固体撮像素子および固体撮像素子の製造方法
【課題】充分な感度を確保しつつ多画素化を図る。
【解決手段】半導体基板６の表面部にマトリクス状に配列した多数の光センサー４を含む。光センサー４が生成した電荷は光センサー４の下方に埋め込まれた第１および第２の転送電極１２、１４により転送される。半導体基板６はシリコンによる支持基板１６、バッファー層１８、単結晶シリコンによる薄膜シリコン層２０を積層して構成されている。光センサー４はｐ＋領域２２およびｎ型領域２４から成り、その下にｐ−領域２６（オーバーフローバリア）と、転送路としてのｎ型領域２８が形成されている。第１および第２の転送電極１２、１４は、ｎ型領域２８とバッファー層１８との間に埋め込まれ、ｎ型領域２８との間には絶縁膜３０が介在している。この構造では表面部に転送電極が存在せず受光面積が拡大するので多画素化のために光センサー４を小型化しても感度を確保できる。
【解決手段】半導体基板６の表面部にマトリクス状に配列した多数の光センサー４を含む。光センサー４が生成した電荷は光センサー４の下方に埋め込まれた第１および第２の転送電極１２、１４により転送される。半導体基板６はシリコンによる支持基板１６、バッファー層１８、単結晶シリコンによる薄膜シリコン層２０を積層して構成されている。光センサー４はｐ＋領域２２およびｎ型領域２４から成り、その下にｐ−領域２６（オーバーフローバリア）と、転送路としてのｎ型領域２８が形成されている。第１および第２の転送電極１２、１４は、ｎ型領域２８とバッファー層１８との間に埋め込まれ、ｎ型領域２８との間には絶縁膜３０が介在している。この構造では表面部に転送電極が存在せず受光面積が拡大するので多画素化のために光センサー４を小型化しても感度を確保できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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１００万画素以上とする必要があり、最近では３００万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。
【０００３】
多画素化に重点をおいた固体撮像素子としては、主にＩＴ−ＩＳ（インターライントランスファー−インターレススキャン）型ＣＣＤ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、光電変換の単位ユニット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、ユ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。
【０００４】
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。
【０００５】
（２）バックエッチングによってシリコン基板を数十μｍ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。
【０００６】
（３）光電変換部が電荷転送部を兼ねた構造のＦＴ（フレームトランスファー）方式のＣＣＤ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暗電流がＩＴ方式に比較して大きく、ＳＮ比の点で不利であるといった問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するため、互いに隣接する多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多数の光センサーと、この光センサーと前記バッファー層との間に埋め込まれ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とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、互いに隣接する多数の光センサーを含み、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背後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バ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ーを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
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ー層との間、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く、光センサーの受光面を従来より広くとることができる。したがって、光センサーに充分な光量の光が入射し、固体撮像素子のサイズを大きくすることなく多画素化を図っても必要な感度を確保することができ、固体撮像素子のさらなる多画素化を実現できる。
【００１１】
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ーフローバリアを形成することができる。したがって、オーバーフローバリア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。その結果、電極などで光センサー側に反射した光が、オーバーフローバリアを通過する距離が、光センサーを通過する距離に比べて相対的に短くなり、光検出感度が向上する。よって、光センサーの微細化による固体撮像素子の多画素化に有利となる。さらに、表面部へのイオン注入であるため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み製造が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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ＡＡ’線に沿った断面を示す（Ｂ）は図２におけるＢＢ’線に沿った断面を示している。
【００１３】
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、多数の光センサー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。各光センサー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１０として高濃度のｐ型不純物をたとえばイオン注入した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。
【００１４】
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、各光センサー４ごとに第１および第２の転送電極１２、１４（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１２、１４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、光センサー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１２、１４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。
【００１５】
半導体基板６は、たとえばシリコンによる支持基板１６、絶縁材料から成るバッファー層１８、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２０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２０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２２、および一例としてｎ型不純物を含むｎ型領域２４から成る光センサー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２６が、さらにその下に光センサー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２８が形成されている。
【００１６】
上記第１および第２の転送電極１２、１４は、ｎ型領域２８とバッファー層１８との間に埋め込まれ、第１および第２の転送電極１２、１４とｎ型領域２８との間には絶縁膜３０が介在している。第１および第２の転送電極１２、１４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３０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、チタンオキシナイトライド、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１２、１４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１２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１４はチャンネルストップ領域１０の下方に配置されている。
【００１７】
光センサー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３２が形成されている。反射防止膜３２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２０の上には、光センサー４の箇所で開口した遮光膜３４が絶縁層を介して形成され、その上には平坦化膜３８が形成されて、さらにカラーフィルター４０、オンチップレンズ４２が従来の固体撮像素子と同様に形成されている。
【００１８】
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、メカニカルシャッターが閉じ、露光が停止すると、第１および第２の転送電極１２、１４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。
【００１９】
次に、１つおきのたとえば偶数番目の第１の転送電極１２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２８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１２に正の電圧が印加される。
【００２０】
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１２、１４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ターの方向（第１および第２の転送電極１２、１４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ー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ー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１２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１２、１４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ー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。
【００２１】
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２０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っているので、光センサー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）が小さくなっ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、光センサー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２０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。
【００２２】
そして、本実施の形態例では、光センサー４に入射し、さらに光センサー４を透過した光は、第１および第２の転送電極１２、１４の表面や絶縁膜３０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ー４を透過しても、反射防止膜３２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１２、１４および絶縁膜３０と反射防止膜３２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、光センサー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。
【００２３】
さらに、絶縁膜３０の材料および厚さを適切に選定し、絶縁膜３０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っそう強くなり、感度向上に有効である。同様に、反射防止膜３２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３２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。
【００２４】
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つために光センサー４の深さを数ミクロンから１０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３０および反射防止膜３２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。
【００２５】
なお、本実施の形態例ではインター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。
【００２６】
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ＣＣ’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。
【００２７】
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４４は、光センサー４および信号電荷の転送に関しては従来のＩＴ−ＩＳ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ー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。
【００２８】
固体撮像素子４４を構成する半導体基板４６は、支持基板１６、バッファー層１８、ならびに薄膜シリコン層２０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４８（本発明に係わる電極）は、光センサー４とバッファー層１８との間、より具体的には薄膜シリコン層２０とバッファー層１８との間に埋め込まれている。オーバーフロードレイン電極４８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４８に接する薄膜シリコン層２０の表面部にはｎ＋領域５８が形成されている。
【００２９】
薄膜シリコン層２０の、バッファー層１８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５０、５２が設けられ、これらは、図４に示したように、光センサー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５０、５２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５０、５２の下方の薄膜シリコン層２０には、図３に示したように、ｎ型領域５４が電荷転送路として形成され、オーバーフローバリア２６Ａとｎ型領域５４との間にはｐ＋領域５６が形成され、電荷転送路と光センサー４との間にはｎ−領域６０が形成されている。また、第１および第２の表面転送電極５０、５２は、図３に示したように、遮光膜６２により覆われている。
【００３０】
このように構成された固体撮像素子４４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４８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、オーバーフロードレイン電極４８は、光センサー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４８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。
【００３１】
すなわち、固体撮像素子４４においてたとえば１列おきのオーバーフロードレイン電極４８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１／２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ー画像を高フレームレー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、オーバーフロードレイン電極４８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１／４となるので、いっそう高いフレームレートを実現できる。
【００３２】
また、オーバー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ー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。電子ズー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、電子ズームを行う際に、このような機能を使用すれば、一部の光センサー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。
【００３３】
さらに、オーバーフロードレイン電極４８を電子シャッター手段として用い、隣接画素間で光センサー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（オーバーフロードレイン電極４８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（オーバーフロードレイン電極４８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。
【００３４】
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、全光センサーに対してある蓄積時間を設定していったん撮像し、その結果から、各画素ごとの入射光量のマップデーターを作成する。このマップデーターにもとづき、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ー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ー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。
【００３５】
また、この固体撮像素子４４でもオーバーフロードレイン電極４８と反射防止膜３２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。
【００３６】
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の（Ａ）から（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の（Ａ）から（Ｃ）は図５の（Ｃ）に続く工程を示す工程図であり、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。
【００３７】
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の（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６６に、隣接する光センサーを分離するトレンチ６８を一定の間隔で形成する。
次に、図５の（Ｂ）に示したように、各トレンチ６８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６８に充填する材料としては、後に行うＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）におけるストッパーとなり、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６８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６６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２６を形成する。
【００３８】
つづいて、シリコン基板６４の第１の面６６上に、図１の絶縁膜３０とする絶縁膜（図５、６では省略）を形成した後、光センサーの行ごとに、光センサー４の行方向に延在する第１および第２の転送電極１２、１４を形成する（図５の（Ｂ）では第１の転送電極１２のみが示されている）。
【００３９】
その後、図５の（Ｃ）に示したように、第１および第２の転送電極１２、１４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１８を形成する。
そして、図６の（Ａ）に示したように、バッファー層１８の上に、たとえばシリコンから成る支持基板１６を接合し、次に、全体をシリコン基板６４の第２の面７２が上になるように配置して、シリコン基板６４を、第２の面７２より素子分離領域８の底部（図６の（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２０を得る。その際、素子分離領域８の上記底部をＣＭＰストッパーとして利用する。
【００４０】
つづいて、図６の（Ｂ）に示したように、研磨後のシリコン基板６４の第２の面７２から不純物をイオン注入してシリコン基板６４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では省略）を形成した後、図６の（Ｃ）に示したように、シリコン基板６４の第２の面７２上に絶縁膜を介して、光センサー４の箇所で開口する遮光膜３４を形成し、そして絶縁材料による平坦化膜３８を形成した後、カラーフィルター４０、オンチップレンズ４２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。
【００４１】
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６４の第１の面６６に電極を形成する前の段階で、シリコン基板６４の第１の面６６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４下方の位置となるオーバーフローバリア（２６）を形成することができる。したがって、オーバーフローバリア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。
【００４２】
その結果、第１および第２の転送電極１２、１４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ー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ー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。
【００４３】
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、オーバーフローバリア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６４を研磨して薄膜化する際に素子分離領域８の底部をＣＭＰストッパーとして利用するので、研磨後のシリコン基板６４（薄膜シリコン層２０）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４４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、電極は光センサー４の列ごとに形成したり、あるいは各光センサー４ごとに形成することも容易である。
【００４４】
以上説明したように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ー層との間、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く、光センサーの受光面を従来より広くとることができる。したがって、光センサーに充分な光量の光が入射し、固体撮像素子のサイズを大きくすることなく多画素化を図っても必要な感度を確保することができ、固体撮像素子のさらなる多画素化を実現できる。
【００４５】
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ーフローバリアを形成することができる。したがって、オーバーフローバリア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。その結果、電極などで光センサー側に反射した光が、オーバーフローバリアを通過する距離が、光センサーを通過する距離に比べて相対的に短くなり、光検出感度が向上する。よって、光センサーの微細化による固体撮像素子の多画素化に有利となる。さらに、表面部へのイオン注入であるため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み製造が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（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】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】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】第２の実施の形態例の部分平面図である。
【図５】（Ａ）から（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】図６の（Ａ）から（Ｃ）は図５の（Ｃ）に続く工程を示す工程図である。
【符号の説明】
【００４７】
２、４４……固体撮像素子、４……光センサー、６、４６……半導体基板、８……素子分離領域、１０……チャネルストップ領域、１２……第１の転送電極、１４……第２の転送電極、１６……支持基板、１８……バッファー層、２０……薄膜シリコン層、３０……絶縁膜、３２……反射防止膜、３４、６２……遮光膜、３８……平坦化膜、４８……オーバーフロードレイン電極、５０……第１の表面転送電極、５２……第２の表面転送電極、６４……シリコン基板、６８……トレンチ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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１００万画素以上とする必要があり、最近では３００万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。
【０００３】
多画素化に重点をおいた固体撮像素子としては、主にＩＴ−ＩＳ（インターライントランスファー−インターレススキャン）型ＣＣＤ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、光電変換の単位ユニット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、ユ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。
【０００４】
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。
【０００５】
（２）バックエッチングによってシリコン基板を数十μｍ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。
【０００６】
（３）光電変換部が電荷転送部を兼ねた構造のＦＴ（フレームトランスファー）方式のＣＣＤ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暗電流がＩＴ方式に比較して大きく、ＳＮ比の点で不利であるといった問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するため、互いに隣接する多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多数の光センサーと、この光センサーと前記バッファー層との間に埋め込まれ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とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、互いに隣接する多数の光センサーを含み、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背後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バ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ーを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
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ー層との間、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く、光センサーの受光面を従来より広くとることができる。したがって、光センサーに充分な光量の光が入射し、固体撮像素子のサイズを大きくすることなく多画素化を図っても必要な感度を確保することができ、固体撮像素子のさらなる多画素化を実現できる。
【００１１】
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ーフローバリアを形成することができる。したがって、オーバーフローバリア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。その結果、電極などで光センサー側に反射した光が、オーバーフローバリアを通過する距離が、光センサーを通過する距離に比べて相対的に短くなり、光検出感度が向上する。よって、光センサーの微細化による固体撮像素子の多画素化に有利となる。さらに、表面部へのイオン注入であるため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み製造が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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ＡＡ’線に沿った断面を示す（Ｂ）は図２におけるＢＢ’線に沿った断面を示している。
【００１３】
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、多数の光センサー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。各光センサー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１０として高濃度のｐ型不純物をたとえばイオン注入した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。
【００１４】
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、各光センサー４ごとに第１および第２の転送電極１２、１４（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１２、１４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、光センサー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１２、１４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。
【００１５】
半導体基板６は、たとえばシリコンによる支持基板１６、絶縁材料から成るバッファー層１８、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２０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２０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２２、および一例としてｎ型不純物を含むｎ型領域２４から成る光センサー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２６が、さらにその下に光センサー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２８が形成されている。
【００１６】
上記第１および第２の転送電極１２、１４は、ｎ型領域２８とバッファー層１８との間に埋め込まれ、第１および第２の転送電極１２、１４とｎ型領域２８との間には絶縁膜３０が介在している。第１および第２の転送電極１２、１４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３０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、チタンオキシナイトライド、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１２、１４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１２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１４はチャンネルストップ領域１０の下方に配置されている。
【００１７】
光センサー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３２が形成されている。反射防止膜３２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２０の上には、光センサー４の箇所で開口した遮光膜３４が絶縁層を介して形成され、その上には平坦化膜３８が形成されて、さらにカラーフィルター４０、オンチップレンズ４２が従来の固体撮像素子と同様に形成されている。
【００１８】
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、メカニカルシャッターが閉じ、露光が停止すると、第１および第２の転送電極１２、１４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。
【００１９】
次に、１つおきのたとえば偶数番目の第１の転送電極１２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２８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１２に正の電圧が印加される。
【００２０】
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１２、１４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ターの方向（第１および第２の転送電極１２、１４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ー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ー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１２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１２、１４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ー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。
【００２１】
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２０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っているので、光センサー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）が小さくなっ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、光センサー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２０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。
【００２２】
そして、本実施の形態例では、光センサー４に入射し、さらに光センサー４を透過した光は、第１および第２の転送電極１２、１４の表面や絶縁膜３０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ー４を透過しても、反射防止膜３２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１２、１４および絶縁膜３０と反射防止膜３２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、光センサー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。
【００２３】
さらに、絶縁膜３０の材料および厚さを適切に選定し、絶縁膜３０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っそう強くなり、感度向上に有効である。同様に、反射防止膜３２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３２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。
【００２４】
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つために光センサー４の深さを数ミクロンから１０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３０および反射防止膜３２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。
【００２５】
なお、本実施の形態例ではインター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。
【００２６】
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ＣＣ’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。
【００２７】
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４４は、光センサー４および信号電荷の転送に関しては従来のＩＴ−ＩＳ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ー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。
【００２８】
固体撮像素子４４を構成する半導体基板４６は、支持基板１６、バッファー層１８、ならびに薄膜シリコン層２０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４８（本発明に係わる電極）は、光センサー４とバッファー層１８との間、より具体的には薄膜シリコン層２０とバッファー層１８との間に埋め込まれている。オーバーフロードレイン電極４８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４８に接する薄膜シリコン層２０の表面部にはｎ＋領域５８が形成されている。
【００２９】
薄膜シリコン層２０の、バッファー層１８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５０、５２が設けられ、これらは、図４に示したように、光センサー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５０、５２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５０、５２の下方の薄膜シリコン層２０には、図３に示したように、ｎ型領域５４が電荷転送路として形成され、オーバーフローバリア２６Ａとｎ型領域５４との間にはｐ＋領域５６が形成され、電荷転送路と光センサー４との間にはｎ−領域６０が形成されている。また、第１および第２の表面転送電極５０、５２は、図３に示したように、遮光膜６２により覆われている。
【００３０】
このように構成された固体撮像素子４４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４８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、オーバーフロードレイン電極４８は、光センサー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４８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。
【００３１】
すなわち、固体撮像素子４４においてたとえば１列おきのオーバーフロードレイン電極４８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１／２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ー画像を高フレームレー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、オーバーフロードレイン電極４８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１／４となるので、いっそう高いフレームレートを実現できる。
【００３２】
また、オーバー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ー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。電子ズー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、電子ズームを行う際に、このような機能を使用すれば、一部の光センサー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。
【００３３】
さらに、オーバーフロードレイン電極４８を電子シャッター手段として用い、隣接画素間で光センサー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（オーバーフロードレイン電極４８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（オーバーフロードレイン電極４８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。
【００３４】
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、全光センサーに対してある蓄積時間を設定していったん撮像し、その結果から、各画素ごとの入射光量のマップデーターを作成する。このマップデーターにもとづき、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ー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ー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。
【００３５】
また、この固体撮像素子４４でもオーバーフロードレイン電極４８と反射防止膜３２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。
【００３６】
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の（Ａ）から（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の（Ａ）から（Ｃ）は図５の（Ｃ）に続く工程を示す工程図であり、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。
【００３７】
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の（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６６に、隣接する光センサーを分離するトレンチ６８を一定の間隔で形成する。
次に、図５の（Ｂ）に示したように、各トレンチ６８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６８に充填する材料としては、後に行うＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）におけるストッパーとなり、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６８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６６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２６を形成する。
【００３８】
つづいて、シリコン基板６４の第１の面６６上に、図１の絶縁膜３０とする絶縁膜（図５、６では省略）を形成した後、光センサーの行ごとに、光センサー４の行方向に延在する第１および第２の転送電極１２、１４を形成する（図５の（Ｂ）では第１の転送電極１２のみが示されている）。
【００３９】
その後、図５の（Ｃ）に示したように、第１および第２の転送電極１２、１４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１８を形成する。
そして、図６の（Ａ）に示したように、バッファー層１８の上に、たとえばシリコンから成る支持基板１６を接合し、次に、全体をシリコン基板６４の第２の面７２が上になるように配置して、シリコン基板６４を、第２の面７２より素子分離領域８の底部（図６の（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２０を得る。その際、素子分離領域８の上記底部をＣＭＰストッパーとして利用する。
【００４０】
つづいて、図６の（Ｂ）に示したように、研磨後のシリコン基板６４の第２の面７２から不純物をイオン注入してシリコン基板６４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では省略）を形成した後、図６の（Ｃ）に示したように、シリコン基板６４の第２の面７２上に絶縁膜を介して、光センサー４の箇所で開口する遮光膜３４を形成し、そして絶縁材料による平坦化膜３８を形成した後、カラーフィルター４０、オンチップレンズ４２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。
【００４１】
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６４の第１の面６６に電極を形成する前の段階で、シリコン基板６４の第１の面６６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４下方の位置となるオーバーフローバリア（２６）を形成することができる。したがって、オーバーフローバリア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。
【００４２】
その結果、第１および第２の転送電極１２、１４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ー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ー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。
【００４３】
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、オーバーフローバリア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６４を研磨して薄膜化する際に素子分離領域８の底部をＣＭＰストッパーとして利用するので、研磨後のシリコン基板６４（薄膜シリコン層２０）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４４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、電極は光センサー４の列ごとに形成したり、あるいは各光センサー４ごとに形成することも容易である。
【００４４】
以上説明したように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ー層との間、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く、光センサーの受光面を従来より広くとることができる。したがって、光センサーに充分な光量の光が入射し、固体撮像素子のサイズを大きくすることなく多画素化を図っても必要な感度を確保することができ、固体撮像素子のさらなる多画素化を実現できる。
【００４５】
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ーフローバリアを形成することができる。したがって、オーバーフローバリア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。その結果、電極などで光センサー側に反射した光が、オーバーフローバリアを通過する距離が、光センサーを通過する距離に比べて相対的に短くなり、光検出感度が向上する。よって、光センサーの微細化による固体撮像素子の多画素化に有利となる。さらに、表面部へのイオン注入であるため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み製造が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（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】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】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】第２の実施の形態例の部分平面図である。
【図５】（Ａ）から（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】図６の（Ａ）から（Ｃ）は図５の（Ｃ）に続く工程を示す工程図である。
【符号の説明】
【００４７】
２、４４……固体撮像素子、４……光センサー、６、４６……半導体基板、８……素子分離領域、１０……チャネルストップ領域、１２……第１の転送電極、１４……第２の転送電極、１６……支持基板、１８……バッファー層、２０……薄膜シリコン層、３０……絶縁膜、３２……反射防止膜、３４、６２……遮光膜、３８……平坦化膜、４８……オーバーフロードレイン電極、５０……第１の表面転送電極、５２……第２の表面転送電極、６４……シリコン基板、６８……トレンチ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに隣接する多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多数の光センサーと、
この光センサーと前記バッファー層との間に埋め込まれ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とを備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項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ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項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ー側に反射させることを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記電極は、前記光センサー側から入射した光を前記光センサー側に反射させることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記光センサーの表面に形成され前記光センサー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、前記光センサー内から前記反射防止膜に入射した光を前記光センサー側に反射させることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項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ー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ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記光センサー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ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記光センサーの下に前記光センサーに接してオーバーフローバリアが設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項９】
互いに隣接する多数の光センサーを含み、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背後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バ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ーを形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１０】
前記シリコン基板の研磨はＣＭＰ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ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
遮光性を有する材料を前記トレンチに充填することを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
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ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記電極は、マトリクス状に配列された前記光センサーの行または列に対応して、または各光センサーに対応して形成することを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１】
互いに隣接する多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多数の光センサーと、
この光センサーと前記バッファー層との間に埋め込まれ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とを備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項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ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項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ー側に反射させることを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記電極は、前記光センサー側から入射した光を前記光センサー側に反射させることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記光センサーの表面に形成され前記光センサー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、前記光センサー内から前記反射防止膜に入射した光を前記光センサー側に反射させることを特徴とする請求項３記載の固体撮像素子。
【請求項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ー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ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記光センサー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ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記光センサーの下に前記光センサーに接してオーバーフローバリアが設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項９】
互いに隣接する多数の光センサーを含み、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背後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バ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ーを形成することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【請求項１０】
前記シリコン基板の研磨はＣＭＰ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ことを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
遮光性を有する材料を前記トレンチに充填することを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
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ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記電極は、マトリクス状に配列された前記光センサーの行または列に対応して、または各光センサーに対応して形成することを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−８８５０２（Ｐ２００７−８８５０２Ａ）
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０６９９７（Ｐ２００６−３０６９９７）
【出願日】平成１８年１１月１３日（２００６．１１．１３）
【分割の表示】特願２００１−３０７３４９（Ｐ２００１−３０７３４９）の分割
【原出願日】平成１３年１０月３日（２００１．１０．３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月５日（２００７．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１３日（２００６．１１．１３）
【分割の表示】特願２００１−３０７３４９（Ｐ２００１−３０７３４９）の分割
【原出願日】平成１３年１０月３日（２００１．１０．３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]