(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の比抵抗をもつ半導体基板と、
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。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像装置において、
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。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体撮像装置において、
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。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記半導体層は、エピタキシャル層である固体撮像装置。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の固体撮像装置において、
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。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記第１の比抵抗は、２００Ωｃｍ以上である固体撮像装置。
【請求項７】
請求項６に記載の固体撮像装置において、
前記第１の比抵抗は、５００Ωｃｍ以上である固体撮像装置。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記第２の比抵抗は、５Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下である固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３３４６９号公報
【特許文献２】特開２００３−３３８６１５号公報
【特許文献３】特開２００４−１５３１７５号公報
【特許文献４】特開２００５−１１０８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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。
【図２】図１の固体撮像装置の動作の一例を説明するための断面図である。
【図３】実施形態の一変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。
【図４】実施形態の他の変形例を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
【数１】
0005320483.tif 000002
ここで、ε：媒質の誘電率、ε０：真空の誘電率、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：電子温度、ｑ：電子素量、ＣＢ：媒質の不純物濃度である。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【符号の説明】
【００３２】
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
【図１】
0005320483.tif 000003
【図２】
0005320483.tif 000004
【図３】
0005320483.tif 000005
【図４】
0005320483.tif 000006