JP2002151673A

JP2002151673A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2002151673A
Application number: JP2000339264A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Fujita; 博明藤田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2002-05-24

Abstract

(57)【要約】【課題】裏面照射型の固体撮像素子において、垂直解
像度の向上を図り、水平解像度と垂直解像度との差をな
くすことを図る。【解決手段】半導体基体の光照射側と反対側の面に転
送電極が設けられた裏面照射型の固体撮像素子であっ
て、受光時に、単位画素毎の転送電極８に所要電圧を印
加して転送電極８下の半導体基体内にポテンシャル分布
３０を形成し、転送電極８下に信号電荷３１を集めるよ
うにして成る

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子、特
に半導体基体の光照射側と反対側の面に転送電極が設け
られた裏面照射型の固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばＣＣＤ固体撮像素子とし
て、インターライン転送（ＩＴ）方式、フレームインタ
ーライン転送（ＦＩＴ）方式、或いはフレーム転送（Ｆ
Ｔ）方式のＣＣＤ固体撮像素子が知られている。これら
のＣＣＤ固体撮像素子は、半導体基体の表面側に受光セ
ンサ、転送電極等を形成し、表面側より光照射するよう
に構成されている。しかし、インターライン転送方式、
フレームインターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子
では、受光センサがマトリックス状に配列されているの
で、画素間の境界が明確であるが受光のための開口率が
低い。また、フレーム転送方式のＣＣＤ固体撮像素子で
は、受光センサと垂直転送レジスタが兼用されているの
で、開口率が高いも、しかし短波長側の光が転送電極に
吸収され感度が低下する。

【０００３】一方、受光のための開口率を高くし、且つ
転送電極などの表面電極で光が吸収されないように、半
導体基体の一方の面に転送電極を含む撮像素子を形成
し、基体裏面側から画像光を入射させて撮像できるよう
にした、いわゆる裏面照射型のＣＣＤ固体撮像素子が知
られている。この裏面照射型のＣＣＤ固体撮像素子は、
通常、フレーム転送（ＦＴ）方式が採られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし乍ら、従来の裏
面照射型の固体撮像素子においては、水平方向の画素を
区画するように垂直方向に延長するチャネルストップ領
域が設けられているため、水平方向（横方向）の画素の
境が明確であるのに対して、垂直方向（縦方向）の画素
の境が明確でなく（つまり、垂直転送レジスタとして構
成されるので、垂直方向に画素分離領域の形成ができな
い）、これが為に垂直解像度と水平解像度が異なるとい
う問題があった。

【０００５】本発明は、上述の点に鑑み、高開口率、高
感度の特徴を損なうことなく、垂直解像度の向上を図っ
た、裏面照射型の固体撮像素子を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る固体撮像素
子は、半導体基体の光照射側と反対側の面に転送電極が
設けられた裏面照射型の固体撮像素子であって、受光時
に、単位画素毎の転送電極に所要電圧を印加して転送電
極下の半導体基体内にポテンシャル分布を形成し、転送
電極下に信号電荷を集めるように構成する。

【０００７】本発明の固体撮像素子では、受光時に、単
位画素毎の転送電極に所要電圧を印加して転送電極下の
半導体基体内にポテンシャル分布を形成する。この転送
電極下に形成されたポテンシャル分布の深いポテンシャ
ルウエルに信号電荷を集めるようにするので、各画素の
信号電荷が垂直方向に関して明確に分離されて各画素の
転送電極下に蓄積される。これにより、垂直方向の画素
の境が明確になる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の固
体撮像素子の実施の形態を説明する。

【０００９】図１〜図６は、本発明の一実施の形態を示
す。本例はフレーム転送（ＦＴ）方式の裏面照射型のＣ
ＣＤ固体撮像素子に適用した場合である。本実施の形態
に係るＣＣＤ固体撮像素子１は、図１に示すように、半
導体基体の一方の面、即ち表面側に、光電変換及び信号
電荷の蓄積を行う受光センサ機能と電荷転送の機能を兼
ねたＣＣＤ構造の垂直転送レジスタ２を形成してなる撮
像領域３と、撮像領域３の信号電荷を一旦蓄積する蓄積
領域４と、蓄積領域４に接続された水平転送レジスタ５
と、水平転送レジスタ５の終端に接続された出力回路６
を有して成る。

【００１０】半導体基体の他方の面、即ち裏面側には、
図２に示すように、撮像領域３及び蓄積領域４にわたっ
て撮像領域３および蓄積領域４を水平方向に画素数に応
じて複数に分割するチャネルストップ領域７が形成され
る。この半導体基体の裏面側から画像光が入射されるよ
うになされる。

【００１１】撮像領域３は、半導体基体の受光センサ兼
転送チャネルとなる領域上に絶縁膜を介して水平方向に
延びる帯状の垂直転送電極８が垂直方向に複数配列して
チャネルストップ領域７で区画されるように、複数の垂
直転送レジスタ２を形成して構成される。受光センサを
兼ねる垂直転送レジスタ２の両側には、余剰電荷を掃き
捨てる電荷掃き捨て手段９が形成される。

【００１２】蓄積領域４は、撮像領域３と同様に、半導
体基体の転送チャネルとなる領域上に絶縁膜を介して水
平方向に延びる帯状の垂直転送電極１１が垂直方向に複
数配列してチャネルストップ領域７で区画されるよう
に、複数の垂直転送レジスタ１２を形成して構成され
る。水平転送レジスタ５は、転送チャネルとなる領域上
に絶縁膜を介して水平転送電極（図示せず）を複数配列
して構成される。蓄積領域４及び水平転送レジスタ５
は、遮光される。

【００１３】撮像領域３の垂直転送電極８には、所要の
転送クロックパルス、例えば４相、３相、２相駆動の転
送クロックパルス等、本例では３相駆動の転送クロック
パルスΦＶ₁〜ΦＶ₃が印加される。ΦＶ₁〜ΦＶ₃が
印加される電極３枚分で且つチャネルストップ領域７で
区画された領域が１画素（いわゆる単位画素）１０とな
る。蓄積領域４の垂直転送電極１１には、同じ３相駆動
の転送クロックパルスΦＭ ₁〜ΦＭ₃が印加される。水
平転送レジスタ５には、例えば２相駆動の転送クロック
パルスΦＨ₁及びΦＨ₂が印加される。

【００１４】図３は図１の撮像領域３におけるＹーＹ線
上の断面構造、図４は図１の撮像領域３におけるＸーＸ
線上の断面構造を夫々示す。本実施の形態では、第１導
電型の半導体基板、例えばｎ^-半導体基板２１の一方の
面（表面側の面）に受光センサ兼転送チャネルとなる第
１導電型の領域、本例ではｎ型半導体領域２２が形成さ
れ、このｎ型半導体領域２２上に絶縁膜２３を介して、
例えば多結晶シリコンよりなる２層構造の垂直転送電極
８が形成され、垂直転送レジスタ２が形成される。ま
た、ｎ^-半導体基板２２の他方の面（裏面側の面）には
第２導電型の領域、本例ではｐ^-半導体領域２４が形成
される（図３参照）。

【００１５】裏面側のｐ^-半導体領域２４には、例えば
ｐ型の半導体領域からなるチャネルストップ領域７が形
成される。このチャネルストップ領域７により、水平方
向の画素数に応じた複数の垂直転送レジスタ２が形成さ
れる。表面側のｎ型半導体領域２２には、チャネルスト
ップ領域７に対応する部分に電荷掃き捨て手段９が形成
される。電荷掃き捨て手段９は、ｐ型のオーバーフロー
コントロールゲート〔ＯＦＣＧ｝領域（いわゆるバリア
領域）２６とｎ型のオーバーフロードレイン〔ＯＦＤ〕
領域２７とによって形成される（図４参照）。

【００１６】そして、本実施の形態においては、特に固
体撮像素子１の裏面側から画像光Ｌを入射する受光時、
転送電極８に所要の電圧（本例では信号電荷が電子であ
るので、プラス電圧）を印加して、基体２５内、ここで
はチャネル領域２２内に図５に示すようなポテンシャル
分布３０を形成し、電圧を印加した転送電極８下に光電
変換により発生した信号電荷３１を集めて蓄積するよう
に成す。このとき、垂直方向に隣接する単位画素１０中
の一部の転送電極、本例では単位画素１０を構成する３
つの転送電極８のうち、真ん中の転送電極のみに電圧を
印加してその直下のポテンシャルを深くし、両側の転送
電極直下のポテンシャルを浅くするポテンシャル分布を
形成し、その真ん中の転送電極８下の深いポテンシャル
ウエルに信号電荷３１を集める（図５、図６参照）。

【００１７】受光時に所要の電圧を印加する転送電極
は、単位画素を構成する複数の転送電極のうちの何れで
も良く、但し少なくとも一方の隣接画素に接する転送電
極には電圧を印加しないようにする。この電圧が印加さ
れない転送電極が画素分離に寄与する。

【００１８】次に、本実施の形態の裏面照射型の固体撮
像素子１の動作を説明する。画像光Ｌは、ｐ^-半導体領
域２４が形成された裏面側から入射される。この受光
時、各単位画素を構成する複数の転送電極のうちの所要
の転送電極、例えば図５では真ん中の転送電極８に所要
の電圧を印加し、その電圧印加された転送電極下にのみ
深いポテンシャルを形成する。光電変換により発生した
各画素１０に対応する信号電荷３１は、夫々対応する電
圧印加の転送電極８下に集められ、蓄積される（図５、
図６参照）。

【００１９】強い画像光を受けたときには、余剰電荷
（この例では電子）は電荷掃き捨て手段９へ、即ち、オ
ーバーフローコントロールゲート領域２６を通してオー
バーフロードレイン領域２７へ掃き捨てられる。

【００２０】所定の受光期間の後、撮像領域３の垂直転
送電極８に印加される３相の転送クロックパルスΦＶ₁
〜ΦＶ₃、蓄積領域４の垂直転送電極１１に印加される
３相の転送クロックパルスΦＭ₁〜ΦＭ₃によって、各
画素の信号電荷は、撮像領域３から蓄積領域４へ高速転
送（いわゆるフレームシフト）されて一旦蓄積される。
その後、蓄積領域４の信号電荷は、１ライン毎に水平転
送レジスタ５へ転送される。そして、信号電荷は、水平
転送レジスタ５内を転送し、電荷電圧変換されて出力回
路６を通して出力される。

【００２１】上述の本実施の形態に係る固体撮像素子１
によれば、裏面照射型に構成されるので、受光開口率を
１００％あるいは１００％近くにすることができ、高感
度化を図ることができる。そして、受光時には単位画素
１０中の一部の転送電極８にのみ電圧を印加して、その
転送電極８直下に形成されるポテンシャルウエルに信号
電荷を集めるようにするので、垂直方向に隣接する画素
との分離が可能になり、即ち垂直方向の画素の境が明確
になり、垂直解像度を向上することができる。水平方向
に隣接する画素は、チャネルストップ領域７により分離
されているので、水平方向の画素間の境が明確になる。
従って、高開口率による高感度化の特徴を生かしたま
ま、垂直解像度を向上し、水平解像度と垂直解像度の差
をなくすことができる。

【００２２】上例では、信号電荷に電子を用いた場合に
ついて説明したが、その他、ホールを信号電荷とする場
合にも本発明を適用することができる。このときには、
受光時に単位画素中の一部の転送電極にマイナス電圧を
印加する。半導体基体２５の導電型は、図３、図４に記
載とは逆の導電型とする。半導体基体２５の構成は、裏
面照射型の固体撮像素子を構成できるものであれば、種
々の構成を採り得る。

【００２３】

【発明の効果】本発明に係る固体撮像素子によれば、裏
面照射型の特徴である高開口率による高感度化を維持し
たまま、垂直解像度を向上し、水平解像度と垂直解像度
との差をなくすことができる。従って、高画質の撮像を
可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体撮像素子の一実施の形態を示す表
面側から見た構成図である。

【図２】本発明の固体撮像素子の一実施の形態を示す裏
面側から見た構成図である。

【図３】図１の撮像領域におけるＹーＹ線上の断面図で
ある。

【図４】図１の撮像領域におけるＸーＸ線上の断面図で
ある。

【図５】本発明の固体撮像素子の一実施の形態の動作説
明図である。

【図６】本発明の固体撮像素子の一実施の形態の動作説
明に供する要部の平面図である。

【符号の説明】

１・・・ＣＣＤ固体撮像素子、２、１２・・・垂直転送
レジスタ、３・・・撮像領域、４・・・蓄積領域、５・
・・水平転送レジスタ、６・・・出力回路、７・・・チ
ャネルストップ領域、８、１１・・・垂直転送電極、９
・・・電荷掃き捨て手段、１０・・・単位画素、２１・
・・ｎ^-半導体基板、２２・・・ｎ型半導体領域、２３
・・・絶縁膜、２４・・・ｐ型チャネルストップ領域、
２５・・・半導体基体、２６・・・オーバーフローコン
トロールゲート領域、オーバーフロードレイン領域、３
０・・・ポテンシャル分布、３１・・・信号電荷

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基体の光照射側と反対側の面に転
送電極が設けられた裏面照射型の固体撮像素子であっ
て、受光時に、単位画素毎の前記転送電極に所要電圧を印加
して転送電極下の半導体基体内にポテンシャル分布を形
成し、前記転送電極下に信号電荷を集めるようにして成
ることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】受光時に、単位画素を構成する複数の転
送電極のうち、所要の転送電極に他の転送電極とは異な
る電圧を印加し、前記所要の転送電極下に信号電荷を集めるようにして成
ることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。