JP5320483B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関し、特に裏面入射型の固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a back-illuminated solid-state imaging device.
特許文献1には、裏面入射型の固体撮像装置が開示されている。この固体撮像装置は、半導体基板と、その表層に形成された受光部とを備えている。半導体基板の裏面(受光部が設けられた側と反対側の面)に入射した被撮像体からの光は、半導体基板の内部で光電変換される。そして、それにより発生した信号電荷を受光部が受けることで、被撮像体の撮像が行われる。
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、上記文献の他に、特許文献2〜4が挙げられる。 In addition, as a prior art document relevant to this invention, patent documents 2-4 are mentioned other than the said document.
しかしながら、特許文献1に記載の固体撮像装置においては、感度の面で向上の余地がある。かかる固体撮像装置の感度が低下する一因としては、半導体基板の内部で発生した信号電荷の一部が、半導体基板の表層に形成された受光部に達する前に再結合によって消滅してしまうことが挙げられる。
However, the solid-state imaging device described in
この点に関し、信号電荷が受光部に達し易くなるようにすべく、半導体基板を薄化することも考えられる。ところが、半導体基板を薄くすることは、当該半導体基板ひいては固体撮像装置の機械的強度の低下につながってしまう。 In this regard, it is also conceivable to thin the semiconductor substrate so that the signal charge can easily reach the light receiving portion. However, reducing the thickness of the semiconductor substrate leads to a decrease in mechanical strength of the semiconductor substrate and thus the solid-state imaging device.
本発明による固体撮像装置は、第1の比抵抗をもつ半導体基板と、上記半導体基板の第1面上に設けられ、上記第1の比抵抗よりも小さな第2の比抵抗をもつ半導体層と、上記半導体層中に設けられた受光部と、を備え、上記半導体基板の上記第1面と反対側の第2面に入射した被撮像体からの光を当該半導体基板の内部または上記半導体層の内部で光電変換し、当該光電変換により発生した電荷を上記受光部で受けて上記被撮像体を撮像し、前記受光部は、連続した一の前記半導体層中に複数設けられており、前記半導体基板および前記半導体層は、シリコンにより構成されており、前記受光部の少なくとも前記半導体基板側の表面の全領域が、前記半導体層と接していることを特徴とする。 A solid-state imaging device according to the present invention includes a semiconductor substrate having a first specific resistance, and a semiconductor layer provided on the first surface of the semiconductor substrate and having a second specific resistance smaller than the first specific resistance. A light receiving portion provided in the semiconductor layer, and transmits light from an imaging target incident on a second surface opposite to the first surface of the semiconductor substrate to the inside of the semiconductor substrate or the semiconductor layer. The photoelectric conversion is performed inside, the charge generated by the photoelectric conversion is received by the light receiving unit, the image pickup object is imaged, and a plurality of the light receiving units are provided in one continuous semiconductor layer, The semiconductor substrate and the semiconductor layer are made of silicon, and at least the entire region of the surface of the light receiving portion on the semiconductor substrate side is in contact with the semiconductor layer .
この固体撮像装置においては、受光部が設けられた半導体層よりも大きな比抵抗をもつ半導体基板を用いている。このため、光電変換により生成された正孔−電子対のうち、信号として寄与する電子(信号電荷)の拡散長(デバイ長)を大きくすることができる。これにより、信号電荷が受光部に達し易くなる。したがって、半導体基板の厚みを充分に確保しつつ、固体撮像装置の感度向上を図ることができる。 In this solid-state imaging device, a semiconductor substrate having a specific resistance larger than that of the semiconductor layer provided with the light receiving portion is used. For this reason, among the hole-electron pairs generated by photoelectric conversion, the diffusion length (Debye length) of electrons (signal charges) contributing as signals can be increased. Thereby, the signal charge easily reaches the light receiving portion. Therefore, it is possible to improve the sensitivity of the solid-state imaging device while ensuring a sufficient thickness of the semiconductor substrate.
本発明によれば、感度の優れた固体撮像装置が実現される。 According to the present invention, a solid-state imaging device with excellent sensitivity is realized.
以下、図面を参照しつつ、本発明による固体撮像装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of a solid-state imaging device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are assigned to the same elements, and duplicate descriptions are omitted.
図1は、本発明による固体撮像装置の一実施形態を示す断面図である。固体撮像装置1は、半導体基板10、半導体層20、および受光部30を備える裏面入射型の固体撮像装置である。本実施形態において半導体基板10は、P型シリコン基板である。この半導体基板10は、比抵抗ρ1(第1の比抵抗)をもっている。ρ1は、例えば1000Ωcmである。好ましくはρ1≧200Ωcm、より好ましくはρ1≧500Ωcmである。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention. The solid-
半導体基板10の表面S1(第1面)上には、半導体層20が設けられている。本実施形態において半導体層20は、P型シリコン層である。この半導体層20は、比抵抗ρ2(第2の比抵抗)をもっている。ここで、ρ2<ρ1である。ρ2は、例えば10Ωcmである。好ましくは、5Ωcm≦ρ2≦100Ωcmである。半導体層20は、例えば、エピタキシャル成長法により形成される。
A
半導体層20中には、受光部30が設けられている。具体的には、受光部30は、半導体層20の半導体基板10と反対側の表層中に設けられている。本実施形態において受光部30は、N型不純物拡散層である。この受光部30は、隣接する半導体層20と共にフォトダイオードを構成している。
A
固体撮像装置1は、半導体基板10の裏面S2(第2面)に入射した被撮像体からの光を半導体基板10の内部または半導体層20の内部で光電変換し、その光電変換により発生した信号電荷を受光部30で受けて上記被撮像体を撮像するものである。
The solid-
半導体基板10の裏面S2上には、絶縁膜40が設けられている。なお、絶縁膜40は必要に応じて設けられるものであり、絶縁膜40はなくてもよい。絶縁膜40としては、例えば、SiN膜、SiON膜もしくはSiO2膜、またはそれらの積層膜、或いは樹脂が挙げられる。絶縁膜40を設けることによって、不純物や汚染物質が裏面S2から侵入することを防ぐことができる。この裏面S2は、グランド(GND)に接続される。すなわち、固体撮像装置1の動作時、裏面S2には、固定電位としてGND電位が与えられる。
An
半導体層20中には、MOSFET50も形成されている。すなわち、固体撮像装置1には、受光部30等により構成されるMOSイメージセンサ部と、MOSFET50等により構成されるロジック回路部とが混載されている。MOSFET50は、ソース・ドレイン領域として機能するN型不純物拡散層52、およびゲート電極54を含んでいる。
A
半導体層20の表面(半導体基板10と反対側の面)上には、配線層(絶縁層中に配線が設けられている層)60が設けられている。この配線層60中には、図示しない配線が形成されている。
On the surface of the semiconductor layer 20 (surface opposite to the semiconductor substrate 10), a wiring layer (layer in which wiring is provided in an insulating layer) 60 is provided. In the
図2を参照しつつ、固体撮像装置1の動作の一例を説明する。同図においては、固体撮像装置1の裏面(半導体基板10の裏面S2)に、被撮像体である指90を接触させている。蛍光灯やLED等の光源からの光L1を指90に入射させると、その透過光L2が上記裏面に入射する。このとき、透過光L2は、指90の指紋92の形状についての情報を含んだものとなる。すると、透過光L2は、半導体基板10の内部または半導体層20の内部で光電変換される。その光電変換により発生した信号電荷を受光部30が受けることにより、指紋92の像が撮像される。なお、光L1は、可視光、近赤外光または赤外光の何れであってもよい。
An example of the operation of the solid-
本実施形態の効果を説明する。固体撮像装置1においては、受光部30が設けられた半導体層20よりも大きな比抵抗をもつ半導体基板10を用いている。このため、光電変換により生成された正孔−電子対のうち、信号として寄与する電子(信号電荷)の拡散長を大きくすることができる。これにより、信号電荷が受光部に達し易くなる。したがって、半導体基板10の厚みを充分に確保しつつ、固体撮像装置1の感度向上を図ることができる。
なお、上記拡散長(デバイ長)Ldは、下記(1)式で表される。この式からわかるように、媒質(固体撮像装置1の場合、半導体基板10または半導体層20)の比抵抗が大きいほど、CB(不純物濃度)が小さくなり、それによりLd(デバイ長)が大きくなる。したがって、半導体基板10の比抵抗ρ1を半導体層20の比抵抗ρ2よりも大きくすることにより、ρ1がρ2に等しい場合あるいはρ2よりも小さい場合よりも、Ldを大きくすることができるのである。特にρ1≧200ΩcmであればLdを顕著に大きくすることができる。さらにρ1≧500ΩcmであればLdを一層顕著に大きくすることができる。
The effect of this embodiment will be described. In the solid-
Incidentally, the diffusion length (Debye length) L d is expressed by the following equation (1). As can be seen from this equation, C B (impurity concentration) decreases as the specific resistance of the medium (in the case of the solid-
半導体基板10の裏面S2上に絶縁膜40が設けられている。これにより、汚染物質が裏面S2から固体撮像装置1の内部に侵入するのを防ぐことができる。かかる汚染物質としては、例えばナトリウムが挙げられる。この点に関し、指から放出される汗の中には、ナトリウムが含有される。したがって、上述した例の如く、固体撮像装置1に指を接触させた状態で撮像を行う場合には、ナトリウムの浸入を防止できる絶縁膜40の存在が特に重要となる。なお、絶縁膜40がSiN等の窒化膜を含む場合、絶縁膜40による上述の効果が特に顕著となる。
An insulating
半導体基板10の裏面S2がGNDに接続されるように構成されている。これにより、当該裏面S2を静電シールドとして機能させることができる。
The back surface S2 of the
半導体層20がエピタキシャル成長法により形成される場合、すなわち半導体層20がエピタキシャル層である場合には、半導体基板10よりも小さな比抵抗をもつ半導体層20を容易に形成することができる。また、エピタキシャル層である場合には、半導体基板10の比抵抗ρ1から半導体層20の比抵抗ρ2へと急峻に比抵抗を変化させることができる。
When the
5Ωcm≦ρ2≦100Ωcmである場合、受光部30およびMOSFET50等の製造が容易となる。既存のデバイス・プロセスをそのまま用いて製造することが可能だからである。
When 5 Ωcm ≦ ρ 2 ≦ 100 Ωcm, the
固体撮像装置1は、裏面入射型である。このため、固体撮像装置1の表面側(配線層60側)に、被撮像体を接触させる必要がない。これにより、固体撮像装置1の破損、特性劣化および静電破壊等の発生を抑えることができる。このことは、固体撮像装置1の信頼性の向上に寄与する。例えば、被撮像体が指である場合、帯電した指とは反対側に配線が位置することになるため、指による過大な静電気が半導体層20中に設けられた素子(受光部30やMOSFET50等)に印加されるのを防ぐことができる。
The solid-
また、固体撮像装置1が裏面入射型であるため、被撮像体を接触させるために固体撮像装置1の表面を露出させる必要がない。これにより、種々の不純物が固体撮像装置1の表面に直接付着するのを防ぐことができる。かかる不純物の付着は、固体撮像装置1の電気的特性の劣化につながってしまう。
Moreover, since the solid-
光L1(図2参照)として近赤外光または赤外光を用いた場合、可視光を用いた場合よりも、裏面S2から深い位置まで透過光L2を到達させることができる。それにより、透過光L2が光電変換されて生じた信号電荷が、受光部30に達し易くなる。
When near infrared light or infrared light is used as the light L1 (see FIG. 2), the transmitted light L2 can reach the deeper position from the back surface S2 than when visible light is used. As a result, signal charges generated by photoelectric conversion of the transmitted light L <b> 2 easily reach the
本発明による固体撮像装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、半導体層20は、イオン注入により形成されてもよい。すなわち、半導体基板の表層に不純物イオンを注入し、それにより比抵抗が小さくなった上記表層を半導体層20としてもよい。あるいは、比抵抗の相異なる2枚の半導体基板を互いに貼り合わせて、比較的小さな比抵抗をもつ半導体基板を半導体層20としてもよい。また、半導体基板10上に直接に半導体層20が設けられた例を示した。しかし、図3に示すように、半導体基板10と半導体層20との間に、半導体層70(第2の半導体層)が介在していてもよい。半導体層70は、半導体基板10と同じ導電型を有している。この半導体層70は、比抵抗ρ3(第3の比抵抗)をもっている。ここで、ρ2<ρ3<ρ1、もしくはρ2<ρ1<ρ3である。なお、半導体層70は、半導体層20と同様に、エピタキシャル成長法により形成されていてもよいし、イオン注入により形成されてもよいし、比抵抗の相異なる半導体基板を互いに貼り合わせて形成してもよい。さらに、実施形態の説明において、固体撮像装置1にNチャネルMOSFET(図1のMOSFET50)が形成されていることを示したが、さらにPチャネルMOSFETが形成されていてもよい。また、実施形態の説明において、P型の半導体基板、P型の半導体層、N型の受光部を例示したが、N型の半導体基板、N型の半導体層、P型の受光部であってもよい。
The solid-state imaging device according to the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, in the above embodiment, the
また、上記実施形態においては、半導体層20の表層に受光部30が設けられた例を示した。しかし、図4に示すように、受光部30は、半導体層20の内部に設けられていてもよい。同図においては、半導体層20の表層にP+型不純物拡散層80が設けられており、P+型不純物拡散層80上に受光部30が設けられている。すなわち、P+型不純物拡散層80、受光部30および半導体層20により、埋込型フォトダイオードが構成されている。P+型不純物拡散層80はシールド層として機能し、それにより半導体層20の表面からのノイズが受光部30に与える影響を小さく抑えることができる。
Moreover, in the said embodiment, the example in which the light-receiving
また、本発明は、CCD(Charge Coupled Device)型の固体撮像装置に適用してもよい。 The present invention may also be applied to a CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device.
1 固体撮像装置
10 半導体基板
20 半導体層
30 受光部
40 絶縁膜
50 MOSFET
52 N型不純物拡散層
54 ゲート電極
60 配線層
70 半導体層
80 P+型不純物拡散層
90 指
92 指紋
S1 表面
S2 裏面
L1 光源からの光
L2 透過光
DESCRIPTION OF
52 N-type
Claims (8)
前記半導体基板の第1面上に設けられ、前記第1の比抵抗よりも小さな第2の比抵抗をもつ第1導電型の半導体層と、
前記半導体層中に設けられた受光部と、を備え、
前記半導体基板の前記第1面と反対側の第2面に入射した被撮像体からの光を当該半導体基板の内部または前記半導体層の内部で光電変換し、当該光電変換により発生した電荷を前記受光部で受けて前記被撮像体を撮像し、
前記受光部は、連続した一の前記半導体層中に複数設けられており、
前記半導体基板および前記半導体層は、シリコンにより構成されており、
前記受光部の少なくとも前記半導体基板側の表面の全領域が、前記半導体層と接していることを特徴とする固体撮像装置。 A semiconductor substrate having a first specific resistance;
A semiconductor layer of a first conductivity type provided on the first surface of the semiconductor substrate and having a second specific resistance smaller than the first specific resistance;
A light receiving portion provided in the semiconductor layer,
The light from the imaging target incident on the second surface opposite to the first surface of the semiconductor substrate is photoelectrically converted inside the semiconductor substrate or the semiconductor layer, and the charge generated by the photoelectric conversion is Receiving at the light receiving part to image the imaged object ,
A plurality of the light receiving portions are provided in one continuous semiconductor layer,
The semiconductor substrate and the semiconductor layer are made of silicon,
A solid-state imaging device , wherein at least the entire region of the surface of the light receiving unit on the semiconductor substrate side is in contact with the semiconductor layer .
前記半導体基板の前記第2面上に設けられた絶縁膜を備える固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device comprising an insulating film provided on the second surface of the semiconductor substrate.
前記半導体基板の前記第2面は、グランドに接続される固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1 or 2,
The second surface of the semiconductor substrate is a solid-state imaging device connected to a ground.
前記半導体層は、エピタキシャル層である固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3,
The solid-state imaging device, wherein the semiconductor layer is an epitaxial layer.
前記半導体基板と前記半導体層との間に設けられ、前記第1の比抵抗よりも小さく且つ前記第2の比抵抗よりも大きな第3の比抵抗をもつ第2の半導体層を備える固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4,
A solid-state imaging device including a second semiconductor layer provided between the semiconductor substrate and the semiconductor layer and having a third specific resistance smaller than the first specific resistance and larger than the second specific resistance .
前記第1の比抵抗は、200Ωcm以上である固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5,
The solid-state imaging device in which the first specific resistance is 200 Ωcm or more.
前記第1の比抵抗は、500Ωcm以上である固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 6,
The solid-state imaging device having the first specific resistance of 500 Ωcm or more.
前記第2の比抵抗は、5Ωcm以上100Ωcm以下である固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7,
The solid-state imaging device having the second specific resistance of 5 Ωcm or more and 100 Ωcm or less.
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