(57)【要約】      （修正有）【課題】信号電荷転送電極を薄くすることができる表面照射型軟Ｘ線用固体撮像素子及びその設計方法を提供する。【解決手段】半導体基板表面に入射した光が信号電荷を生成する光電変換部及び該半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成された信号電荷転送電極を備えた軟Ｘ線用固体撮像素子であって、該信号電荷転送電極は、その消衰係数ｋを比抵抗ρで除した物理量k/ρが、必要とする波長領域において相対的に高い数値を示す材料で形成する。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面に入射した光が信号電荷を生成する光電変換部及び該半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成された信号電荷転送電極を備えた軟Ｘ線用固体撮像素子であって、該信号電荷転送電極は、その消衰係数ｋを比抵抗ρで除した物理量k/ρが、必要とする波長領域において相対的に高い数値を示す材料で形成されていることを特徴とする軟Ｘ線用固体撮像素子。
【請求項２】
上記光電変換部における半導体基板表面の絶縁膜は、その消衰係数kが、k≦10 を満足する材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軟Ｘ線用固体撮像素子。
【請求項３】
上記信号電荷転送電極は、光電変換部を囲うように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の軟Ｘ線用固体撮像素子。
【請求項４】
上記信号電荷転送電極には、遮光膜の作用を併せ持たせていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の軟Ｘ線用固体撮像素子。
【請求項５】
半導体基板表面に入射した光が信号電荷を生成する光電変換部及び該半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成された信号電荷転送電極を備えた軟Ｘ線用固体撮像素子の設計方法であって、その消衰係数ｋを比抵抗ρで除した物理量k/ρが、必要とする波長領域において相対的に高い数値を示す物質を、信号電荷転送電極の材料として選定するステップを含む軟Ｘ線用固体撮像素子の設計方法。
【請求項６】
上記光電変換部における半導体基板表面の絶縁膜は、その消衰係数kが、k≦10 を満足する材料から選定するステップをさらに含む請求項５に記載の軟Ｘ線用固体撮像素子の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟Ｘ線用固体撮像素子及びその設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
軟Ｘ線を光源とする光学顕微鏡は細胞分子を生きたまま観察可能で、特に医学分野での応用が期待される。顕微鏡の解像度を40nm とすると50 倍の拡大光学系を用いた場合、像の解像度は2μm となる。
しかし、軟Ｘ線用の撮像素子はＣＣＤ(電荷結合素子) を例にとると、画素サイズが10μm 以上と大きく2μm を解像できない。これは微弱光検出を目的として、画素の微細化は困難なものの原理的に高い感度が得られる背面照射型ＣＣＤを用いてきたことによる。近年、多層膜を用いた明るい軟Ｘ線光学系が開発されて、軟Ｘ線用ＣＣＤは微弱光検出よりも高解像度化のニーズが高まっている。
【０００３】
可視光用では、表面照射型を採用して1.8μm以下まで微細化された画素の撮像素子が製品化されている。しかし、光電変換部上にマイクロレンズやカラーフィルタ、平坦化膜など多くの固体層を有する可視光用撮像素子を軟Ｘ線領域で使用しても、軟Ｘ線は空気を含むすべての物質で吸収が大きいため、これら固体層で吸収されて検出できない。
光電変換部上の固体層を薄くして軟Ｘ線の感度向上を狙ったアイデアは、特許文献１、２などに提案されているが、いずれも光電変換部の真上の層のみを薄くしたアイデアである。光電変換部を囲む領域も薄くしないと、光電変換部が高い壁で覆われたような構造となり、本来光電変換部に導かれるべき光が壁で吸収・散乱もしくは反射されるため、固体層の薄膜化による感度向上効果は十分には得られない。
【特許文献１】特開平８−１３０２９８号公報
【特許文献２】特開２００３−３３２５５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明は、信号電荷転送電極を薄くすることができる表面照射型軟Ｘ線用固体撮像素子及びその設計方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために本発明は、次のような軟Ｘ線用固体撮像素子及びその設計方法を提供するものである。
（１）半導体基板表面に入射した光が信号電荷を生成する光電変換部及び該半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成された信号電荷転送電極を備えた軟Ｘ線用固体撮像素子であって、該信号電荷転送電極は、その消衰係数ｋを比抵抗ρで除した物理量k/ρが、必要とする波長領域において相対的に高い数値を示す材料で形成されていることを特徴とする軟Ｘ線用固体撮像素子。
（２）上記光電変換部における半導体基板表面の絶縁膜は、その消衰係数kが、k≦10 を満足する材料で形成されていることを特徴とする（１）に記載の軟Ｘ線用固体撮像素子。
（３）上記信号電荷転送電極は、光電変換部を囲うように形成されていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の軟Ｘ線用固体撮像素子。
（４）上記信号電荷転送電極には、遮光膜の作用を併せ持たせていることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の軟Ｘ線用固体撮像素子。
（５）半導体基板表面に入射した光が信号電荷を生成する光電変換部及び該半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成された信号電荷転送電極を備えた軟Ｘ線用固体撮像素子の設計方法であって、その消衰係数ｋを比抵抗ρで除した物理量k/ρが、必要とする波長領域において相対的に高い数値を示す物質を、信号電荷転送電極の材料として選定するステップを含む軟Ｘ線用固体撮像素子の設計方法。
（６）上記光電変換部における半導体基板表面の絶縁膜は、その消衰係数kが、k≦10 を満足する材料から選定するステップをさらに含む（５）に記載の軟Ｘ線用固体撮像素子の設計方法。
なお上記（１）〜（６）において、消衰係数kは、信号電荷転送電極あるいは絶縁膜の複素屈折率の虚部である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の軟Ｘ線用固体撮像素子及びその設計方法によれば、信号電荷転送電極として消衰係数ｋを比抵抗ρで除した物理量k/ρが、必要とする波長領域において相対的に高い数値を示す材料を選定することにより、信号電荷転送電極を薄膜化して軟Ｘ線用固体撮像素子の感度を向上させることができる。
また、信号電荷転送電極に遮光膜の作用を併せ持たせたため、遮光膜を不要とすることができる。
さらに本発明によれば、光電変換部の半導体基板表面の絶縁膜の消衰係数kが、k≦10を満足する物質を絶縁膜の材料として選定することにより、絶縁膜内での軟Ｘ線の吸収を抑えて感度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の軟Ｘ線用固体撮像素子は、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサのラインセンサ及びエリアセンサなど、表面照射型撮像素子に対してその方式に関わらず適用できる。以下においては、ＣＣＤエリアセンサについて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【０００８】
（実施形態１）
図１は本実施形態１における軟Ｘ線用固体撮像素子の平面図、図２は図１中の画素の拡大図、図３は図２中のＡ−Ａ’の断面図である。
図１に示すように、半導体基板上に光電変換部と信号電荷転送電極からなる画素が正方格子状に複数配列され、図１垂直下方向に転送された信号電荷を水平方向に転送する水平信号電荷転送路と、信号電荷を検出する検出回路が形成されている。
【０００９】
画素を拡大すると図２に示すように、光電変換部を囲むように開口が形成された信号電荷転送電極が覆っている。図２中のＡ−Ａ’における画素の断面図を図３に示す。
【００１０】
軟Ｘ線を入射光とすると、信号電荷転送電極の膜厚を厚くすることで電極内において入射光が吸収されて、ノイズの原因となる垂直信号電荷転送路への光の直接入射を防止できる。しかし、極端に電極膜厚を厚くすると開口周辺の壁を高くしたような構造となり、本来開口を通って光電変換部に導かれるべき光が壁で吸収・散乱もしくは反射されるため感度が低下する。
【００１１】
したがって、電極膜厚は、光の電極透過を十分防止できれば薄いほど感度が大きくなる。どれだけ電極を薄くできるかは、複素屈折率の虚部である消衰係数k の逆数に比例する光の侵入深さから見積もることができる。光の侵入深さZ０は、入射光強度が1/e に減衰する膜厚であり、入射光の波長をλ、消衰係数をｋとすると次式で表わされる。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
例えば光の侵入深さの３倍を電極膜厚とすると入射光強度は約1/20 となり、電極−半導体基板間のゲート絶縁膜でも光の吸収が起こることを考慮すると、十分吸収されて光の電極透過は発生しない。膜厚が薄いほど感度向上に寄与するため、消衰係数ｋが大きい物質ほど電極に適した材料といえる。
【００１４】
一方、信号電荷転送電極の膜厚を極端に薄くすると電極の抵抗が大きくなる。比抵抗ρが小さい物質ほど電極に適した材料である。軟Ｘ線の中でも入射光の波長がλ=13.5nm とλ=4.5nmの場合に注目すると、物質ごとの消衰係数ｋと比抵抗ρの関係は、それぞれ図４、図５のようになる。グラフ左上の領域にプロットされた、消衰係数ｋが大きく比抵抗ρの小さい物質が、信号電荷転送電極の材料に適した物質となる。
【００１５】
図４より、λ=13.5nm では銀Ag が適し、グラフ左上の領域から大きく外れたプラチナPt は不適であることが分かる。
また図５より、λ=4.5nm でも同様に解釈できて、金Au が適し、Pt、アルミニウムAlは不適である。
物質Ｘへの光の侵入深さＺ０Ｘの３倍に、λ=13.5nm で電極材料に適するAg との比抵抗の比を乗じた量を、物質Ｘの同抵抗膜厚dx とおく。すなわち、物質Ｘの同抵抗膜厚dX は、Ｘへの光の侵入深さをＺ０Ｘ、ＸとAg の比抵抗をそれぞれρX、ρAg とすると、
【００１６】
【数２】
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【００１７】
と表わすことができる。
信号電荷転送電極膜厚を同抵抗膜厚としたときの画素断面図を、入射光の波長がλ=13.5nm、λ=4.5nm の場合についてそれぞれ図６、図７に示す。
λ=13.5nm では不適と判断したPt では、厚い電極が光電変換部を覆うため、光を光電変換部へ導きにくく、感度が低下することが容易に推測できる。
また同様にλ=4.5nm では不適と判断したAl では、厚い電極が光電変換部を覆うため、光を光電変換部へ導きにくく、感度が低下することが容易に推測できる。
【００１８】
図８、図９に波長λ=13.5nm とλ=4.5nm における各物質のk/ρを示す。図８、図９によれば、電極材料に適するとした物質のk/ρの値は大きく、不適な物質はk/ρの値が小さいことが分かる。波長0.1〜150nm の軟Ｘ線領域における k/ρを図１０に示す。特に図１０右の拡大図では、波長1〜100nm の軟Ｘ線領域における k/ρを示す。波長λ=4.5nm、13.5nm についてそれぞれ電極材料としての適・不適を○・×で表示している。
【００１９】
以上より、消衰係数ｋを比抵抗ρで除した物理量k/ρを性能指数と考えることができ、k/ρが大きい物質ほど信号電荷転送電極の材料として適している。
すなわち必要とする波長領域において、k/ρについて相対的に高い数値を示す物質が信号電荷転送電極の材料として適している。
【００２０】
（実施形態２）
実施形態１で述べた光電変換部の半導体基板表面の絶縁膜厚は、厚過ぎると絶縁膜内で軟Ｘ線が吸収されて光電変換部まで光が届かない。このため、光電変換部の半導体基板表面の絶縁膜はある程度薄く形成する必要がある。この絶縁膜厚も光の侵入深さから見積もることができ、例えば侵入深さを絶縁膜厚の上限とすることができる。
すなわち、基板表面の絶縁膜厚は消衰係数ｋから一意に決まる。波長0.1〜150nm の軟Ｘ線領域における光の侵入深さＺ０と消衰係数ｋを図１１に示す。絶縁膜材料に使用され得る３種類の物質はｋ≦10 を満足することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態１における軟Ｘ線用固体撮像素子の平面模式図である。
【図２】図１中の画素の拡大図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ’の断面図である。
【図４】物質ごとの消衰係数ｋと比抵抗ρの関係を示す図である。
【図５】物質ごとの消衰係数ｋと比抵抗ρの関係を示す図である。
【図６】信号電荷転送電極膜厚を同抵抗膜厚としたときの画素断面図を入射光の波長がλ=13.5nmの場合について示す図である。
【図７】信号電荷転送電極膜厚を同抵抗膜厚としたときの画素断面図を入射光の波長がλ=4.5nm の場合について示す図である。
【図８】波長λ=13.5nmにおける各物質のk/ρを示す図である。
【図９】波長λ=4.5nm における各物質のk/ρを示す図である。
【図１０】波長0.1〜150nm の軟Ｘ線領域におけるk/ρを示す図である。
【図１１】波長0.1〜150nm の軟Ｘ線領域における光の侵入深さＺ０と消衰係数ｋを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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