JP4594463B2 - フォトセル用ｍｏｓ型トランジスタ - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、活性領域と、該活性領域に境を接している絶縁性の受動領域とを備え、活性領域に光電性ソース領域と、ドレイン電極と、ゲート電極とが形成されているフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ連邦共和国特許第４２０９５３６号公報からは、この種のＭＯＳ型トランジスタを撮像素子チップ用のフォトセルに使用することが知られている。この種の撮像素子チップは、二次元アレイの形態で配置される多数のフォトセルを有している。フォトセルはそれぞれ、高い入力信号動的特性を低減された出力信号動的特性に写像するための読取り論理回路と接続されている。
【０００３】
前記フォトセルは、高い入力信号動的特性を低減された出力信号動的特性に写像するための読取り論理回路と接続されているので、第１の光電性（photosensitive) ＭＯＳ型トランジスタの主電極は第２のＭＯＳ型トランジスタのゲート電極と接続され、第１のＭＯＳ型トランジスタのゲート電極には、入力信号動的特性の圧縮を制御する制御電圧が印加され、第２のＭＯＳ型トランジスタの他の主電極は共通のポテンシャルにあり、第２のＭＯＳ型トランジスタの第２の主電極には出力信号増幅器が接続されている。
【０００４】
第１のトランジスタのドレイン電極とゲートが短絡され、固定ポテンシャルに設定されていれば、画像情報を放射測定的に一義的に評価させ得るような出力特性が７十進以上の範囲に亘って正確に対数的に得られる。
【０００５】
このようなフォトセルを備えたアレイの解像度を改善するには、フォトセルをさらにミニチュア化させる必要がある。フォトセルのトランジスタをさらにミニチュア化させるために適した方法は、いわゆるＳＴＩ方式（shallow trench isolation）であり、この方式ではトランジスタの活性領域が酸化物で充填した溝により絶縁されており、ゲート電極用の電極素材は電流の流動方向に対して交差する方向にストライプ状に配置されている。したがって活性領域（半導体素材）は２つの絶縁性受動領域（酸化物）により側方から囲まれており、ゲート電極は一方の受動領域から活性領域を越えて他方の受動領域の方へ延びている(Somnath Nag "Shallow trench isolation for sub-0.25 μm IC technologies in Solid State Technology,１９９７年、第４０巻、Ｎｏ．９、第１２９−１３５頁）。
【０００６】
ＳＴＩ方式により形成されたこのトランジスタは、基本的には冒頭で述べたフォトセル用の光電素子として適しているが、ＳＴＩ方式にしたがって製造されたこの種のトランジスタは、活性領域と絶縁酸化物領域との境界面領域に寄生トランジスタを有している。この寄生トランジスタは、信号の強さが比較弱い領域、特性曲線のいわゆる「閾値」領域で現れる。特性曲線のこの領域は、ゲートとドレイン電極が同じポテンシャルと接続されている場合には指数関数的に変化する。しかし寄生トランジスタにより、指数関数的に変化する特性曲線に別の信号が重畳し、この別の信号の一部は本来の信号よりもかなり強く、したがって指数関数的な変化を阻害する。このためＳＴＩ方式にしたがって製造されたトランジスタはミニチュア化が可能であるが、この寄生トランジスタのゆえに冒頭で述べたフォトセルには適していない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、フォトセル用ＭＯＳ型トランジスタにおいてフォトセルをさらにミニチュア化させ、しかもフォトセルの指数関数的な特性曲線を生じさせることができるフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明に係るフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタは、半導体基板上にゲート電極と、ドレイン電極と、光電性ソース領域とが形成され、前記ゲート電極と半導体基板の間に酸化層が配設され、該酸化層がＭＯＳ型トランジスタの活性領域で薄い酸化層として形成され、かつＭＯＳ型トランジスタの受動領域で厚い酸化層として形成されているフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタにおいて、前記ゲート電極がＭＯＳ型トランジスタの活性領域に閉じたリング状部分を有し、かつ前記ドレイン電極または光電性ソース領域のいずれか一方を前記ゲート電極のリング状部分の内側に配置することによって前記ゲート電極により制御される電流の流れを活性領域だけに限定したことを特徴とするものである。
【０００９】
ＭＯＳ型トランジスタを本発明にしたがって構成することにより、すなわちゲート電極がリング状領域を有し、ドレイン電極または光電性ソース領域がリング状のゲート電極の内側に配置されていることにより、電流の流れはゲート電極のリング状領域の中心部に対して半径方向へ延び、すなわちこの中心部から半径方向へ離れる方向に延びる。したがって活性領域と受動領域との移行領域に沿った電流の流れは発生しないので、いかなる寄生トランジスタも阻止されている。
【００１０】
ゲート電極は付属部分を有している。この付属部分は活性的なソース領域またはドレイン電極のいずれか一方だけを横切っているので、本発明によるＭＯＳ型トランジスタの特性曲線には何ら影響しない。むしろ付属部分は、ゲート電極を受動領域の上方で電気導体と電気的に接触させており、この構成は製造上必要なことである。
【００１１】
ＭＯＳ型トランジスタを本発明にしたがって構成することにより、いかなる寄生的エッジ効果も阻止されるので、ＭＯＳ型トランジスタの製造にＳＴＩ方式を適用でき、これにより絶縁性受動領域を非常に幅狭にすることができる。したがって本発明によるＭＯＳ型トランジスタは、比較可能な従来のトランジスタよりも一層ミニチュア化でき、高解像度を備えた光電性アレイの製造を可能にする。
【００１２】
本発明の有利な実施態様によれば、ゲート電極とドレイン電極が同じ電気ポテンシャルに接続されているので、ＭＯＳ型トランジスタは複数の十進に亘って延びる対数的な特性曲線を有している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を添付図面を参照して例示するが、これは本発明の普遍的な技術思想を限定するものではない。
【００１４】
本発明によるＭＯＳ型トランジスタ１は、例えばシリコン基板からなる半導体基板２上に形成されている（図４参照）。半導体基板２上にはゲート電極３が形成され、ゲート電極３は、直接基板２上に被着された酸化層４と、その上にコーティングされたポリシリコン層５から公知の形態で構成されている。酸化層４は、トランジスタ１の活性領域またはチャンネル領域６の方がそれに隣接している受動領域７よりも薄く形成されている。活性領域６から受動領域７への移行部における半導体基板２内のドーピングも公知の形態で変えることができる。
【００１５】
本発明によればゲート電極３は、トランジスタ１の活性領域６上に配置されているリング状部分８を有している。ゲート電極３のリング状部分８からはゲート電極３の付属部分９が受動領域７まで延びており、すなわちポリシリコン層５と半導体基板２の間にある酸化層４は、活性領域６から付属部分９の下方に配置されている受動領域７への移行領域１０において、薄い酸化層４ａから厚い酸化層４ｂへ移行している。受動領域７に配置されている付属部分は、平面図において電気導体（図示せず）を接触させることができる正方形のパッド面１１へ拡大されている。
【００１６】
ゲート電極３の前記リング状部分８の内側にはドレイン電極１２が配置されている。
【００１７】
ゲート電極３のリング状部分８の外側には光電性ソース領域１３があり、光電性ソース領域においては光量子の照射により電荷担体を発生させることができる。ドレイン電極１２へ誘導される電荷担体は光電流を生じさせる。この光電流は図４に図示されている。電流の流れはドレイン電極１２に対して半径方向に向けられており、すなわち光電流は光電性ソース領域１３から、つまりゲート電極３のリング状部分８の外側の領域から放射状に、リング状部分８の中心部に配置されているドレイン電極１２へ延びている。
【００１８】
このように、本発明による電極３，１２，１３の配置では、移行領域１０に沿って延在する光電流は存在しない。半導体基板２の移行領域１０に電流の流れが存在しないので、ＳＴＩ方式にしたがって製造される従来のトランジスタの場合のような寄生トランジスタが発生することもない。
【００１９】
したがって本発明にとって重要なことは、電流の流れが活性領域６に限定され、移行領域１０に沿った流れが回避されることである。これは、移行領域１０に対して間隔を持って配置されるゲート電極３のリング状部分８によって得られる。
【００２０】
本発明の範囲内では、光電性ソース領域をリング状部分８の内側に配置し、ドレイン電極１２をリング状部分８の外側に配置してもよい。しかしフォトセルに対しては、図１に図示した実施例のようにドレイン電極１２をゲート電極３のリング状部分８ａの内側に配置する構成が有利である。これにより比較的小さな電極面で大きな光電性ソース領域１３を検知できるからである。
【００２１】
本発明の範囲内ではリング状部分８の形状を変えて、フレームの幾何学的条件に適合させてもよい。たとえばリング状部分を平面図において円形、正方形、長方形、楕円形などに形成することができる。
【００２２】
本発明にしたがってＳＴＩ方式に基づいてＭＯＳ型トランジスタ１を製造することにより、厚い酸化層４ｂを平面図において非常に短く、または幅狭に形成することができ、これにより受動領域７を非常に幅狭にさせることができる。受動領域７が幅狭であると、従来のトランジスタに比べてＭＯＳ型トランジスタ１の全面積が狭くなり、したがってさらにミニチュア化が可能になる。さらに受動領域が狭ければ、公知のトランジスタに比べて活性領域６、特に光電性ソース領域１３の占める割合が高くなるので、個々のトランジスタの光電性が改善される。したがって本発明によるＭＯＳ型トランジスタにより、高解像度の（単位面積当たりのフォトセルが多い）撮像素子チップの製造が可能になり、光電性領域の占める割合を大きくすることができるので、個々のフォトセルの感度は従来のフォトセルに比べて高い。
【００２３】
図１に図示したトランジスタは、薄い金属層１４を有している。この薄い金属層１４はゲート電極３をドレイン電極１２と電気的に接続させ、半導体基板２に対して絶縁されている。これによりゲート電極３とドレイン電極１２は短絡されるので、電流電圧対数変換を生じさせる（図３の曲線１５を参照）。この曲線１５は１０の７乗以上の範囲に亘って正確に対数変化している。
【００２４】
ドレイン電極１２とゲート電極３を短絡させたトランジスタ１の他の実施例の回路図を図２に示す。この場合、ゲート電極３とドレイン電極１２はアースされている。出力電圧ＶＯＵＴに対しては、ＶＯＵＴ〜ａ＋Ｖ０ｌｏｇ（Ｉｄ／Ｉ０）が適用される。ここでａ、Ｖ０、Ｉ０は定数、Ｉｄはドレイン電流または光電流である。
【００２５】
比較のために、図３にＳＴＩ方式にしたがって製造され、ドレイン電極とゲート電極とを短絡させたトランジスタの特性曲線１６を図示した。冒頭で述べた寄生トランジスタによりその特性曲線１６は、対数グラフで直線的に変化している本発明によるトランジスタ１に比べると、ＶＯＵＴ＜１Ｖの領域で、すなわち閾値領域で隆起している。この隆起は付加的な寄生トランジスタによって発生するもので、付加的な寄生トランジスタはメイントランジスタの電流と重畳する付加的な電流を生じさせる。
【００２６】
本発明によるゲート電極のリング状構成は、ＳＴＩ方式で製造されたトランジスタでのこの種の寄生電流を除去する。
【００２７】
本発明によるＭＯＳ型トランジスタ１は、電子的分析器を備えた撮像素子チップのフォトセル用光電素子として有利に使用される。この種の電子的分析器は、高い入力信号動的特性を低減された出力信号動的特性に写像するために構成された読取り論理回路を有することができる。この場合、本発明によるＭＯＳ型トランジスタは主電極が第２のＭＯＳ型トランジスタのゲート電極と接続されているので、光電性トランジスタのゲート電極に制御電圧が印加され、この制御電圧により入力信号動的特性の圧縮を制御することができる。その際光電性トランジスタの他の主電極と第２のトランジスタの第１の主電極とは共通のポテンシャルにあり、第２のトランジスタの第２の主電極には出力信号増幅器が接続されている。この有利な回路はドイツ連邦共和国特許第４２０９５３６号公報に詳細に説明されており、内容に関してはこの公報を参照されたい。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べた通り本発明によれば、フォトセルをさらにミニチュア化させ、しかもフォトセルの指数関数的な特性曲線を生じさせることができるフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるＭＯＳ型トランジスタの平面図である。
【図２】 図１のトランジスタの他の実施例の回路図である。
【図３】 図１のトランジスタの特性曲線と、ＳＴＩ方式にしたがって製造された従来のトランジスタの特性曲線を示すグラフである。
【図４】 電流の流れを説明するための本発明に係るＭＯＳ型トランジスタの概略斜視図である。
【符号の説明】
１ ＭＯＳ型トランジスタ
２ 半導体基板
３ ゲート電極
４ 酸化層
４ａ 薄い酸化層
４ｂ 厚い酸化層
５ ポリシリコン層
６ 活性領域
７ 受動領域
８ リング状部分
９ 付属部分
１０ 移行領域
１１ パッド面
１２ ドレイン電極
１３ ソース領域
１４ 金属層
１５ 特性曲線
１６ 特性曲線
Claims (7)
- 半導体基板（２）上にゲート電極（３）と、ドレイン電極（１２）と、光電性ソース領域（１３）とを有するＭＯＳ型トランジスタ（１）が形成され、前記ゲート電極（３）と半導体基板（２）の間に酸化層（４）が配設され、該酸化層（４）がＭＯＳ型トランジスタ（１）の活性領域（６）で薄い酸化層（４ａ）として形成され、かつＭＯＳ型トランジスタ（１）の前記活性領域（６）の外側に隣接して形成された受動領域（７）で厚い酸化層（４ｂ）として形成されているフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタにおいて、前記厚い酸化層（４ｂ）はＳＴＩ方式にしたがって製造されており、
前記ゲート電極（３）がＭＯＳ型トランジスタ（１）の活性領域（６）に閉じたリング状部分（８）を有し、かつ前記ドレイン電極（１２）は前記ゲート電極（３）の前記リング状部分（８）の内側に配置され、前記光電性ソース領域（１３）は前記ゲート電極（３）の前記リング状部分（８）の外側に配置される、または光電性ソース領域（１３）を前記ゲート電極（３）のリング状部分（８）の内側に配置し、前記ドレイン電極（１２）は前記ゲート電極（３）の前記リング状部分（８）の外側に配置することによって前記ゲート電極により制御される電流の流れを活性領域（６）だけに限定し、前記ゲート電極（３）とドレイン電極（１２）が電気的に接続される
ことを特徴とするフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタ。 - 前記ゲート電極（３）がリング状部分（８）から前記受動領域（７）まで延在する付属部分（９）を有し、前記ゲート電極（３）は、前記受動領域（７）上に配置されている前記付属部分（９）によって、電気導体と接触していることを特徴とする請求項１記載のフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタ。
- 前記ドレイン電極（１２）がゲート電極（３）のリング状部分（８）の内側に配置され、かつ前記光電性ソース領域（１３）がリング状部分（８）の外側に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタ。
- 前記半導体基板（２）がシリコンからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタ。
- 前記ゲート電極（３）が、酸化層（４）上に被着したポリシリコン層（５）から形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタ。
- 前記リング状部分（８）が平面図において円環状、楕円形または矩形に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタ。
- 前記ゲート電極（３）とドレイン電極（１２）の電気接続が、その上に被着した薄い金属層（１４）の形態で設けられ、薄い金属層（１４）が半導体基板（２）から絶縁されていることを特徴とする請求項１記載のフォトセル用ＭＯＳ型トランジスタ。
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