JP3148384B2 - 積層形固体撮像素子 - Google Patents
積層形固体撮像素子Info
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- JP3148384B2 JP3148384B2 JP21279492A JP21279492A JP3148384B2 JP 3148384 B2 JP3148384 B2 JP 3148384B2 JP 21279492 A JP21279492 A JP 21279492A JP 21279492 A JP21279492 A JP 21279492A JP 3148384 B2 JP3148384 B2 JP 3148384B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は固体撮像素子に係り、
特に、高感度な積層形固体撮像素子の構成に関するもの
である。
特に、高感度な積層形固体撮像素子の構成に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】従来の固体撮像素子は、半導体基板表面
に走査回路部と光電変換部を二次元的に配置していたた
め、光電変換部の面積が撮像面の一部となり、走査回路
部に入射した光は無駄になっていた。また、これを解決
するために光電変換部を走査回路部及び信号電荷蓄積部
の上部を覆う様に形成する光導電膜積層形固体撮像素子
が提案されているが、光電変換部と電荷蓄積部の接続が
金属、高濃度不純物のポリシリコン、金属シリサイドな
どの電極を介して接続していたため、信号転送路への読
み出しは不完全転送モードとなり残像が生じるだけでな
く、読み出しスイッチの熱雑音によりチャネル内部のポ
テンシャルが揺らぎ、電荷蓄積部に雑音が残留するた
め、読み出した信号電荷にも雑音が重畳するなどの欠点
があった。さらにまた、前述の光導電膜積層形固体撮像
素子では、残像を低減させるため、電荷蓄積部へ電荷を
注入させる注入ダイオードを設けた例がある。この場合
は、残像が低減するものの、前述の熱雑音が発生すると
ともに、注入した電荷のショット雑音が付加される欠点
があった。
に走査回路部と光電変換部を二次元的に配置していたた
め、光電変換部の面積が撮像面の一部となり、走査回路
部に入射した光は無駄になっていた。また、これを解決
するために光電変換部を走査回路部及び信号電荷蓄積部
の上部を覆う様に形成する光導電膜積層形固体撮像素子
が提案されているが、光電変換部と電荷蓄積部の接続が
金属、高濃度不純物のポリシリコン、金属シリサイドな
どの電極を介して接続していたため、信号転送路への読
み出しは不完全転送モードとなり残像が生じるだけでな
く、読み出しスイッチの熱雑音によりチャネル内部のポ
テンシャルが揺らぎ、電荷蓄積部に雑音が残留するた
め、読み出した信号電荷にも雑音が重畳するなどの欠点
があった。さらにまた、前述の光導電膜積層形固体撮像
素子では、残像を低減させるため、電荷蓄積部へ電荷を
注入させる注入ダイオードを設けた例がある。この場合
は、残像が低減するものの、前述の熱雑音が発生すると
ともに、注入した電荷のショット雑音が付加される欠点
があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前述の（従来の技術）
の項でも述べたように、従来形固体撮像素子では二次元
平面的に光電変換部と走査回路部を配置していたため
に、光の利用効率が悪かった。これを解決するために積
層形が提案されているが、光電変換感度が向上するもの
の、受光部の熱雑音や注入電流のショットノイズが増加
する問題があった。そこで本発明の目的は、光を無駄に
することなく光電変換効率を向上させ、同時に前記熱雑
音の発生も残像の発生も防止し、このため注入動作を不
要とし、注入電流のショットノイズも防止した積層形固
体撮像素子を提供せんとするものである。
の項でも述べたように、従来形固体撮像素子では二次元
平面的に光電変換部と走査回路部を配置していたため
に、光の利用効率が悪かった。これを解決するために積
層形が提案されているが、光電変換感度が向上するもの
の、受光部の熱雑音や注入電流のショットノイズが増加
する問題があった。そこで本発明の目的は、光を無駄に
することなく光電変換効率を向上させ、同時に前記熱雑
音の発生も残像の発生も防止し、このため注入動作を不
要とし、注入電流のショットノイズも防止した積層形固
体撮像素子を提供せんとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明積層形固体撮像素子は、入射光信号を信号電荷に
変換する光電変換部を複数個アレイ状に配置し、変換さ
れた信号電荷を順次に読み出す積層型固体素子におい
て、変換された前記信号電荷を所定の期間蓄積する電荷
蓄積部を、前記光電変換部ごとに対応して半導体基板表
面または少なくとも一部が表面に露出するように半導体
基板内部に第１導電形で形成し、前記電荷蓄積部に蓄積
された信号電荷を読み出すための信号転送路または走査
回路部を前記半導体基板表面上に形成し、前記光電変換
部を前記半導体基板と同種または異種の半導体材料で形
成し、前記光電変換部が第１導電形とは反対の第２導電
形の前記半導体基板およびその表面に形成した信号転送
路または走査回路部の上部全面を覆った構成であり、前
記電荷蓄積部の蓄電電荷が読み出された直後には、前記
光電変換部及び前記電荷蓄積部を空乏化できる電圧が印
加可能な構成であることを特徴とするものである。
本発明積層形固体撮像素子は、入射光信号を信号電荷に
変換する光電変換部を複数個アレイ状に配置し、変換さ
れた信号電荷を順次に読み出す積層型固体素子におい
て、変換された前記信号電荷を所定の期間蓄積する電荷
蓄積部を、前記光電変換部ごとに対応して半導体基板表
面または少なくとも一部が表面に露出するように半導体
基板内部に第１導電形で形成し、前記電荷蓄積部に蓄積
された信号電荷を読み出すための信号転送路または走査
回路部を前記半導体基板表面上に形成し、前記光電変換
部を前記半導体基板と同種または異種の半導体材料で形
成し、前記光電変換部が第１導電形とは反対の第２導電
形の前記半導体基板およびその表面に形成した信号転送
路または走査回路部の上部全面を覆った構成であり、前
記電荷蓄積部の蓄電電荷が読み出された直後には、前記
光電変換部及び前記電荷蓄積部を空乏化できる電圧が印
加可能な構成であることを特徴とするものである。
【０００５】（実施例）以下添付図面を参照し実施例に
より本願発明を詳細に説明するが、それに先立ち本願発
明実施例との比較を明らかにするため、従来の積層形固
体撮像素子一実施例の部分断面図を示す図５を参照して
その構成と動作を簡単に説明する。図の参照番号11, 1
2, 13, 14, 15, 16はそれぞれ光電変換部、ＩＴＯ透明
導電膜（対向電極）、ブロッキング層、Al膜、SiO2など
の絶縁膜、モリブデン層であり、参照番号17, 18はとも
にポリシリコン層で読み出しゲートに使用されるのはポ
リシリコン層18、ポリシリコン層17は他の目的に使用さ
れる電極である。
より本願発明を詳細に説明するが、それに先立ち本願発
明実施例との比較を明らかにするため、従来の積層形固
体撮像素子一実施例の部分断面図を示す図５を参照して
その構成と動作を簡単に説明する。図の参照番号11, 1
2, 13, 14, 15, 16はそれぞれ光電変換部、ＩＴＯ透明
導電膜（対向電極）、ブロッキング層、Al膜、SiO2など
の絶縁膜、モリブデン層であり、参照番号17, 18はとも
にポリシリコン層で読み出しゲートに使用されるのはポ
リシリコン層18、ポリシリコン層17は他の目的に使用さ
れる電極である。
【０００６】半導体基板19はｐ形で基板表面のｎ++, ｎ
+ ，ｎ- およびｐ+ 層はそれぞれモリブデン層とのオー
ミック接触のための高不純物濃度ｎ層、Al層14とモリブ
デン層16およびｎ++層を介した電荷（この場合電子）の
電荷蓄積層、紙面と垂直に配列されるＣＣＤｎ- 層、チ
ャネルストッパ用のｐ+ 層である。この構成では光電変
換部11と電荷蓄積部ｎ+ との接続は電極16により行われ
るため、電極16内および電荷蓄積部ｎ+ の多数キャリア
は信号読み出しチャネル20を介して排出されなければな
らず、従って光電変換部を一定電圧にリセットするまで
の時間がかかり、結果として残像が生じる。また、この
信号読み出し過程は、信号電流が読み出しチャネル20を
流れている途中で読み出しチャネルを閉じるため、ゲー
ト電極18の下の熱雑音により生じるチャネル電位の揺ら
ぎが電荷蓄積部に保持される。この雑音を通常光電変換
部のリセット雑音とよぶ。さて図１に本願発明による積
層形固体撮像素子構成の第１の実施例の部分断面図を示
す。光電変換部１および電荷蓄積部４の半導体不純物濃
度を通常1016cm-3程度以下にすれば信号読み出し時に空
乏化させることができる。この時半導体基板３と光電変
換部１の材料は同種でも異種でもよい。通常シリコン基
板を用いた場合、光電変換部１はアモルファスシリコン
などのバンドギャップの幅がシリコンより広い材料を用
いることにより光電変換効率が向上する。特に、青色に
対して感度が向上する。この場合、光電変換部１は通
常、対向電極２および半導体基板３との界面にブロッキ
ング層を設けるのが好ましく、これにより対向電極２お
よび半導体基板３からのキャリアの注入を防止し前述の
空乏化が実現できる。光電変換部のバンドギャップが適
度に広い場合は片方もしくは両方のブロッキング層は無
くてもよい。
+ ，ｎ- およびｐ+ 層はそれぞれモリブデン層とのオー
ミック接触のための高不純物濃度ｎ層、Al層14とモリブ
デン層16およびｎ++層を介した電荷（この場合電子）の
電荷蓄積層、紙面と垂直に配列されるＣＣＤｎ- 層、チ
ャネルストッパ用のｐ+ 層である。この構成では光電変
換部11と電荷蓄積部ｎ+ との接続は電極16により行われ
るため、電極16内および電荷蓄積部ｎ+ の多数キャリア
は信号読み出しチャネル20を介して排出されなければな
らず、従って光電変換部を一定電圧にリセットするまで
の時間がかかり、結果として残像が生じる。また、この
信号読み出し過程は、信号電流が読み出しチャネル20を
流れている途中で読み出しチャネルを閉じるため、ゲー
ト電極18の下の熱雑音により生じるチャネル電位の揺ら
ぎが電荷蓄積部に保持される。この雑音を通常光電変換
部のリセット雑音とよぶ。さて図１に本願発明による積
層形固体撮像素子構成の第１の実施例の部分断面図を示
す。光電変換部１および電荷蓄積部４の半導体不純物濃
度を通常1016cm-3程度以下にすれば信号読み出し時に空
乏化させることができる。この時半導体基板３と光電変
換部１の材料は同種でも異種でもよい。通常シリコン基
板を用いた場合、光電変換部１はアモルファスシリコン
などのバンドギャップの幅がシリコンより広い材料を用
いることにより光電変換効率が向上する。特に、青色に
対して感度が向上する。この場合、光電変換部１は通
常、対向電極２および半導体基板３との界面にブロッキ
ング層を設けるのが好ましく、これにより対向電極２お
よび半導体基板３からのキャリアの注入を防止し前述の
空乏化が実現できる。光電変換部のバンドギャップが適
度に広い場合は片方もしくは両方のブロッキング層は無
くてもよい。
【０００７】なお同図の参照番号５，６，７，８はそれ
ぞれ絶縁膜、遮光膜、ポリシリコン層などの信号転送電
極、紙面と垂直に配列されるＣＣＤｎ- 層信号転送路で
ある。図２に第２の実施例構成の部分断面図を示す。前
述のように光電変換部１にバンドギャップの広い材料を
用いた場合には、光電変換部が接続する半導体基板３の
表面の大部分９を、半導体基板深部と同一導電形とする
ことにより、例えば基板深部がｐ形の場合は、前記半導
体基板表面はホールでアキュミュレートされ異種材料が
接続する同表面より発生する暗電流を防止することがで
きる。また、同基板表面の電位は基板電位と一致し、信
号電荷量が変わり基板内の電位が変化しても積層した光
電変換部にかかる電界をほぼ一定に保つことができるの
で、電荷がトラップに溜まることなどが原因の残像（ト
ラップ性残像）を防止することができる。これは、基板
表面の不純物が基板深部と反対導電形の半導体であって
も、光電変換部にかける電界を選ぶことにより、基板表
面のキャリアを反転させて基板深部と同一導電形のキャ
リアでアキュミュレートさせることができる。これによ
り、前述と同様に基板表面の電位を基板深部の電位と一
致させて受光部の電界を一定に保つことができ、残像を
防止することができる。
ぞれ絶縁膜、遮光膜、ポリシリコン層などの信号転送電
極、紙面と垂直に配列されるＣＣＤｎ- 層信号転送路で
ある。図２に第２の実施例構成の部分断面図を示す。前
述のように光電変換部１にバンドギャップの広い材料を
用いた場合には、光電変換部が接続する半導体基板３の
表面の大部分９を、半導体基板深部と同一導電形とする
ことにより、例えば基板深部がｐ形の場合は、前記半導
体基板表面はホールでアキュミュレートされ異種材料が
接続する同表面より発生する暗電流を防止することがで
きる。また、同基板表面の電位は基板電位と一致し、信
号電荷量が変わり基板内の電位が変化しても積層した光
電変換部にかかる電界をほぼ一定に保つことができるの
で、電荷がトラップに溜まることなどが原因の残像（ト
ラップ性残像）を防止することができる。これは、基板
表面の不純物が基板深部と反対導電形の半導体であって
も、光電変換部にかける電界を選ぶことにより、基板表
面のキャリアを反転させて基板深部と同一導電形のキャ
リアでアキュミュレートさせることができる。これによ
り、前述と同様に基板表面の電位を基板深部の電位と一
致させて受光部の電界を一定に保つことができ、残像を
防止することができる。
【０００８】図３は本願発明第３の実施例構成の部分断
面図である。電荷蓄積部４上方の対向電極２に開口部10
を設け、光電変換効率を向上しただけでなく、同図のよ
うに受光部形成時に生じるくぼみがある場合にも電界が
ほぼ均一にかかるため、光電変換部の暗電流を防止する
ことができる。同図の細い線は等電位曲線を示す。図４
は本願発明第４の実施例構成の部分断面図である。対向
電極２を覆うようにして、光電変換部１を形成すること
により、光電変換部表面前面を空乏化するとともに、電
界も均一にかけることができる（同図細い線、等電位曲
線参照）。これにより、ほとんどが半導体の表面近傍で
光電流変換されるような波長の短い光に対しても、受光
部表面が空乏化しているため、電界によって信号電荷は
電荷蓄積部４まで送り込むことができる。このようにし
て、光電変換効率は量子効率で表現すれば１に近付ける
ことができる。また、信号電荷に対しては蓄積部まで空
乏化させることができるので、前記リセットノイズも防
止することができる。以上説明した実施例は本願発明実
施例を限定するものではなく、本願発明の要旨内で各種
の変形、変更の可能なことは当業者に自明であろう。
面図である。電荷蓄積部４上方の対向電極２に開口部10
を設け、光電変換効率を向上しただけでなく、同図のよ
うに受光部形成時に生じるくぼみがある場合にも電界が
ほぼ均一にかかるため、光電変換部の暗電流を防止する
ことができる。同図の細い線は等電位曲線を示す。図４
は本願発明第４の実施例構成の部分断面図である。対向
電極２を覆うようにして、光電変換部１を形成すること
により、光電変換部表面前面を空乏化するとともに、電
界も均一にかけることができる（同図細い線、等電位曲
線参照）。これにより、ほとんどが半導体の表面近傍で
光電流変換されるような波長の短い光に対しても、受光
部表面が空乏化しているため、電界によって信号電荷は
電荷蓄積部４まで送り込むことができる。このようにし
て、光電変換効率は量子効率で表現すれば１に近付ける
ことができる。また、信号電荷に対しては蓄積部まで空
乏化させることができるので、前記リセットノイズも防
止することができる。以上説明した実施例は本願発明実
施例を限定するものではなく、本願発明の要旨内で各種
の変形、変更の可能なことは当業者に自明であろう。
【０００９】
【発明の効果】本願発明によれば、撮像面のうち光電変
換部の占める割合を大きくすることができ感度が向上す
る。また、光電変換部表面を空乏化でき青感度が向上す
る。さらに、第２の実施例では光電変換部と電荷蓄積部
の接合面をアキュミュレートさせ暗電流を防止でき、同
時に光電変換部に係る電界を信号電荷量に関わらず一定
とし、トラップ性の残像を防止することができる。さら
にまた、第３、第４の実施例では光電変換部の広い範囲
にほぼ均一な電界をかけることができ、信号電荷を無駄
なく電荷蓄積部へ運ぶことができる。さらに、信号読み
出し時には光電変換部および電荷蓄積部を容易に空乏化
することができるため、雑音の発生を防止し、残像の発
生をも防止することができる。更に第４の実施例では光
電変換部表面全体を空乏化するとともに、受光の障害と
なる対向電極を光電変換部下部に設けることで光電変換
効率を飛躍的に向上せしめることができる。従って、本
願発明によれば、従来実現できなかった、高感度と低雑
音の固体撮像素子を同時に実現させることができる。
換部の占める割合を大きくすることができ感度が向上す
る。また、光電変換部表面を空乏化でき青感度が向上す
る。さらに、第２の実施例では光電変換部と電荷蓄積部
の接合面をアキュミュレートさせ暗電流を防止でき、同
時に光電変換部に係る電界を信号電荷量に関わらず一定
とし、トラップ性の残像を防止することができる。さら
にまた、第３、第４の実施例では光電変換部の広い範囲
にほぼ均一な電界をかけることができ、信号電荷を無駄
なく電荷蓄積部へ運ぶことができる。さらに、信号読み
出し時には光電変換部および電荷蓄積部を容易に空乏化
することができるため、雑音の発生を防止し、残像の発
生をも防止することができる。更に第４の実施例では光
電変換部表面全体を空乏化するとともに、受光の障害と
なる対向電極を光電変換部下部に設けることで光電変換
効率を飛躍的に向上せしめることができる。従って、本
願発明によれば、従来実現できなかった、高感度と低雑
音の固体撮像素子を同時に実現させることができる。
【図１】本願発明積層形固体撮像素子第１の実施例構成
の部分断面図
の部分断面図
【図２】第２の実施例構成の部分断面図
【図３】第３の実施例構成の部分断面図
【図４】第４の実施例構成の部分断面図
【図５】従来例構成の部分断面図
1, 11 光電変換部 2, 12 対向電極 3, 19 半導体基板 ４ 電荷蓄積部 5, 15 絶縁膜 ６ 遮光膜 7, 17, 18 ポリシリコン層 ８ ＣＣＤｎ- 層 ９ 光電変換部と半導体基板の界面 10 対向電極の開口部 13 ブロッキング層 14 Al膜 16 モリブデン層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−125982（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−48578（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−187267（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−12481（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−173968（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/146 H04N 5/335
Claims (6)
- 【請求項１】 入射光信号を信号電荷に変換する光電変
換部を複数個アレイ状に配置し、変換された信号電荷を
順次に読み出す積層型固体素子において、 変換された前記信号電荷を所定の期間蓄積する電荷蓄積
部を、前記光電変換部ごとに対応して半導体基板表面ま
たは少なくとも一部が表面に露出するように半導体基板
内部に第１導電形で形成し、 前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷を読み出すための
信号転送路または走査回路部を前記半導体基板表面上に
形成し、 前記光電変換部を前記半導体基板と同種または異種の半
導体材料で形成し、 前記光電変換部が第１導電形とは反対の第２導電形の前
記半導体基板およびその表面に形成した信号転送路また
は走査回路部の上部全面を覆った構成であり、 前記電荷蓄積部の蓄電電荷が読み出された直後には、前
記光電変換部及び前記電荷蓄積部を空乏化できる電圧が
印加可能な構成であることを特徴とする積層型固体撮像
素子。 - 【請求項２】 請求項１に記載の撮像素子において、前
記電荷蓄積部上部の半導体基板表面が第２導電形半導体
領域であることを特徴とする積層形固体撮像素子。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の撮像素子にお
いて、対向電極を前記光電変換部の表面に形成し、前記
電荷蓄積部の上方に対応する前記対向電極の部分に開口
窓を設けたことを特徴とする積層形固体撮像素子。 - 【請求項４】 請求項１または２に記載の撮像素子にお
いて、前記光電変換部が前記信号転送路または走査回路
部の上方に形成した対向電極を覆い、当該対向電極と接
合を形成していることを特徴とする積層形固体撮像素
子。 - 【請求項５】 請求項３または４に記載の撮像素子にお
いて、前記光電変換部が前記対向電極とショットキー接
合を形成していることを特徴とする積層形固体撮像素
子。 - 【請求項６】 請求項４記載の撮像素子において、前記
対向電極が金属または金属シリサイドで形成され、前記
信号転送路または走査回路部の全面を覆い、遮光層を兼
ねることを特徴とする積層形固体撮像素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21279492A JP3148384B2 (ja) | 1992-08-10 | 1992-08-10 | 積層形固体撮像素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21279492A JP3148384B2 (ja) | 1992-08-10 | 1992-08-10 | 積層形固体撮像素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0661467A JPH0661467A (ja) | 1994-03-04 |
| JP3148384B2 true JP3148384B2 (ja) | 2001-03-19 |
Family
ID=16628494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21279492A Expired - Fee Related JP3148384B2 (ja) | 1992-08-10 | 1992-08-10 | 積層形固体撮像素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3148384B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5334785B2 (ja) | 2009-09-30 | 2013-11-06 | 三菱電機Ｆａ産業機器株式会社 | 無励磁作動型電磁ブレーキ制御装置及び方法 |
| KR101685007B1 (ko) | 2010-03-19 | 2016-12-12 | 인비사지 테크놀로지스, 인크. | 감지성 반도체 다이오드를 채용한 이미지 센서 |
| JP2012156310A (ja) * | 2011-01-26 | 2012-08-16 | Sony Corp | 固体撮像素子、固体撮像素子の製造方法、および電子機器 |
| WO2015087611A1 (ja) * | 2013-12-13 | 2015-06-18 | ソニー株式会社 | 撮像素子及び撮像装置 |
-
1992
- 1992-08-10 JP JP21279492A patent/JP3148384B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0661467A (ja) | 1994-03-04 |
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