JPH02278767A

JPH02278767A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH02278767A
Application number: JP1099208A
Authority: JP
Inventors: Machio Yamagishi; 山岸　万千雄; Atsuo Yagi; 八木　厚夫; Koichi Harada; 耕一原田; Takeshi Matsushita; 松下　孟史
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1989-04-19
Filing date: 1989-04-19
Publication date: 1990-11-15

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は基板の貼り合わせにより装置が構成されるフレ
ームトランスファー型の固体撮像装置に関する。

〔発明の概要）本発明は、基板の裏面に補強用基板が貼り合わされる固
体撮像装置において、転送電極を基板間に配し、基板の
表面で複数の画素領域が形成され、転送電極の取り出し
をその表面で行い、その画素領域の周囲を高濃度不純物
領域で囲んでなるフレームトランスファー型とすること
により、二（ｋｎｅｅ）効果の低減等を実現するもので
ある。

〔従来の技術〕

一般に、ＣＯＤ　（電荷結合デバイス）等の固体撮像装
置は、基板の一方の主面に各画素が配列されて形成され
る構造を有している。第７図は従来の典型的な固体撮像
装置の一例を示しており、シリコン基板１０１にｐ型の
ウェル領域１０２が形成されている。その基板表面上に
形成された遮光膜１０３の下には転送電極１０４が形成
され、その転送電極１０４の下部のウェル領域１０２に
形成されたｎ型の不純′＋ｙＪ領域が電荷転送部１０５
とされる。各画素の受光部１０６は、その電荷転送部１
０５とゲート部１０７を介して連続し、各画素はｐ型の
不純物領域からなるチャンネルストッパー領域＋０８に
囲まれる。

この構造の固体Ｉ最像装置は、受光部１０６に光が入射
した時、その受光部１０６に電子−正孔のベアが生成さ
れ、その中の電子が電荷転送部１０５を通って信号電荷
として運び出される。

また、シリコン基板等の半導体基板の一方の主面に、そ
れぞれ受光部を有した画素を配列させ、その基板の他方
の主面側に電荷転送部を形成し、その基板を補強するた
めに基板同士の貼り合わせを行う構造の固体撮像装置（
例えば特開昭６３−１２９６６１号公報参照。）も知ら
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように、受光部１０６では、電子のみならず正孔
も発生する。この正孔はチャンネルストッパー領域１０
８に吸収され、そのチャンネルストッパー領域１０８で
は電位降下が生ずる。その結果、受光部１０６のポテン
シャルの深さが深くなっていき、信号電荷が光強度と共
に微増しかしなくなるようなニー効果が生ずる。

そして、このニー効果を緩和するためには、チャンネル
ストンバー領域１０８を低抵抗化すれば良い。しかし、
チャンネルストッパー領域１０８の低抵抗化のために、
不純物濃度を高（した場合、不純物が大きく拡散するこ
とになり、結局受光部１０６の面積が小さくなる。この
ように受光部１０６の面積が小さくされた場合、信号電
荷量が減少することになり、高密度化や高解像炭化を図
る上で不利になる。

そこで、本発明は、基板同士の貼り合わせ技術を利用し
た固体撮像装置を提供することを目的とし、特にニー効
果の低減等を実現するような固体を最像装置の提供を目
的とする。

〔課題を解決するための手段］上述の目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は
、フレームトランスファー型の固体撮像装置であって、
基板と、その基板の表面側に形成される複数の画素領域
と、上記基板の裏面に形成され上記画素領域の間に取り
出される転送電極と、上記基板の裏面側に貼り合わされ
る補強用基板とを有し、上記画素領域の周囲を囲むよう
に高濃度不純物領域が形成されてなることを特徴とする
。

［作用］上記補強用基板を上記基板のＮＷＪ側に貼り合わせた貼
り合わせ構造とすることで、基板の表面側に複数の画素
領域を形成し、且つ転送電極を基板の裏面側に形成する
構造にできる。このため受光側である表面側には転送電
極が形成されず、受光面積を大きく採れる。上記転送電
極は上記基板と上記補強用基板に挟まれることになるが
、上記画素領域の間に取り出されるために、シャント用
の金属電極等を表面側に配することができ、信号電荷の
高速転送が可能となる。また、そのように画素領域間で
取り出す構造から、その金属電極等の仕事関数によるポ
テンシャル上の悪影響が防止される。そして、上記画素
の周囲に高濃度不純物領域を形成するが、貼り合わせ構
造により開口率を高くできるため、十分に不純物濃度を
高くしても感度の劣化が抑えられ、その高濃度化によっ
て低抵抗化が実現でき、ニー効果を低減できる。

［実施例］本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。

本実施例の固体撮像装置は、基板同士を貼り合わせたフ
レームトランスファー型ＣＣＤの例である。先ず、その
ＣＣＤの構造について説明する。

第１図〜第３図に示すように、本実施例のＣＯＤは、補
強用基板であるｎ型のソリコン基板２に、複数の画素領
域３を表面側に配列させたシリコン基板ｌを貼り合わせ
た構造を有している。

各画素領域３の平面形状は、第５図に示すように、１つ
のセルがほぼ矩形状のパターンにされ、各画素領域３は
マトリクス状に配列されている。

それら各画素領域３は、図中■方向として示す転送方向
ではρ゛型の高濃度不純物領域４により分離され、その
転送方向と垂直な図中Ｈ方向では、同様にｐ°型の高濃
度不純物領域４により分離されると共に、そのｐ°型の
高濃度不純勅令■域４の間に形成されるシリコン酸化膜
５と、さらにそのシリコン酸化膜５の間に形成された転
送電極取り出し部６とによっても分離される。そして、
各画素領域３内で、図中Ｖ方向、Ｈ方向共にｐ゛型の高
濃度不純物領域４に囲まれた領域が受光部として機能す
る。またＰ゛型の高濃度不純物領域４は、その画素領域
３を囲む領域であり、チャンネルストンバーとして機能
する。このｐ゛型の高濃度不純物領域４は、図中Ｈ方向
の各画素領域３の間で基板ｌの表面から裏面に亘って該
画素領域３の側部を覆い、図中■方向では、各画素領域
３の間で基ＩＦｉｌの表面から埋め込みチャンネル層１
１までの間に形成される。このｐ°型の高濃度不純物領
域４は十分に高い不純物濃度にされる。このようなｐ゛
型の高濃度不純物領域４に囲まれた領域を受光部とする
本実施例のＣＣＤは、その受光部の受光面では遮光部や
転送電極等の部材が形成されないために、その受光部自
体を大きな面積にできる。また、換言すると、受光面積
を大きく採れるため、ρ゛型の高濃度不純物領域４の不
純物濃度を十分高くしても受光面積が損なわれることが
ない。従って、前述のようにｐ゛型の高濃度不純物領域
４の不純物濃度を十分に高くでき、その結果、ニー効果
を低減させることができる。

このような平面形状を有する各画素領域３の深さ方向の
構造は、第１図及び第２図に示すように、表面側１ｓか
らシリコン酸化膜７．薄いｐ型の不純物Ｈ域８．Ｐ型の
ウェル頭載９．ｎ型のウェル領域１０が順に形成されて
いる。最も表面側１ｓに形成されたシリコン酸化膜７は
、基板表面を被覆してなる膜であり、シャント用に基板
表面に形成されるＡ！電掻層３１とｎｐｎ）ランジスタ
２０の制御電極層２１の層間の分離にも用いられる。

シリコン酸化膜７の裏面側に形成されるｐ型の不純’＃
　６ＭＭＢ２、低雑音化のために形成されるＭ域であり
、次のｐ型のウェル領域９に連続する。このｐ型のウェ
ル領域９の裏面側にはｎ型のウェル領域ＩＯが続いて形
成される。このｎ型のウェル領域１０とｐ型のウェル領
域９の間にポテンシャルの山が形成され、被写体からの
光が入射した場合、ｎ型のウェル領域ｌＯ側に光電子が
信号電荷として集められる。また、ｎ型のウェル領域１
０とｐ型のウェル領域９の深さは、その分光感度によっ
て決定される。

このｎ型のウェル領域１０の裏面側には、埋め込みチャ
ンネル層１１が形成される。この埋め込みチャンネル１
１１１は、第３図に示すように、■方向に並んだ画素領
域３の間で各列共通に用いられ、各画素領域３の各ｎ型
のウェル領域ＩＯの裏面側で■方向に連続される。従っ
て、本実施例のＣＣＤはフレーム転送可能となる。この
埋め込みチャンネルｉｌｌの裏面側にはシリコン酸化Ｉ
ｔ！Ｊ５が形成され、そのシリコン酸化膜５を挟んで基
板裏面側に転送電極３２．３３が形成される。上記転送
電極３２．３３は、２層のポリシリコン層からなり、転
送方向に所定間隔で１層目と２Ｎ目のポリシリコン層が
交互に配列され、転送方向に垂直な方向を長手方向とし
て各転送列で共通な電極パターンに形成されている。各
転送電極３２．３３には、次に説明する配線の構成で駆
動信号が供給され、例えばその駆動信号は２相とされる
。上記埋め込みチャンネル層１１には、第３図に示すよ
うに、これら転送電極３２．３３のパターンを反映しな
がら、階段状のポテンシャルからなるストレージ部とト
ランスファ一部を構成するように、ｎ″型の不純物領域
３４とｎ″型の不純物領域３５が交互に形成される。こ
れら転送電極３２．３３の裏面側には、層間絶縁膜３６
が形成され、この層間絶縁膜３６により各転送電極３２
．３３が被覆される。転送電極３２．３３をシリコン基
板ｌの裏面側ｌｂ側に配することで、転送電極を受光面
側に形成するＣＣＤと比較して各画素領域３の受光部の
面積を大きく採れる。上記層間絶縁膜３６上には薄いポ
リシリコン層３７が全面に形成され、この薄いポリシリ
コン層３７の裏面で上記ｎ型のシリコン基板２が補強の
ために貼り合わせられる。その薄いポリシリコン層３７
は不要電荷の掃き出し用にも用いられる。

上記転送電極３２．３３は、シリコン基板ｌの裏面側１
ｂに配され、結局、補強用に貼り合わせられたシリコン
基板２とシリコン基板１の間に形成されるが、それら転
送電極３２．３３の取り出しは基板の表面側Ｉｓから行
われる。すなわち、シリコン基板ｌの表面側ｌＳには、
シャント用の低抵抗なアルミニウム配ｍ層３０．３１が
形成される。このアルミニウム配線層３０．３１には微
量のシリコンが含まれる。なお、シャント用には他の金
属配線層を用いることも可能である。これらアルミニウ
ム配線層３０．３１には、それぞれ信号Φ１．Φ、が供
給され、各画素領域３の間の領域上を■方向を長手方向
として配線される。これらアルミニウム配線層３０．３
１は、基板表面を覆うシリコン酸化膜７を開口した開口
部３６を介して、ポリシリコン層からなる転送電極取り
出し部６に接続される。この転送電極取り出し部６は、
画素領域３の各列毎の間に設けられたｐ°型の高濃度不
純物領域４と、その間に形成されるシリコン酸化膜５と
に挟まれた領域で、基板ｌの表面と裏面を貫通する溝内
に形成された電極の一部である。この電極取り出し部６
は、転送電極３２．３３の一方と連続して形成され、ア
ルミニウム配線層３０．３１から電極取り出し部６を介
して転送電極３２．３３に信号Φ１．Φつの一方が供給
されることになる。このように本実施例のＣＣＤは、貼
り合わせ構造にされるため基板間に形成される転送電極
３２．３３の取り出しが画素領域３の間で行われ、且つ
その表面側ＩＳでアルミニウム配線！３２．３３にシャ
ントされるため、転送電極全体の低抵抗化を図ることが
でき、高速転送に有利となる。また、そのアルミニウム
配線Ｎ３２３３も画素領域３の間の分ｊｅｔ　ｆｆＪＩ
域で形成されるため、受光面積を小さくすることもない
。さらに、アルミニウム配線層３０．３１が転送電極取
り出し部６を介して接続されるために、アルミニウム配
線層３０．３１の仕事関数が転送電極３２，３３に影響
してポテンシャルが変動するような弊害も防止される。

各画素領域３の裏面側には、上述のような埋め込みチャ
ンネル層１１が形成されるが、各画素領域３ではその埋
め込みチャンネル層１１に連続して、それぞれｎｐｎ型
のバイポーラトランジスタ２０が形成される。まず、こ
のバイポーラトランジスタ２０のエミンタは、画素領域
３の内の裏面側に形成された埋め込みチャンネル層１１
であり、そのヘースはその埋め込みチャンネルＪｉｌｌ
に隣接して基板の裏面側にシリコン酸化膜５に沿って形
成されるｐ゛型の不純物領域２２である。このｐ°型の
不純物領域２２は各画素領域３を囲んで形成されるｐ°
型の高濃度不純物領域４に接続される。このｐ゛型の高
濃度不純物領域４は、基板ｌの裏面から表面に亘って形
成されており、基板１の表面で９９型のチャンネルスト
ッパー領域２３に接続される。ｐ°型のチャンネルスト
ッパー領域２３には、基板表面側ＩＳに形成された制御
電極層２１から電位が与えられており、この制御電極層
２１にベース電位を供給することにより、ｎｐｎ型のバ
イポーラトランジスタ２０がコントロールされる。この
ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ２０のコレクタは、
ｐ０型の不純物領域２２と、そのｐ゛型の不純物領域２
２の表面側に形成されたｐ型の不純物領域２５とに囲ま
れたｎ゛型の不純物領域２４である。このｎ゛型の不純
物領域２４は裏面側でポリシリコン層２６に接続される
。そのポリシリコン層２６は、コレクタであるｎ°型の
不純物領域２４と上記薄いポリシリコン層３７の間の配
線として用いられる層である。

これらｎ゛型の不純物領域２４とポリシリコン層３７を
接続するために、シリコン酸化膜５．そのシリコン酸化
膜５の裏面側に配される転送電極３２、その転送電極３
２の裏面側に配される眉間絶縁膜３６を貫通するように
貫通溝２７が形成される。その転送電極３２の貫通溝２
７の側壁にはシリコン酸化膜２８が形成され、このシリ
コン酸化膜２日により転送電極３２とポリシリコン層２
６の間が絶縁される。

このようなバイポーラトランジスタ２０は、オーバーフ
ローのコントロールヤ、電子シャッターとして機能し、
埋め込みチャンネルｌ１ｉｌｌの不要な電荷をポリシリ
コン層２６を介してポリシリコン層３７に掃き出すこと
ができる。その掃き出しの制御は、基板の表面に配線さ
れた制御電極層２１の電圧による。第４図は各画素にお
ける等価回路を示す。フォトダイオード５１の陰極側が
バイポーラトランジスタ５２のエミッタに接続し、この
エミッタに光が入射した時の信号電荷が蓄積される。不
要な電荷を掃き出す時では、バイポーラトランジスタ５
２のベースに所要の電圧を与えて、不要な電荷をバイポ
ーラトランジスタ５２のコレクタへ掃き出す。これによ
り、バイポーラトランジスタ５２は、電子シャッターや
オーバーフロードレインとして機能することになる。

このような構造を有する本実施例のＣＣＤは、シリコン
基板１．２同士の貼り合わせ構造であるために、転送電
極３２．３３を基板間に配する°ことができる。このた
めに画素領域３の受光面には、転送電極を設ける必要が
なく、受光面積を大きく１采ることかできる。従って、
チャンネルストッパーとじて機能するｐ゛型の高濃度不
純物領域４を十分に高い不純物濃度にさせることができ
、その結果ニー効果を低減させることができる。

また、その高い不純物濃度にできるｐ゛型の高濃度不純
物領域４は、チャンネルストッパーとして機能するのみ
ならずバイポーラトランジスタ２０の制御のための配線
としても機能する。このため高密度化が容易となる。

また、本実施例のＣＣＤでは、転送電極３２゜３３がシ
リコン基板１．２の貼り合わせ構造のために、基板間に
配設される。しかし、それら転送電極３２．３３は各画
素領域３の間で基板ｌの表面側Ｉｓに取り出されるため
、表面側にシャント用のアルミニウム配線層３０．３１
を配することができる。従って、高速転送が可能であり
、また、アルミニウム配線層３０．３１の仕事関数によ
るポテンシャルの変動の影響を埋め込みチャンネル層１
１に与えることはない。

また、本実施例のＣＣＤでは、埋め込みチャンネル層１
１に連続してバイポーラトランジスタ２０が形成される
ため、電子シャッター動作やオーバーフローの制御が可
能である。

次に、第６図ａ〜第６図ｒを参照して本実施例のＣＣＤ
の製造方法の一例について説明する。

まず、第６図ａに示すように、ｐ型のシリコン基板６１
上にｎ型のエピタキシャル層６２を形成し、そのｎ型の
エピタキシャル層６２の主面に、ｎ型の不純物を導入し
てｎ型の不純物領域６３を形成する。このｎ型の不純物
領域６３は埋め込みチャンネル層として用いられる。ま
た、ｎ型の不純物領域６３の形成と共に、各画素領域毎
にｐ型の不純物領域６４が形成される。このｐ型の不純
物領域６４はｎｐｎ型のバイポーラトランジスタのベー
ス領域として機能する。このようなｎ型の不純物領域６
３とｐ型の不純物領域６４が形成されたｎ型のエピタキ
シャル層６２の主面からエンチングを行って、各画素領
域の列の間を分離するような溝６５を形成する。この溝
６５は、ｐ型のシリコン基板６１まで削って構成され、
いわゆるトレンチ技術によりＲＹＥ法によって行われる
。

また、溝６５は上記ｐ型の不純物領域６４に接して形成
される。

次に、第６図すに示すように、各画素領域の列の間を分
離するように形成された溝６５の側部及び底部に高濃度
にｐ型の不純物を導入する。このｐ型の不純物の導入に
より、分離用の満６５の側部及び底部にｐ゛型の高濃度
不純物領域６６が形成される。このｐ゛型の高濃度不純
物領域６６はｐ型の不純物領域６４に接続する。

次に、第６図Ｃに示すように、全面にシリコン酸化膜６
７が形成される。シリコン酸化膜６７の形成は、表面酸
化やＣＶＤ法により行うことができる。このシリコン酸
化膜６７により各画素領域の列毎の分離がなされると共
に、信号電荷の転送のためのチャンネルがＭＯＳ構造と
される。

次に、第６図ｄに示すように、第１層目のポリシリコン
１１６８が形成され、この第１層目のポリシリコン層６
８は転送方向に所定の間隔を有し且つその垂直な方向を
長手方向とする転送電極のバタ町−ンにパターニングさ
れる。この第１層目のボリシリコン層６８は上記溝６５
内にも充填され、その充填された部分が転送電極取り出
し部として機能する。その第１層目のポリシリコン層６
８のパターニングの後、そのポリシリコン層６８の表面
は酸化される。そして、そのポリシリコン層６８をマス
クとして選択的なイオン注入を行い、上記ｎ型の不純物
領域６３を階段状のポテンシャルを有するようなストレ
ージ部及びトランスファー部が形成されたものにさせる
。次に、全面に第２層目のポリシリコン層６９を形成し
、これを各第１層目のポリシリコン層６８の間の領域で
残存するように転送電極のパターンにパターニングする
。

これで２層構造の転送電極がシリコン酸化膜６７上に配
されることになる。

次に、眉間絶縁膜７０を転送電極となる第１層目及び第
２層目のポリシリコン１１６８．６９上に形成する。こ
の眉間絶縁８７０は、例えばりフロー可能な膜であり、
Ｃ，Ｖ　Ｄ法により形成後、熱処理により平坦化される
。眉間絶縁膜７０の形成後、図示を省略するが、眉間絶
縁膜７０．第１１ｉ目のポリシリコン層６８及びシリコ
ン酸化膜６７を貫通する貫通溝が形成される。その貫通
溝は内部が酸化され、ポリシリコン層６８との間に絶縁
膜が形成される。このような貫通溝が形成された後、全
面にポリシリコン層７１が形成され、貫通溝内も充填さ
れる。そして、第６図ｅに示すように、ポリシリコン層
７１上に或いは酸化膜を介してシリコン基板７２が補強
用に貼り合わせられる。

次に、シリコン基板７２が貼り合わせられた面の反対側
の而から、第６図ｆに示すように、ｐ型のシリコン基板
６１を削る。このｐ型のシリコン基板６１を溝６５の深
さまで削ることにより、まずｐ型のシリコン基板は各列
毎に分離され、さらに転送電極となるポリシリコン層６
８．６９の取り出し部が基板表面７３に露出する。続い
て、各列内の画素領域間の分離を行うためのｐ゛型の高
１度不純物領域７４の形成や制御電極に接続するｐ゛型
の高濃度不純物領域の形成、さらに低雑音化用の表面蓄
積層としてのｐ型の不純物領域をイオン注入等によって
行う。次に、バイポーラトランジスタの制御のための制
御電極を形成し、眉間絶縁膜を形成し、コンタクトホー
ルの形成後、シャント用のアルミニウム配線層を形成す
る等の工程を経て素子を完成する。

〔発明の効果］本発明の固体盪像装置は、基板同士の貼り合わせ構造と
され且つ転送電極が基板と補強用基板の間の領域に配設
されるために、基板の表面側に大きく画素を形成するこ
とができる。このため信号電荷量が増大して感度が高く
なる。また、基板の表面側に大きく画素を形成できるた
めに、その画素領域の周りに高濃度の不純物領域を形成
しても画素の面積を損なうことがなく、その不純物領域
を高濃度にできることからニー効果の低減を図ることが
できる。

また、転送電極は画素の間から表面側に取り出されてい
るために、アルミニウム配線層等の金属配線層を低抵抗
化のために形成でき、高速転送に有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体盪像装置の一例の要部断面の斜視
図、第２図はその一例の電荷転送方向に垂直な面に沿っ
た要部断面図、第３図は上記−例の電荷転送方向に沿っ
た要部断面図、第４図は上記−例における各画素の等価
回路図、第５図は上記−例の要部平面図である。また、
第６図ａ〜第６図ｆは上記固体盪像装置の一例の製造方
法の一例を示すそれぞれ工程断面斜視図であり、第７図
は従来の固体場像装置の一例を示す要部断面図である。１．２・・・シリコン基板３・・・画素？ｉＵ域４・・・高濃度不純物領域５・・・シリコン酸化膜６・・・転送電極取り出し部９・・・ｐ型のウェル領域１０・・・ｎ型のウェル領域ｌｌ・・・埋め込みチャンネル層２０・・・バイポーラトランジスタ２１・・・制御電極層３０．３１・・・アルミニウム配線層３２．３３・・・転送電極３６・・・層間絶縁膜３７・・・ポリシリコン層

Claims

【特許請求の範囲】

基板と、その基板の表面側に形成される複数の画素領域
と、上記基板の裏面に形成され且つ上記画素領域の間に
取り出される転送電極と、上記基板の裏面側に貼り合わ
される補強用基板とを有し、上記画素領域の周囲を囲む
ように高濃度不純物領域が形成されてなるフレームトラ
ンスファー型の固体撮像装置。