JPH02278768A - 固体撮像装置 - Google Patents

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〔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１、基板
の表面で複数の画素が形成され、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、不要電荷の掃き出し動作等を実現するものである。

〔従来の技術〕

一般に、ＣＣＤ　（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、シフコン基板＋０１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型の不純物領域が電荷転送部１０５とされ
る。各画素の受光部１（１６は、その電荷転送部１０５
とゲート部１０７を介して連続し、各画素はｎ型の不純
物領域からなるチャンネルストッパー領域１０８に囲ま
れる。

この固体撮像装置は、縦型のオーバーフロードレイン構
造とされており、受光部１０６に不要な電荷が生じた時
、基板に所定の電圧を印加することによって、不要な電
荷がシリコン基板１０１へ掃き出される機構になってい
る。また、オーバーフローの制１Ｉｔｌだけではなく、
電子シャッター動作も可能である。

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も
知られており、例えば特開昭６３−１２９６６＋号公報
にもその技術の記載がある。

〔発明が解決しようきする課題〕

上述のように、縦型オーバーフロードレイン構造では、
基板へ不要な電荷を掃き出すことができる。しかし、上
記公報記載の技術のように基板同士を貼り合わせた構造
のものでは、受光部が形成される基板側が画素単位に削
られるために、基板への不要な電荷の掃き出しが困難で
ある。

これに対して、横型のオーバーフロードレイン構造とす
ることで、基板同士を貼り合わせる構造の固体撮像装置
でも不要な電荷の掃き出しが可能となる。しかし、オー
バーフローのための令■域を形成するために受光面積が
減少することになって、感度の劣化が生ずる。

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、特に不要な
電荷の掃き出し動作等を実現するような固体撮像装置の
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１最像装置であって
、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、上記画素領域の一部がエミッタ
とされるバイポーラトランジスタとを有し、上記基板の
表面側から上記バイポーラトランジスタのベース電位が
与えられて上記画素領域の蓄積電前世が制御Ｂされるこ
とを持（牧とする。

〔作用］ 上記補強用基板を上記基板の裏面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１．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、上記画素領域にエミッ
タを有するバイポーラトランジスタを形成し、その制ｍ
を基板の表面側から行うことで、電子シャッター動作や
オーバーフローの制御が可能となる。

〔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仕たフ
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型のシリコン基板２に、複数の画素Ｍ
　ｈｉ　３を表面側に配列させたシリコン基板１を貼り
合わせた構造を有している。

各画素領域３の平面形状ば、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２、各画素領域３
ば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
でばＰ゛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
高濃度不純物領域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■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′４Ｆ＠物領域４は、その画素
領域３を囲む領域であり、チャンネルストッパーとして
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１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の間で基板ｌの表面から埋め込みチャンふル層１
１までの間に形成される。このｐゝ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、ｐ゛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１．’ａいｐ型の不純物領域８．ｐ型
のウェル領域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Ａｌ電極層３１とｎｐｎトラン
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ＩＩ（Ｊ７の裏面側に形成されるｐ型の不
純物領域８は、低雑音化のために形成される領域であり
、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１０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の間にボ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１０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、その分光怒度によっ
て決定される。

このｎ型のウェルｊ］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
Ｎ１１は、第３図に示すように、Ｖ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ｌＯ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層１１の裏面側にはシリコン酸化＋
１２５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２層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、次に説明する配置線の構成で駆
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Ｎ１１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、ロー型の不純物領域
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、眉間絶縁膜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１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Ｎ３７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ｕｉ２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３
７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１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１ｓから行
われる。すなわち、シリコン基板１の表面側ｉｓには、
シャント用の低抵抗なアルミニウム配線層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Φ６．Φ２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１０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．Φ２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層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
配線層３２゜３３も画素領域３の間の分離領域で形成さ
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ｉｌｌ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のエミッタは、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１里め込みチャンネル層１１
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Ｏｆｆ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ｌの表面でｐ°型のチャンネル
ストンパー領域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’＋
８電極層２１にベース電位を供給することにより、ｎｐ
ｎ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、ｐ°型の不純物領域２２と、そのｐ°型の不純
物領域２２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は裏面側でポリソリコン層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９Ａ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
３２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
２７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２８により転送電極３２とポリシリコン層
２６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や、電子シャッターとして機能し、
埋め込みチャンネル層１１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５２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、電子シャンク−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、受光面積を大きく採ることができる。従って、チ
ャンネルストッパーとして機能する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４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ＣＯＤ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ｉ３２．３３は各画
素領域３の間で基板ｌの表面側１ｓ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１’
Ｗ１１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型の工、ピタ
キシャルＩＩ！１６２の主面からエツチングを行って、
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ＲＩＥ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、分離用の溝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４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Ｉｆ！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ＭＯ３構
造とされる。

次に、第６図ｄに示すように、第１Ｎ目のポリシリコン
層６８が形成され、この第１層目のポリシリコン層６８
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パターンにパターニングされる
。この第１層目のポリシリコン層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６８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存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６Ｂ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、層間絶縁膜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［６８，６９上に形成する。この
層間絶縁膜７０は、例えばりフロー可能な膜であり、Ｃ
ＶＤ法により形成後、熱処理により平坦化される。層間
絶縁膜７０の形成後、図示を省略するが、層間絶縁膜７
０．第１７１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
の面から、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だめのｐ°型の高
濃度不純物領域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＋＋ｇ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。

く画素を形成できるために、その画素ｊｌ域の周りに高
１度の不純物領域を形成しても画素の面積を…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ｍ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。

〔発明の効果〕

本発明の固体撮像装置は、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；１ｉ強用基板の間の６■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、画素領域にバイポーラトランジスタ
が形成され、このバイポーラトランジスタは表面側から
ベース電位が与えられて制御されるために、電子シャッ
ター動作やオーバーフローの制御等の不要な電荷の掃き
出しが実現される。さらに、基板の表面側に太き

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮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ｒは上記固体撮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
は従来の固体撮像装置の一例を示す要部断面図である。 ２・・・シリコン基板 ・・・画素領域 ・・・高濃度不純物領域 ・・・シリコン酸化膜 ・・・転送電極取り出し部 ・・・ｎ型のウェル領域 ０・・・ｎ型のウェル領域 １・・・埋め込みチャンネル層 ０・・・バイポーラトランジスタ ト・・制御電極層 ０．３１・・・アルミニウム配線層 ２．３３・・・転送電極 ６・・・層間絶縁膜 ７・・・ポリシリコン層 特許出願人　　　ソニー株式会社 代理人弁理士　小池　晃（他２名） 第２図 第３！！Ｉ 第５図 第６図ｄ 第６図ｅ 第６＋！Ｉｃ 第６図ｆ 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、上記画素領域の一部がエミッタと
   されるバイポーラトランジスタとを有し、上記基板の表
   面側から上記バイポーラトランジスタのベース電位が与
   えられて上記画素領域の蓄積電荷量が制御されるフレー
   ムトランスファー型の固体撮像装置。