JP4372490B2 - 半導体イメージセンサｉｃ - Google Patents

Description

本発明は、ＭＯＳ型半導体イメージセンサＩＣに関する。特に、画素と、ＩＣを切り離すために設けられているスクライブライン領域の相対位置が、エリアセンサと比べて格段に近い、画像情報を読み取り電送するファクシミリやイメージスキャナに好適な、密着型リニア半導体イメージセンサＩＣの構造に関する。

図３は従来の半導体イメージセンサＩＣの構造の一例を示す断面図である。この構造例の半導体リニアイメージセンサＩＣは光電変換（受光）素子としてフォトトランジスタ構造を利用しているもので、フォトトランジスタのコレクタ部分に相当するＮ型半導体基板３０１の表面近傍の一部分に、ベース部分に相当するＰ型ウェル領域３０２が設けられている。更に、Ｐウェル領域３０２の表面近傍の一部分にエミッタ部分に相当するＮ型拡散領域３０３が存在する。Ｎ型拡散領域３０３の周辺にはゲート絶縁膜３０４を介してベース電位に接続されたガード用のポリシリコン電極３０５が存在し、その上部にポリシリコンとメタル配線間絶縁膜であるＢＰＳＧ膜３０６が設けられている。更に、メタル配線３０７で前記受光素子が電気的に接続され、最後に表面保護用パッシベーション膜であるシリコン窒化膜３０８が形成されている。
また、ＩＣを切り離すために設けられるスクライブライン領域３０９の表面近傍にはＮ型半導体基板３０１の電位を安定して固定するためにＮ型拡散領域３１０が存在する。Ｎ型拡散領域３１０の表面は、ＩＣを切り離すダイシング用歯（ブレード）の消耗を低減させるためにＢＰＳＧ膜３０６及びシリコン窒化膜３０８がエッチングされて除去され、直接大気中に晒されている。
従来の半導体イメージセンサＩＣでは、スクライブライン領域３０９上のＮ型拡散領域３１０が形成されず、さらにこの領域のＮ型半導体基板３０１表面をエッチングで意図的に結晶性を荒らした状態にして少数キャリアの発生を防止しているものもある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−１３４７２７号公報（第２−３頁、第１図）

しかし、従来の半導体イメージセンサＩＣ構造では、ウェハ電気特性テスト工程を行う場合、ウェハ状態での製造工程完成品を窒素雰囲気内に密閉して氷点下２０度以下になるような航空貨物として輸送し、この密閉雰囲を開封してウェハ電気特性テストを行うと、窒素雰囲気中に存在する僅かな水分の影響により、意図しないウェハ表面部分での少数キャリアが発生する。そして、半導体イメージセンサＩＣ上に存在する複数個のフォトダイオードあるいはフォトトランジスタの光電変換（受光）素子間の出力にばらつきが発生してしまうという問題があった。この光電変換出力のばらつきは隣接する半導体イメージセンサＩＣの構造パターンの影響を受け、ある一定の類似した固定出力パターンを生じるという特徴を持っている。また、このウェハ状態で発生する固定出力パターンはＩＣを切り離してチップ状態に加工すると消失してしまう特性ももっており、ウェハ状態とＩＣチップ状態の光電変換出力差が必ずしも一定していないために簡単な変換係数を用いてウェハテスト規格値を設定することが困難である。ＩＣ状態でなければ正確なテストができないという課題があった。しかし、リニア型半導体イメージセンサＩＣのサイズは短辺方向で０．５ｍｍ以下しかなく、センサヘッドに直接実装されるためパッケージも存在しないので、ＩＣ状態でテストを行うことは現時点の技術ではプロービング精度上ほぼ不可能である。

上記の課題を解決するために、本発明では水分の影響により意図しないウェハ表面部分で発生した少数キャリア再結合・消滅させて吸収するために、前記半導体イメージセンサＩＣを切り離すために設けられるスクライブライン領域のシリコン基板表面近傍に前記少数キャリアを吸収するガードリング領域を設けた。

前記少数キャリアを吸収する領域の構造は、前記スクライブライン領域のシリコン基板表面近傍部分で前記シリコン基板の深さ方向に対して、前記シリコン基板に使用されている第１の不純物と反対の第２の不純物領域を導入することにより形成される第１のＰＮ接合を有しており、且つ、前記シリコン基板のスクライブライン方向に対して、前記シリコン基板で用いられる第１の不純物と同じ型で異なる濃度の不純物領域と前記第２の不純物領域で第２のＰＮ接合が設けられている。前記スクライブライン領域のシリコン基板表面近傍に設けられた第１のＰＮ接合には電源電圧が印加されており、請求項１記載の半導体イメージセンサＩＣの電源端子に直接接続されており、かつ、第２のＰＮ接合には前記シリコン基板と同じ基板電位電圧が印加されており、請求項１記載の半導体イメージセンサＩＣの基板電位端子と直接接続されている。この電位差で生じる前期第１及び第２のＰＮ接合の空乏層に、ウェハ表面上の水分の影響により意図しないウェハ表面部分で発生した少数キャリア再結合・消滅させて吸収するが可能となった。

図４は９６個の光電変換（受光）素子をもつ半導体リニアイメージセンサＩＣにおいて、第３９番目の受光素子(PIXEL)に隣接する隣のセンサＩＣの電源端子から少数キャリアを故意に発生させた場合の、ガードリング領域の有無でセンサＩＣの暗出力に対するノイズの発生度合を比較したグラフである。このグラフでは本発明のガードリング構造が存在することにより、ない場合と比較して約半分にノイズを抑えることが可能になっていることを示している。

一方、図５は本発明のガードリング領域のある場合の、９６個の光電変換（受光）素子をもつ半導体リニアイメージセンサＩＣが形成されたウェハ上に、イソプロパノールを滴下した場合の各受光素子の出力電圧がどう変化するかを示したグラフである。図６は従来のガードリング領域のない９６個の光電変換（受光）素子をもつ半導体リニアイメージセンサＩＣが形成されたウェハ上に、イソプロパノールを滴下した場合の各受光素子の出力電圧がどう変化するかを示したグラフである。イソプロパノールを滴下した場合、その水酸基（-OH基）の影響で小数キャリアが大量に発生し、図６の従来のガードリングがない場合ではイソプロパノール滴下前後で各受光素子の出力が大きく変化するのに対して、図５のガードリング領域がある場合にはイソプロパノールの影響がほとんどなく、少数キャリアが有効に吸収・再結合できていることを示している。

以上のように、本発明を用いることにより、水分の影響により意図しないウェハ表面部分での少数キャリアの発生を防止し、ウェハ表面上の半導体イメージセンサＩＣに存在する複数個のフォトダイオードあるいはフォトトランジスタの光電変換（受光）素子間の出力にばらつきが発生してしまうという問題を解決することができた。従って、ウェハ状態とＩＣチップ状態の光電変換出力差がほとんどなく、常時、ウェハテストで正確にＩＣの電気特性テストができるようになった。

以下、本発明の実施の形態例を、図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態を示す半導体イメージセンサＩＣの構造断面図である。ここでは、光電変換（受光）素子としてフォトトランジスタ構造を利用している例で、フォトトランジスタのコレクタ部分に相当するＮ型半導体基板１０１の表面近傍の一部分に、ベース部分に相当するＰ型ウェル領域１０２が設けられており、更にＰウェル領域１０２の表面近傍の一部分にエミッタ部分に相当するＮ型拡散領域１０３が存在する。Ｎ型拡散領域１０３の周辺にはゲート絶縁膜１０４を介してベース電位に接続されたガード用のポリシリコン電極１０５が存在し、その上部にポリシリコンとメタル配線間絶縁膜であるＢＰＳＧ膜１０６が設けられている。メタル配線１０７で前記受光素子が電気的に接続され、最後に表面保護用パッシベーション膜であるシリコン窒化膜１０８が形成されている。

また、ＩＣを切り離すために設けられるスクライブライン領域１０９の表面近傍にはＮ型半導体基板１０１の電位を安定して固定するためにＮ型拡散領域１１０が存在する。Ｎ型拡散領域１１０の表面は、ＩＣを切り離すダイシング用歯の消耗を低減させるためにＢＰＳＧ膜１０６及び前記シリコン窒化膜１０８がエッチングされて除去されている。
前記スクライブ領域１０９のＮ型拡散領域１１０の下部には、水分の影響で発生する意図しない少数キャリアを吸収・再結合するためのＰＮ接合であるＰ型ウェル領域１１１が形成されている。このＰ型ウェル領域１１１と前記フォトトランジスタのベース部分に相当するＰ型ウェル領域１０２は同じ工程で作製されている。意図しない少数キャリアの吸収・再結合を行うためのカードリング領域として、Ｐ型ウェル領域１１１はＮ型半導体基板１０１との間で第１のＰＮ接合、Ｎ型拡散領域１１０との間で第２のＰＮ接合を形成しており、ウェハ基板の比較的深い領域で発生する少数キャリアを第１のＰＮ接合で、ごく浅い表面近傍で発生する少数キャリアを第２のＰＮ接合でそれぞれ効果的に吸収・再結合させる役割を分担している。

図２は本発明のガードリング領域の平面構造を示したものであり、記ガードリング領域は受光素子の存在するセンサＩＣの長辺方向及び両短辺部分にのみ作製されていることを示している。ガードリング領域が存在しない長辺方向にはセンサＩＣの電極パッドが配列されており、このスクライブ領域にはセンサＩＣの電位を安定させるためのＮ型拡散領域が直接センサＩＣと隣接している。

本発明の半導体リニアイメージセンサＩＣの構造断面図である。 本発明の半導体リニアイメージセンサＩＣの平面構造図である。 従来の半導体リニアメージセンサＩＣの構造の一例を示す断面図である。 意図的に少数キャリアを注入した場合の、半導体リニアイメージセンサＩＣの受光素子の暗出力電圧が本発明のガードリング領域の有無でどう変化するかを示したグラフである。 本発明のガードリング領域を有する半導体リニアイメージセンサＩＣの受光素子の明出力電圧がイソプロパーノールの滴下でどう変化するかを示したグラフである。 従来のガードリング領域がない場合の半導体リニアイメージセンサＩＣの受光素子の明出力電圧がイソプロパーノールの滴下でどう変化するかを示したグラフである。

符号の説明

１０１ … Ｎ型半導体基板
１０２ … Ｐ型ウェル領域
１０３ … Ｎ型拡散領域
１０４ … ゲート絶縁膜
１０５ … ポリシリコン電極
１０６ … ＢＰＳＧ膜
１０７ … メタル配線
１０８ … シリコン窒化膜
１０９ … スクライブライン領域
１１０ … Ｎ型拡散領域
１１１ … Ｐ型ウェル領域（ガードリング領域）

Claims (3)

1. 半導体基板の表面近傍に設けられた受光素子であるフォトダイオードあるいはフォトトランジスタのＰＮ接合間に発生する空乏層に、光により発生した少数キャリアを蓄えることによりデータを読み取るリニアイメージセンサＩＣにおいて発生する出力ばらつきを引き起こす余剰キャリアを抑制するために、前記リニアイメージセンサＩＣを切り離すために設けられるスクライブライン領域のうち前記受光素子の存在する側の一長辺と両短辺部分にのみシリコン基板表面近傍に、前記スクライブライン領域の表面に設けられた第１導電型の拡散領域と前記拡散領域の下部に配置された第２導電型のウェル領域とからなる前記余剰キャリアを吸収する領域を設けたことを特徴とするリニアイメージセンサＩＣ。
2. 前記余剰キャリアを吸収する前記領域は、ＰＮ接合である請求項１記載のリニアイメージセンサＩＣ。
3. 前記ＰＮ接合は、前記余剰キャリアのうちで前記半導体基板の前記ウェル領域の深さと同程度の比較的深い領域で発生したものを吸収・再結合させる第１のＰＮ接合と前記半導体基板の前記拡散領域の深さと同程度のごく浅い領域で発生したものを吸収・再結合させる第２のＰＮ接合とからなる請求項２記載のリニアイメージセンサＩＣ。

Images