JP3590944B2 - Charge-coupled semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電荷結合型半導体装置、特にCCD(Charge Coupled Device)と称される電荷結合又は転送素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
CCDは、受光部に入射した光により発生したキャリアを転送電極に印加するクロックパルスで転送し、これを映像信号として取り出すものであり、その転送方式としては種々の駆動方式が知られている。こうした駆動方式には2相駆動方式があるが、単一電極により電荷を転送できる単相駆動方式は回路構成やその制御性の点で優れている。
【0003】
電荷転送素子として、埋め込みチャネル型CCDが知られているが、これは、半導体層内の誘導チャネルの中で可動電荷の蓄積及び転送が行われるものである。一般の表面移動型CCDでは、表面酸化物膜とシリコン基板との間の界面でトラッピング効果が生じるが、埋め込みチャネル型CCDではこのトラッピング効果を防ぐことができるため、電荷転送効率が向上する。また、界面におけるキャリア散乱がなくなるため、電荷転送効率も高められる。その結果、高い周波数での動作が実現可能になる。
【0004】
特に、各受光セルの一部の半導体表面に反転層が形成され、この反転層がいわばバーチャル電極(virtual electrode:仮想電極又は実効電極)として働くことにより、セル領域をゲート誘導のポテンシャル変化から保護するようにした埋め込みチャネル型の単相駆動方式のCCDは有効である。
【0005】
図11は、そうしたバーチャル電極を組み込んだフレームトランスファ(FT)型バーチャルフェイズCCDの一例を概略的に示すものである。このCCDは、受光部(撮像部)1と蓄積部(メモリ部)2とを有し、受光部1の受光セルに入射した光の光量に応じて光電変換された電子を転送し、蓄積部2で一旦蓄積し、レジスタ3によって出力アンプ4を介して出力する。
【0006】
受光部1においては、チャネルストッパ領域3によって分離された各N型チャネル領域4(図面では理解のために、隣接し合うチャネル領域4a、4bとして示した。)において、電荷転送方向とほぼ直交した多数のポリシリコン転送ゲート5が所定ピッチで間欠的に配列されており、各転送ゲート間は不純物ドーピングによってバーチャル電極としての反転層9a、9bとなっている。蓄積部2は、受光部1からの転送電荷を受け入れるべく、対応するチャネルストッパ領域6によって各チャネル領域7a、7bに分離されており、ポリシリコン転送ゲート8が所定ピッチで間欠的に配列されている。
【0007】
図12には、受光部1の断面(図11の XII−XII 線断面)を概略的に示し、例えばN型半導体層13の表面にSiO膜10が形成され、この上に上記した転送ゲート5が所定ピッチで設けられていてクロックパルスφにより基板内の電荷(光キャリア)を転送できるようになっている。また、各転送ゲート5間にはボロン等のドーピングによってP型反転層9bがバーチャル電極として形成され、その直下は上記した埋め込みチャネルとなっている。なお、図中の+は注入されたイオン(打ち込みドナー)である。
【0008】
そして、受光部1の動作原理を説明すると、反転層9bによって、ゲート誘導によるポテンシャル変化からセル部分が防護されると共に、単相電極としてのゲート5にクロック信号φを印加することにより、ゲート5下の領域I、IIのポテンシャル最大値は、反転層9b下の領域III 、IVの固定的ポテンシャル最大値を基準として反復的に上下する。そして、2つのゲート状態(φの高、低)において領域IIのポテンシャル最大値が領域Iより高く、また、領域IVが領域III より高ポテンシャルに保たれているから、φの切り換えによってポテンシャルを実線と破線のように交互に変化させ、電荷(電子)をX方向に転送する電荷移動の方向性が得られる。
【0009】
受光部1では、チャネルストッパ領域3−3間の各受光セル11において、その容量以上の発生電荷が隣接セルに漏れ込まないように、余剰電荷を吸い上げる機能を有するABドレイン12(Anti−Blooming(AB)drain)が形成されている。
【0010】
CCDの単一画素構造を分類する場合には、一般的に、余剰電荷を排斥する方法の違いにより、図13〜図15に示すように平面上に排斥口を持つ横型オーバーフロードレイン型(LOD)と、図16に示すように余剰電荷を基板方向に抜く縦型オーバーフロードレイン型(VOD)とに大別される。
【0011】
図13〜図15に示す横型オーバーフロードレイン型によれば、図11及び図12に示したように、受光部1において、チャネルストッパ領域3によって分離された各チャネル領域4a、4bの電荷転送方向とほぼ直交した多数のポリシリコン転送ゲート5が所定ピッチで間欠的に配列されており、各転送ゲート間は不純物ドーピングによってバーチャル電極としての反転層9a、9bとなっている。受光部1の開口率は例えば85%程度である。
【0012】
即ち、P型シリコン基板14に形成されたN型半導体層(ウエル)13の表面にSiO膜10が形成され、この上に上記した転送ゲート5が所定ピッチで設けられていてクロックパルスφにより基板内の電荷(光キャリア)を転送できるようになっている。また、各転送ゲート5間にはリン等のドーピングによってP型反転層9a、9bがバーチャル電極として形成され、その直下は上記した埋め込みチャネルとなっている。受光部1の動作原理は図12で述べたものと同様である。
【0013】
そして、受光セル内での余剰電荷の制御を行うため、隣接セル間において、N型半導体層13にN型ドレイン領域15とこのドレイン領域を囲むP型ポテンシャルバリア領域16とからなるABドレイン12がチャネルストッパ領域3Aに両側で接して形成されている。このABドレイン12のドレイン領域15には、コンタクトホール17を介してポリシリコンゲート18が被着され、絶縁層19のバイアホール20を介してメタル電極21から電圧が印加され、所定のポテンシャルバリア電位を生ぜしめる。
【0014】
即ち、電極21からゲート18に所定の電圧を印加してN型ドレイン領域15をゲート18と同一電位にし、この電位によってP型ポテンシャルバリア領域16の電位を調整し、これによってチャネル領域4a、4bのPN接合近傍22に形成されるポテンシャルバリアを越える余剰電荷30をN型ドレイン領域15に吸収し、ゲート18及び電極21を通して放出する。
【0015】
しかし、この横型オーバーフロードレイン型の構造では、余剰電荷を吸収するためのドレイン領域15は電荷を吸い取る働きをしているため、CCDを受光素子として用いた場合に、ドレイン領域15(更にはゲート18)は受光部として機能せず、不感領域となる。従って、受光部の開口率は85%程度にとどまり、未だ十分ではない。
【0016】
また、アナログメモリーとして用いた場合も、ドレイン領域15は電荷蓄積領域としては働かないため、必要性が高い割りにはCCDの基本特性(ダイナミックレンジ)は不十分である。
【0017】
一方、図16に示す縦型オーバーフロードレイン型によれば、N型シリコン基板31にP型ウエル32が形成され、このP型ウエル内において、N型不純物拡散領域33、更にはP++型不純物拡散領域36が形成され、PN接合(J)によるフォトダイオードPDが感光領域38(ピクセル)をなしており、また、P型不純物拡散領域37とN型不純物拡散領域34とで図11に示した蓄積部2に相当する縦型レジスタ48をセル内に構成している。
【0018】
この感光領域38での発生キャリアは読み出し用チャネル47を介して縦型レジスタ48へ送られてメモリされる。感光領域38及びレジスタ48を有するセルはP型チャネルストッパ領域35によって隣接セルから分離されている。そして、表面側には、ゲート絶縁膜42としてSiO層39上にSi層40及びSiO層41が積層され、レジスタのゲートとなる転送電極43が設けられ、層間絶縁膜44を介して遮光層45が形成されている。また、感光領域38上は、上記の層間絶縁膜44で覆われている。
【0019】
そして、受光セル内での余剰電荷を吸収するためのポテンシャルバリアは、N型領域33直下の領域38に形成され、これは基板31の電位(基板電位)によって制御され、余剰電荷50は基板31の方向に吸収される。
【0020】
しかし、この縦型オーバーフロードレイン型の場合には、上記の遮光層45の存在のためにセルの開口率が15〜30%程度しかなく、これを改善するのにマイクロレンズ(図示せず)で入射光を集光する必要がある上に(但し、メモリ部(図11に示した蓄積部2)を設ける必要がないのでCCDの素子サイズは小さくなる。)、領域38下の基板領域が不感領域となるために赤外感度が極端に低下する。従って、カラーの撮像には向いているが、近赤外を含む赤外光を入射光として使えず、赤外センサに用いるには不適当である。
【0021】
また、上記のバリア領域38の厚み又は深さに制約があるために、深さ方向において決定される容量が制限され、小さくなってしまう。これでは、ダイナミックレンジが狭くなると共に、隣接セルへ電荷が漏れ出し易くなり、撮像性能を劣化させることになる。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、受光領域を効果的に拡大し、赤外感度も確保できる等、量子効率を向上させると共に、容量の増大によってダイナミックレンジを改善し、かつ、素子の小型化にも対応できる電荷結合型半導体装置を提供することにある。
【0023】
即ち、本発明は、第1導電型の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された第2導電型のウエル領域と、上記ウエル領域に複数のチャネル領域を形成するために、上記ウエル領域の表面から上記半導体基板に達するように所定の間隔を置いて形成された第1導電型の複数のチャネルストッパ領域と、上記チャネルストッパ領域の表層部において当該チャネルストッパ領域に隣接してそれぞれ形成された第1導電型の第1及び第2のポテンシャルバリア領域と、上記第1及び第2のポテンシャルバリア領域の表面上に堆積されて形成され、上記チャネル領域内の余剰電荷を吸収するための第2導電型のポリシリコンで構成されるドレイン領域とを有する電荷結合型半導体装置に係わるものである。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明の電荷結合型半導体装置においては、前記チャネル領域としての第1導電型の第1チャネル領域(例えば後述のN型チャネル領域64a:以下、同様)と第1導電型の第2チャネル領域(例えば後述のN型チャネル領域64b:以下、同様)とが第2導電型の分離領域(例えば後述のP型チャネルストッパ領域63A:以下、同様)によって互いに分離され、この分離領域の両側にそれぞれ接して各ポテンシャルバリア領域が前記第1及び第2チャネル領域に形成され、前記分離領域及び前記各ポテンシャルバリア領域の表面上に接して余剰電荷吸収層が形成されていることが望ましい。
【0025】
また、前記チャネル領域の電荷転送方向において複数の電荷転送電極(例えば後述のポリシリコンゲート5:以下、同様)が間欠的に配列され、これらの電荷転送電極間のチャネル領域に電位分布固定用の第2導電型の半導体領域(例えば後述のP型反転層69a、69b又はバーチャル電極:以下、同様)が形成されているのがよく、このような電位分布固定用の半導体領域は前記ポテンシャルバリア領域と第2導電型のチャネルストッパ領域との間に形成されているのが望ましい。
【0026】
また、前記の第1導電型の第1チャネル領域と前記の第1導電型の第2チャネル領域とが前記の第2導電型のチャネルストッパ領域によって互いに分離され、前記チャネル領域の電荷転送方向において複数の前記電荷転送電極が間欠的に配列され、これらの電荷転送電極間のチャネル領域に電位分布固定用の前記の第2導電型の半導体領域が形成され、この半導体領域の表面に接して前記余剰電荷吸収層が形成されていてもよい。
【0027】
そして、前記ポテンシャルバリア領域及び前記余剰電荷吸収層が受光部(例えば後述の受光セル71からなる受光部:以下、同様)に形成され、この受光部に隣接して電荷蓄積部(例えば図11に示した蓄積部2)が配設されてよい。
【0030】
本発明の電荷結合型半導体装置は具体的には、前記余剰電荷吸収層への印加電圧によってポテンシャルバリア領域のポテンシャルバリアの高さが制御され、セル内の余剰電荷を効率良く吸収できるように構成する。
【0031】
この場合、余剰電荷吸収層が入射光透過性材料からなっていると、この余剰電荷吸収層を通して入射光がセル内へ効率良く入射できる。
【0032】
【実施例】
以下、本発明を実施例について更に詳細に説明する。
【0033】
図1〜図8は、本発明をフレームトランスファ型バーチャルフェイズCCDに適用した第1の実施例を示すものである(但し、図11〜図15に示した従来例と共通する部分には共通符号を付して、その説明を省略することがある)。
【0034】
本実施例によるCCDの基本的なレイアウトは図11に示したものと同様であるが、図1〜図3に示すように、受光部においてチャネルストッパ領域63によって分離された各N型チャネル領域64a、64bの電荷転送方向とほぼ直交した多数のポリシリコン転送ゲート5が所定ピッチで間欠的に配列されており、各転送ゲート間は不純物ドーピングによってバーチャル電極としての反転層69a、69bとなっている。
【0035】
これらの反転層69a、69bは、ボロン等のドーピングによってP型のバーチャル電極として形成され、その直下は上記した埋め込みチャネルとなっている。受光部の動作原理は図12で述べたものと同様である。
【0036】
そして、受光セル内での余剰電荷の制御を行うため、隣接セル間がP型チャネルストッパ領域63Aによって完全に分離され(即ち、図13のチャネルストッパ領域3Aが延長された形になっており)、このチャネルストッパ領域63Aの両側にP型ポテンシャルバリア領域76がそれぞれ形成され、これらの領域76及び63Aの表面に接してその上にN型ポリシリコンのドレイン層75がコンタクトホール77を介して形成され、余剰電荷を吸収するABドレイン72が構成されている。このABドレイン72のドレイン層75には、絶縁層19のバイアホール80を介して電極81から電圧が印加され、所定のポテンシャルバリア電位を生ぜしめる。
【0037】
即ち、電極81からドレイン層75に所定の電圧を印加すると、この電位によってドレイン層75とポテンシャルバリア領域76−ウエル73のPN接合近傍(ポテンシャルバリア82)とウエル73との間には、図4(a)に示すようなポテンシャルが形成され、ウエル73内の余剰電荷60はポテンシャルバリア82を乗り越えてドレイン層75へと吸い込まれることになる。そして、この吸収された電荷は電極81を通して放出される。
【0038】
また、隣接セル71−71間は、チャネルストッパ領域63Aによる電位障壁によって完全に絶縁分離され、電荷の漏出は生じない。仮にその電位障壁を越えようとする電荷があっても、これはチャネルストッパ領域63Aからドレイン層75へと吸収され、隣接セルへ侵入することはない。
【0039】
なお、上記のセル構成において、各セルのサイズとしてはバーチャル電極69a、69bの領域では6〜7μm×6〜7μm、チャネルストッパ領域63Aの幅wは 0.8μm程度、ポテンシャルバリア領域76の幅wは 0.5μm程度、ドレイン層75の幅wは3μm程度であってよい。また、不純物濃度については、チャネルストッパ領域63Aは1017個/cm程度、ポテンシャルバリア領域76は1016個/cm程度、ドレイン層75は1020個/cm程度であってよい。
【0040】
また、本実施例のCCDの受光部を作製するには、まず図5に示すように、P型シリコン基板14にN型ウエル73を拡散法で形成し、次いで図6に示すように、マスク(図示せず)を用いてP型反転層69a、69bとP型半導体領域76をそれぞれ選択的に形成する。
【0041】
次いで図7に示すように、SiO層90をマスクにして深い不純物拡散を行ってP型チャネルストッパ領域63、63Aを形成し、チャネルストッパ領域63AによりP型半導体領域76を両側に分け、夫々をポテンシャルバリア領域とする。
【0042】
次いで図8に示すように、表面にゲート酸化膜10を形成し、これに対し上記のチャネルストッパ領域63A及びポテンシャルバリア領域76上に亘って開口77を選択的に形成した後、CVD(Chemical Vapor Deposition)法でリンドープドポリシリコンを堆積させ、フォトリソグラフィー技術でエッチングしてN型ポリシリコンバリア層75を開口(コンタクトホール)77に被着する。
【0043】
しかる後に、図2に示したように、全面にSiO層19をCVD法で堆積し、これにフォトリソグラフィー技術でバイアホール80を形成し、更にメタル電極81を選択的に被着する。
【0044】
本実施例によるCCDは、図13〜図15に示した横型オーバーフロードレイン型の構造と比較すれば、ABドレイン72の余剰電荷吸収層としてのN型ポリシリコンからなるドレイン層75がウエル73の表面上、即ちチャネルストッパ領域63A及びポテンシャルバリア領域76の表面上に形成されているので、ウエル73内の余剰電荷はポテンシャルバリア領域76により決定されるポテンシャルバリアを越えて上方のドレイン層75へ吐き出されることになる。
【0045】
そして、このポテンシャルバリアの高さは、ポリシリコン層75に印加する電圧で制御され、余剰電荷を効果的に吸収、除去できる上に、ウエル73内にドレイン層を持たず、またポリシリコン層75は入射光を透過させるため、ポリシリコン層75の下部も通常のCCDの受光部の一部として機能することになる。従って、前述した不感領域を完全に受光素子から除くことができ、開口率がほぼ 100%にまで向上する。開口率が同じ場合、従来の構造に比べてセルサイズを減少させ、小型化が可能となる。なお、上記の電極81も入射光を透過するもの、例えばポリシリコン、ITO(Indium tin oxide)からなっている。
【0046】
このように、ドレイン層75をチャネル領域64a、64b(ウエル73)から離して設けたため、CCDの受光時の面積効率が著しく向上するが、その具体的な効果を次にまとめて示す。
【0047】
(1)受光領域が増えることによって、入射光の光電変換の量子効率が向上し、かつ、赤外感度も確保することができる。
【0048】
(2)開口率が向上するため、素子の小型化が可能である。
【0049】
(3)ウエル73だけでなくP型領域76までも入射光による電荷の発生が可能となるため、ウエル容量が増大し、CCDのダイナミックレンジが改善される。
【0050】
(4)ウエル容量の増大に加えて、チャネルストッパ領域63Aにより隣接セルを完全に分離し、また、チャネルストッパ領域63Aに接してドレイン層75を形成しているので、隣接セル間での電荷の漏出はなく、CCD性能を良好に保持できる。
【0051】
(5)ドレイン層75はポリシリコンで形成しているが、こうしたドレイン層はCCDに用いるものであることから、結晶性等の質が要求されることはないため、ポリシリコンを使用しても何ら問題はなく、むしろその光学的透明性や成膜性を考慮すると好ましいものである。
【0052】
(6)更に、上記した製造工程から理解されるように、その製造工程は現行のプロセスと非常に似ているため、工程の大きな変更や特殊な材料も必要がなく、簡略で低コストに実施することができる。
【0053】
図9は、本発明をフレームトランスファ型バーチャルフェイズCCDに適用した第2の実施例を示すものである。
【0054】
この実施例によれば、図1に示した構造と比べて、N型ポリシリコンのドレイン層75a、75bがそれぞれ、ポテンシャルバリア領域としても機能するP型反転層69a、69bの表面に接してこの上に直接形成されていることが異なっている。但し、図1に対応する部分には、反転層69a、69bに応じて、共通した数字にa、bをそれぞれ付している。
【0055】
このように、ドレイン層75a、75bを各セルにそれぞれ独立して設けても、各セル内の余剰電荷60a、60bは、ドレイン層75a、75bに印加する電圧による反転層69a、69b−ウエル73間のポテンシャルバリアを越えて各ドレイン層75a、75bに吸収、除去されるので、上述した第1の実施例と同様の効果を得ることができる。そして、P型領域76を設けないため、セルサイズを更に縮小することができる。
【0056】
図10は、本発明を図16の従来例と同様のセル構造のCCDに適用した第3の実施例を示すものである。
【0057】
この実施例では、図16の従来例と共通する部分には共通符号を付してその説明を省略するが、著しく相違する構成としては、受光側のN型領域33内のポテンシャルバリア領域としてのP++型領域36の表面に接して、層間絶縁膜44のコンタクトホール97を介してN型ポリシリコン層95が余剰電荷のドレイン層として被着され、更にこの上に層間絶縁膜100 のバイアホール101 を介して入射光透過性の電極91が被着されていることである。
【0058】
従って、ウエル32内で発生した余剰電荷50Aは、ドレイン層95へと吸い込まれて吸収、除去されることになる。この結果、図16で述べたような赤外感度を低下させる不感領域をなくすことができるため、赤外感度も向上させることができる。しかも、余剰電荷の吸収を効果的に行えることから、ウエル32の厚みを増やし、基板深さ方向における容量を大きくでき、また、隣接セルへの電荷の漏出も減少する。
【0059】
以上、本発明を実施例について説明したが、上述の実施例は本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【0060】
例えば、上述したチャネルストッパ領域、ポテンシャルバリア領域、ドレイン層等の断面形状や平面的なパターン形状、位置、サイズは様々に変化させてよいし、ドレイン層の材質についてはポリシリコンが好適であるが、他の光透過性材料で形成してもよい。
【0061】
また、上述したABドレインとして、横型オーバーフロードレイン型をはじめ、表面再結合型(EHR)等も使用可能である。また、上述したCCDを構成する各半導体領域の導電型を逆の導電型に変換することが可能である。
【0062】
なお、本発明は、上述したCCDをはじめとする光電変換素子等の光学的デバイスに適用することもできる。
【0063】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電荷結合型半導体装置によれば、受光領域の拡大、開口率の向上、素子の小型化およびダイナミックレンジの改善を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例によるCCDの受光部の要部の断面図(図2のI−I線に沿う断面図)とその一部分の拡大図である。
【図2】同受光部の要部の平面図である。
【図3】図2の III−III 線に沿う断面図である。
【図4】(a)は図2の(A’)−(A”)−(A)に沿うポテンシャル分布曲線図、(b)は図2の(B’)−(B”)−(B)に沿うポテンシャル分布曲線図である。
【図5】同受光部の製造工程の一段階を示す要部の断面図である。
【図6】同製造工程の他の段階を示す要部の断面図である。
【図7】同製造工程の他の段階を示す要部の断面図である。
【図8】同製造工程の更に他の段階を示す要部の断面図である。
【図9】本発明の第2の実施例によるCCDの受光部の要部の断面図である。
【図10】本発明の第3の実施例によるCCDの要部の断面図である。
【図11】従来例によるCCD及びその要部の概略平面図と光電変換特性図である。
【図12】同CCDにおける受光部の動作原理図である。
【図13】同CCDの受光部の要部の平面図である。
【図14】図13の XIV−XIV 線に沿う断面図である。
【図15】図13のXV−XV線に沿う断面図である。
【図16】他の従来例によるCCDの要部の断面図である。
【符号の説明】
5・・・転送ゲート
14・・・シリコン基板
60・・・余剰電荷
63、63A・・・チャネルストッパ領域
64a、64b・・・チャネル領域
69a、69b・・・反転層(バーチャル電極)
71・・・受光セル
72・・・ABドレイン
73・・・ウエル
75・・・ドレイン層
76・・・ポテンシャルバリア領域
78・・・ドレイン層(N型ポリシリコン層)
81・・・電極
82・・・ポテンシャルバリア
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a charge-coupled semiconductor device, and more particularly to a charge-coupled or transfer element called a CCD (Charge Coupled Device).
[0002]
[Prior art]
The CCD transfers a carrier generated by light incident on a light receiving portion by a clock pulse applied to a transfer electrode and extracts the carrier as a video signal. Various driving methods are known as the transfer method. Such a driving method includes a two-phase driving method, and a single-phase driving method capable of transferring charges by a single electrode is excellent in terms of a circuit configuration and controllability.
[0003]
As a charge transfer device, a buried channel type CCD is known, in which movable charges are accumulated and transferred in an induction channel in a semiconductor layer. In a general surface moving CCD, a trapping effect occurs at an interface between a surface oxide film and a silicon substrate. In a buried channel CCD, this trapping effect can be prevented, so that charge transfer efficiency is improved. In addition, since carrier scattering at the interface is eliminated, charge transfer efficiency can be improved. As a result, operation at a high frequency can be realized.
[0004]
In particular, an inversion layer is formed on a part of the semiconductor surface of each light receiving cell, and this inversion layer acts as a virtual electrode (virtual electrode or virtual electrode), thereby protecting the cell region from gate-induced potential change. The buried channel type single-phase driving CCD is effective.
[0005]
FIG. 11 schematically shows an example of a frame transfer (FT) type virtual phase CCD incorporating such a virtual electrode. The CCD has a light receiving unit (imaging unit) 1 and a storage unit (memory unit) 2 and transfers electrons photoelectrically converted according to the amount of light incident on a light receiving cell of the light receiving unit 1. In step S2, the data is temporarily stored, and output by the register 3 via the output amplifier 4.
[0006]
In the light receiving section 1, in each of the N type channel regions 4 separated by the channel stopper region 3 (shown as adjacent channel regions 4a and 4b for understanding in the drawings), the charge transfer direction is substantially orthogonal. A large number of polysilicon transfer gates 5 are intermittently arranged at a predetermined pitch, and inversion layers 9a and 9b as virtual electrodes are formed between the transfer gates by impurity doping. The accumulating portion 2 is separated into respective channel regions 7a and 7b by corresponding channel stopper regions 6 so as to receive the transfer charge from the light receiving portion 1, and the polysilicon transfer gates 8 are intermittently arranged at a predetermined pitch. I have.
[0007]
FIG. 12 schematically shows a cross section (cross section taken along the line XII-XII in FIG. 11) of the light receiving unit 1. For example, the SiO 2 film 10 is formed on the surface of the N type semiconductor layer 13 and the above-described transfer is performed. gate 5 is enabled to transfer the charges in the substrate (optical carrier) by the clock pulses phi 1 and provided at a predetermined pitch. A P + -type inversion layer 9b is formed as a virtual electrode between the transfer gates 5 by doping with boron or the like, and the buried channel immediately below the P + -type inversion layer 9b. Note that + in the figure is an implanted ion (implanted donor).
[0008]
When explaining the operation principle of the light receiving portion 1, the inversion layer 9b, with the cell portion from the potential change due to gate induced is protected, by applying a clock signal phi 1 to the gate 5 of the single-phase electrodes, the gate The potential maximum values in the regions I and II below the region 5 repeatedly increase and decrease based on the fixed potential maximum values in the regions III and IV below the inversion layer 9b. Potential Then, two gate states (phi 1 high, low) higher than the potential maximum area I region II in, also, since the region IV is maintained at a high potential than the region III, by switching the phi 1 Are alternately changed as shown by a solid line and a dashed line, and the directionality of charge transfer for transferring charges (electrons) in the X direction is obtained.
[0009]
In the light receiving section 1, in each light receiving cell 11 between the channel stopper regions 3-3, an AB drain 12 (Anti-Blooming (AB) having a function of sucking up excess charge so that generated charge larger than the capacity does not leak to an adjacent cell. AB) drain) is formed.
[0010]
When a single pixel structure of a CCD is classified, a horizontal overflow drain type (LOD) having a discharge port on a plane as shown in FIGS. And a vertical overflow drain type (VOD) for extracting excess charges in the direction of the substrate as shown in FIG.
[0011]
According to the horizontal overflow drain type shown in FIGS. 13 to 15, as shown in FIGS. 11 and 12, in the light receiving section 1, the charge transfer direction of each of the channel regions 4 a and 4 b separated by the channel stopper region 3 is determined. A number of substantially orthogonal polysilicon transfer gates 5 are intermittently arranged at a predetermined pitch, and inversion layers 9a and 9b as virtual electrodes are formed between the transfer gates by impurity doping. The aperture ratio of the light receiving unit 1 is, for example, about 85%.
[0012]
That is, an SiO 2 film 10 is formed on the surface of an N type semiconductor layer (well) 13 formed on a P type silicon substrate 14, and the above-mentioned transfer gates 5 are provided at a predetermined pitch on the SiO 2 film 10. and to be able to transfer the charges in the substrate (optical carrier) by phi 1. P + -type inversion layers 9 a and 9 b are formed as virtual electrodes between the transfer gates 5 by doping with phosphorus or the like, and the buried channel immediately below the P + -type inversion layers 9 a and 9 b. The operating principle of the light receiving unit 1 is the same as that described with reference to FIG.
[0013]
Then, in order to control the surplus charge in the light receiving cell, an AB including an N + type drain region 15 and a P type potential barrier region 16 surrounding the drain region in the N type semiconductor layer 13 between adjacent cells. The drain 12 is formed in contact with the channel stopper region 3A on both sides. A polysilicon gate 18 is attached to the drain region 15 of the AB drain 12 via a contact hole 17, a voltage is applied from a metal electrode 21 via a via hole 20 in an insulating layer 19, and a predetermined potential barrier potential is applied. To produce
[0014]
That is, a predetermined voltage is applied from the electrode 21 to the gate 18 to make the N + -type drain region 15 the same potential as the gate 18, and the potential of the P -type potential barrier region 16 is adjusted by this potential. 4b, a surplus charge 30 exceeding a potential barrier formed near the PN junction 22 is absorbed by the N + -type drain region 15 and discharged through the gate 18 and the electrode 21.
[0015]
However, in this horizontal overflow drain type structure, the drain region 15 for absorbing the surplus charge has a function of absorbing the charge. Therefore, when the CCD is used as the light receiving element, the drain region 15 (and the gate 18) is used. ) Does not function as a light receiving unit and is a dead area. Therefore, the aperture ratio of the light receiving section is only about 85%, which is not enough.
[0016]
Also, when used as an analog memory, the drain region 15 does not function as a charge storage region, and thus the basic characteristics (dynamic range) of the CCD are insufficient for the high necessity.
[0017]
On the other hand, according to the vertical overflow drain type shown in FIG. 16, a P-type well 32 is formed in an N-type silicon substrate 31, and within this P-type well, an N + -type impurity diffusion region 33 and further a P + -type impurity are formed. A diffusion region 36 is formed, a photodiode PD formed by a PN junction (J) forms a photosensitive region 38 (pixel), and a P + -type impurity diffusion region 37 and an N-type impurity diffusion region 34 are shown in FIG. A vertical register 48 corresponding to the storage unit 2 is formed in a cell.
[0018]
The carriers generated in the photosensitive region 38 are sent to a vertical register 48 via a read channel 47 and stored therein. The cell having the photosensitive region 38 and the register 48 is separated from an adjacent cell by a P + type channel stopper region 35. On the surface side, a Si 3 N 4 layer 40 and a SiO 2 layer 41 are laminated on a SiO 2 layer 39 as a gate insulating film 42, a transfer electrode 43 serving as a gate of a register is provided, and an interlayer insulating film 44 is formed. A light-shielding layer 45 is formed with the interposition. Further, the photosensitive region 38 is covered with the above-mentioned interlayer insulating film 44.
[0019]
A potential barrier for absorbing the surplus charge in the light receiving cell is formed in a region 38 directly below the N + type region 33, which is controlled by the potential of the substrate 31 (substrate potential). It is absorbed in the direction of 31.
[0020]
However, in the case of the vertical overflow drain type, the aperture ratio of the cell is only about 15 to 30% due to the presence of the light shielding layer 45, and a microlens (not shown) is used to improve this. In addition to the need to collect incident light (however, there is no need to provide a memory unit (accumulation unit 2 shown in FIG. 11), so the CCD element size is reduced), and the substrate area below the area 38 is insensitive. Because of the region, the infrared sensitivity is extremely reduced. Therefore, although suitable for color imaging, infrared light including near-infrared light cannot be used as incident light and is unsuitable for use in infrared sensors.
[0021]
In addition, since the thickness or depth of the barrier region 38 is limited, the capacitance determined in the depth direction is limited, and the capacitance is reduced. In this case, the dynamic range is narrowed, and the electric charge is easily leaked to the adjacent cells, so that the imaging performance is deteriorated.
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to improve the quantum efficiency by effectively expanding the light receiving area and securing infrared sensitivity, to improve the dynamic range by increasing the capacity, and to cope with the downsizing of the element. An object of the present invention is to provide a charge-coupled semiconductor device.
[0023]
That is, the present invention provides a semiconductor substrate of a first conductivity type, a well region of a second conductivity type formed on the semiconductor substrate, and a plurality of channel regions formed in the well region. A plurality of first conductivity-type channel stopper regions formed at predetermined intervals so as to reach the semiconductor substrate from the surface; and a plurality of channel stopper regions formed adjacent to the channel stopper region in a surface layer portion of the channel stopper region. First and second potential barrier regions of a first conductivity type, and a second potential barrier region formed on the surfaces of the first and second potential barrier regions, the second potential barrier region absorbing excess charges in the channel region. The present invention relates to a charge-coupled semiconductor device having a drain region made of conductive polysilicon .
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the charge-coupled semiconductor device according to the present invention, a first conductive type first channel region (for example, an N type channel region 64a described later; the same applies hereinafter) as the channel region and a first conductive type second channel region are used. (For example, an N type channel region 64b described below: the same applies hereinafter) and a second conductivity type isolation region (for example, a P + type channel stopper region 63A described below: the same applies hereinafter). , Each potential barrier region is formed in the first and second channel regions, and an excess charge absorption layer is formed in contact with the surfaces of the isolation region and each potential barrier region.
[0025]
Also, a plurality of charge transfer electrodes (for example, a polysilicon gate 5 described later; the same applies hereinafter) are intermittently arranged in the charge transfer direction of the channel region, and a potential distribution fixing channel is provided in the channel region between these charge transfer electrodes. A semiconductor region of the second conductivity type (for example, P + -type inversion layers 69a, 69b or a virtual electrode, which will be described later; the same applies hereinafter) is preferably formed. It is desirable to form between the region and the channel stopper region of the second conductivity type.
[0026]
Further, the first channel region of the first conductivity type and the second channel region of the first conductivity type are separated from each other by the channel stopper region of the second conductivity type, and in the charge transfer direction of the channel region. A plurality of the charge transfer electrodes are intermittently arranged, and the second conductivity type semiconductor region for fixing the potential distribution is formed in a channel region between the charge transfer electrodes, and the semiconductor region is in contact with a surface of the semiconductor region. An excess charge absorbing layer may be formed.
[0027]
Then, the potential barrier region and the surplus charge absorbing layer are formed in a light receiving section (for example, a light receiving section including a light receiving cell 71 described later; the same applies hereinafter), and a charge storage section (for example, FIG. The indicated storage unit 2) may be provided.
[0030]
Specifically, the charge-coupled semiconductor device of the present invention is configured such that the height of the potential barrier in the potential barrier region is controlled by the voltage applied to the surplus charge absorbing layer, and the surplus charge in the cell can be efficiently absorbed. I do.
[0031]
In this case, if the surplus charge absorbing layer is made of an incident light transmitting material, incident light can efficiently enter the cell through the surplus charge absorbing layer.
[0032]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
[0033]
FIGS. 1 to 8 show a first embodiment in which the present invention is applied to a frame transfer type virtual phase CCD (however, common parts to those of the conventional example shown in FIGS. 11 to 15 are denoted by common reference numerals). And description thereof may be omitted).
[0034]
The basic layout of the CCD according to this embodiment is the same as that shown in FIG. 11, but as shown in FIGS. 1 to 3, each N - type channel region separated by a channel stopper region 63 in the light receiving section. A large number of polysilicon transfer gates 5 substantially orthogonal to the charge transfer directions of 64a and 64b are intermittently arranged at a predetermined pitch, and the inversion layers 69a and 69b as virtual electrodes are formed between the transfer gates by impurity doping. I have.
[0035]
These inversion layers 69a and 69b are formed as P + -type virtual electrodes by doping with boron or the like, and immediately below the inversion layers are the buried channels. The operation principle of the light receiving unit is the same as that described with reference to FIG.
[0036]
Then, in order to control surplus charges in the light receiving cells, adjacent cells are completely separated from each other by the P + type channel stopper region 63A (that is, the channel stopper region 3A in FIG. 13 is extended). ), this on both sides of the channel stopper region 63A P - is type potential barrier region 76 are formed respectively, the N + -type polysilicon drain layer 75 of the contact hole 77 thereon in contact with the surface of these areas 76 and 63A An AB drain 72 is formed through the gate and absorbs excess charges. A voltage is applied to the drain layer 75 of the AB drain 72 from the electrode 81 via the via hole 80 of the insulating layer 19, and a predetermined potential barrier potential is generated.
[0037]
That is, when a predetermined voltage is applied from the electrode 81 to the drain layer 75, the potential causes the potential between the drain layer 75 and the vicinity of the PN junction (potential barrier 82) between the potential barrier region 76 and the well 73 and the well 73 as shown in FIG. A potential as shown in (a) is formed, and the surplus electric charges 60 in the well 73 are absorbed into the drain layer 75 over the potential barrier 82. Then, the absorbed charge is released through the electrode 81.
[0038]
In addition, the adjacent cells 71-71 are completely insulated and separated by the potential barrier by the channel stopper region 63A, so that no charge leaks. Even if there is a charge that attempts to cross the potential barrier, the charge is absorbed from the channel stopper region 63A into the drain layer 75 and does not invade an adjacent cell.
[0039]
In the above cell configuration, the size of each cell is 6 to 7 μm × 6 to 7 μm in the area of the virtual electrodes 69 a and 69 b, the width w 1 of the channel stopper area 63 A is about 0.8 μm, and the width of the potential barrier area 76. w 2 may be about 0.5 μm, and the width w 3 of the drain layer 75 may be about 3 μm. As for the impurity concentration, the channel stopper region 63A may have a density of about 10 17 / cm 3 , the potential barrier region 76 may have a density of about 10 16 / cm 3 , and the drain layer 75 may have a density of about 10 20 / cm 3 .
[0040]
In order to fabricate the light receiving portion of the CCD of this embodiment, first, as shown in FIG. 5, an N - type well 73 is formed on a P - type silicon substrate 14 by a diffusion method, and then, as shown in FIG. Then, the P + type inversion layers 69a and 69b and the P type semiconductor region 76 are selectively formed using a mask (not shown).
[0041]
Next, as shown in FIG. 7, deep impurity diffusion is performed by using the SiO 2 layer 90 as a mask to form P + -type channel stopper regions 63 and 63A, and the P -type semiconductor region 76 is divided on both sides by the channel stopper region 63A. , Each as a potential barrier region.
[0042]
Next, as shown in FIG. 8, a gate oxide film 10 is formed on the surface, an opening 77 is selectively formed over the channel stopper region 63A and the potential barrier region 76, and then a CVD (Chemical Vapor) is formed. Phosphorus-doped polysilicon is deposited by a Deposition method, and is etched by a photolithography technique to deposit an N + type polysilicon barrier layer 75 in an opening (contact hole) 77.
[0043]
Thereafter, as shown in FIG. 2, a SiO 2 layer 19 is deposited on the entire surface by a CVD method, a via hole 80 is formed on the SiO 2 layer 19 by a photolithography technique, and a metal electrode 81 is selectively deposited.
[0044]
The CCD according to the present embodiment is different from the horizontal overflow drain type structure shown in FIGS. 13 to 15 in that the drain layer 75 made of N + -type polysilicon as a surplus charge absorption layer of the AB drain 72 is formed in the well 73. Since it is formed on the surface, that is, on the surface of the channel stopper region 63A and the surface of the potential barrier region 76, surplus charges in the well 73 are discharged to the upper drain layer 75 beyond the potential barrier determined by the potential barrier region 76. Will be.
[0045]
The height of the potential barrier is controlled by the voltage applied to the polysilicon layer 75, so that excess charges can be effectively absorbed and removed, and the drain layer is not provided in the well 73. In order to transmit the incident light, the lower part of the polysilicon layer 75 also functions as a part of the light receiving part of the normal CCD. Therefore, the above-mentioned dead area can be completely removed from the light receiving element, and the aperture ratio is improved to almost 100%. When the aperture ratio is the same, the cell size can be reduced and the size can be reduced as compared with the conventional structure. The electrode 81 is also made of a material that transmits incident light, for example, polysilicon or ITO (Indium Tin Oxide).
[0046]
As described above, since the drain layer 75 is provided apart from the channel regions 64a and 64b (well 73), the area efficiency of the CCD at the time of receiving light is remarkably improved. The specific effects are summarized below.
[0047]
(1) By increasing the light receiving region, the quantum efficiency of photoelectric conversion of incident light is improved, and infrared sensitivity can be secured.
[0048]
(2) Since the aperture ratio is improved, the size of the element can be reduced.
[0049]
(3) Since charges can be generated by incident light not only in the well 73 but also in the P type region 76, the well capacity is increased and the dynamic range of the CCD is improved.
[0050]
(4) In addition to the increase in the well capacity, adjacent cells are completely separated by the channel stopper region 63A, and the drain layer 75 is formed in contact with the channel stopper region 63A. There is no leakage, and good CCD performance can be maintained.
[0051]
(5) Although the drain layer 75 is formed of polysilicon, since such a drain layer is used for a CCD, quality such as crystallinity is not required. There is no problem at all, and it is rather preferable considering its optical transparency and film formability.
[0052]
(6) Further, as can be understood from the above-described manufacturing process, the manufacturing process is very similar to the current process, so that there is no need for a large change in the process or special materials, and the process can be performed simply and at low cost. can do.
[0053]
FIG. 9 shows a second embodiment in which the present invention is applied to a frame transfer type virtual phase CCD.
[0054]
According to this embodiment, as compared with the structure shown in FIG. 1, the drain layers 75a and 75b of N + type polysilicon are in contact with the surfaces of the P + type inversion layers 69a and 69b which also function as potential barrier regions. The difference is that it is formed directly on the lever. However, portions corresponding to those in FIG. 1 are given common numbers a and b according to the inversion layers 69a and 69b, respectively.
[0055]
As described above, even if the drain layers 75a and 75b are provided independently in each cell, the surplus electric charges 60a and 60b in each cell are generated by the inversion layers 69a and 69b-well 73 by the voltage applied to the drain layers 75a and 75b. Since it is absorbed and removed by the drain layers 75a and 75b across the potential barrier therebetween, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Since the P type region 76 is not provided, the cell size can be further reduced.
[0056]
FIG. 10 shows a third embodiment in which the present invention is applied to a CCD having a cell structure similar to that of the conventional example of FIG.
[0057]
In this embodiment, portions common to those in the conventional example of FIG. 16 are denoted by common reference numerals and description thereof is omitted. However, a significantly different configuration is that a potential barrier region in the N + type region 33 on the light receiving side is used. In contact with the surface of the P ++ type region 36, an N + type polysilicon layer 95 is deposited as a surplus charge drain layer via the contact hole 97 of the interlayer insulating film 44. That is, an electrode 91 that transmits incident light is attached via the via hole 101.
[0058]
Therefore, the surplus charge 50A generated in the well 32 is sucked into the drain layer 95, absorbed and removed. As a result, it is possible to eliminate the insensitive region that lowers the infrared sensitivity as described with reference to FIG. 16, and thus it is possible to improve the infrared sensitivity. Moreover, since the excess charge can be effectively absorbed, the thickness of the well 32 can be increased, the capacity in the substrate depth direction can be increased, and the leakage of the charge to the adjacent cell can be reduced.
[0059]
As described above, the present invention has been described with respect to the embodiment. However, the above-described embodiment can be variously modified based on the technical idea of the present invention.
[0060]
For example, the cross-sectional shape, planar pattern shape, position, and size of the above-described channel stopper region, potential barrier region, drain layer, and the like may be variously changed, and polysilicon is suitable as the material of the drain layer. And other light-transmitting materials.
[0061]
Further, as the above-mentioned AB drain, a horizontal overflow drain type, a surface recombination type (EHR), or the like can be used. Further, it is possible to convert the conductivity type of each semiconductor region constituting the above-mentioned CCD into the opposite conductivity type.
[0062]
The present invention can also be applied to optical devices such as the above-described CCD and photoelectric conversion elements.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the charge-coupled semiconductor device of the present invention, it is possible to realize an enlarged light receiving area, an improved aperture ratio, a smaller element, and an improved dynamic range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along line II of FIG. 2) of a main part of a light receiving unit of a CCD according to a first embodiment of the present invention and an enlarged view of a part thereof.
FIG. 2 is a plan view of a main part of the light receiving unit.
FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2;
4A is a diagram showing a potential distribution curve along (A ′)-(A ″)-(A) in FIG. 2, and FIG. 4B is a diagram showing a potential distribution curve along (B ′)-(B ″)-(B) in FIG. FIG. 4 is a potential distribution curve diagram along ().
FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part showing one stage of a manufacturing process of the light receiving unit.
FIG. 6 is a sectional view of a main part showing another stage of the manufacturing process.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part showing another stage of the manufacturing process.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part showing still another stage of the manufacturing process.
FIG. 9 is a sectional view of a main part of a light receiving section of a CCD according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view of a main part of a CCD according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic plan view and a photoelectric conversion characteristic diagram of a conventional CCD and its main part.
FIG. 12 is an operation principle diagram of a light receiving section in the CCD.
FIG. 13 is a plan view of a main part of a light receiving section of the CCD.
14 is a sectional view taken along the line XIV-XIV in FIG.
FIG. 15 is a sectional view taken along the line XV-XV in FIG.
FIG. 16 is a sectional view of a main part of a CCD according to another conventional example.
[Explanation of symbols]
5 Transfer gate 14 Silicon substrate 60 Surplus charges 63 and 63A Channel stopper regions 64a and 64b Channel regions 69a and 69b Inversion layer (virtual electrode)
71 light receiving cell 72 AB drain 73 well 75 drain layer 76 potential barrier region 78 drain layer (N + type polysilicon layer)
81 ... electrode 82 ... potential barrier

Claims (6)

第1導電型の半導体基板と、
上記半導体基板上に形成された第2導電型のウエル領域と、
上記ウエル領域に複数のチャネル領域を形成するために、上記ウエル領域の表面から上記半導体基板に達するように所定の間隔を置いて形成された第1導電型の複数のチャネルストッパ領域と、
上記チャネルストッパ領域の表層部において当該チャネルストッパ領域に隣接してそれぞれ形成された第1導電型の第1及び第2のポテンシャルバリア領域と、
上記第1及び第2のポテンシャルバリア領域の表面上に堆積されて形成され、上記チャネル領域内の余剰電荷を吸収するための第2導電型のポリシリコンで構成されるドレイン領域
を有する電荷結合型半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type well region formed on the semiconductor substrate;
A plurality of channel stopper regions of a first conductivity type formed at predetermined intervals so as to reach the semiconductor substrate from the surface of the well region to form a plurality of channel regions in the well region;
First and second potential barrier regions of the first conductivity type formed adjacent to the channel stopper region in a surface layer of the channel stopper region;
And a drain region formed on the surfaces of the first and second potential barrier regions and formed of polysilicon of a second conductivity type for absorbing excess charges in the channel region. Type semiconductor device.
上記チャネル領域の電荷転送方向において間欠的に形成された複数の電荷転送電極を有する請求項1に記載の電荷結合型半導体装置。2. The charge-coupled semiconductor device according to claim 1, further comprising a plurality of charge transfer electrodes formed intermittently in a charge transfer direction of the channel region. 上記電荷転送電極間のチャネル領域の表層部に形成された電位分布固定用の第1導電型の半導体領域を有する請求項2に記載の電荷結合型半導体装置。3. The charge-coupled semiconductor device according to claim 2, further comprising a semiconductor region of a first conductivity type for fixing a potential distribution formed in a surface portion of a channel region between the charge transfer electrodes . 上記ドレイン領域に印加される電圧により上記ポテンシャルバリア領域のポテンシャルが制御される請求項1,2又は3に記載の電荷結合型半導体装置。4. The charge-coupled semiconductor device according to claim 1, wherein the potential of said potential barrier region is controlled by a voltage applied to said drain region. 上記ポテンシャルバリア領域が受光部の一部として機能する請求項1,2,3又は4に記載の電荷結合型半導体装置。5. The charge-coupled semiconductor device according to claim 1, wherein said potential barrier region functions as a part of a light receiving section. 上記チャネルストッパ領域の不純物濃度が上記ポテンシャルバリア領域の不純物濃度よりも高い請求項1,2,3,4又は5に記載の電荷結合型半導体装置。6. The charge-coupled semiconductor device according to claim 1, wherein said channel stopper region has a higher impurity concentration than said potential barrier region.
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