JPH01202859A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、画素数に対して少
ない電荷蓄積型の電荷転送路で信号電荷を読み出す構造
とした固体撮像素子に関する。

（従来の技術） 従来、電荷転送路を有する固体撮像素子は第５図に示す
構造のものがあった。まず構造を説明すると、１はｎ型
の半導体基板、２は該半導体基板１の上側に形成された
Ｐウェル層であり、Ｐウェル層２の表面部にｎ゛型不純
物から成るＣＯＤの複数の電荷転送路Ｌｌ、Ｌ２．Ｌ：
１．Ｌ４．Ｌｓ、Ｌｂ〜が所定間隔で平行に設けられて
いる。これらの電荷転送路ｔ、１．　Ｌｘ、　Ｌｓ、　
Ｌａ、　Ｌｓ、　Ｌ６〜　の上面には所謂４相駆動方式
等に基づいて信号電荷の転送を行うための転送ゲート電
極層３が積層されている。転送ゲート電極層３の上面に
は夫々の画素に相当する所定面積の感光層Ｐ　ｌ＋　ｐ
ｇ、　Ｐ３．　Ｐａ、　Ｐｓ。

Ｐｂ−が積層されている。これらの感光層は全て同一の
構造を成しており、例えば感光ＭＰｌを代表して述べれ
ば、アモルファス・シリコンから成る中間層４の上面を
透明電極層６、背面を遮光性を有する導電体層５で挟ん
だサンドインチ構造を成している。更に、Ｐウェル２の
表面部分には、各感光層Ｐ＋、Ｐｚ、Ｐｚ、Ｐ４．Ｐｓ
、Ｐ６〜　に対向する位置であって且つ各電荷転送路Ｌ
　＋、Ｌ　ｚ、　Ｌ　ｆｆ＋　Ｌ　４＋Ｌｓ、Ｌｂ〜に
近接する小さなｎ゛型の不純物層Ｎ、、。

Ｎ、、Ｎ、、Ｎ、、Ｎ、、Ｎ、〜　が形成され、これら
の不純物層Ｎｌ、Ｎ、、Ｎ３．Ｎ、、Ｎ、、Ｎ６〜　と
これらに対向する各感光層Ｐ、、Ｐ、、Ｐ、、Ｐ、、ｐ
ｓ、Ｐ、〜の導電体層とが電気的に接続されている。感
光層の上面には３原色あるいはその補色のモザイク状カ
ラー・フィルタ７が積層され、各感光層に所定の色信号
を発生させるようになっている。尚、各電荷転送路Ｌｌ
、Ｌｘ、Ｌｘ、Ｌ４．Ｌｓ、Ｌｂ〜とそれらに近接する
所定の不純物層Ｎ　Ｉ、　Ｎ　ｚ、　Ｎ　３．　Ｎ　ａ
、　Ｎ　ｓ。

Ｎ、〜　との間は、転送ゲート電極層３に印加される制
御信号に応じて“オン゛または“オフ”するトランスフ
ァ・ゲートＴ＋、　Ｔｚ、　Ｔ３．　Ｔ４．　Ｔｓ＋　
Ｔ’。

〜となっている。

かかる構造の従来の固体撮像素子は、カラー・フィルタ
７を通過した被写体よりの入射光を各感光層Ｐ、、Ｐ２
．Ｐ、、Ｐ、、Ｐ５．Ｐ６〜　で受光し、色相に関する
信号電荷を発生する。そして、各感光層に生じた信号電
荷は対応する不純物層Ｎｌ、Ｎ２゜Ｎ、、Ｎ４．Ｎ、、
Ｎ、〜　へ移動する。かかる光電変換動作を完了した後
、転送ゲート電極３に所定の高電位制御信号を印加して
トランスファ・ゲート’ｒ１．’ｒ２．Ｔ３．Ｔａ、Ｔ
ｓ、Ｔ６〜　を“オン゛させると、各不純物層ＮＩ、Ｎ
２．Ｎ３．Ｎ４．Ｎｓ、Ｎ−〜　の信号電荷は隣の電荷
転送路Ｌ１、Ｌｚ、　Ｌｉ　Ｌａ、　Ｌｓ。

Ｌ６〜　の所謂電荷転送エレメントに転送され、再びト
ランスファ・ゲートＴ　、、　Ｔ　ｚ、　Ｔ　３＋　Ｔ
　４＋　Ｔ　ｓ。

Ｔ、〜　を“オフ゛にした後、所謂４相駆動方式等に基
づいて電荷転送路Ｌ＋、ＬＩＬ！、Ｌ４．ＬＳ、Ｌｂ〜
　に周知の電荷転送動作を行わせ、信号を外部へ読み出
す。

（発明が解決しようとする課題） しかしながらこのような従来の撮像素子にあっては、画
素数を増やすのに伴って電荷転送路の数も増加させる必
要があるが、各電荷転送方向に並ぶ画素群毎に１本づつ
の電荷転送路を必要とする構造であるので、電荷転送路
の数を増加すれば相互を電気的に分離するためのチャン
ネル・ストップの面積も増やさなければならず、その結
果、電荷転送路を大幅に増やすことができない事に起因
して画素数の増加を図ることができないという問題があ
った。

本発明はこのような従来の課題点に鑑みて成されたもの
であり、各電荷転送路に対応する画素数を従来に較べて
相対的に多（すること即ち、少ない電荷転送路でもって
多くの画素の信号電荷を読み出し得る構造にしてミ解像
度の向上を図ることのできる固体撮像素子を提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段） この目的を達成するためこの発明は、複数の画素と、こ
れらの画素間に複数配置されこれらの画素に発生した夫
々の信号電荷を外部へ読み出すための電荷転送路を半導
体基板に形成して成る電荷転送路を有する固体撮像素子
において、半導体基板の表面部分に所定間隔で形成した
複数の凹状部の底部に電荷転送路を形成し、凹状部の相
互間に形成される凸状部に上記電荷転送路の各電荷転送
エレメントの両脇に隣接してトランスファ・ゲートのノ
ードとなる半導体不純物層を形成し、該半導体基板の表
面に各画素に相当する所定面積の感光層を各電荷転送路
に対して１対づつ積層し、それぞれの感光層を上記両脇
に設けた所定の半導体不純物層に電気的に接続し、１対
の各感光層に発生する信号電荷を１つの電荷転送路を共
用して電荷転送するようにした。

（作用） このような構成を有するこの発明にあっては、電荷転送
方向に並ぶ２列の画素に対して１つの電荷転送路を設け
て相互に共用する構成としたので、従来に較べて、電荷
転送路の本数に対する画素数を相対的に増やすことがで
き高解像度化を図ることができる。

（実施例） 以下、本発明による固体撮像素子の一実施例を第１図な
いし第３図に基づいて説明する。尚、第１図は受光領域
の要部構造を上面より見た場合の平面図である。

先ず、第１図において、矢印Ｙ方向（以下、電荷転送方
向という）に信号電荷を転送するための複数の電荷転送
路（図中の点線で示す）Ｌ＋、Ｌｚ〜Ｌわが半導体基板
中に形成されている。即ち、各電荷転送路り、、Ｌ、〜
Ｌ、は電荷転送方向に延びる所定の半導体不純物の層の
上にゲート酸化膜を介して所謂転送電極Ｇ、、Ｇ、、Ｇ
３．Ｇ、、Ｇ、、Ｇ、。

Ｇｔ、Ｇｓ〜が積層されることで構成され、そして、各
転送電極に例えば４相駆動力式に基づく駆動信号φ１．
φ２．φ３．φ４を順次に下段より信号読出しパルスを
与えるためのシフトレジスターＳＲを介して印加するよ
うになっている。

各電荷転送路Ｌ１．Ｌｚ〜Ｌ７の上面には奇数フィール
ドと偶数フィールドの１対の電荷転送エレメントに対し
て１対づつの感光層Ｐ　ＩＩＬＩ　Ｐ　、ｌＩ〜Ｐ　Ｉ
ＺＬＩ　Ｐ　１ｎｊｌ　ｓ　Ｐ　ＩＩＬＩ　Ｐ　２１１
１　””　Ｐ　ＩＺＬＩ　Ｐ　２ｎｊｌ　％Ｐ　２１Ｌ
＋　Ｐ　１ｌｊｌ　”””　Ｐ　３１１ＬＩ　Ｐ　：ｌ
＋ｓＲ、Ｐ　４１Ｌ＋　Ｐ　４１Ｒ〜Ｐ　４１１ＬＩ　
Ｐ　４１１Ｒ、・・・・・・・・、Ｐ　１Ｌ＋　Ｐ　ｆ
ｋ　Ｉ　ｌ　　−Ｐ□Ｌ。

Ｐ１□が積層され、その結果、各電荷転送路に対して垂
直方向に２列の感光層群が配列されている。

−例を述べれば、電荷転送路り、については、感光層Ｐ
　Ｉ　ＩＬ＋　Ｐ　２１Ｌ＋　Ｐ　３１Ｌ＋　Ｐ　４１
Ｌ＋〜Ｐｍ１Ｌからなる第１列と、感光層Ｐ　１１１１
１　Ｐ　！ＩＲ＋　Ｐ　３１Ｒ＋　Ｐ　４１Ｒ１〜Ｐ０
えからなる第２列とを有する。そして各感光層が各画素
に対応する。

更に、２対の感光層Ｐ　ＩＩＬＩ　Ｐ　１１１１とＰ　
ＩＺＬＩ　Ｐ　ｔｚ＊を代表して、各画素の構造を説明
する。第２図は平面図、第３図は第２図中の点線Ｘ−Ｘ
で切断した場合の縦断面図である。これらの図において
、８は半導体基板、９は半導体基板８の上面部に形成さ
れたＰウェルであり、該Ｐウェル９には電荷転送方向Ｙ
に沿って複数の凹状部が形成され、各凹状部の底部分に
電荷転送路り、、Ｌ、のためのｎ゛型の不純物層ｎ　Ｉ
　＋　ｎ　２が形成され、その不純物層ｎ８、ｎｔの上
面に薄い酸化膜を介して転送電極Ｇｌ。

Ｇｔが積層されている。一方、Ｐウェル８に形成される
上記凹状部の間に残る凸状部の表面部分であって不純物
層ｎ　Ｉ　＋　ｎ　２のそれぞれの両脇には、ｎ゛型不
純物の不純物Ｎ（第２図中の小矩形で示す部分）　ＮＩ
ＩＬＩ　Ｎ１１ｌｌ　−、Ｎ＋ｚｔ、　Ｎｔ□が部分的
に形成され、不純物層ｎ　Ｉ　＋　ｎ　２の両側端と不
純物層Ｎ１１Ｌ、ＮＩＩＩＩ　％　Ｎｌ□Ｌ、Ｎｌ２Ｒ
とのそれぞれの間はトランスファ・ゲートＴ　ｌ　ｌＬ
＋　Ｔ　Ｉ　ＩＲ＋　Ｔ　ＩＺＬＩ　Ｔ　Ｉ□１となっ
ている。

そして、転送電極ＣＩ、Ｇｚの上部が酸化膜層で被覆さ
れると共に、上記凹状部と凸状部が平坦化されている。

このように平坦化された面の上に更に感光層Ｐ　ＩＩＬ
Ｉ　Ｐ　ＩＩＲとＰ＋ｚｔ、Ｐ１□□が積層されている
。これらの感光層は全て同一の構造を成しており、感光
層ＰＩＩＬを代表して説明すれば、アモルファス・シリ
コンから成る中間層１０の上面を透明電極層１１、背面
を遮光性を有する導電体層１２で挟んだサンドイッチ構
造を成している。

そして、各感光層の背面の導電体層は対向する不純物層
Ｎ＋、Ｎｚ、ＮｌＮ４．ＮＳ、Ｎｂ−に電気的に接続し
ている。尚、上記平坦化の際にそれぞれの不純物層Ｎ、
、Ｎ、、Ｎ、、Ｎ、、Ｎ、、Ｎ、〜　を露出しておくの
で、感光層を積層するだけで相互に電気的接続がなされ
、所謂コンタクト等を形成する必要が無い。

次に、各感光層の隙間等に酸化膜を形成して再び平坦化
を行い、その上面に所定の配列例えばストライプ状やモ
ザイク状の配列を有するカラー・フィルタＣＦが積層さ
れている。

このような構成とすると、奇数番目の転送電極Ｇ１の下
に形成される奇数フィールドに相当する電荷転送エレメ
ントには感光層ＰＩＩＬとＰ１２Ｌに発生する信号電荷
がトランスファ・ゲートＴ１１ＬとＴ＋ｚｔ、を介して
転送され、偶数番目の転送電極Ｇ２の下に形成される偶
数フィールドに相当する電荷転送エレメントには感光層
ＰＩＩＲとＰ、２．に発生する信号電荷がトランスファ
・ゲートＴＩＩＲとＴ１□を介して転送され、第１図に
示す駆動信号φ１．φ２．φ３．φ４の制御の下に信号
電荷を外部へ読み出すことが出来る。

尚、カラーフィルタの種類及び信号電荷の転送方式に関
しては、仕様決定時の選択事項であるので説明を省略す
るが、この実施例は従来の全ての固体撮像素子の選択事
項について適用可能である。

第４図は他の実施例の構造を第３図に対応して示す要部
縦断面図である。尚、同図において第３図と同一または
相当する部分を同一符号で示している。

即ち、この実施例は上記第１の実施例では同一平面上に
配列された一対毎の感光層を相互に縦方向に積層し、短
波長の光りを最上部の感光層（同図では、ｐＨｌｌとＰ
、２１Ｉ）で光電変換し、下側の感光層（同図では、Ｐ
ＩＩＬとＰＩ２Ｌ）で光電変換して、それぞれの感光層
に発生した信号電荷を共用の電荷転送路でもって外部へ
読み出す。ただし、上側の感光Ｎ（同図では、ｐＨｌと
Ｐｔ□）の背面に設けられる導電体層は透光性を有する
透明電極を用いる。

この実施例によれば、各画素の開口面積を広げて所謂開
口率を上げたり、積層構造にした分だけ解像度を上げた
りすることができる。

（発明の効果） 以上説明したようにこの発明によれば、電荷転送方向に
並ぶ２列の画素に対して１つの電荷転送路を設けて相互
に共用する構成としたので、従来に較べて、電荷転送路
の本数に対する画素数を相対的に増やすことができ高解
像度化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における受光領域の要部構造
を示す平面図、第２図は第１図中の画素の構造を示す平
面図、第３図は第２図のＸ−Ｘ線で切断した場合の縦断
面図、第４図は他の実施例の構造説明するために第３図
に対応して画素の構成を部分的に示した要部縦断面図、
第５図は従来の固体撮像素子の構造を示すため受光部の
要部を縦に切断した状態を示す縦断面図である。 ＰＩＩＬ・Ｐ　ＩＩＲ”Ｐ　ＩＦＩＬ・ＰＩＩ％罠・Ｐ
　ｔＩＬ＋　Ｐ　ｚ＋＊　−Ｐ　ｚｎｔ、　Ｐ　！ｆｉ
ｊｌ、Ｐ　３１Ｌ、　Ｐ　ａｔ＊　−Ｐ　３．ＬＬ＋　
Ｐ　３ｅａ、Ｐ　４１Ｌ＋　Ｐ　４１Ｒ””　Ｐ　４ｎ
Ｌ＋　Ｐ　４ｎＲ’感光層Ｌ＋、Ｌｘ、Ｌｓ、Ｌ４．〜
　：電荷転送路Ｎｌ、Ｌ、Ｎｌ、ＩＩ　、　Ｎ、□Ｌ＋
Ｎｌ２１１　　”不純物層ｎ　Ｉｎ　ｎ　２　　’不純
物層 Ｇ、、ａｘ、Ｇｔ、Ｇ４．ｃｓ、ｃ、〜：転送電極ＴＩ
ＩＬ＋　’ｒｌｌｌ　ｌ　Ｔｌ！Ｌ＋　’ｒｌ□７：ト
ランスフア・ゲート ＣＦ：カラー・フィルタ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　複数の画素と、これらの画素間に複数配置されこれら
   の画素に発生した夫々の信号電荷を外部へ読み出すため
   の電荷転送路を半導体基板に形成して成る固体撮像素子
   において、 半導体基板の表面部分に所定間隔で形成した複数の凹状
   部の底部に電荷転送路を形成し、凹状部の相互間に形成
   される凸状部に上記電荷転送路の各電荷転送エレメント
   の両脇に隣接してトランスファ・ゲートのノードとなる
   半導体不純物層を形成し、該半導体基板の表面に各画素
   に相当する所定面積の１対づつの感光層を電荷転送路に
   沿って複数形成し、各感光層を対応する所定の上記半導
   体不純物層に接続し、１対づつの上記感光層に発生する
   信号電荷を１つの電荷転送路を共有して転送する構成と
   したことを特徴とする固体撮像素子。