JPH07263653A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度センサ内臓型ＣＣＤイメージセンサで長
時間の電荷蓄積を行う場合においても、ノイズの少ない
良質な画像を得ることができる固体撮像装置を提供す
る。 【構成】 厚さ約４９０μｍの高濃度に不純物がドープ
されたＰ⁺ 型半導体基板５上に、Ｐ⁺ 型半導体基板５よ
りも濃度が低い厚さ約１０μｍのＰ^- 型半導体領域６が
形成され、フレーム部１（受光面）、水平転送部２およ
び出力部３からが形成されており、このＰ⁺ 型半導体基
板５上には温度センサ４が形成されて半導体基板ＳＢを
構成している。同図（ｂ）は、同図（ａ）におけるＢ−
Ｂ´の断面図を示している。同図（ｂ）に示されるよう
に、フレーム部１と温度センサ４との間には、これらを
光学的に遮断するような遮光溝２０（溝）がＰ⁺ 型半導
体基板５に達するまで形成され、その遮光溝２０には、
不透明材料２１であるシリコン系樹脂が埋め込まれてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＣＤイメージセンサ
などの固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤイメージセンサなどの固体撮像装
置の性能を決める要素の一つとして暗電流があるが、暗
電流は温度に対する依存性があり、温度の低下にともな
って減少することが知られている。暗電流を減らすため
の手段の一つとして、ペルチェ素子などの電子冷却素子
上に固体撮像装置を配設し、冷却することによって暗電
流を減らす方法があるが、固体撮像装置を冷却する場合
には、常時一定の温度で動作させることが必要である。
そのために、温度をモニターするための温度センサが一
般的には、用いられている。このような温度センサを搭
載したＣＣＤイメージセンサは、例えば、「特開平２−
４４８７２号公報」に記載されている。このＣＣＤイメ
ージセンサは、受光フォトダイオードを遮光するオプテ
ィカル部分を有しており、受光フォトダイオードの外部
から入射する光を遮蔽してこの受光フォトダイオードを
温度の検出のみに用いることができるようにするもので
ある。

【０００３】このような温度モニターをすることができ
る固体撮像装置は、ｐｎ接合ダイオード構造をした温度
センサが同一基板上に形成されている。従って、チップ
温度を簡易的に検知することができるので、この固体撮
像装置は常時一定温度で動作させることが可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、発明者らは、
現在、製造している微弱光検出用のＣＣＤにこのような
温度センサおよび遮光膜の設置を試みた。図３〜図５は
発明者らの製造したＣＣＤイメージセンサの構造および
特性を示している。

【０００５】図３は、フル・フレーム転送型のＣＣＤイ
メージセンサの構成図である。同図（ａ）に示される如
く、フル・フレーム転送型ＣＣＤは、半導体基板上に水
平列及び垂直列を形成して配された複数の受光素子部と
垂直列に沿って配され多複数のＣＣＤ群で形成された垂
直転送部からなるフレーム部１と、このフレーム部１に
結合された水平転送部２と、水平転送部２で転送されて
きた電荷を電圧に変換して出力する出力部３と、チップ
温度を簡易的に検知するためのダイオード構造をした温
度センサ４で構成される。

【０００６】フル・フレーム転送型ＣＣＤは、撮像動作
が行われる場合には、フレーム部１および水平転送部２
にそれぞれ所定の駆動パルスを印加することによって、
電荷転送動作が行われる。その場合、１フレーム期間内
の受光によりフレーム部１で光電変換が行われて信号電
荷が発生し、発生した信号電荷は、シャッター等の閉期
間に水平転送部２に垂直転送されていく。この水平転送
部２には、信号電荷がフレーム部１の１水平列で得られ
る信号電荷ごとに順次転送され、これが水平転送部２の
電荷転送動作により、各水平ブランキング期間に水平転
送されていき、出力部３から撮像出力信号が得られる。

【０００７】また、温度センサ４は、常時一定温度でこ
の固体撮像装置を動作させるための温度モニターとして
設けられており、ｐｎ接合ダイオード構造を有してい
る。

【０００８】フレーム部１と温度センサ４およびその周
辺の構造の詳細は、図３（ｂ）に示されている。厚さ約
４９０μｍの高濃度に不純物がドープされたｐ⁺ 型半導
体基板５上に、厚さ約１０μｍの前記ｐ⁺ 型半導体基板
５よりも濃度が低い、ｐ^- 型半導体層６が形成され、さ
らにその上に各素子領域が形成されている。フレーム部
１には入射光を受けて光電変換するためのｎ^- 型半導体
領域７が形成され、その上に絶縁層８を介して転送電極
９及び１０が形成されている。そして、隣のチャンネル
・ストップ領域を挟んで、温度センサ４には温度を検知
するためのｐｎ接合ダイオードをつくるために、ｎ⁺ 型
半導体領域１２が形成され、電極を取り出すための配線
電極１３が形成されている。さらにフレーム部１以外は
入射光が入り込まないように遮光物質１４で覆われてい
る。

【０００９】図４には温度センサの回路構成を示す。図
４に示されているように、温度モニターに用いられてい
るｐｎ接合ダイオードのアノード端子は、ＳＳ端子（Ｃ
ＣＤのグランドレベル）と共通に接続されているので、
この端子は、グランド端子以外には利用できないように
なっている。もう一方のカソード端子（Tsens ）を電流
シンクに接続し、ＳＳ端子との間の電圧変化をモニター
することで、温度をラフな精度で知ることができる。こ
こで、ダイオードに一定電流を流すと、 ｄＶ／ｄＴ＝（ｑＶ−Ｅｇ）／ｑＴ …（式１） 但し、ｑ：電子の電荷量 Ｖ：印加電圧 Ｔ：測定温度 ｄＶ：電圧の変化量 ｄＴ：温度の変化量 Ｅｇ：エネルギーバンドギャップ となることを利用しており、このときｄＶ／ｄＴが約−
２〜３ｍＶ／ｄｅｇ Ｃの割合でほぼ直線的に変化して
いく。モニターの電圧は室温では約０．３〜０．６Ｖ
（Tense では負）の範囲になるように電流シンク（Ｉ
_bias）を調整することが適切である。

【００１０】図５にこの温度センサのＩ−Ｖ特性を示
す。温度センサは、温度の上昇と共に電流が増加するこ
とを利用して温度モニターすることができる。

【００１１】ダイオードで温度をモニターする場合、電
流の大きな領域で動作させると、 ダイオードで流れる電流により、ＣＣＤのチップを部
分的に熱してしまう。

【００１２】ダイオードの直列抵抗の影響が現れる。

【００１３】温度係数（１度当たりの変化量）が小さ
くなり、検出が難しくなる。

【００１４】などの問題が生じる。そこで、係る温度セ
ンサは図５に示した矢印の範囲内（電流値１００ｐＡか
ら１０μＡ）で動作させることが望ましい。

【００１５】しかしながら、このような電流値の範囲内
で動作させた場合においても、本願発明者らの製造する
微弱光検出用のＣＣＤイメージセンサでは、撮像により
得られる映像信号に大きなノイズ成分が観測された。す
なわち、微弱光検出用のＣＣＤイメージセンサでは撮像
時の電荷蓄積時間が長く、検出感度も高くなるように製
造しているので、このような温度センサの設置によって
このＣＣＤイメージセンサが大きく影響を受けるている
と考えられる。

【００１６】この悪影響の原因は、温度センサにｐｎ接
合ダイオードを用いていることにあると考えられる。す
なわち、このダイオードに順方向電圧を印加した場合に
注入される少数キャリアの発光再結合によって、このダ
イオードが発光ダイオードとして機能していると考えら
れる。換言すれば、一般に製造されているＣＣＤは、電
荷蓄積時間が１／３０秒と短かったため、温度センサの
発光は微弱光であるため問題は生じなかったが、微弱光
検出用の計測用ＣＣＤイメージセンサでは、その受光領
域において長時間（天体観測ではピクセルあたり数秒か
ら２時間程度に及ぶ）の電荷蓄積を要し、同一半導体基
板上に形成されている温度センサが発光すると、固体撮
像装置が高感度であるために、その発光が固体撮像装置
のフレーム部に混入して、画像を劣化させる原因となる
と考えられる。特に、温度センサを数μＡの動作範囲で
使用した場合、温度センサの発光により、電荷蓄積時間
が数十秒で画像が劣化してしまうことが確認された。

【００１７】本発明は、発明者らの製品開発の過程にお
いて発生した上記問題に鑑みてなされたものであり、温
度センサを用いてその温度を測定することができるとと
もに、微弱光を測定するために比較的長時間の撮像を行
う場合においても良質な画像を得ることができる固体撮
像装置を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明は、入射した光を光電変換する受光面を半導
体基板上に有する固体撮像装置（ＣＣＤイメージセンサ
やＭＯＳ型イメージセンサ等）において、この半導体基
板が、この半導体基板に形成された半導体温度センサ
と、受光面と半導体温度センサとの間であって、半導体
基板上に形成された溝とを具備することとした。

【００１９】

【作用】本発明によれば、半導体温度センサは、例え
ば、フォトダイオードやフォトトランジスタなどのデバ
イスで構成される。これらのデバイスは順方向電圧を印
加することにより、その電流の温度依存性から係る固体
撮像装置の温度を検知することができる。そして、半導
体基板には、受光面と半導体センサとの間に溝が設けら
れているので、半導体温度センサが注入される少数キャ
リアの発光再結合によって発光した場合においても、こ
の発光や発光により生じたキャリアが受光面に導入され
ない。しかしながら、このような溝の幅が十分に狭い場
合には、遮光の効果が減少するので、この半導体基板
は、溝に埋め込まれた不透明材料をさらに備えているこ
ととして、この不透明材料は温度センサからの発光を確
実に遮光することとした。そして、このような不透明材
料としては、シリコン系樹脂を含むことが有効である。
ここで、シリコン系樹脂を選ぶのは、以下の理由によ
る。

【００２０】実際に本発明の固体撮像装置を使用する場
合は、非常に高い検出限界が要求されるため、低温に冷
却して使用する。つまり、半導体基板が温度昇降を生じ
るので、熱変化に耐え得るシリコン系樹脂が望ましい。
また、固体撮像装置製造時の作業性の面から考えるとエ
ポキシ系樹脂に比べて比較的粘度が低いシリコン系樹脂
の方が、遮光溝に流し込むときに、溝に空気が入り込ん
で樹脂が浮いた状態になる危険性が少ないなどの利点が
ある。

【００２１】また、この溝の深さは、半導体基板が第１
不純物濃度の高濃度半導体基板と、この高濃度半導体基
板上に形成され第１不純物濃度よりも低い第２不純物濃
度を有する低濃度半導体基板とを備え、半導体温度セン
サが低濃度半導体基板に形成されている場合には、低濃
度半導体基板の厚み以上であれば、温度センサからの発
光により生じたキャリアは高濃度半導体基板を伝搬する
場合には、伝搬するキャリアと相補的なキャリアにより
容易に消滅し、低濃度半導体基板を伝搬する場合には必
ずこの溝にあたることとなるので、受光面への発光およ
びこの発光に起因するキャリアの入射をさらに確実に防
止することができる。

【００２２】また、このような固体撮像装置としてＣＣ
Ｄイメージセンサを用いる場合、チップ温度を簡易的に
モニターすることができるように設けられた温度センサ
が、その周辺に形成されているチャンネル・ストップ領
域に、幅１５０μｍ、深さ１５μｍぐらいの（遮光）溝
を形成するとともに、その溝に不透明材料であるシリコ
ン系樹脂を埋め込むように構成することが望ましい。こ
のように構成されることにより、ｐｎ接合ダイオード構
造をした温度センサに順方向電圧を印加した場合、注入
される少数キャリアの発光再結合によって温度センサが
発光ダイオードとして機能しても、溝に埋め込まれた不
透明材料によって、固体撮像装置のフレーム部に入射す
ることはない。従って、測定領域が微弱光領域で長時間
の電荷蓄積を要する場合でも、温度センサからの発光が
不要電荷として混入することはないので、良質な画像を
得ることができる。

【００２３】

【実施例】まず、本発明に係わる固体撮像装置の第１実
施例について説明する。

【００２４】図１は、本発明に係わる固体撮像装置を温
度センサ内蔵型のフル・フレーム転送型ＣＣＤとした場
合の概略構成図である。本実施例においては、例えば厚
さ約４９０μｍの高濃度（第１不純物濃度）に不純物が
ドープされたＰ⁺ 型半導体基板（高濃度半導体基板）５
上に、Ｐ⁺ 型半導体基板５よりも濃度が低い（第２不純
物濃度の）厚さ約１０μｍのＰ^- 型半導体領域（低濃度
半導体基板）６が形成され、さらにその上に図３に示し
たＣＣＤと同様にフレーム部１（受光面）、水平転送部
２および出力部３からが形成されており、このＰ⁺ 型半
導体基板５上には温度センサ４が形成されて半導体基板
ＳＢを構成している。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけ
るＢ−Ｂ´の断面図を示している。同図（ｂ）に示され
るように、フレーム部１と温度センサ４との間には、こ
れらを光学的に遮断するような遮光溝２０（溝）がＰ⁺
型半導体基板５に達するまで形成され、その遮光溝２０
には、不透明材料２１であるシリコン系樹脂が埋め込ま
れている。

【００２５】なお、遮光溝２０および不透明材料２１以
外の部分の構成および撮像時の動作は、図３に示した通
常のＣＣＤの動作と同一であり、転送電極９、１０に駆
動パルスを印加することにより、フレーム部１への光の
入射により発生した信号電荷を転送する構成としてあ
る。ここで、遮光溝２０は、フレーム部１と温度センサ
４との間のチャンネル・ストップ領域１１に、方向性エ
ッチングを用いてＰ⁺ 型半導体基板５に達するまで、幅
１５０μｍ、深さ１５μｍ程度に掘られて形成されてい
る。また、同図（ａ）から明らかなように、遮光溝２０
は、半導体基板ＳＢ上の温度センサ４を囲むように穿設
されている。温度センサ４は、ｎ⁺ 型半導体層１２とｐ
^- 型半導体層６とで構成されるフォトダイオードであ
り、このようなＣＣＤにおいては、温度センサ４に順方
向電圧を印加することにより発生した光によってキャリ
アが生じる。このキャリアは、主として温度センサ４の
周囲のＰ^- 型半導体領域６で発生するが、発生したキャ
リアは、Ｐ⁺ 型半導体基板５およびＰ^- 型半導体領域６
中を拡散して固体撮像装置（ＣＣＤ）のフレーム部１に
入り込む。その中でもＰ⁺ 型半導体基板５へ入り込んだ
キャリアは、Ｐ⁺ 型半導体基板５が高濃度であるために
再結合して消滅してしまう。よって、Ｐ⁺ 型半導体基板
５がＰ^- 型半導体領域６を備え、このＰ^- 型半導体領域
６上にフレーム部１と温度センサ４を形成する場合に
は、遮光溝２０の深さは、Ｐ⁺ 型半導体基板５に達する
くらいまでの深さ（１５μｍぐらい）まで掘れば良い。
また、遮光溝２０は、Ｐ^- 型半導体領域６の表面を酸化
した後に不透明材料２１であるシリコン系樹脂で埋めら
れる。

【００２６】ここで、シリコン系樹脂を選ぶのは、以下
の理由による。実際に、本発明の固体撮像装置を使用す
る場合は、非常に高い検出限界が要求されるため、低温
に冷却して使用する。つまり、Ｐ⁺ 型半導体基板５が温
度昇降を生じるので、熱変化に耐え得るシリコン系樹脂
が望ましい。また、作業性の面から考えると、エポキシ
系樹脂に比べて比較的粘度が低いシリコン系樹脂の方
が、遮光溝に流し込むときに、溝に空気が入り込んで樹
脂が浮いた状態になる危険性が少ないなどの利点があ
る。また、遮光溝２０は、同じ導電型のＰ型半導体領域
に対して縦方向に掘られているので遮光溝２０を掘るこ
とによってデバイスへ与える影響はないといえる。

【００２７】以上のように温度センサ４の周辺に遮光溝
２０を形成し、その遮光溝２０に不透明材料２１である
シリコン系樹脂を埋め込めば、温度センサ４に順方向電
圧を印加した場合、注入される少数キャリアの発光再結
合によって温度センサ４が発光ダイオードとして機能し
ても、温度センサ４からの発光やこの発光により生じた
キャリアは、遮光溝２０およびこの遮光溝２０に埋めら
れた不透明材料２１であるシリコン系樹脂によって、フ
レーム部１に入射することはない。従って、測定領域が
微弱光領域で長時間の電荷蓄積を要する場合でも、温度
センサの発光による影響を抑え、画像の劣化を防ぐこと
ができる。

【００２８】次に、本発明に係わる固体撮像装置の第２
実施例について説明する。

【００２９】本実施例は、遮光溝２０をエッチングによ
る穿設によって形成するのではなく、ダイシングにより
形成したものである。ダイシングは１枚のウエハに形成
された多数のチッブを切断する工程として用いられてい
る。図２（ａ）は本発明に係わる固体撮像装置の第２実
施例を示す概略構成図である。ダイシングで遮光溝２０
を掘る場合は、第１実施例のように温度センサ４を囲む
ように遮光溝２０を形成することは困難である。従っ
て、遮光溝２０を穿設する領域は、長さ方向としては同
図（ａ）に示すように、ボンディングパッド２２と温度
センサ４の間をチップの端から端まで掘り、幅および深
さ方向は同図（ｂ）に示すように、幅１００μｍ、深さ
１５μｍぐらいに掘るようにする。

【００３０】本実施例の特徴としては、温度センサ４を
ボンディングパッド２２の外側に配置してあるところで
ある。これは、ダイシングで遮光溝２０を掘る場合、先
に述べたように、ＣＣＤの長さ方向にチップの端から端
まで掘るため、ボンディングパッド２２が遮光溝２０よ
り内側にないとボンディングパッド２２に接続される配
線の影響で遮光溝２０を掘ることができないからであ
る。

【００３１】以上のように、ボンディングパッド２２と
温度センサ４の間に遮光溝２０をダイシングによって形
成すれば、エッチング以外の方法でも遮光溝２０を形成
することができる。なお、本発明に係わる固体撮像装置
は、その半導体の種類及び各部分や半導体領域の導電形
が上述の例に限られたものではない。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係わる固体撮像装置によれば、ｐｎ接合ダイオード構
造を有する温度センサが発光ダイオードとして機能して
も、温度センサからの発光は、溝やこの溝に埋め込まれ
た不透明材料によって、固体撮像装置の受光面に入射す
ることが防止されるので、この受光面で微弱光を受光す
る場合に長時間の電荷蓄積を行っても、常に、ノイズの
少ない良質な画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる固体撮像装置を温度センサ内蔵
型フル・フレーム転送型ＣＣＤとした場合の概略構成図
（同図（ａ））および同図（ａ）の線分Ｂ−Ｂ´におけ
る断面図（同図（ｂ））である。

【図２】本発明に係わる固体撮像装置の第２実施例を示
す概略構成図（同図（ａ））および同図（ａ）の線分Ｃ
−Ｃ´における断面図（同図（ｂ））である。

【図３】温度センサ内蔵型フル・フレーム転送型ＣＣＤ
の概略構成図（同図（ａ））および同図（ａ）の線分Ａ
−Ａ´における断面図（同図（ｂ））である。

【図４】温度センサの回路構成図である。

【図５】温度センサのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１…フレーム部、２…水平転送部、３…出力部、４…温
度センサ、５…ｐ⁺ 型半導体基板、６…ｐ^- 型半導体
層、７…ｎ^- 型半導体領域、８…絶縁層、９，１０…転
送電極、１１…チャンネル・ストップ領域、１２…ｎ⁺
型半導体層、１３…配線電極、１４…遮光物質、２０…
遮光溝、２１…不透明材料、２２…ボンディングパッ
ド、ＳＢ…半導体基板。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射した光を光電変換する受光面を半導
   体基板上に有する固体撮像装置において、 前記半導体基板は、 この半導体基板に形成された半導体温度センサと、 前記受光面と前記半導体温度センサとの間であって、前
   記半導体基板上に形成された溝と、を備えることを特徴
   とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記半導体基板は、前記溝に埋め込まれ
   た不透明材料をさらに備えていることを特徴とする請求
   項１に記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記不透明材料は、シリコン系樹脂を含
   むことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 前記半導体基板は、 第１不純物濃度の高濃度半導体基板と、 この高濃度半導体基板上に形成され、前記第１不純物濃
   度よりも低い第２不純物濃度を有する低濃度半導体基板
   と、を備え、 前記半導体温度センサは、前記低濃度半導体基板に形成
   され、 前記溝の深さは、前記低濃度半導体基板の厚み以上であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。