JP3123768B2 - 撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

撮像素子およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は撮像素子およびその製造
方法に関し、特にトランジスタ・イメージセンサ素子の
撮像素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より撮像素子としては様々な方式が
提案されてきている。すなわちCCD型、MOS型など
がその主たるものである。しかし今日、高品位テレビに
代表されるごとく高解像度映像を得る必要性が生じてい
るのに際して、上記方式を採用する上で、次のような問
題点が予想されている。
【0003】その第一は多画素配列に伴う開口率の低下
である。
【0004】例えば、CCD型においては、1/2イン
チサイズの40万画素の撮像素子の場合、開口率は30
%程度に落ち込んでおり、光ショットノイズの影響が増
大化しつつある。高品位映像に要求される画素数(13
0万〜200万画素)を1インチから2/3インチサイ
ズで実現することを考えた場合、開口率は10〜20%
に低下すると予想されており、極めて不都合である。
【0005】第二には読み出し動作の高速化への不適合
である。例えばCCD型においては転送効率の低下が心
配される。
【0006】さらに、従来方式の問題点としてスミア、
ブルーミングがある。このような問題点は上記従来方式
での完全な解決は困難とされている。
【0007】上記従来方式にみられる課題を解決する撮
像素子として、特開昭64−14959号公報の「基体
電荷変調型トランジスタのしきい値をセンスする素子及
びその製法」によって紹介される新しい方式の撮像素子
が提案されている。この方式の撮像素子の特徴は、各感
光セルが基体電荷変調型トランジスタによって構成され
ていることである。
【0008】まず、上記撮像素子の概略的構成につい
て、図5及び図6を用いて説明する。図5は感光セルの
平面図、図6は図5のA−A線断面図である。
【0009】図5に示すように、各感光セルはドレイン
領域18と、このドレイン領域18に囲まれており、さ
らにハニカム状(蜂の巣状)に配置されたゲート領域2
4、及びさらにそのゲート領域24の中心部に位置する
ソース領域26より成る。ソース領域26は各隣接セル
と信号読み出し線30で接続される。
【0010】一方、深さ方向について図6を用いて説明
すると、シリコン基板11の上に形成された埋込チャン
ネル34の上にさらにP型層38、さらにN型層36を
形成してゲート領域24が構成され、そしてゲートコン
ダクタ28をゲート領域24から分離するための酸化物
層40が形成され、さらにソースコンダクタ30から分
離するための酸化物層42が形成される。
【0011】次に、図7は感光セルのポテンシャルを示
す図である。前述したゲート領域24の層構造により、
深さに応じて、コンダクションバンド及びバレンスバン
ドのそれぞれの電位曲線96,98を生じる。距離Xd
1及びXd2は2個の空乏領域のそれぞれの厚さを示し
ている。電位曲線には正孔電位ウェル100、第1のウ
ェル102、第2のウェル103がある。光(hν)9
0が入射するとXd1領域で生成した正孔94はウェル
100に集まる。それにより電位分布が変化し、プロー
ビング電流がソースからドレインに流れる。
【0012】それによってウェル102にたくわえられ
る電子の数は一定に保たれ、結果的にMOSトランジス
タのしきい値の変化として感知される。ウェル100に
蓄えられた正孔は、トランジスタゲートを正のパルスで
パルシングすることによって基板へ掃きだされる。さら
にウェル100は基板表面から離れたところに正孔をた
くわえるので、従来の場合のように酸化物との界面にお
けるトラップの影響を受けてリセット不良を引き起こす
ことなく、正のパルシングによって完全に取り除くこと
ができる。このことはリセットノイズ(KTCノイズ)
をほとんど生じないという利点がある。
【0013】さらに、図8は撮像素子の等価回路を示す
ものである。アドレスデータ112が与えられたデコー
ダ110によって選択されたアドレスライン28、すな
わちゲートコンダクタ28に駆動パルスが加えられる。
感光セルはドレイン18、ゲート部24、ソース26よ
りなる。ソース26にはバイアストランジスタ118が
接続され、バイアス電源117につながる。また、ソー
ス26は読み出しライン120に接続され、クランプ回
路(クランプキャパシタCo122、トランジスタ12
6、及びパルス源128より成る)、サンプリング回路
(トランジスタ132より成る)を経てシフトレジスタ
回路46に入力され、不図示の出力アンプを通して信号
出力が出力される。
【0014】
【発明が解決しようとしている課題】しかしこの方式の
場合、ゲートコンダクタ28は開口部上に設けるため
に、導電性の透明電極で形成することが好ましく、特開
昭64−14959号公報にも記載の通りに酸化すずで
形成することも可能であるが、技術的課題も多く、一般
的にはポリシリコン(多結晶シリコン)を用いることが
望ましい。
【0015】本発明の目的は、ポリシリコン等の材料を
ゲートコンダクタとして用いることができる撮像装置を
提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の撮像素子は、開
口部にゲートコンダクタを有する撮像素子であって、
視光域内の主たる分光分布のピークが一つであるよう
に、前記ゲートコンダクタの厚さを設定したことを特徴
とする。本発明の撮像素子の製造方法は、開口部にポリ
シリコンからなるゲートコンダクタを有する撮像素子の
製造方法であって、ポリシリコンの物理特性及び多層膜
干渉理論を用いて、可視光域内の主たる分光分布のピー
クが一つであるように、前記ゲートコンダクタの厚さを
設定することを特徴とする。
【0017】
【作 用】本発明は、分光感度のピークの一つが、輝度
信号にもっとも関与し、S/N比を有利に導く緑色感度
のピークとなるように、ゲートコンダクタ厚を設定する
ことで、良好な分光感度分布を有する撮像素子を得るも
のである。
【0018】ゲートコンダクタとしてポリシリコン(こ
こではポリシリコンを取り上げるが、必ずしもかかる材
料に限定されるものではない。)を3000Å〜500
0Åで被着した場合、分光透過率に与える影響が大き
く、特に400nm〜500nm附近のいわゆる青色感
度の低下を引き起こすことが予想され、そのためできる
だけ薄く被着することが望まれる。しかし、一方で薄く
なればなるほど低圧CVD法等による制御がむずかしく
なることも事実であり、良好な感度分布とプロセス上の
容易さを両立させることはきわめてむずかしい。ゲート
コンダクタ厚は、例えば、ポリシリコンの物理特性及び
多層膜干渉理論を電子計算器を用いて予測することがで
き、適正なゲートコンダクタ厚を求めることにより良好
な分光感度を持ちかつプロセス上の容易さを両立した撮
像素子を得ることができる。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。
【0020】本実施例では、ポリシリコンの物理特性及
び多層膜干渉理論を電子計算器を用いて予測することに
より、適正なゲートコンダクタ厚を得る。
【0021】なお、撮像素子の構成及びその動作につい
ては、図5〜図8を用いて説明した撮像素子と同じなの
で、説明を省略するものとし、ここでは、計算によりゲ
ートコンダクタ厚を得る方法及びその結果について説明
する。
【0022】図1はゲートコンダクタ厚を変化させた場
合の分光感度曲線を示すものである。なお、赤色(R)
は約610〜700nm、緑色(G)は約500〜57
0nm、青色(B)は約450〜500nm程度の波長
領域である。
【0023】同図に示すように、ポリシリコン厚(ゲー
トコンダクタ厚)が極限まで薄い100Åの場合と比較
して、プロセス上の容易さが極めて向上する650Åの
場合においても、若干の赤色及び青色感度の低下がある
ものの輝度信号にもっとも関与し、S/N比を有利に導
く緑色感度についてはむしろ大きいことが明らかであ
る。そしてポリシリコン厚が3000Åの場合には分布
形状の波が大きく、特に緑色の感度が低いことがわか
る。可視光域内の主たる感度ピークは必ずしも一つであ
る必要ないが、一つに設定することにより、カラー化の
ためにカラーフィルターを附着した場合に、各色の感度
分布が複雑化する(すなわち色再現性が悪化する)こと
がなく、さらにポリシリコン厚が製造上の原因によって
ばらついた時に各色の感度に差がでにくくなるというこ
とがある。
【0024】なお、不図示であるが、ポリシリコン厚を
650±100Åに設定すると、一般的な緑色の波長領
域あるいは人間の視感度のピーク波長領域に感度ピーク
をもってくることができる。
【0025】以下に、撮像素子の分光分布の計算方法を
説明する。かかる分光分布を求めることにより適正なゲ
ートコンダクタ厚を求めることができる。
【0026】まず、ポリシリコン及びバルクシリコンの
屈折率を図2、図3、図4に示す。屈折率は複素屈折率
n−iKであらわされ、吸収係数αとは、α=(2π/
λ)・Kなる関係を有する。ポリシリコンについて10
0Å程度(図3)、3000Å程度(図2)で屈折率が
変化しているのは厚さによってポリシリコンの結晶状態
が変化するためである。なお、複素屈折率n−iKの値
はこのようにポリシリコン厚によって変化するが、以下
の計算ではポリシリコン厚が100Å程度の場合のデー
タと3000Å程度の場合のデータとを用いて補完する
ことで、所定のポリシリコン厚での複素屈折率n−iK
を求めている。
【0027】物質による光の吸収率は、吸収係数αを用
いて表わされる。
【0028】I(x)=Io exp(−αx) ここでIo は表面に入射した光の強度を表す。Si基板
内部に吸収された光はキャリヤを発生する。
【0029】基板表面からX位置での光励起キャリヤの
発生割合は、
【0030】
【数1】 ここでIo は入射した光の強度、λは波長、Cは光速
度、hはプランク定数である。
【0031】前述したような構造の撮像素子について考
える。光電流に寄与すると考えられるのは、空間電荷領
域(Xd1<X<Xd2)内で発生したキャリヤであ
る。そこで発生する光電流Jは、
【0032】
【数2】 で表わされる。
【0033】ところで半導体デバイスではその構成から
表面がシリコン酸化膜や電極薄膜で被われる。このた
め、各層間や半導体基板との間の界面で光の反射や吸収
が生じ、入射光量の損失を生む。
【0034】(j−1)面まである多層膜に第j面をつ
け加えたときの反射率は、
【0035】
【数3】 (ただし光の入射角を0°とする)エネルギー反射率R
は、次のように表わされる。
【0036】R=|rj,o2 ただし、
【0037】
【数4】 ここでNは屈折率であり、通常N=n−iKであらわさ
れる。
【0038】したがって光の吸収物質を含む多層構造の
エネルギー透過率Tは次で表わされる。
【0039】T=(1−R)・A ここでAは吸収物質による光の減衰量である。
【0040】したがってシリコン基板に入射する光量I
o は、センサ表面に入射する光量をIとすると、 Io =I・T であらわされる。
【0041】なお、この計算においては以下の数値を用
いた。すなわち、 Xd1=0.05(μm) Xd2=1.0 (μm) シリコン酸化膜1(図6中40)=1000Å シリコン酸化膜2(図6中42)=3000Å シリコン酸化膜の屈折率=1.46 これらの数値は屈折率を除いて特開昭64−14959
号公報中に呈示されたデータである。
【0042】本実施例では主に特開昭64−14959
号公報で開示された「基体電荷変調型トランジスタのし
きい値をセンスする素子」について述べたが、他にも開
口部にゲートコンダクタを用いる素子についても適用す
ることができる。
【0043】
【発明の効果】本発明によりプロセス上の困難を伴うこ
となく良好な分光感度分布を得ることが出来る効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例による分光感度の特性図である。
【図2】ポリシリコン(3000Å)の屈折率を示す特
性図である。
【図3】ポリシリコン(100Å)の屈折率を示す特性
図である。
【図4】バルクシリコンの屈折率を示す特性図である。
【図5】基体電荷変調型素子を説明する図(感光セルの
平面図)である。
【図6】基体電荷変調型素子を説明する図(感光セルの
断面図)である。
【図7】基体電荷変調型素子を説明する図(感光セルの
ポテンシャル図)である。
【図8】基体電荷変調型素子を説明する図(素子の等価
回路)である。
【符号の説明】
11 シリコン基板、 18 ドレイン領域、 24
ゲート領域、 26ソース領域、 28 ゲートコンダ
クタ、 30 信号読み出し線(ソースコンダクタ)、
34 埋込チャンネル、 36 N型層、 38 P型
層、 40酸化物層、 42 酸化物層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/146 H01L 31/10 H04N 5/335 H04N 9/07

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 開口部にゲートコンダクタを有する撮像
    素子であって、可視光域内の主たる分光分布のピークが
    一つであるように、前記ゲートコンダクタの厚さを設定
    した撮像素子。
  2. 【請求項2】 前記主たる分光分布のピークは、緑色感
    度のピークであることを特徴とする請求項1に記載の撮
    像素子。
  3. 【請求項3】 開口部にポリシリコンからなるゲートコ
    ンダクタを有する撮像素子の製造方法であって、 ポリシリコンの物理特性及び多層膜干渉理論を用いて、
    可視光域内の主たる分光分布のピークが一つであるよう
    に、前記ゲートコンダクタの厚さを設定することを特徴
    とする撮像素子の製造方法。
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