JP5132262B2 - 裏面入射型リニアイメージセンサ、その駆動方法、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばリモートセンシング等の分野で用いられる裏面入射型のリニアイメージセンサ、該リニアイメージセンサの駆動方法、及び製造方法に関する。

半導体基板上に多数の光検出器をアレイ状に配置し、同一基板上に信号電荷の読出回路や出力アンプを備えたイメージセンサが多数開発されている。リモートセンシングにおいては、光検出器を１次元アレイ状に配置したリニアイメージセンサを人工衛星等に搭載して、アレイと垂直な方向を衛星の進行方向に一致させることによって、地表の２次元画像を撮影する。画像解像度を向上させるためには、光検出器における画素ピッチをできるだけ小さくすることが望ましいが、そうすることで光検出器の面積が縮小する。よって、光検出器への入射光量が減少し、Ｓ／Ｎ比が劣化するという課題がある。

Ｓ／Ｎ比を改善するための巧妙な手段として、ＴＤＩ方式（Time Delay and Integration）のイメージセンサが開発されている。ＴＤＩ方式は、２次元イメージセンサであるＦＦＴ（フル・フレーム・トランスファ）型ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）を用い、電荷転送のタイミングを被写体像の移動タイミングに同期させることでＳ／Ｎ比を改善する、ＣＣＤイメージセンサの読出し方式である。リモートセンシングの場合、垂直方向の電荷転送を衛星の移動速度に合わせることでＴＤＩ動作が実現できる。即ち、垂直ＣＣＤでＭ段のＴＤＩ動作を行うと、蓄積時間が実効的にＭ倍となる。よって、感度がＭ倍向上し、Ｓ／Ｎ比は、√Ｍ倍に改善される。

多くの場合、可視光のイメージセンサは、当該センサのチップの表面側から光を入射させて撮像を行う。入射した光は、Ｓｉ基板内部で光電変換されて信号電荷を発生させる。上記ＦＦＴ型ＣＣＤや、ＦＴ（フレーム・トランスファ）型ＣＣＤでは、垂直電荷転送を制御するポリシリコン電極越しに光が入射する。よって、特に短波長領域の光がポリシリコン電極で吸収されてしまい、ＣＣＤの感度が低下するといった課題がある。その対策として、センサチップの裏面側から光を入射させる裏面入射型のイメージセンサが提案されている。

例えば特許文献１には、基板の裏面側に光電面を配置した従来のＸ線イメージセンサが開示されている。該センサは、Ｘ線を基板の表面側から入射させるが、光電面で発生した可視光領域の光に対しては裏面入射型ＦＴ−ＣＣＤとして構成されたものである。裏面入射型ＣＣＤは、Ｓｉ基板の光入射面（基板裏面）側で発生した信号電荷を、Ｓｉ基板の表面側に設けたＣＣＤで効率よく集める必要がある。よって、光電変換部のＳｉ基板厚を数十μｍ程度まで薄く形成する。このとき、読出回路、例えば水平ＣＣＤや出力アンプ等、に電荷が混入すると、クロストークを生じるため、これを防止する必要がある。特許文献１の例では、Ｓｉエッチングの異方性を利用して光電変換部のみを選択的に薄膜化し、読出回路部分は、元のＳｉ基板厚（３００μｍ程度）を残すようにして可視光を遮断している。

又、特許文献２の発明は、裏面入射型イメージセンサにおいて、Ｓｉ異方性エッチングにより光電変換部を薄膜化した際のベベル部分（基板裏面の窪みの斜面部分）に対して、遮蔽部材を形成することにより、上記ベベル部分への光入射を防止するものである。

特開平１１−２０４０７２号公報 特開２００２−２３１９１３号公報

しかしながら、従来の裏面入射型イメージセンサでは、基板裏面の光入射領域と遮光領域の境界を精度よく形成することができないという問題があった。例えば特許文献１のように、Ｓｉ異方性エッチング後のＳｉ基板厚によって遮光効果を持たせようとする場合、ベベル部分の膜厚が連続的に変化する。よって、光入射領域と遮光領域との境界部分は、ある幅を有する、透過率が徐々に変化する帯状となってしまい、境界線がぼやけたものになる。

又、異方性エッチングで形成されるベベル部分は、Ｓｉの（１１１）面であり、その開口部エッヂ（底辺）が基板の（１００）方向に平行に形成される。一方、基板表面側に形成される光検出器アレイの方向は、必ずしも基板の（１００）方向に一致しない。

一般にウェハプロセスでは、Ｓｉウェハに設けられたオリエンテーションフラット又はノッチ（以降、オリフラ等と記す）を基準として、回路パターンを基板の面方位に位置合せする。オリフラ等はウェハの製造過程で形成されるが、標準的なウェハのオリフラ等の製造公差は、±１ｄｅｇ程度である。そのため、基板裏面側の開口部のエッヂと基板表面側の検出器アレイとの間には、最大で１ｄｅｇ程度の角度ずれが生じる。

リモートセンシングでは、画素アレイ長が数十ｍｍ以上の長尺チップが用いられる場合が多い。よって、例えば画素アレイ長が６０ｍｍの場合において、角度ずれが１ｄｅｇ生じたとすると、開口部エッヂから画素までの距離において、画素アレイの両端で１ｍｍ以上のずれが発生することになる。その結果、画素間の感度の均一性が低下するといった問題がある。

又、ベベル部分は、Ｓｉの（１１１）面を反映して斜めに形成されるため、ここに光が入射すると反射光によるゴーストが発生する。特許文献２の発明は、ベベル部分に光が入射することを防止するものであり、そのために、開口窓を形成した遮蔽部材をチップに貼り付ける方式を採る。しかしながら、このような方法で光入射領域と遮光領域との境界を形成しようとしても、光入射領域と遮光領域との境界線を光電変換領域の端に高精度で位置合せすることは困難である。よって、遮蔽部材の開口部の縁部で散乱された光が迷光となって光入射領域に入射してしまうといった問題がある。

さらにまた、基板裏面の入射面に金属膜等を蒸着してパターニングし、これを遮光膜とする方法も考えられる。しかしながら、薄膜化した部分の割れ防止や、高段差構造でのパターニングの点で、該方法を利用した製造は難しいという問題もある。

以上の結果、ＴＤＩ方式イメージセンサを裏面入射型にする場合、光電変換部以外の領域に入射した光によって発生したノイズ電荷が信号電荷に混入して、クロストークを生じるという問題がある。上記ノイズ電荷を排除するには、メカニカルシャッタを併用する等の工夫が必要であり、メカニカルシャッタを併用した構成では連続撮像、例えば動画撮像は困難である。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、光電変換部以外の領域に入射した光によって発生するクロストークを低減可能な裏面入射型のリニアイメージセンサ、該リニアイメージセンサの駆動方法、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における裏面入射型リニアイメージセンサは、表面に電荷転送素子が列状に複数配列された半導体基板における裏面側に形成した光入射領域から入射した光により上記電荷転送素子に発生した信号電荷を送出する裏面入射型のＴＤＩ処理を実施するリニアイメージセンサであって、受光部と、水平転送部と、高速転送部と、駆動部とを備えたことを特徴とする。上記受光部は、上記光入射領域に対向して上記半導体基板の表面に沿って第１方向に配列された第一の電荷転送素子を有し、発生した上記信号電荷を上記第１方向に転送する。上記水平転送部は、上記裏面側において上記光入射領域以外の遮光領域に対向して上記表面に沿って第２方向に配列された第二の電荷転送素子を有し、上記信号電荷を第２方向に転送する。上記高速転送部は、上記表面に沿って上記受光部と上記水平転送部との間であり上記光入射領域と上記遮光領域との境界部にて上記第１方向に配列された第三の電荷転送素子を有し、ここで該第三の電荷転送素子は、上記受光部から供給される上記信号電荷を上記第１方向に転送しかつ光入射領域から入射した光が上記第三の電荷転送素子に入射してノイズ電荷を生成する。上記駆動部は、上記受光部に対して電荷転送を行わず上記高速転送部に対して電荷転送を行わせ、上記ノイズ電荷のみを排出させかつ上記受光部から転送された信号電荷を上記水平転送部へ転送させる高速転送動作制御を行う。

本発明の第１態様における裏面入射型リニアイメージセンサによれば、受光部及び水平転送部との間に高速転送部を備え、これらの駆動を制御する駆動部をさらに備えた。よって、駆動部は、高速転送部に対して、高速転送部に発生したノイズ電荷をまず排出させ、次に、受光部にて発生した信号電荷を水平転送部に転送する。よって、受光部以外の領域に入射した光によって発生するクロストークを低減することができ、メカニカルシャッタなしに動画撮像が可能になる。又、高速転送部は、半導体基板の裏面に形成される光入射領域と遮光領域との境界部分に位置し、ノイズ電荷を生成する。しかしながら上述のように、ノイズ電荷は、まず排出されることから、受光部を構成する電荷転送素子のアレイに対して上記境界部分が正確に平行に形成される必要はない。よって、裏面入射型リニアイメージセンサの製造を従来に比べて容易にすることができる。

本発明の実施形態である裏面入射型リニアイメージセンサ、該リニアイメージセンサの駆動方法、及び製造方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
又、以下に説明する裏面入射型リニアイメージセンサでは、電荷転送素子としてＣＣＤ（電荷結合素子）を使用するが、これに限定されず、ＣＭＯＳを使用することも可能である。又、リニアイメージセンサにおけるＳ／Ｎ比の改善を図るため、本実施形態の裏面入射型リニアイメージセンサにおいても、上述のＴＤＩ（Time Delay and Integration）方式を採り、ＦＦＴ（フル・フレーム・トランスファ）型ＣＣＤ、又はＦＴ（フレーム・トランスファ）型ＣＣＤを使用する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による裏面入射型イメージセンサ１０１の一例としての裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの回路構成を示す素子平面図である。又、図１に示すＡ−Ａ’線における、当該裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの断面を模式的に図２に示す。
当該裏面入射型リニアイメージセンサ１０１は、基本的構成として、受光部５０、高速転送部６０、水平転送部７０、及び駆動部８０を備え、受光部５０、高速転送部６０及び水平転送部７０を形成した半導体基板３０の裏面つまりバルクＳｉ基板１２の裏面１２ａに設けた光入射領域１９から入射した光により発生した信号電荷を送出する。尚、駆動部８０は、受光部５０、高速転送部６０、及び水平転送部７０等を形成する半導体基板とは別設される、又は当該半導体基板上に形成される構成部分である。又、駆動部８０は、高速転送部６０を構成するＣＣＤを駆動する第１駆動部８１と、受光部５０を構成するＣＣＤを駆動する第２駆動部８２と、水平転送部７０並びに後述の蓄積部６、蓄積制御ゲート７、及びリセットゲート８を駆動する第３駆動部８３とを有する。

上記裏面に対向する半導体基板３０の表面側には、上記ＦＦＴ又はＦＴ型のＣＣＤにて形成したＴＤＩ画素１が２次元アレイ状に配列された受光部５０が設けられる。受光部５０は、本実施形態では、５行８列にてＴＤＩ画素１が形成され、受光部５０の各列では、ＴＤＩ画素１が第１方向に相当する垂直方向（図面の下方）９１に沿って配列される。高速転送部６０は、本実施形態では、３行８列にて垂直ＣＣＤ３が形成され、各列では垂直ＣＣＤ３が第１方向９１に沿って配列されている。高速転送部６０の各列に対応して、蓄積部６、蓄積制御ゲート７、及びリセットゲート８が形成され、水平転送部７０では、第２方向に相当する水平方向（図面の右方）９２に沿って水平ＣＣＤ５が１行８列にて配列されている。

このように構成された裏面入射型リニアイメージセンサ１０１では、上述の入射光により受光部５０にて生成され時間遅延積分された信号電荷が、高速転送部６０を介して、水平転送部７０を構成する水平ＣＣＤ５へ垂直方向９１に転送される。水平転送部７０に転送された上記信号電荷は、水平ＣＣＤ５により、水平方向９２へ転送されて、出力アンプ９から読み出される。
尚、図１では、受光部５０について、ＴＤＩ画素１を、５行８列にて図示しているが、これは勿論例示であり、複数行、一若しくは複数列にて配列することができる。

上述のように、受光部５０と水平転送部７０との間には、垂直ＣＣＤ３群からなる高速転送部６０、蓄積部６、蓄積制御ゲート７、及びリセットゲート８が設けられている。尚、図１に点線で示した枠１０及び枠１１は、図２に示すように、Ｓｉ基板１２の裏面１２ａ側からＳｉ基板１２の一部を薄膜化して形成した凹状の光入射領域１９における縁を示したものである。又、蓄積部６、蓄積制御ゲート７及びリセットゲート８を蓄積制御部と呼ぶ。又、後述するように本実施形態の裏面入射型リニアイメージセンサ１０１によれば、高速転送部６０を光入射領域１９と遮光領域との境界部を受光部５０の端に精度よく位置合せする必要はなくなる。この点を明示するため、図１では意図的に、枠１０及び枠１１が受光部５０等のアレイに対して傾斜した状態にて図示を行っている。又、図１では、高速転送部６０について、ＣＣＤを３行にて図示しているが、これに限定されず、複数行であればよく、その行数は、上記境界部の面積との関係で決定される。

図２を参照して、当該裏面入射型イメージセンサ１０１を説明する。
バルクＳｉ基板１２、ＢＯＸ酸化膜１３、Ｓｉエピタキシャル層１４からなるＳＯＩ基板１５の表面側に、転送チャネル１６及びゲート電極１７などで構成された読出し回路が形成されている。ここで、ゲート電極１７に含まれる、１７ａはＴＤＩ転送ゲート、１７ｂは垂直ＣＣＤ転送ゲート、１７ｃは蓄積ゲート、１７ｄは蓄積制御ゲート、及び１７ｅは水平ＣＣＤ転送ゲートである。又、転送チャネル１６に含まれる、１６ａはＴＤＩ画素１のチャネル部分、１６ｂは垂直ＣＣＤ３のチャネル部分、１６ｃは蓄積部のチャネル部分、及び１６ｅは水平ＣＣＤ５のチャネル部分である。尚、ＴＤＩ転送ゲート１７ａ及びＴＤＩ画素１のチャネル部分１６ａにより受光部５０を構成し、垂直ＣＣＤ転送ゲート１７ｂ及び垂直ＣＣＤ３のチャネル部分１６ｂにより高速転送部６０を構成し、蓄積ゲート１７ｃ、蓄積制御ゲート１７ｄ、及び蓄積部のチャネル部分１６ｃにより蓄積部６及び蓄積制御ゲート７を構成し、水平ＣＣＤ転送ゲート１７ｅ及び水平ＣＣＤ５のチャネル部分１６ｅにより水平転送部７０を構成している。

又、１８は、酸化膜などからなる保護膜である。さらに、上述したように、基板裏面１２ａ側からＳｉ異方性エッチングにより、光入射領域１９が形成される。ここで、光入射領域１９の縁部で境界部に相当するベベル部分２０は、Ｓｉ（１１１）面を反映した斜面である。又、２１は、光入射領域１９をパターニングする際の酸化膜や窒化膜などからなるエッチングマスクである。

上述のような構成により、図１及び図２に示すように、光入射領域１９に対応して受光部５０が配置され、上記ベベル部分２０に対応して高速転送部６０が配置され、光入射領域１９以外の裏面１２ａに相当する遮光領域１９ｃに対応して蓄積部６、蓄積制御ゲート７、リセットゲート８、及び水平転送部７０が配置される。

このような構成を有する裏面入射型イメージセンサ１０１における動作について以下に説明する。
裏面入射型イメージセンサ１０１において、撮像時には、光を裏面１２ａ側から入射させる。光入射領域１９は、バルクＳｉ１２が除去されてエピタキシャル層１４の膜厚部分まで薄膜化されており、エピタキシャル層１４の膜厚は１０〜２０μｍ程度である。よって、受光部５０では、入射光に応じて信号電荷が発生し、発生した信号電荷がＴＤＩ画素１のチャネル１６ａに集積される。一方、蓄積部６や水平ＣＣＤ５は、膜厚が数１００μｍのバルクＳｉ１２によって遮光されており光電荷を発生しない。両者の間に位置する高速転送部６０では、高速転送部６０に対応した箇所のＳｉ膜厚が１０μｍから数百μｍまで連続的に変化するため、可視光に対する透過率も連続的に変化する。よって、高速転送部６０でも光電荷が発生し、高速転送部６０に入射した光によって発生した光電荷は、転送チャネル１６ｂに集積される。

転送チャネル１６ｂに集積された光電荷が、受光部５０にて発生した上記信号電荷に混入するとクロストークを生じるため、これを防止する駆動方法が必要である。
図３は、本発明の実施の形態１による裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤ１０１のポテンシャル図であり、転送チャネル１６のポテンシャルの模様を時系列に表している。以下、図３及び図９を用いて本発明の実施の形態１による裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤ１０１の駆動方法について説明する。該駆動方法は、要約すると、１撮像周期ごとに受光部５０で１段のＴＤＩ転送を行い、１撮像周期ごとに高速転送部６０では受光部５０から転送された信号電荷２２の水平ＣＣＤへの高速転送を行うとともに、信号電荷２２の高速転送の直前に、高速転送部６０にて発生したノイズ電荷２３の排出を行うものである。尚、このような駆動方法は、上記駆動部８０にて制御され、受光部５０、高速転送部６０、蓄積部６、蓄積制御ゲート７、リセットゲート８、及び水平転送部７０に対して実行される。

受光部５０のＴＤＩ画素１では、上記入射光による信号電荷２２が集積され、受光部５０を構成するＴＤＩ−ＣＣＤの段数に比例して２２ａ、２２ｂ、・・・、２２ｅの順に信号電荷量は多くなる。又、高速転送部６０は、光入射領域１９と遮光領域１９ｃとの境界部に相当する上記ベベル部分２０に対応して位置することから、高速転送部６０も光電荷を発生し集積する。しかしながら、高速転送部６０にて発生した光電荷は、信号電荷２２以外のノイズ電荷２３（ノイズ電荷２３ａ〜２３ｃ）である。図３の（ａ）に示すように１撮像周期が終了した後、受光部５０及び高速転送部６０に集積された信号電荷２２及びノイズ電荷２３を、それぞれ垂直方向９１に、ＣＣＤの１段ずつ転送する（図９のステップＳ１）。この状態を図３の（ｂ）に示す。

図３の（ｂ）の状態では、図３の（ａ）の時点で高速転送部６０の最終段ＣＣＤに存在したノイズ電荷２３ｃは、蓄積部６へと転送される。次に、第２駆動部８２は、受光部５０のＴＤＩ画素１に対して垂直方向９１への電荷の転送を行わず、一方、その間に第１駆動部８１は、高速転送部６０の垂直ＣＣＤ３に対して垂直方向９１への電荷の転送を行う（図９のステップＳ２）。この状態を図３の（ｃ）及び（ｄ）に示す。

この駆動動作により、高速転送部６０に集積されているノイズ電荷２３ａとノイズ電荷２３ｂとは、蓄積部６へと転送され、高速転送部６０に発生した全てのノイズ電荷２３は、蓄積部６に集積される。
又、このとき、図３の（ａ）に示す時点で受光部５０の最終段にあった信号電荷２２ｅは、高速転送部６０の垂直ＣＣＤ３の内、蓄積部６の１段手前の垂直ＣＣＤ３に保持される。以上の図３の（ｂ）から（ｄ）への一連の転送動作を高速に行うことで、つまり第１駆動部８１から高速転送部６０へ供給するクロックの周波数を、通常の電荷転送動作に使用する周波数よりも上げる（高速にする）ことで、この期間中に高速転送部６０で発生するノイズ電荷（スミア）を抑制する。

次に、図３の（ｅ）に示す、ノイズ電荷２３の高速転送が完了した時点で、第３駆動部８３によりリセットゲート８（図３では図示せず）を開け、ノイズ電荷２３を排出する（図９のステップＳ２）。
次いで、図３の（ｆ）に示すように、高速転送部６０に対して１段分の電荷転送を行い、信号電荷２２ｅを蓄積部６へ転送する。さらに蓄積制御ゲート７を開け、図３の（ｇ）に示すように、信号電荷２２ｅを水平転送部７０の水平ＣＣＤ５へ転送する（図９のステップＳ３）。
以上の高速転送動作を完了した後、第３駆動部８３により、蓄積制御ゲート７を閉じ、水平ＣＣＤ５を駆動して、出力アンプ９より信号電荷２２ｅを時系列に１撮像周期分の信号として読み出す。

以上説明したような駆動方法によれば、高速転送部６０で発生する不要な光電荷２３は、撮像周期のブランキング期間に、信号電荷２２の転送動作とは独立して排出することができ、信号電荷２２に混入することを防止できる。よって、ＴＤＩ−ＣＣＤを使用した裏面入射型リニアイメージセンサにおいて、クロストークを低減することができ、メカニカルシャッタなしで動画撮像が可能になる。

又、高速転送部６０を設け、該高速転送部６０を光入射領域１９と遮光領域１９ｃとの境界部に配置させるように構成したことから、本実施形態では、上記境界部を受光部５０の端に精度よく位置合せする必要はない。よって、上記境界部は、高速転送部６０を構成する垂直ＣＣＤ３の配列方向における高速転送部６０の規定範囲内の任意の位置に形成するだけで、画素間の感度均一性に優れた、ＴＤＩ−ＣＣＤを用いた裏面入射型リニアイメージセンサを実現することができる。

尚、図３に示した本発明の実施の形態１による裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤイメージセンサ１０１の駆動方法では、図３の（ｅ）に示す時点でリセットゲート８を開いてノイズ電荷２３を排出する場合を示したが、図３の（ｂ）〜（ｅ）の期間中はリセットゲート８を開いたままにして、ノイズ電荷２３を排出するようにしてもよい。この駆動方法によれば、高速転送期間中に蓄積部６にノイズ電荷２３ａ〜ノイズ電荷２３ｃが積算されなくなる。よって、蓄積部６の飽和容量を確保する必要はなく、回路面積を低減することができるという利点がある。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２による裏面入射型イメージセンサ１０２の一例としての裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの回路構成を示す素子平面図である。実施の形態２における裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤのイメージセンサ１０２は、実施の形態１にて説明した高速転送部６０に代えて高速転送部６１を備え、これに伴い、上述のリセットゲート８を削除した構成を有する。その他の構成は、実施の形態１におけるイメージセンサ１０１の構成に同じであり、同一構成部分については説明を省略する。

当該イメージセンサ１０２の高速転送部６１は、列ごとに設けられた垂直ＣＣＤ２４と、該垂直ＣＣＤ２４に隣接したオーバーフロー部２５とを有する。オーバーフロー部２５は、オーバーフロードレインと制御ゲート等からなる（図示せず）。

このように構成される本実施形態２の裏面入射型リニアイメージセンサ１０２の動作つまり駆動方法について、図５及び図１０を参照して説明する。尚、上記駆動方法は、上記駆動部８０の制御にて、受光部５０、高速転送部６１、蓄積部６、蓄積制御ゲート７、及び水平転送部７０に対して実行される。

図５は、裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤイメージセンサ１０２のポテンシャル図であり、転送チャネル１６のポテンシャルの模様を時系列に表している。
実施の形態１のイメージセンサ１０１における受光部５０と同様に、当該イメージセンサ１０２における受光部５０でも、ＴＤＩ画素１では信号電荷２２が集積され、ＴＤＩ画素１の段数に比例して信号電荷２２ａ、２２ｂ、・・・、２２ｅの順に信号電荷量は多くなる。又、高速転送部６１の各垂直ＣＣＤ２４にも、ノイズ電荷２３が集積されている。

図５の（ａ）に示すように１撮像周期が終了すると、次に、図５の（ｂ）に示す時点で、第１駆動部８１の制御によりオーバーフロー部２５のオーバーフローゲートを開いてノイズ電荷２３をオーバーフロードレインへと排出する。オーバーフロー部２５は、垂直ＣＣＤ２４毎に設けられているため、高速転送部６１を構成する垂直ＣＣＤ２４に集積されたノイズ電荷２３ａ〜ノイズ電荷２３ｃは同時に排出される（図１０のステップＳ１１）。

ノイズ電荷２３の排出完了後、第１駆動部８１は、オーバーフローゲートを閉じる。そして、第２駆動部８２は、受光部５０に集積された信号電荷２２を垂直方向に１段分、転送する（図１０のステップＳ１２）。よって、受光部５０の最終段に集積されていた信号電荷２２ｅは、高速転送部６１の初段に転送される。転送後の状態を図５の（ｃ）に示す。
次に、駆動部８０は、受光部５０に対しては電荷の転送を行わず、高速転送部６１に対してのみ電荷を垂直方向に順次転送する（図１０のステップＳ１３）。この状態を図５の（ｄ）〜（ｆ）に示す。図５の（ｄ）〜（ｆ）の一連の転送動作を高速に行うことで、上記信号電荷２２ｅは、蓄積部６へ転送される。

次いで、図５の（ｇ）に示すように、蓄積制御ゲート７を開けて信号電荷２２ｅを水平ＣＣＤ５へと転送する（図１０のステップＳ１３）。以上の転送動作を完了した後、制御ゲート７を閉じ、水平ＣＣＤ５を駆動して、出力アンプ９より信号を時系列に１撮像周期分の信号を読み出す。

このように実施の形態２における裏面入射型リニアイメージセンサ１０２によれば、高速転送部６１の列毎の垂直ＣＣＤ２４にオーバーフロー部２５を設けたことにより、高速転送部６１で発生する不要なノイズ電荷２３は、それぞれの垂直ＣＣＤ２４におけるオーバーフロー部２５で同時に排出することができる。該動作により、実施の形態１におけるイメージセンサ１０１と同様に、ノイズ電荷２３は、撮像周期のブランキング期間に、信号電荷２２の転送動作とは独立して排出され、信号電荷２２に混入することはない。よって、ＴＤＩ−ＣＣＤを使用した裏面入射型リニアイメージセンサにおいて、クロストークを低減することができ、メカニカルシャッタなしで動画撮像が可能になる。

又、実施の形態１のイメージセンサ１０１における高速転送部６０と同様に、高速転送部６１を光入射領域１９と遮光領域１９ｃとの境界部に配置したことから、光入射領域１９と遮光領域１９ｃとの境界部を受光部５０の端に精度よく位置合せする必要はない。よって、上記境界部は、高速転送部６１を構成する垂直ＣＣＤ２４の配列方向における高速転送部６１の規定範囲内の任意の位置に形成するだけで、画素間の感度均一性に優れた、ＴＤＩ−ＣＣＤを用いた裏面入射型リニアイメージセンサを実現することができる。

尚、実施の形態２のイメージセンサ１０２では、高速転送部６１の列毎の垂直ＣＣＤ２４にオーバーフロー部２５を設けたことより、実施の形態１のイメージセンサ１０１に比べて垂直ＣＣＤ２４の幅は小さくなる。垂直ＣＣＤの幅が小さくなることで、電荷転送容量は減少する。しかしながら、高速転送部６１は、光検知を目的としないため、垂直ＣＣＤ２４の１段当たりの長さを伸ばすことで電荷転送容量を確保することができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３による裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤのイメージセンサ１０３の回路構成を示す平面図である。当該イメージセンサ１０３は、上述した実施の形態１におけるイメージセンサ１０１に対して、遮光材料からなる遮光膜２７をさらに加えた構成を有する。その他の構成は、イメージセンサ１０１の構成と変わる部分はない。よって以下には、遮光膜２７についてのみ説明を行う。尚、図６に示す符号２６は、遮光膜２７の縁を示している。又、図７は、図６に示すＢ−Ｂ’部分の断面の構造を模式的に示す素子断面図である。
又、当該実施の形態３では、上述のように、実施形態１のイメージセンサ１０１に遮光膜２７を設けた構成であるが、勿論、実施形態２のイメージセンサ１０２に遮光膜２７を設けた構成を採ることも可能である。

図６及び図７に示すように、遮光膜２７は、Ｓｉ異方性エッチングにより基板の裏面１２ａ側から薄膜化した光入射領域１９、及び光入射領域１９以外の遮光領域１９ｃを覆うように形成され、その後、光入射領域１９のくぼみの底面１９ａの一部だけに開口１９ｂを形成するようにエッチングにより除去される。図６及び図７に示すように、底面１９ａにおいて遮光膜２７が存在しない領域に対応して、少なくとも受光部５０が位置する。
尚、当該実施の形態３におけるイメージセンサ１０３の動作については、上述した実施の形態１におけるイメージセンサ１０１の駆動方法に同じであるので、ここでの説明は省略する。

以下には、当該実施の形態３による裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤのイメージセンサ１０３の製造方法について、図８を用いて説明する。
基板ウェハとして、図８の（ａ）に示すように、バルクＳｉ１２、ＢＯＸ酸化膜１３、Ｓｉエピタキシャル層１４からなるＳＯＩ基板１５を用いる。標準的なＳｉプロセスを用いて、図８の（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板１５の表面側に、転送チャネル１６や転送ゲート１７などを有するＣＣＤ、つまり受光部５０、高速転送部６０、水平転送部７０等を形成する。

図８の（ｃ）では、バルクＳｉ１２の裏面１２ａを機械研磨して、バルクＳｉ１２を所望の膜厚まで薄膜化する。その後、図８の（ｄ）に示すように、裏面１２ａにエッチングマスク２１を形成する。エッチングマスク２１は、上述した蓄積部６、蓄積制御ゲート７、リセットゲート８、及び水平転送部７０に対応して位置するように形成する。
尚、図８の（ｄ）以降では、裏面１２ａが図面上方となるように図示している。このとき基板裏面１２ａは、平坦であるため、エッチングマスク２１のパターニングには通常のＳｉプロセスが利用できる。

次に、図８の（ｅ）では、ＫＯＨやＴＭＡＨなどのエッチャントを用いたウェットエッチングにより、裏面１２ａ側からＳｉ異方性エッチングを行い、光段差構造となる光入射領域１９を形成する。このとき、ＢＯＸ酸化膜１３がエッチングストッパとして作用するため、受光部５０下のＳｉ膜厚を均一に形成することができる。

次に図８の（ｆ）に示すように、スプレーコート法を用いて、裏面１２ａの光入射領域１９に対して、感光性を有した遮光材料を塗布する。標準的なＳｉプロセスでは、レジストなどの感光性材料の塗布にはスピンコート法を用いるが、光入射領域１９のような高段差構造の場合、スピンコート法ではくぼみ部分だけにレジストが溜まってしまい、均一に塗布されないといった問題が生じる。よって、上述のようにスプレーコート法を用いている。当該実施の形態３では、スプレーガン２８にて、遮光材料を噴射して塗布することから、高段差構造でも遮光材料を均一に塗布することが可能になる。

次に、図８の（ｇ）では、両面アライナまたは両面ステッパ等の露光機を用いて、遮光膜２７を露光し、引き続きこれを現像してパターニングを行う。一般的に高段差構造に対する露光では、マスクパターンをウェハ上に投影する際、段差の高い部分と低い部分の両者にピントを合せることは困難である。しかるに当該実施の形態３では、開口したいパターンが高段差構造の底面だけに位置するようにレイアウトされているため、ピント合わせが容易で、所望のパターンを投影可能である。

このとき、マスクアライメントは、基板表面側のＣＣＤの回路パターンに対して、つまり上記回路パターンを基準として位置合せを行う。このため、図６に示すような、製造公差によるオリフラ等の角度ずれによって表面の回路パターンと、裏面側における光入射領域１９のエッヂ１０及び１１とが平行に形成されていない場合であっても、遮光膜２７のエッヂ２６を上記回路パターンに平行に形成することが可能になる。尚、遮光膜２７の透過率は、できるだけ小さいことが望ましく、そのため遮光膜２７の膜厚は、数μｍ以上の厚さに形成する必要がある。

この場合、遮光膜２７のエッヂ２６の形状を、きれいな直線状に仕上げることは困難であり、実際には、図６に示すように凹凸を有した曲線形状になりやすい。しかしながら、上述した実施の形態１におけるイメージセンサ１０１の場合と同様に、高速転送部６０を設けたことより、光入射領域１９と遮光領域１９ｃとの境界を受光部５０の端に精度よく位置合せする必要はない。つまり上記境界は、高速転送部６０における垂直ＣＣＤ３の配列方向にて高速転送部６０の規定範囲内に位置すればよく、そうすることで、画素間の感度均一性に優れた裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤを実現できる。

上述した、実施の形態３におけるイメージセンサ１０３では、以下のような利点がある。
即ち、遮光膜２７を設けたことで、遮光膜２７を設けない場合に比べて蓄積部６、蓄積制御ゲート７、リセットゲート８、及び水平転送部７０に対する遮光性を向上させることができる。
又、遮光膜２７は、エッチング等の加工工程が不要で露光工程のみでパターニングできるため、製造歩留が向上するとともに、光入射領域１９の底面１９ａだけをパターニングすればよい。よって、光入射領域１９のような段差の高低差が比較的大きい構造に対する露光機のフォーカス合わせが容易になりパターニング精度が向上する。

尚、以上説明した実施の形態１〜３の例では、Ｓｉ基板にＳＯＩ基板１５を用いる場合を示したが、エピウェハなどの他のウェハを用いて形成した裏面入射型センサであっても同様である。

本発明の実施の形態１による裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの素子平面図である。 図１に示すＡ−Ａ’部における、裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの素子断面図である。 図１に示す裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの駆動方法を説明するためのポテンシャル図である。 本発明の実施の形態２による裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの素子平面図である。 図４に示す裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの駆動方法について説明するためのポテンシャル図である。 本発明の実施の形態３による裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの素子平面図である。 図６に示すＢ−Ｂ’部における、裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの素子断面図である。 図６に示す裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの製造方法を説明する図である。 図１に示す裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの駆動方法を説明するためのフローチャートである。 図４に示す裏面入射型ＴＤＩ−ＣＣＤの駆動方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ ＴＤＩ画素、 ３ 垂直ＣＣＤ、 ５ 水平ＣＣＤ、 ６ 蓄積部、
７ 蓄積制御ゲート、 ８ リセットゲート、 １２ バルクＳｉ、
１２ａ 裏面、 １６ 転送チャネル、 １７ ゲート電極、 １９ 光入射領域、
１９ｃ 遮光領域、 ２２ 信号電荷、 ２３ ノイズ電荷、 ２４ 垂直ＣＣＤ、
２５ オーバーフロー部、 ２７ 遮光膜、
５０ 受光部、 ６０、６１ 高速転送部、 ７０ 水平転送部、 ８０ 駆動部、
１０１〜１０３ 裏面入射型リニアイメージセンサ。

Claims (7)

1. 表面に電荷転送素子が列状に複数配列された半導体基板における裏面側に形成した光入射領域から入射した光により上記電荷転送素子に発生した信号電荷を送出する裏面入射型のＴＤＩ処理を実施するリニアイメージセンサであって、
   上記光入射領域に対向して上記半導体基板の表面に沿って第１方向に配列された第一の電荷転送素子を有し、発生した上記信号電荷を上記第１方向に転送する受光部と、
   上記裏面側において上記光入射領域以外の遮光領域に対向して上記表面に沿って第２方向に配列された第二の電荷転送素子を有し、上記信号電荷を第２方向に転送する水平転送部と、
   上記表面に沿って上記受光部と上記水平転送部との間であり上記光入射領域と上記遮光領域との境界部にて上記第１方向に配列された第三の電荷転送素子を有し、ここで該第三の電荷転送素子は、上記受光部から供給される上記信号電荷を上記第１方向に転送しかつ光入射領域から入射した光が上記第三の電荷転送素子に入射してノイズ電荷を生成する、高速転送部と、
   上記受光部に対して電荷転送を行わず上記高速転送部に対して電荷転送を行わせ、上記ノイズ電荷のみを排出させかつ上記受光部から転送された信号電荷を上記水平転送部へ転送させる高速転送動作制御を行う駆動部と、
   を備えたことを特徴とする裏面入射型リニアイメージセンサ。
2. 上記ノイズ電荷の排出を行う部分であり、上記遮光領域に対向して上記表面に沿って上記高速転送部と上記水平転送部との間に配置され、上記駆動部の上記高速転送動作制御により上記高速転送部から転送される上記ノイズ電荷を蓄積して排出しかつ上記受光部から転送された信号電荷を上記水平転送部へ転送する蓄積制御部をさらに備えた、請求項１記載の裏面入射型リニアイメージセンサ。
3. 上記高速転送部は、当該高速転送部に備わるそれぞれの上記第三の電荷転送素子に配置され当該第三の電荷転送素子で生成した上記ノイズ電荷の排出を行うオーバーフロー部を備え、上記駆動部は、一撮像周期の終了後に上記オーバーフロー部に対して上記ノイズ電荷の排出を行わせる、請求項１記載の裏面入射型リニアイメージセンサ。
4. 上記光入射領域は、上記半導体基板の上記裏面に形成した凹状の領域であり、当該裏面入射型リニアイメージセンサは、光が入射する開口を上記凹部の底面に有し上記裏面を覆う遮光膜をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の裏面入射型リニアイメージセンサ。
5. 請求項１又は２に記載の裏面入射型リニアイメージセンサの駆動方法であって、
   受光部及び高速転送部に配列された全ての第一の電荷転送素子及び第三の電荷転送素子に対して第１方向へ一段分のみ電荷転送を行い、上記受光部における最終段の上記第一の電荷転送素子に存在する信号電荷を上記高速転送部に転送し、
   上記信号電荷の転送後、上記受光部に対して電荷転送を停止する一方、上記高速転送部のみに対して電荷転送を行い上記高速転送部の上記第三の電荷転送素子にて生成したノイズ電荷を排出させ、
   上記ノイズ電荷の排出後、上記受光部から上記高速転送部に転送された上記信号電荷を水平転送部に転送する、
   ことを特徴とする裏面入射型リニアイメージセンサの駆動方法。
6. 請求項３に記載の裏面入射型リニアイメージセンサの駆動方法であって、
   一撮像周期の終了後、高速転送部の全ての第三の電荷転送素子に対して、生成されたノイズ電荷を排出させ、
   上記ノイズ電荷の排出後、受光部に備わる全ての第一の電荷転送素子、及び上記高速転送部に備わる全ての上記第三の電荷転送素子に対して第１方向へ一段分のみ電荷転送を行い、上記受光部における最終段の第一の電荷転送素子に存在する信号電荷を上記高速転送部に転送し、
   上記受光部に対して電荷転送を停止する一方、上記高速転送部のみに対して電荷転送を行い上記信号電荷を水平転送部に転送する、
   ことを特徴とする裏面入射型リニアイメージセンサの駆動方法。
7. 請求項１から４のいずれか１項に記載の裏面入射型リニアイメージセンサの製造方法であって、
   受光部、高速転送部、及び水平転送部を形成した半導体基板の裏面に凹状の光入射領域を形成し、ここで、上記受光部は上記光入射領域に対応して位置し、上記高速転送部は上記光入射領域と該光入射領域以外の遮光領域との境界部に位置し、
   上記光入射領域及び上記遮光領域を覆って遮光膜を形成し、
   上記光入射領域における上記遮光膜を除去して開口を形成するとき、該開口形成用マスクのアライメントは、上記受光部又は上記高速転送部における電荷転送素子のパターンに対して位置合わせを行う、
   ことを特徴とする裏面入射型リニアイメージセンサの製造方法。

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