, and the like.
  • a positive voltage is applied to every other column of the over-barf opening-drain electrode 48, and the optical sensor 4 of the corresponding column is applied.
  • the optical sensor 4 of the corresponding column is applied.
  • pixel rows can be thinned out every other row, and an image reduced to 1Z2 in the horizontal direction can be obtained.
  • reading out signal charges has been speeded up by thinning out every other row of pixels, and as a finder function, a monitor image can be displayed as a moving image at a high frame rate, or autofocusing and automatic exposure can be performed. In such a case, sufficient performance was obtained.
  • the aspect ratio of the image was different from the original. Therefore, by combining the above-described pixel thinning of every other column by the overflow drain electrode 48, the aspect ratio of the image can be made to match the original aspect ratio. Also, since the number of pixels is 1Z4, a higher frame rate can be realized.
  • an overflow drain electrode is provided for each optical sensor 4, for example, signal charges from the optical sensors 14 arranged in the peripheral area are discarded, and the optical sensors 4 arranged in the rectangular area in the central area are replaced.
  • a configuration in which only the generated signal charges are read out is also possible.
  • only the signal charges generated by some of the optical sensors 4 need to be used.
  • a high-speed image can be obtained by reading out signal charges only from the optical sensor 4 (for example, the optical sensor 4 in the central rectangular area), and an image is displayed at a high frame rate when displaying a moving image. be able to.
  • the over-flow drain electrode 48 as an electronic shut-down device and to set a different value for the charge accumulation time in the optical sensor 14 between adjacent pixels to expand the dynamic range. . That is, in one of the two adjacent pixels, the accumulation time is set to be long on one side (a positive voltage is applied to the overflow drain electrode 48 at an early timing), and the other is set to be short (overflow drain electrode 48). Slow positive voltage At the right timing). As a result, when a large amount of light is incident, the charge is saturated in a pixel having a long storage time, but the charge is not saturated in a pixel having a short storage time, and light can be detected.
  • the configuration may be such that an image signal is generated based on a detection result of a pixel having a short accumulation time. Conversely, when the amount of light is very small, it is possible to capture even minute light with sufficient sensitivity by using the detection result of a pixel having a long accumulation time.
  • the dynamic range can be expanded by the following methods. That is, a certain accumulation time is set for the all-optical sensor, an image is taken at any time, and a map data of the amount of incident light for each pixel is created from the result. Based on this map data, the area where the charge is saturated is examined, and the accumulation time is kept as it is for the optical sensor 14 disposed in the area where the charge is not saturated, while the area of the area where the saturation is generated is maintained. Reduce the accumulation time for optical sensor-4. Then, when the image is taken again, a good image can be obtained without saturation occurring in all regions.
  • FIGS. 5A, 5B, and 5C are process diagrams illustrating an example of a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention
  • FIGS. 6A, 6B, and 6C illustrate processes subsequent to FIG. 5C.
  • It is a process diagram, and shows a part of the substrate structure at each stage in the manufacture of the solid-state imaging device by a side cross section.
  • the same elements as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
  • the manufacturing method according to this embodiment includes, as an example, manufacturing the solid-state imaging device 2 described above.
  • each trench 68 is filled with a material for element isolation to form an element isolation region 8.
  • a material for filling the trench 68 it serves as a stopper in a CMP (Chemical Mechanical 1 Po1 ishing) performed later, and an oxide or nitride of silicon may be used as a material having a light shielding property. it can.
  • a high-concentration p-type impurity is selectively ion-implanted to form channel stop regions (not shown) extending perpendicular to the trenches 68 at intervals in a direction perpendicular to the plane of the drawing.
  • ions are implanted with low energy from the first surface 66 side of the silicon substrate 64 to form a P-region 26 containing a low-concentration P-type impurity as an overflow barrier.
  • the first and second transfer electrodes 12 and 14 extending in the row direction of the optical sensor 14 are formed for each row of the optical sensor (the first transfer electrode 12 in FIG. 5B). Only shown).
  • silicon dioxide is deposited on the first and second transfer electrodes 12 and 14 to form a buffer layer 18.
  • a support substrate 16 made of, for example, silicon is bonded onto the buffer layer 18, and then the entire surface of the silicon substrate 64 is placed on the second surface 72.
  • the silicon substrate 64 is polished by CMP until the bottom (the upper end in FIG. 6A) of the element isolation region 8 is exposed from the second surface 72, and the silicon substrate 64 is thinned to form a thin silicon layer 20. Get. So At this time, the bottom of the element isolation region 8 is used as a CMP stopper.
  • impurities are ion-implanted from the second surface 72 of the polished silicon substrate 64 to form the optical sensor 4 in the silicon substrate 64.
  • an insulating film is formed on the second surface 72 of the silicon substrate 64.
  • a light-shielding film 34 that opens at the position of the optical sensor 14 through the film, and forming a flattening film 38 made of an insulating material, a color filter 140 and an on-chip lens 42 are sequentially formed.
  • the first surface 66 side of the silicon substrate 64 By performing ion implantation with low energy on the surface of the substrate, a p-region 26 which is an overflow barrier located below the optical sensor 14 after completion can be formed. Therefore, it is not necessary to perform high-energy ion implantation from the front side of the solid-state imaging device 2 to a deep position in the silicon substrate to form an overflow barrier, unlike the conventional case, and a profile of an impurity to be implanted can be obtained. Good control is possible and the overflow barrier can be a thinner layer.
  • the light reflected on the optical sensor 4 side by the first and second transfer electrodes 12, 14, and the like passes through an overflow barrier that does not contribute to photoelectric conversion, and passes through the optical sensor 4.
  • the reflected light is effectively photoelectrically converted by the optical sensor 14 to improve the light detection sensitivity. Therefore, it is advantageous to increase the number of pixels of the solid-state imaging device 2 by miniaturizing the optical sensor 4.
  • the overflow barrier can be formed by ion implantation into the surface portion, high energy is not required for ion implantation, and only low energy ion implantation is performed. As a result, manufacturing becomes easier.
  • the bottom of the element isolation region 8 is used as a CMP stopper when the silicon substrate 64 is polished to a thin film, so that the polished silicon substrate 64 (thin film) is used.
  • the thickness of the silicon layer 20) can be accurately controlled.
  • the solid-state imaging device 44 of the second embodiment is also basically the same as the solid-state imaging device manufacturing method described here with respect to forming a structure having electrodes behind the optical sensor. In that case, it is easy to form the electrodes for each row of the optical sensors 14 or for each of the optical sensors 14. Industrial applicability
  • the electrode is arranged between the optical sensor and the buffer layer, that is, behind the optical sensor.
  • the electrode When used as an electrode, there is no need to arrange a charge transfer electrode on the light receiving surface side of the optical sensor.
  • this electrode When this electrode is used as an overflow drain electrode, unnecessary charges accumulated in the optical sensor can be discharged by applying a voltage to this electrode.

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Description

明細書 固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法 技術分野
本発明は固体撮像素子に関するものである。 背景技術
近年急速に市場が拡大している民生用のデジタルスチルカメラは、 銀 塩写真に置き換え得る高画質を実現するために、 固体撮像素子の画素数 を 1 0 0万画素以上とする必要があり、 最近では 3 0 0万画素以上のも のも製品として実用化されている。 一方で、 民生用のデジタルスチルカ メラとしては、 カメラの小型化も必須であり、 したがって固体撮像素子 のチップサイズを変えずに、 あるいはより小さくした上で固体撮像素子 の多画素化を実現しなければならない。
多画素化に重点をおいた固体撮像素子としては、 主に I T一 I S (ィ ン夕一ライントランスファ Γンターレススキャン） 型 C C Dが使用 されている。 この種の固体撮像素子において、 チップサイズの大きさを これまで通りとしたまま多画素化を図ると、 当然、 光電変換の単位ュニ ッ 卜セルのサイズは小さくなり、 感度の低下や、 飽和信号量などの取り 扱い電荷量の減少が生じる。 これを補うため、 従来より特性改善が種々 行われ、 ュニッ トセルの小型化による特性劣化を抑えて多画素化が実現 されている。 しかし、 いっそうの多画素化を図った場合には、 ある程度 の性能の劣化は避けられない。
この問題を抜本的に解決すべく従来より以下のような、 固体撮像素子 を構成する光センサーや電荷転送電極などの能動素子の多層化が提案さ れている。
( 1 ) 信号電荷の転送部上に、 多結晶シリコンまたはアモルファスシリ コンによって光電変換部を形成し、 固体撮像素子の全面を受光面として 受光量の増大による感度の向上を図る方法が提案されている。 しかし、 この方法では、 多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンが、 単結晶 シリコンに比べて電子およびホールの移動度が小さく、 残像などの問題 が発生して実用的な固体撮像素子を実現することは困難である。
( 2 ) バックエッチングによってシリコン基板を数十 m程度の厚さに 薄膜化し、 光センサーの裏面側より光を入射させて撮像する方法が提案 されている。 この方法では転送電極などが邪魔にならず入射光量が増大 することから感度が向上する。 しかし、 シリコン基板の薄膜化に限界が あるため、 シリコンに対する透過率が高い赤外光領域での応用などに用 途が限定されてしまう。 また、 微細化が困難であるため、 高密度化が求 められる多画素の撮像素子には適さない。
( 3 ) 光電変換部が電荷転送部を兼ねた構造の F T (フレームトランス ファー） 方式の C C Dも、 実効的な電荷蓄積部分の面積拡大に有効では あるが、 転送電極の光吸収による短波長側での感度低下の問題や、 光電 変換部が電荷転送部を兼ねることにより発生する喑電流が I T方式に比 較して大きく、 S N比の点で不利であるといった問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、 その主た る目的は、 サイズを大きくすることなく一層の多画素化を図ることが可 能な構造を備えた固体撮像素子および同固体撮像素子の製造方法を提供 することにある。 発明の開示
本発明の固体撮像素子、 および本発明の製造方法により製造した固体 撮像素子では、 光センサ一とバッファ一層との間、 すなわち光センサ一 の背後に電極が配置されているので、 この電極をたとえば電荷転送電極 として用いれば、 光センサーの受光面側の電荷転送電極を省くことも可 能であり、 その場合には光センサーの受光面を従来より広くとることが できる。
また、 この電極をォ一バーフロ一ドレイン電極として用いた場合は、 この電極に電圧を印加することで光センサーに蓄積した不要電荷を排出 することができる。
また、 本発明の固体撮像素子の製造方法では、 シリコン基板の第 1の 面に電極を形成する前の段階で、シリコン基板の第 1の面側の表面部に、 低エネルギーでイオン注入を行って、 完成後に光センサー下方の位置と なるオーバ一フローバリァを形成することができる。 したがって、 ォー バーフローバリァを形成するために従来のようにシリコン基板の深い位 置にイオン注入を行う必要がなく、 注入不純物のプロファイルを良好に 制御することができ、 オーバーフローバリアをより薄い層とすることが できる。 図面の簡単な説明
図 1の （A ) および （B ) は本発明による固体撮像素子の一例を示す 部分断面側面図である。
図 2は図 1の固体撮像素子を示す部分平面図である。
図 3は本発明の第 2の実施の形態例を示す部分断面側面図である。 図 4は第 2の実施の形態例の部分平面図である。
図 5 A、 図 5 B、 図 5 Cは本発明による固体撮像素子の製造方法の一 例を示す工程図である。
図 6 A、 図 6 B、 図 6 Cは図 5 Cに続く工程を示す工程図である。 発明を実施するための最良の形態
次に本発明の実施の形態例について図面を参照して説明する。
図 1の （A ) および （B ) は本発明による固体撮像素子の一例を示す 部分断面側面図、 図 2は図 1の固体撮像素子の部分平面図である。 図 1 の （A ) は図 2における A A ' 線に沿った断面を示す。 図 1の （B ) は 図 2における B B ' 線に沿つた断面を示している。
図 2に示したように、 本実施の形態例の固体撮像素子 2は、 複数の光 センサー 4を半導体基板 6の表面部に、 互いに側方に隣接させマトリク ス状に配列して構成されている。 各光センサ一 4は行方向では、 図 1の ( B ) にも示したように素子分離領域 8により相互に分離され、 列方向 では、 図 1の ( A ) にも示したようにチャネルストップ領域 1 0として 高濃度の P型不純物をたとえばィオン注入した p型領域により分離され ている。 なお、 図 2は、 後に説明する遮光膜より下側の構造を示す図面 となっている。
また、 光センサー 4が受光して生成した信号電荷を転送する転送電極 として、各光センサ一 4ごとに第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4 (本 発明に係わる電極） が設けられ、 第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4 は各行を成す光センサー 4に共通に形成されて光センサー 4の行方向に 延設されるとともに、 光センサ一 4の列方向に交互に配置されている。 そして、 これら第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4は本実施の形態例 では、 図 1に示したように、 半導体基板 6の表面ではなく、 光センサー 4の下方 （背後） に埋め込まれている。
半導体基板 6は、 たとえばシリコンによる支持基板 1 6、 絶縁材料か ら成るバッファ一層 1 8、 ならびに単結晶シリコンの薄膜、 すなわち薄 膜シリコン層 2 0をこの順番で下から積層した構造となっている。 薄膜 シリコン層 2 0の表面側には一例として高濃度の p型不純物を含む p + 領域 2 2、 および一例として n型不純物を含む n型領域 2 4から成る光 センサ一 4が形成され、 その下にオーバーフローバリアとして低濃度の P型不純物を含む P —領域 2 6が、 さらにその下に光センサ一 4が生成 した信号電荷の転送路となる一例として n型不純物を含む n型領域 2 8 が形成されている。
上記第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4は、 n型領域 2 8とバッフ ァ一層 1 8との間に埋め込まれ、 第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4 と n型領域 2 8との間には絶縁膜 3 0が介在している。 第 1および第 2 の転送電極 1 2、 1 4の材料としては、 たとえばポリシリコン、 あるい はアルミニウムやタングステンなどの金属材料を用いることができ、 絶 縁膜 3 0の材料としては、 たとえばシリコン酸化物、 シリコン窒化物、 チタンォキシナイ トライ ド、 炭化シリコンなどを用いることができる。 第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4は、 図 1の （A ) に示したように、 互いに絶縁層によって分離され、 第 1の転送電極 1 2は、 本実施の形態 例では各光センサー 4のほぼ真下の位置に配置され、 一方、 第 2の転送 電極 1 4はチヤンネルストップ領域 1 0の下方に配置されている。
光センサ一 4の表面には、 光センサー 4へ入射する光の反射を防止し て光センサー 4への入射光量を多くするための反射防止膜 3 2が形成さ れている。 反射防止膜 3 2は具体的にはシリコンの酸化物あるいは窒化 物により形成することができる。 そして薄膜シリコン層 2 0の上には、 光センサー 4の箇所で開口した遮光膜 3 4が絶縁層を介して形成され、 その上には平坦化膜 3 8が形成されて、 さらにカラ一フィルター 4 0、 オンチップレンズ 4 2が従来の固体撮像素子と同様に形成されている。 次に、このように構成された固体撮像素子 2の動作について説明する。 撮影時には、 固体撮像素子 2の前方に配置された不図示のメカニカル シャッターが開放され、 各光センサー 4に光が入射する。 光センサー 4 は入射した光を光電変換して信号電荷を生成し、 蓄積する。 その後、 メ 力二カルシャッタ一が閉じ、 露光が停止すると、 第 1および第 2の転送 電極 1 2 、 1 4に順次、 転送パルスが印加され、 露光時に転送路に入り 込んだ不要な電荷が排出される。
次に、 1つおきのたとえば偶数番目の第 1の転送電極 1 2に正の電圧 が印加され、 対応する光センサー 4に蓄積された信号電荷が転送路であ る n型領域 2 8に読み出される。 なお、 ここではインターレース方式で 信号電荷を読み出すものとし、 したがって上述のように 1つおきの第 1 の転送電極 1 2に正の電圧が印加される。 - つづいて、 このように読み出された信号電荷は、 第 1および第 2の転 送電極 1 2、 1 4に転送パルスを印加することにより不図示の水平電荷 転送レジス夕一の方向 （第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4の配列方 向） に向けて順次転送される。 そして水平電荷転送レジスタ一に供給さ れた光センサー 4の行ごとの信号電荷は、 水平電荷転送レジスタ一によ り順次転送され、 電圧に変換された後、 画像信号として固体撮像素子 2 から出力される。
その後、 今度は奇数番目の第 1の転送電極 1 2に正の電圧を印加して 対応する光センサー 4から信号電荷が読み出され、 以降同様に、 第 1お よび第 2の転送電極 1 2 、 1 4に転送パルスを印加して順次転送される。 このようにして全光センサ一が受光して生成した信号電荷がすべて光セ ンサー 4から読み出され、 撮影画像の画像信号が固体撮像素子 2から出 力される。
このような本実施の形態例の固体撮像素子 2では、 薄膜シリコン層 2 0の表面には従来のように転送電極が形成されておらず、 光センサー 4 の面積が従来より広くなつているので、 光センサ一 4には充分な光量の 光が入射する。 したがって、 固体撮像素子 2のサイズを大きくすること なく多画素化を図り個々のユニットセル （画素） が小さくなつても必要 な感度を確保することができ、 固体撮像素子 2のさらなる多画素化が可 能となる。
また、 ユニッ トセルのサイズを従来と同一とした場合には、 光センサ 一 4が大きいことから固体撮像素子 2の感度は従来より高くなり、 さら に、 光センサー 4が取り扱える電荷量が増大する結果、 固体撮像素子 2 のダイナミックレンジが拡大する。
さらに、 薄膜シリコン層 2 0は単結晶シリコンにより形成されている ので、 多結晶シリコンやアモルファスシリコンを用いた場合と異なり、 電子およびホールの移動度は充分であり、残像などの問題は発生しない。 そして、 本実施の形態例では、 光センサー 4に入射し、 さらに光セン サ一 4を透過した光は、 第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4の表面や 絶縁膜 3 0の表面で反射して光センサー 4側に戻り、 光センサー 4によ り光電変換される。 また、 この戻光が光センサ一 4を透過しても、 反射 防止膜 3 2の上面および下面で反射し、 光センサー 4により光電変換さ れる。 このように本実施の形態例では第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4および絶縁膜 3 0と反射防止膜 3 2との間で光が多重反射するので. 光が光センサー 4を通過する距離が全体として長くなり、 入射光はきわ めて効率よく光電変換される。 よって、 光センサ一 4を薄く形成し光セ ンサー 4を小型化しても充分な感度を確保でき、 固体撮像素子 2の小型 化に有利となる。
さらに、 絶縁膜 3 0の材料および厚さを適切に選定し、 絶縁膜 3 0の 表面および転送電極の表面で反射した光を、 互いに強め合うように干渉 させれば反射光はいつそう強くなり、 感度向上に有効である。 同様に、 反射防止膜 3 2においても、 その材料および厚さを適切に選定し、 反射 防止膜 3 2の上面および下面で反射した光を、 互いに強め合うように干 渉させることで、 いっそうの感度向上を図ることができる。
また、 可視光のシリコンにおける吸収係数は長波長側 （赤側） ほど小 さく、 従来は赤から近赤外線側の感度を保っために光センサー 4の深さ を数ミクロンから 1 0ミクロン程度としていたが、本実施の形態例では、 このような制限がなくなる。 そして、 絶縁膜 3 0および反射防止膜 3 2 の屈折率および厚さ、 ならびに光の波長を考慮した光学設計を適切に行 うことにより、 あらゆる波長の光に対して高い感度を持つように固体撮 像素子を構成することができる。
なお、 本実施の形態例ではインタ一レース方式により信号電荷を読み 出すとしたが、 各光センサー 4ごとに 3つの転送電極を設けて一度に全 光センサーからの信号電荷を読み出す構成とすることも容易である。 次に、 本発明の第 2の実施の形態例について説明する。
図 3は本発明の第 2の実施の形態例を示す部分断面側面図、 図 4は第 2の実施の形態例の部分平面図である。 図 3は図 4における C C ' 線に 沿った断面を表している。 図中、 図 1 と同一の要素には同一の符号が付 されており、 それらに関する説明はここでは省略する。
これらの図面に示した第 2の実施の形態例の固体撮像素子 4 4は、 光 センサ一 4および信号電荷の転送に関しては従来の I T一 I S方式の固 体撮像素子と同様の構造となっているが、 本発明に係わる電極をオーバ —フロードレイン電極として設けた点で従来の固体撮像素子および上記 実施の形態例の固体撮像素子 2と異なっている。
固体撮像素子 4 4を構成する半導体基板 4 6は、 支持基板 1 6、 バッ ファ一層 1 8、 ならびに薄膜シリコン層 2 0を積層した構造となってお り、 オーバーフロードレイン電極 4 8 (本発明に係わる電極） は、 光セ ンサ一 4とバッファ一層 1 8との間、 より具体的には薄膜シリコン層 2 0とバッファ一層 1 8との間に埋め込まれている。 オーバ一フロ一ドレ イン電極 4 8は、 図 4に示したように、 光センサー 4の各列ごとに設け られ列方向に延在している。
オーバーフロードレイン電極 4 8に接する薄膜シリコン層 2 0の表面 部には n +領域 5 8が形成されている。
薄膜シリコン層 2 0の、 バッファ一層 1 8と反対側の表面には、 各光 センサー 4ごとに第 1および第 2の表面転送電極 5 0 、 5 2が設けられ、 これらは、 図 4に示したように、 光センサ一 4の列方向において交互に 配列されている。 また、 第 1および第 2の表面転送電極 5 0、 5 2は、 行を成す各光センサー 4に対して共通に形成され、 したがって行の方向 に延在している。 第 1および第 2の表面転送電極 5 0 、 5 2の下方の薄 膜シリコン層 2 0には、 図 3に示したように、 n型領域 5 4が電荷転送 路として形成され、 オーバ一フローバリア 2 6 Aと n型領域 5 4との間 には p +領域 5 6が形成され、 電荷転送路と光センサー 4との間には n 一領域 6 0が形成されている。 また、 第 1および第 2の表面転送電極 5 0、 5 2は、 図 3に示したように、 遮光膜 6 2により覆われている。 このように構成された固体撮像素子 4 4では、 光センサー 4に蓄積し た不要電荷は、 オーバーフロードレイン電極 4 8に正の電圧を印加する ことで排出することができる。
ここでは、 オーバ一フロードレイン電極 4 8は、 光センサ一 4の各列 ごとに設けられているとしたが、 光センサー 4を行ごとに設けたり、 あ るいは各光センサー 4ごとに独立に設けることも無論可能である。
そして、 このようなオーバーフロードレイン電極 4 8により、 画素間 引き、 電子ズーム、 高機能電子シャッターなどを実現できる。
すなわち、 固体撮像素子 4 4においてたとえば 1列おきのォ一バーフ 口一ドレイン電極 4 8に正の電圧を印加して対応する列の光センサー 4 による信号電荷を廃棄すれば、 画素列を 1列おきに間引くことができ、 水平方向で 1 Z 2に縮小した画像が得られる。 従来より、 1行おきに画 素行を間引く ことで信号電荷の読み出しの高速化を図り、 ファインダー 機能としてモニタ一画像を高フレームレ一トで動画表示できるようにし たり、 あるいはオートフォーカスや、 自動露光を行う際に充分な性能が 得られるようになされていた。 しかし、 行方向での間引きのみであった ため、画像の縦横比は本来のものと異なったものになっていた。そこで、 オーバーフロ一ドレイン電極 4 8による上述のような 1列おきの画素間 引きを組み合わせれば、 画像の縦横比を本来の縦横比に一致させること が可能となる。 また、 画素の数は 1 Z 4となるので、 いっそう高いフレ —ムレ一トを実現できる。
また、オーバ一フロードレイン電極を各光センサー 4ごとに設ければ、 たとえば周辺部に配列された光センサ一 4による信号電荷は破棄し、 中 央部の矩形領域に配列された光センサー 4が生成した信号電荷のみを読 み出すといった構成も可能となる。 電子ズ一ムを行う場合には一部の光 センサー 4で生成された信号電荷のみを利用すればよいため、 電子ズ一 ムを行う際に、 このような機能を使用すれば、 一部の光センサ一 4 (た とえば中央部の矩形領域の光センサー 4 ) からのみ信号電荷を読み出し て高速に画像を得ることができ、 また動画表示を行う場合には高フレー ムレートで画像を表示することができる。
さらに、 オーバ一フロ一ドレイン電極 4 8を電子シャッ夕一手段とし て用い、 隣接画素間で光センサ一 4における電荷蓄積時間を異なる値に 設定してダイナミックレンジの拡大を図ることも可能である。すなわち、 隣接する 2つの画素において一方では蓄積時間を長く設定し （オーバー フロ一ドレイン電極 4 8に正の電圧を早いタイミングで印加する） 、 他 方では短く設定する （オーバ一フロードレイン電極 4 8に正の電圧を遅 いタイミングで印加する）。これにより光量の大きな光が入射した場合、 蓄積時間の長い画素では電荷が飽和してしまうが、 蓄積時間の短い画素 では電荷は飽和せず、 光の検出が可能である。 したがって光量が大きい 場合には蓄積時間が短い画素による検出結果により画像信号を生成する 構成とすればよい。 逆に光量がごく小さい光の場合には、 蓄積時間の長 い画素による検出結果を用いることで微小光でも充分な感度で撮像する ことが可能となる。
さらに、 次のような手法によりダイナミックレンジの拡大を図ること も可能である。 すなわち、 全光センサ一に対してある蓄積時間を設定し ていつたん撮像し、 その結果から、 各画素ごとの入射光量のマップデ一 夕一を作成する。 このマップデータ一にもとづき、 電荷の飽和が生じて いる領域を調べ、 飽和していない領域に配置された光センサ一 4に対し ては蓄積時間をそのままとする一方、 飽和が生じている領域の光センサ —4に対しては蓄積時間を短くする。 そして、 再度撮像すると、 今度は 全領域で飽和は発生せず良好な画像が得られる。
また、 この固体撮像素子 4 4でもオーバーフロードレイン電極 4 8と 反射防止膜 3 2との間で光が多重反射し、 光が光センサー 4を通過する 距離が全体として長くなるので、 従来より高い光検出感度が得られる。 次に、 本発明による固体撮像素子の製造方法の実施の形態例について 説明する。
図 5 A、 図 5 B、 図 5 Cは本発明による固体撮像素子の製造方法の一 例を示す工程図、 図 6 A、 図 6 B、 図 6 Cは図 5 Cに続く工程を示すェ 程図であり、 固体撮像素子の製造における各段階の基板構造の一部を側 断面により示している。 図中、 図 1、 図 2と同一の要素には同一の符号 が付されている。
この実施の形態例の製造方法は、 一例として上記固体撮像素子 2を製 造するものであり、 まず、 図 5 Aに示したように、 単結晶シリコンによ るシリコン基板 64の第 1の面 6 6に、 隣接する光センサーを分離する トレンチ 6 8を一定の間隔で形成する。
次に、 図 5 Bに示したように、 各トレンチ 6 8に素子分離のための材 料を充填して素子分離領域 8を形成する。 ここでトレンチ 6 8に充填す る材料としては、 後に行う CMP (C h e m i c a l M e c h a n i c a 1 P o 1 i s h i n g) におけるストッパ一となり、 また遮光性 を有する材料としてシリコンの酸化物や窒化物を用いることができる。 つづいて、 高濃度の p型不純物を選択的にイオン注入してトレンチ 6 8 に直交して延在するチャネルストップ領域 （図示せず） を紙面に直交す る方向において間隔をおき形成する。 そして、 シリコン基板 64の第 1 の面 6 6側から低エネルギーでイオン注入を行って、 オーバーフローバ リアとしての低濃度の P型不純物を含む P—領域 2 6を形成する。
つづいて、 シリコン基板 64の第 1の面 6 6上に、 図 1の絶縁膜 3 0 とする絶縁膜 （図 5 A〜図 5 C、 図 6 A〜図 6 Cでは省略） を形成した 後、 光センサ一の行ごとに、 光センサ一 4の行方向に延在する第 1およ び第 2の転送電極 1 2、 1 4を形成する (図 5 Bでは第 1の転送電極 1 2のみが示されている） 。
その後、 図 5 Cに示したように、 第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4の上にたとえば二酸化シリコンを堆積させてバッファー層 1 8を形成 する。
そして、 図 6 Aに示したように、 バッファ一層 1 8の上に、 たとえば シリコンから成る支持基板 1 6を接合し、 次に、 全体をシリコン基板 6 4の第 2の面 7 2が上になるように配置して、 シリコン基板 64を、 第 2の面 7 2より素子分離領域 8の底部 （図 6 Aでは上端部） が露出する まで CMPによって研磨し、 薄膜化して薄膜シリコン層 2 0を得る。 そ の際、 素子分離領域 8の上記底部を C M Pストッパーとして利用する。 つづいて、 図 6 Bに示したように、 研磨後のシリコン基板 6 4の第 2 の面 7 2から不純物をイオン注入してシリコン基板 6 4内に光センサー 4を形成する。
次に、 光センサー 4の表面に反射防止膜 （図 6 A〜6 Cでは省略） を 形成した後、 図 6 Cに示したように、 シリコン基板 6 4の第 2の面 7 2 上に絶縁膜を介して、 光センサ一 4の箇所で開口する遮光膜 3 4を形成 し、 そして絶縁材料による平坦化膜 3 8を形成した後、 カラ一フィルタ 一 4 0、オンチップレンズ 4 2を順次形成する。このような手順により、 光センサー 4の背後に電極を備えた構造を有し、 上述のような効果を奏 する固体撮像素子 2を完成させることができる。
そして、 本実施の形態例の固体撮像素子 2の製造方法では、 シリコン 基板 6 4の第 1の面 6 6に電極を形成する前の段階で、 シリコン基板 6 4の第 1の面 6 6側の表面部に、 低エネルギーでイオン注入を行って、 完成後に光センサ一 4下方の位置となるオーバーフローバリァである p —領域 2 6を形成することができる。 したがって、 ォ一バーフロ一バリ ァを形成するために従来のように固体撮像素子 2の前方側からシリコン 基板の深い位置に高エネルギーでイオン注入を行う必要がなく、 注入不 純物のプロフアイルを良好に制御することができ、 オーバーフローバリ ァをより薄い層とすることができる。
その結果、 第 1および第 2の転送電極 1 2、 1 4などで光センサー 4 側に反射した光が、 光電変換に寄与しないオーバ一フローバリアを通過 する距離を、光センサー 4を通過する距離に対して短くすることができ、 反射光が効果的に光センサ一 4により光電変換されて光検出感度が向上 する。 よって、 光センサー 4の微細化による固体撮像素子 2の多画素化 に有利となる。 さらに、 本実施の形態例の固体撮像素子 2の製造方法では、 オーバ一 フローバリァは表面部へのイオン注入により形成でき、 イオン注入に高 エネルギーは不要であり、 低エネルギーのイオン注入を行うのみで済む ため、 製造が容易となる。
また、 本実施の形態例の製造方法では、 シリコン基板 6 4を研磨して 薄膜化する際に素子分離領域 8の'底部を C M Pストッパーとして利用す るので、 研磨後のシリコン基板 6 4 (薄膜シリコン層 2 0 ) の厚さを正 確に制御することができる。
なお、 上記第 2の実施の形態例の固体撮像素子 4 4も、 光センサーの 背後に電極を備えた構造を形成することに関して、 ここで説明した固体 撮像素子の製造方法と基本的に同様の方法により製造することができる その場合、 電極は光センサ一 4の列ごとに形成したり、 あるいは各光セ ンサ一 4ごとに形成することも容易である。 産業上の利用可能性
本発明の固体撮像素子、 および本発明の製造方法により製造した固体 撮像素子では、 光センサーとバッファ一層との間、 すなわち光センサー の背後に電極が配置されているので、 この電極をたとえば電荷転送電極 として用いれば、 光センサーの受光面側に電荷転送電極を配置する必要 がない。 また、 この電極をオーバーフロードレイン電極として用いた場 合は、 この電極に電圧を印加することで光センサーに蓄積した不要電荷 を排出することができる。

Claims

請求の範囲
1 . 互いに隣接する複数の光センサーにより構成された固体撮像素子 であって、
支持基板と、
この支持基板の表面に形成された絶縁材料から成るバッファー層と、 このバッファー層の上に形成された単結晶シリコンの薄膜と、 この単結晶シリコンの薄膜中に互いに側方に隣接して形成された複数 の光センサ一と、
この光センサ一と前記バッファ一層との間に埋め込まれ前記光センサ —が受光して生成した信号電荷を制御する電極とを備えた固体撮像素子,
2 . 前記電極と前記光センサーとの間に介在する絶縁膜を備えた請求 項 1記載の固体撮像素子。
3 . 前記絶縁膜は、前記光センサー側から入射した光を前記光センサ一 側に反射させる請求項 2記載の固体撮像素子。
4 . 前記電極は、前記光センサ一側から入射した光を前記光センサ一側 に反射させる請求項 1記載の固体撮像素子。
5 . 前記光センサーの表面に形成され前記光センサ一への入射光の反 射を防止する反射防止膜を備え、 前記反射防止膜は、 前記光センサ一内 から前記反射防止膜に入射した光を前記光センサ一側に反射させる請求 項 3記載の固体撮像素子。
6 . 各光センサーごとに複数の前記電極が設けられ、列を成す前記光セ ンサ一が受光して生成した信号電荷が、 前記電極によって列の方向に転 送される請求項 1記載の固体撮像素子。
7 . 前記光センサ一が受光して生成した信号電荷が、前記電極によって 排出される請求項 1記載の固体撮像素子。
8 . 前記光センサーの下に前記光センサ一に接してオーバ一フローバ リァが設けられている請求項 1記載の固体撮像素子。
9 . 互いに隣接する複数の光センサ一を含み、前記光センサーが受光し て生成した信号電荷を制御する電極が前記光センサーの下方に設けられ た構造の固体撮像素子を製造する方法であって、
単結晶シリコン基板の第 1の面に、 隣接する前記光センサーを分離す るトレンチを形成し、
このトレンチに素子分離のための材料を充填して素子分離領域を形成 し、
前記シリコン基板の前記第 1の面に前記電極を形成し、
前記電極の上に絶縁材料によるパッファー層を形成し、
前記バッファー層の上に支持基板を接合し、
前記シリコン基板を、 前記第 1の面と反対側の第 2の面より前記素子 分離領域のトレンチ底部側の端部が露出するまで研磨し、
研磨後の前記シリコン基板の第 2の面から不純物をイオン注入して前 記シリコン基板内に前記光センサ一を形成する固体撮像素子の製造方法,
1 0 . 前記シリコン基板の研磨は C M Pにより行い、その際、前記トレ ンチに充填した材料のトレンチ底部側の端部を研磨におけるストッパー とする請求項 9記載の固体撮像素子。
1 1 . 遮光性を有する材料を前記トレンチに充填する請求項 9記載の 固体撮像素子の製造方法。
1 2 . 第 1の面に前記電極を形成する前に、前記シリコン基板に対し前 記第 1の面側から低エネルギーで不純物を注入して前記光センサーの下 方に位置するオーバーフローバリアを形成する請求項 1記載の固体撮像 素子。
1 3 . 前記電極は、マトリクス状に配列された前記光センサ一の行また は列に対応して、 または各光センサ一に対応して形成する請求項 9記載 の固体撮像素子の製造方法。
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