JP2697246B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
固体撮像素子Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/148—Charge coupled imagers
- H01L27/14825—Linear CCD imagers
-
- H—ELECTRICITY
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- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
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- H01L27/148—Charge coupled imagers
- H01L27/14831—Area CCD imagers
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、固体撮像素子に関し、特に、CCDを用いた
固体撮像素子に関する。
固体撮像素子に関する。
［従来の技術］ CCDを用いた固体ラインセンサは、カメラの自動焦点
機構のイメージセンサや、ファクシミリのイメージセン
サとして広く利用されている。
機構のイメージセンサや、ファクシミリのイメージセン
サとして広く利用されている。
第４図（ａ）は、受光素子としてpn接合型フォトダイ
オードを、信号電荷転送手段として２相駆動型CCDを用
いた従来の固体撮像素子の部分平面図であり、第４図
（ｂ）は、そのＣ−Ｃ線断面図である。第４図（ａ）、
（ｂ）において、1a、1bは列状に配置された受光素子、
2aは受光素子に蓄積された信号電荷のCCDへの転送をコ
ントロールする移送ゲート、3a、3bは駆動パルスφ１が
印加される転送電極、4a、4bは駆動パルスφ２が印加さ
れる転送電極、５はｐ型基板、６はｎ型拡散層である光
電変換領域、７は転送電極3a、3b;4a、4bとともにCCDを
構成する、ｎ型拡散層からなる電荷転送領域、８は光電
変換領域上に形成されたｐ型拡散層、９は光電変換領域
間および光電変換領域−電荷転送領域間を分離するｐ型
チャネルストッパ、11は受光部以外の領域を遮光する光
シールド、12は絶縁層である。
オードを、信号電荷転送手段として２相駆動型CCDを用
いた従来の固体撮像素子の部分平面図であり、第４図
（ｂ）は、そのＣ−Ｃ線断面図である。第４図（ａ）、
（ｂ）において、1a、1bは列状に配置された受光素子、
2aは受光素子に蓄積された信号電荷のCCDへの転送をコ
ントロールする移送ゲート、3a、3bは駆動パルスφ１が
印加される転送電極、4a、4bは駆動パルスφ２が印加さ
れる転送電極、５はｐ型基板、６はｎ型拡散層である光
電変換領域、７は転送電極3a、3b;4a、4bとともにCCDを
構成する、ｎ型拡散層からなる電荷転送領域、８は光電
変換領域上に形成されたｐ型拡散層、９は光電変換領域
間および光電変換領域−電荷転送領域間を分離するｐ型
チャネルストッパ、11は受光部以外の領域を遮光する光
シールド、12は絶縁層である。
受光素子1a、1bに入射した光は、そのフォトダイオー
ド内で光電変換され、発生した電子は光電変換領域６内
に蓄積される。この蓄積された電子は、移送ゲート2aに
高電位を印加することにより、電荷転送領域７へ読み出
される。電荷転送領域へ移された電子は転送電極に２相
の駆動パルスφ１、φ２を印加することにより順次出力
回路へ向けて転送される。
ド内で光電変換され、発生した電子は光電変換領域６内
に蓄積される。この蓄積された電子は、移送ゲート2aに
高電位を印加することにより、電荷転送領域７へ読み出
される。電荷転送領域へ移された電子は転送電極に２相
の駆動パルスφ１、φ２を印加することにより順次出力
回路へ向けて転送される。
［発明が解決しようとする課題］ 上述の従来の固体撮像素子においては、第４図（ｂ）
に示す光電変換領域と移送ゲート２とのオーバーラップ
部10の面積が広いため、以下に述べる欠点が存在してい
た。
に示す光電変換領域と移送ゲート２とのオーバーラップ
部10の面積が広いため、以下に述べる欠点が存在してい
た。
第４図（ｂ）の断面でのポテンシャル図である第４図
（ｃ）に示されるように、光電変換領域６と移送ゲート
2aとのオーバーラップ部10にポテンシャルの窪みが生
じ、そこに電荷が残留電荷13として蓄積されるため、光
電変換により発生した電子が完全には電荷転送領域７へ
は移動しない。残留電荷13は移送ゲート2aに高電位を印
加している期間非常に長い時定数でゆっくり転送電極3a
下に放出される。このような状態では光入射がなく、光
電変換による発生電子が存在しなくても移送ゲートを高
電位にすることにより残留電荷13が放出されることとな
り、いわゆる残像が発生する。
（ｃ）に示されるように、光電変換領域６と移送ゲート
2aとのオーバーラップ部10にポテンシャルの窪みが生
じ、そこに電荷が残留電荷13として蓄積されるため、光
電変換により発生した電子が完全には電荷転送領域７へ
は移動しない。残留電荷13は移送ゲート2aに高電位を印
加している期間非常に長い時定数でゆっくり転送電極3a
下に放出される。このような状態では光入射がなく、光
電変換による発生電子が存在しなくても移送ゲートを高
電位にすることにより残留電荷13が放出されることとな
り、いわゆる残像が発生する。
この残留電荷13は、第４図（ｂ）に示すオーバーラッ
プ部10のオーバーラップ長Ｌ、オーバーラップ幅Ｗをマ
スクルールの許すかぎり小さくするという設計技術であ
る程度の低減は可能であるが、まだ十分な特性のものを
得るには至ってはおらず、逆にＬ、Ｗを小さくしすぎる
と弊害が発生し、現実問題としてはＬ、Ｗはあまり小さ
くはできない。以下、その弊害について説明する。
プ部10のオーバーラップ長Ｌ、オーバーラップ幅Ｗをマ
スクルールの許すかぎり小さくするという設計技術であ
る程度の低減は可能であるが、まだ十分な特性のものを
得るには至ってはおらず、逆にＬ、Ｗを小さくしすぎる
と弊害が発生し、現実問題としてはＬ、Ｗはあまり小さ
くはできない。以下、その弊害について説明する。
第５図（ａ）は、オーバーラップ部10のオーバーラッ
プ長Ｌを短かくした場合の光電変換領域と移送ゲート部
周辺の平面図であり、第５図（ｂ）は、そのＤ−Ｄ線断
面図である。また、第５図（ｃ）は、第５図（ｂ）の断
面におけるポテンシャル図である。
プ長Ｌを短かくした場合の光電変換領域と移送ゲート部
周辺の平面図であり、第５図（ｂ）は、そのＤ−Ｄ線断
面図である。また、第５図（ｃ）は、第５図（ｂ）の断
面におけるポテンシャル図である。
第５図（ｃ）に示されるように、オーバーラップ長Ｌ
が短かい場合には、ｐ型拡散層８とｐ型基板５にはさま
れた光電変換領域６の高さLdよりも、オーバーラップ長
Ｌが短かくなるため、ｐ型拡散層８とｐ型基板５の両者
からの空乏層の広がりにより、オーバーラップ部近辺の
ポテンシャルは光電変換領域の他の部分のポテンシャル
よりも浅くなる。そのため、ここにポテンシャルバリア
が形成され、光電変換領域に残留電荷が蓄積されること
となり、残像はかえって増加してしまう。
が短かい場合には、ｐ型拡散層８とｐ型基板５にはさま
れた光電変換領域６の高さLdよりも、オーバーラップ長
Ｌが短かくなるため、ｐ型拡散層８とｐ型基板５の両者
からの空乏層の広がりにより、オーバーラップ部近辺の
ポテンシャルは光電変換領域の他の部分のポテンシャル
よりも浅くなる。そのため、ここにポテンシャルバリア
が形成され、光電変換領域に残留電荷が蓄積されること
となり、残像はかえって増加してしまう。
第６図（ａ）は、オーバーラップ部10のオーバーラッ
プ幅Ｗを短かくした場合の光電変換領域と移送ゲート部
周辺の平面図である。第６図（ｂ）は、第６図（ａ）の
Ｅ−Ｅ線断面図であり、第６図（ｃ）は、第６図（ｂ）
の断面におけるポテンシャル図である。
プ幅Ｗを短かくした場合の光電変換領域と移送ゲート部
周辺の平面図である。第６図（ｂ）は、第６図（ａ）の
Ｅ−Ｅ線断面図であり、第６図（ｃ）は、第６図（ｂ）
の断面におけるポテンシャル図である。
第６図（ａ）に示されるように、オーバーラップ幅を
短かくすることは、この部分でのチャネルストッパ間の
間隔を狭くすることを意味する。この狭くなされた区画
Ａにおいては、単位時間にその区間を通過しうる電子数
は制限され、かつここでの光電変換領域の長いチャネル
部分を電子は拡散によって移動しなければならないの
で、移送ゲートが高電位となっている期間内に光電変換
領域内のすべての信号電荷を転送しきることのできない
事態に至る。
短かくすることは、この部分でのチャネルストッパ間の
間隔を狭くすることを意味する。この狭くなされた区画
Ａにおいては、単位時間にその区間を通過しうる電子数
は制限され、かつここでの光電変換領域の長いチャネル
部分を電子は拡散によって移動しなければならないの
で、移送ゲートが高電位となっている期間内に光電変換
領域内のすべての信号電荷を転送しきることのできない
事態に至る。
第７図は、以上の素子の動作情況を示すグラフであ
る。同図において、実線はオーバーラップ部のチャネル
幅Ｗが５μｍの場合であるが、この場合には、移送ゲー
トオン時間TONが１μｓ以下になると残像量は急増して
いる。これは、チャネル幅Ｗが狭い部分での電子の移動
が制限を受けるためである。一方、破線はオーバーラッ
プ部のチャネル幅Ｗが10μｍの場合であって、この場合
にはチャネル幅による電子の移動には制限がかからず、
オン時間TONが短かい場合でもオン時間TONによる残像の
急増は置きないが、チャネル幅Ｗが広いため、オーバー
ラップ面積が大きくなり、TONが長い場合でも残像の絶
対値は大きなものとなってしまう。
る。同図において、実線はオーバーラップ部のチャネル
幅Ｗが５μｍの場合であるが、この場合には、移送ゲー
トオン時間TONが１μｓ以下になると残像量は急増して
いる。これは、チャネル幅Ｗが狭い部分での電子の移動
が制限を受けるためである。一方、破線はオーバーラッ
プ部のチャネル幅Ｗが10μｍの場合であって、この場合
にはチャネル幅による電子の移動には制限がかからず、
オン時間TONが短かい場合でもオン時間TONによる残像の
急増は置きないが、チャネル幅Ｗが広いため、オーバー
ラップ面積が大きくなり、TONが長い場合でも残像の絶
対値は大きなものとなってしまう。
以上要約すると、従来の技術では残像を減らそうとオ
ーバーラップ幅を狭くすると、電荷の単位時間当たりの
移動量が減少して移送ゲートのオン時間による残像量の
依存性が強まり、また、オーバーラップ長を短かくする
と、オーバーラップ領域でのポテンシャルバリアの発生
による残像の急増が起きる。従って、従来技術ではオー
バーラップ領域の幅と長さは残像量および移送ゲートの
オン時間に関してある程度の妥協が必要であった。
ーバーラップ幅を狭くすると、電荷の単位時間当たりの
移動量が減少して移送ゲートのオン時間による残像量の
依存性が強まり、また、オーバーラップ長を短かくする
と、オーバーラップ領域でのポテンシャルバリアの発生
による残像の急増が起きる。従って、従来技術ではオー
バーラップ領域の幅と長さは残像量および移送ゲートの
オン時間に関してある程度の妥協が必要であった。
［課題を解決するための手段］ 本発明の固体撮像素子は、第１導電型の半導体領域内
に形成された第２導電型の複数の光電変換領域と、前記
光電変換領域から該領域に蓄積されている光電変換電荷
の転送を受けこれを出力側へ転送する、前記半導体領域
内に形成された第２導電型の電荷転送領域と、前記光電
変換領域と前記電荷転送領域との間の前記半導体領域の
表面に設けられた電荷読み出し部と、前記電荷読み出し
部に設けられた移送ゲートとを具備するものであって、
前記移送ゲートは前記光電変換領域にオーバーラップし
て設けられており、前記電荷読み出し部におけるチャネ
ル幅が前記電荷転送領域に隣接する部分より前記光電変
換領域に隣接する部分の方が狭くなされ、かつ、前記移
送ゲートが前記光電変換領域とオーバーラップした部分
ではチャネル幅がさらに狭くなるように前記移送ゲート
の幅が先端部に向かって狭められていることを特徴とす
るものである。
に形成された第２導電型の複数の光電変換領域と、前記
光電変換領域から該領域に蓄積されている光電変換電荷
の転送を受けこれを出力側へ転送する、前記半導体領域
内に形成された第２導電型の電荷転送領域と、前記光電
変換領域と前記電荷転送領域との間の前記半導体領域の
表面に設けられた電荷読み出し部と、前記電荷読み出し
部に設けられた移送ゲートとを具備するものであって、
前記移送ゲートは前記光電変換領域にオーバーラップし
て設けられており、前記電荷読み出し部におけるチャネ
ル幅が前記電荷転送領域に隣接する部分より前記光電変
換領域に隣接する部分の方が狭くなされ、かつ、前記移
送ゲートが前記光電変換領域とオーバーラップした部分
ではチャネル幅がさらに狭くなるように前記移送ゲート
の幅が先端部に向かって狭められていることを特徴とす
るものである。
［実施例］ 次に、本発明の実施例について、図面を参照して説明
する。
する。
第１図（ａ）は、本発明の一実施例を示す平面図、第
１図（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図、第１図（ｃ）は、
第１図（ｂ）の断面に対応したポテンシャル図である。
本実施例が、第４図の従来例と異なっている点は、光電
変換領域６と光電変換された信号電荷を光電変換領域か
ら電荷転送領域へ読み出す移送ゲート２とのオーバーラ
ップしている部分の移送ゲート幅W1と、ｐ型チャネルス
トッパ９により規定される移送ゲート幅W2とが異なり、
電荷の転送方向に向けて実効的チャネル幅Ｗが漸次広が
っていることである。このようにチャネル幅Ｗが異なる
と同一ゲート電圧を加えてもそのゲート下に形成される
チャネル電位は異なったものになる。この現象は一般に
ナローチャネル効果として知られている。
１図（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図、第１図（ｃ）は、
第１図（ｂ）の断面に対応したポテンシャル図である。
本実施例が、第４図の従来例と異なっている点は、光電
変換領域６と光電変換された信号電荷を光電変換領域か
ら電荷転送領域へ読み出す移送ゲート２とのオーバーラ
ップしている部分の移送ゲート幅W1と、ｐ型チャネルス
トッパ９により規定される移送ゲート幅W2とが異なり、
電荷の転送方向に向けて実効的チャネル幅Ｗが漸次広が
っていることである。このようにチャネル幅Ｗが異なる
と同一ゲート電圧を加えてもそのゲート下に形成される
チャネル電位は異なったものになる。この現象は一般に
ナローチャネル効果として知られている。
このナローチャネル効果によると、具体的には第２図
の特性図に示すように、チャネル幅Ｗが10μｍと３μｍ
とでは同一移送ゲート電圧、φTG＝5Vにおいて、1.5Vの
ポテンシャル差が生じる。従って、第１図におけるチャ
ネル幅を、W1＝３μｍ、W2＝10μｍとすると、移送ゲー
ト下において、そのチャネルポテンシャルは光電変換領
域近辺と電荷転送領域近辺とで1.5Vの差が存在すること
になる。
の特性図に示すように、チャネル幅Ｗが10μｍと３μｍ
とでは同一移送ゲート電圧、φTG＝5Vにおいて、1.5Vの
ポテンシャル差が生じる。従って、第１図におけるチャ
ネル幅を、W1＝３μｍ、W2＝10μｍとすると、移送ゲー
ト下において、そのチャネルポテンシャルは光電変換領
域近辺と電荷転送領域近辺とで1.5Vの差が存在すること
になる。
このポテンシャル差の存在によって、第１図（ｃ）の
ポテンシャル図に示されるように、オーバーラップ部10
およびオーバーラップ部と接する移送ゲート下におい
て、光電変換領域６より電荷転送領域方向への電荷加速
電界が形成され、信号電荷の移送速度が、大幅に向上す
る。従って、光電変換領域６と移送ゲート２とのオーバ
ーラップ部が狭くても、信号電荷は速やかに転送され、
残留電荷は大幅に減少する。
ポテンシャル図に示されるように、オーバーラップ部10
およびオーバーラップ部と接する移送ゲート下におい
て、光電変換領域６より電荷転送領域方向への電荷加速
電界が形成され、信号電荷の移送速度が、大幅に向上す
る。従って、光電変換領域６と移送ゲート２とのオーバ
ーラップ部が狭くても、信号電荷は速やかに転送され、
残留電荷は大幅に減少する。
第３図（ａ）は、本発明の他の実施例を示す平面図、
第３図（ｂ）は、そのＢ−Ｂ線断面図、第３図（ｃ）
は、第３図（ｂ）の断面におけるポテンシャル図であ
る。この実施例の先の実施例と異なる点は、光電変換領
域部から移送ゲート２下のチャネル幅が広がりつつある
領域の途中までの基板表面に、イオン注入法によりｐ型
注入層14を形成していることである。
第３図（ｂ）は、そのＢ−Ｂ線断面図、第３図（ｃ）
は、第３図（ｂ）の断面におけるポテンシャル図であ
る。この実施例の先の実施例と異なる点は、光電変換領
域部から移送ゲート２下のチャネル幅が広がりつつある
領域の途中までの基板表面に、イオン注入法によりｐ型
注入層14を形成していることである。
このようにチャネル幅が広がっている領域の途中まで
ｐ型注入層14を形成することにより、第３図（ｃ）に示
されるように、電荷読み出し部内の電界をより強いもの
とすることが可能となり、この部分での信号電荷の転送
速度をより高めることができる。
ｐ型注入層14を形成することにより、第３図（ｃ）に示
されるように、電荷読み出し部内の電界をより強いもの
とすることが可能となり、この部分での信号電荷の転送
速度をより高めることができる。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は、光電変換領域と電荷
転送領域との間の電荷読み出し部においてナローチャネ
ル効果により信号電荷に対する加速電界が形成されるよ
うにしたものであるので、本発明によれば、光電変換領
域と移送ゲートとのオーバーラップ面積を縮小しても光
電変換領域からの信号電荷の読み出しを速やかに行うこ
とができ、残像を低減せしめることができる。
転送領域との間の電荷読み出し部においてナローチャネ
ル効果により信号電荷に対する加速電界が形成されるよ
うにしたものであるので、本発明によれば、光電変換領
域と移送ゲートとのオーバーラップ面積を縮小しても光
電変換領域からの信号電荷の読み出しを速やかに行うこ
とができ、残像を低減せしめることができる。
第１図（ａ）は、本発明の一実施例を示す平面図、第１
図（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図、第１図（ｃ）は、第
１図（ｂ）の断面におけるポテンシャル図、第２図は、
第１図の実施例の動作説明図、第３図（ａ）は、本発明
の他の実施例を示す平面図、第３図（ｂ）は、そのＢ−
Ｂ線断面図、第３図（ｃ）は、第３図（ｂ）の断面にお
けるポテンシャル図、第４図（ａ）は、従来例を示す平
面図、第４図（ｂ）は、そのＣ−Ｃ線断面図、第４図
（ｃ）は、第４図（ｂ）の断面におけるポテンシャル
図、第５図（ａ）〜（ｃ）、第６図（ａ）〜（ｃ）およ
び第７図は、従来例の問題点を説明するための図面であ
る。 1a、1b……受光素子、２、2a……移送ゲート、3a、3b、
4a、4b……転送電極、５……ｐ型基板、６……ｎ型拡散
層である光電変換領域、７……ｎ型拡散層である電荷転
送領域、８……ｐ型拡散層、９……ｐ型チャネルストッ
パ、10……オーバーラップ部、11……光シールド、12…
…絶縁層、13……残留電荷、14……ｐ型注入層。
図（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図、第１図（ｃ）は、第
１図（ｂ）の断面におけるポテンシャル図、第２図は、
第１図の実施例の動作説明図、第３図（ａ）は、本発明
の他の実施例を示す平面図、第３図（ｂ）は、そのＢ−
Ｂ線断面図、第３図（ｃ）は、第３図（ｂ）の断面にお
けるポテンシャル図、第４図（ａ）は、従来例を示す平
面図、第４図（ｂ）は、そのＣ−Ｃ線断面図、第４図
（ｃ）は、第４図（ｂ）の断面におけるポテンシャル
図、第５図（ａ）〜（ｃ）、第６図（ａ）〜（ｃ）およ
び第７図は、従来例の問題点を説明するための図面であ
る。 1a、1b……受光素子、２、2a……移送ゲート、3a、3b、
4a、4b……転送電極、５……ｐ型基板、６……ｎ型拡散
層である光電変換領域、７……ｎ型拡散層である電荷転
送領域、８……ｐ型拡散層、９……ｐ型チャネルストッ
パ、10……オーバーラップ部、11……光シールド、12…
…絶縁層、13……残留電荷、14……ｐ型注入層。
Claims (1)
- 【請求項１】第１導電型の半導体領域内に形成された第
２導電型の複数の光電変換領域と、前記光電変換領域か
ら該領域内に蓄積されている光電変換電荷の転送を受け
これを出力側へ転送する、前記半導体領域内に形成され
た第２導電型の電荷転送領域と、前記光電変換領域と前
記電荷転送領域との間の前記半導体領域の表面に設けら
れた電荷読み出し部と、前記電荷読み出し部に設けられ
た移送ゲートとを具備する固体撮像素子において、前記
移送ゲートは前記光電変換領域にオーバーラップして設
けられており、前記電荷読み出し部におけるチャネル幅
が前記電荷転送領域に隣接する部分より前記光電変換領
域に隣接する部分の方が狭くなされ、かつ、前記移送ゲ
ートが前記光電変換領域とオーバーラップした部分では
チャネル幅がさらに狭くなるように前記移送ゲートの幅
が先端部に向かって狭められていることを特徴とする固
体撮像素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2123691A JP2697246B2 (ja) | 1990-05-14 | 1990-05-14 | 固体撮像素子 |
| DE1991627995 DE69127995T2 (de) | 1990-05-14 | 1991-05-08 | Festkörperbildaufnahmevorrichtung zur Beschleunigung elektrischer Ladungen von der photoelektrischen Konvertierungsregion mittels elektrischem Feld zum Transferregister |
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