JPH0125272B2 - - Google Patents

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JPH0125272B2
JPH0125272B2 JP55006990A JP699080A JPH0125272B2 JP H0125272 B2 JPH0125272 B2 JP H0125272B2 JP 55006990 A JP55006990 A JP 55006990A JP 699080 A JP699080 A JP 699080A JP H0125272 B2 JPH0125272 B2 JP H0125272B2
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/148—Charge coupled imagers
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    • H—ELECTRICITY
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体撮像装置の信号電荷蓄積方法及び
構造に関する。近年、固体撮像装置の光感度、特
に青色光に対する感度を高くすることを目的とし
て、光電変換素子としてｐ−ｎ接合形フオトダイ
オードを用い、さらには、光電変換された信号電
荷を蓄積するためのMOS電極を隣接して設け、
信号電荷の蓄積量を増加させる構造が一般に用い
られてきた。
前記従来例の構造及び動作方法を第１図、第２
図により説明する。
第１図は光電変換素子としてｐ−ｎ接合形フオ
トダイオード、信号転送手段として２相駆動電荷
結合装置を用いた従来の固体撮像装置の部分平面
図であり１−ａ，１−ｂ，１−ｃは光電変換素
子、２は前記光電変換素子に入射した光により光
電変換された信号電荷を蓄積するためのMOS形
電荷蓄積部、３は信号電荷を信号電荷転送手段へ
移送するためのMOS形移送ゲート、４−ａ，４
−ｂは、２相駆動電荷結合装置の一方の相をなす
転送用電極、５−ａ，５−ｂは他の相をなす転送
用電極を各々示す。第２図ａは、第１図に示すＸ
−X′にそつて装置を切断した場合の断面構造図
であり、７は半導体基板８と共にｐ−ｎ接合形フ
オトダイオードを形成する基板と反対導電形の不
純物層、９は電荷蓄積用MOS形電極、１３は９
に一定バイアスを印加するための電圧供給線、１
０は一定時間蓄積された信号電荷を電荷結合装置
へ移送するためのMOS形電荷移送ゲート、１４
は電荷移送時にゲート１０へ移送用電圧パルスを
供給するための電圧供給線、１１，１２は電荷結
合装置の転送電極、１５は電極１１，１２へ電荷
転送用クロツクパルスを供給するための供給線、
１６は電荷結合装置の埋込みチヤネルを形成する
基板８と反対導電形不純物層、１７は基板８と同
一導電形の高濃度不純物層よりなるチヤネルスト
ツプス、３５は絶縁層を各々示す。以上の構成要
素よりなる従来の固体撮像装置の動作原理を第２
図ｂ，ｃに示すポテシヤル図により説明する。
今、電荷移送ゲート１０が閉じた状態、即ち、供
給線１４からほゞ基板電位がゲート１０に供給さ
れている状態を考えると、ゲート１０と絶縁層を
介して対向する半導体基板の表面のポテンシヤル
は破線２０となり、ｐ−ｎ形フオトダイオード
７，８に入射した光により発生した信号電荷は一
定バイアスされた信号蓄積電極９と絶縁層を介し
て対向する半導体表面及びｐ−ｎ接合形フオトダ
イオード内に閉じ込められ蓄積される。この場合
破線２０及びチヤネルストツプ電位２３が信号電
荷に対する障壁電位となる。今、ｐ形半導体基板
を考えると、信号電荷は電子であり、７はｎ形不
純物層である。この場合、所定時間電子を蓄積し
た後供給線１４を通じてゲート１０に正の電圧を
印加するとゲート１０に対向する基板８の表面ポ
テンシヤルは破線２１のように変化し、蓄積され
た電子束１８は電荷結合装置のチヤネル領域へ移
動する。破線２２は信号電荷を含まない電荷結合
装置のチヤネルポテンシヤルを示す。蓄積された
電子の全てが移動すると、一定バイアスされた蓄
積電極９対向した半導体表面は空乏化されバイア
ス電圧に応じて、破線２６に示す表面ポテンシヤ
ルを形成し、このポテンシヤルによりｐ−ｎ接合
形フオトダイオードも又逆バイアスされる。次に
ゲート１０が再び基板電位に戻されると、ゲート
１０に対向した表面ポテンシヤルも、破線２１に
戻り再び電荷の蓄積を開始する。一方、電荷結合
装置へ移動した信号電子束は、周知の転送動作に
より順次出力回路へ転送される。上述した従来例
においては、蓄積された信号電荷はｐ−ｎ接合形
フオトダイオードにも蓄積されており、移送ゲー
ト１０を開いて全ての信号電荷を、電荷結合装置
に移動させるのに要する時間は、移送ゲートから
最も遠距離に蓄えられているｐ−ｎ接合部の電子
が移送ゲート下の半導体表面迄達する時間によつ
て決定される。従つて、、移送ゲート１０が開い
ている期間が短かく、しかも信号電荷が蓄積され
ている領域が移送ゲートから長距離迄設けられて
いる場合には２５に示すごとく一部の信号電荷が
蓄積領域に取り残される。この場合常に移送ゲー
トが開いている時間が一定であり、しかも入射す
る光が一定である場合には特性劣化の要因とはな
り得ないが、任意の蓄積期間に多量の光が入射
し、次の蓄積期間にはほとんど光が入射しない場
合においては、取り残された電荷によつて一種の
残像現象をもたらし又、移送ゲートの開いている
時間が変動することにより、移送されるべき電荷
の量も変動することにより、その結果解像度低下
等の特性劣化をもたらす。
本発明は前記従来の固体撮像装置の欠点を克服
した新しい構造の固体撮像装置を提供するもので
ある。
本発明においては、光電変換領域と電荷蓄積領
域とを分離し、移送ゲートから電荷蓄積領域の最
も遠距離部迄の距離を短かくすることを可能なら
しめることにより、電荷移送時間を大幅に短縮さ
せることができる。
本発明を一次元固体撮像装置に適用した第１の
実施例を第３図、第４図に示す。以下図により本
発明の特長を説明する。
第３図は本発明の第１の実施例の平面構成図で
あり、１−ａ，１−ｂ，１−ｃは、光電変換領
域、２は電荷蓄積領域、３は移送ゲート、４−
ａ，４−ｂ，５−ａ，５−ｂは各々対をなす２相
駆動電荷結合装置の転送電極、６はチヤネルスト
ツプを各々示し、従来例と同一番号にて示されて
いる。同図において従来例と大きく異なる点は、
２９にて示す一定バイアスされた障壁電極が存在
することであるが、必ずしも特別に２９を設ける
必要はないことが後に示されるが、ここでは説明
を容易にするために２９を設けた構造を示した。
本発明の特徴を説明するために、第４図におい
て、第３図のＸ−X′にわたる断面構造図及びポ
テンシヤル分布図を示す。８は半導体基板を示
し、便宜上ｐ形不純物半導体とする。７は基板８
と共にｐ−ｎ接合形フオトダイオードを形成する
ｎ形不純物層、３０は電圧供給線を通じて一定バ
イアスされた障壁電極、９は電圧供給線１３を通
じて一定バイアスされた蓄積電極、１０は電圧供
給線１４に送られる電圧により信号電荷を蓄積状
態に保持又は移送動作をせしめるための移送ゲー
ト、１６は電荷転送用電荷結合装置のチヤネル領
域、１５は電荷結合装置の転送電極、１７はチヤ
ネルストツプス、３５は絶縁層を各々示す。従来
例の場合と同様に、移送ゲート１０がほゞ基板電
位に設定された状態を考える。
本発明の第１の実施例においては障壁電極３０
が設けられ、電極３０と絶縁層３５を介して対向
する半導体表面８−ａは基板表面となつており、
蓄積電極９に加えられる一定バイアス電圧をVST
とすれば、障壁電極３０に印加される一定バイア
スVBEはVST＞VBEの関係を満すように保持しなけ
ればならない。この場合のポテンシヤル分布を第
４図ｂに示す。ゲート１０がほぼ基板電位に保た
れている場合には移送ゲートが閉じた状態であり
ゲート１０に対向する半導体表面８−ｃのポテン
シヤルは破線２０により示される。又、電極３０
に対向した半導体表面８−ａ、電極９に対向した
半導体表面８−ｂのポテンシヤルは各々破線３
２，２６により示される。（その他の番号は従来
例に準ずる）。７，８により形成されたｐ−ｎ接
合形フオトダイオードに入射した光により光電変
換された信号電荷（電子）はポテンシヤル障壁３
２を越えて蓄積領域８−ｂへ随時流入する。従つ
て光電変換された信号電荷は全て、蓄積電極９に
対向した半導体表面８−ｂにのみ蓄積される。所
定時間蓄積した後１４を通じて移送ゲートに正電
圧VSH（＞VST）を印加することにより領域８−ｃ
の表面ポテンシヤルを破線２１に示すように変動
させ、蓄積された信号電荷束をこの場合電荷結合
装置へ移送させる。
図にて明らかなように、蓄積電荷は領域８−ｂ
にのみ貯えられているため、移送に要する時間は
蓄積電極長にのみ依存し、ｐ−ｎ接合形フオトダ
イオードの長さは制約条件とはならない。上記信
号電荷の移送に要する時間はたとえば、一電極
Modelにより理論的考察がなされており、蓄積電
極長をLSTとした場合LST 2に比例する。又ｐ−ｎ
接合形フオトダイオードの蓄積領域迄の長さを
LPNとすれば、おおむね（LST／LST＋LPN）2の割合で、 従来例より信号電荷の移送時間が短縮できる。
本発明においては、光電変換素子と、光電変換
された信号電荷を蓄積する蓄積領域との間に、蓄
積領域の信号電荷に対して障壁となる一定のポテ
ンシヤルを形成することが特長であり、従つて、
第１の実施例は単なる一例であり、むしろ実際に
動作する立場からは、第５図に示す第２、第３、
第４の実施例の方が優位であると考えられる。第
５図ａは、本発明の第２の実施例であり、３６
は、半導体基板８と反対導電形の不純物層であ
り、絶縁層を介して蓄積電極９と対向した半導体
領域迄含んでおり、ｐ−ｎ接合形フオトダイオー
ド及び周知の埋込みチヤネル形電荷蓄積層の両方
を形成している。３７は本発明の特徴である障壁
電位を形成するための基板と同一導電形不純物層
である。その他の番号については、本発明の第１
の実施例に準ずる。第２の実施例においては、第
１の実施例における障壁電極３０の機能は、基板
と同一導電形不純物層３７及び蓄積電極９の一部
分によつて担われており、特別の電圧及び電圧供
給線を必要としない。第２の実施例において、不
純物層３７が電荷蓄積領域のポテンシヤルに対し
て障壁電位を形成することは、２相駆動電荷結合
装置における非対称ポテンシヤル形成構造を考え
れば明らかである。第２の実施例における固体撮
像装置としての動作原理及び、本発明の特長は、
第１の実施例と同様である。第５図ｂは本発明の
第３の実施例であり、３８は本発明の特徴である
障壁電位を形成するための電極部分であり、４０
は信号電荷蓄積電極部分であり３８，４０共に電
圧供給線３９に共通結線され、一定バイアス電圧
が印加されている。同図の他の番号は本発明の第
１の実施例に準ずる。この場合、半導体基板８の
表面と障壁電極３８の間に介在する絶縁層の厚さ
をtB、蓄積電極４０との間に介在する絶縁層の厚
さtSTとすれば、必ずtB＞tSTなる関係を満すよう絶
縁層が形成されており、MOS構造の表面ポテン
シヤル理論により、３８に対向する半導体表面の
ポテンシヤルは４０に対向する表面ポテンシヤル
に対して障壁電位を形成する。
第５図ｃは、本発明の第４の実施例であり、第
１の実施例における障壁電極３０を蓄積電極と同
一バイアス化可能ならしめる構造である。即ち、
障壁電極３０と絶縁層を介して対向する半導体表
面に基板と同一導電形で、基板より高濃度な不純
物層４３を形成することにより蓄積電極１３に対
向する半導体表面ポテンシヤルに対して４３の表
面ポテンシヤルを障壁電位化することを可能なら
しめた構造である。同図の他の番号は、本発明の
第１の実施例に準ずる。
なお本発明を実現する構造は前記４つの実施例
に限られるものではない。たとえば、第５図ａの
不純物層３７は３６を光電変換領域と蓄積領域と
に分離形成し、基板８の表面を残すことによつて
不純物層３７を省略することも可能である。さら
に信号電荷を出力回路へ送り出す手段としては、
必ずしも電荷結合装置に限られるものではなく、
バケツトブリゲードデバイス等、他の手段であつ
てもかまわない。
本発明を実現するに際し、特別の製造プロセス
を全く必要とせずに従来技術で実現できることは
前述の説明及び断面構造図を参照すれば明白であ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は固体撮像装置の従来例の平面構成略
図、第２図ａは第１図のＸ−X′断面構造図、第
２図ｂは信号電荷の蓄積期間のポテンシヤル分布
図、第２図ｃは信号電荷を電荷結合装置へ移送す
る期間のポテンシヤル分布図、第３図は本発明の
第１の実施例の平面構成略図、第４図ａは第３図
のＸ−X′断面構造図、第４図ｂは信号蓄積期間
における本発明を実施したポテンシヤル分布図、
第４図ｃは信号電荷を電荷結合装置に移送する期
間の本発明のポテンシヤル分布図、第５図ａは本
発明の第２の実施例の断面構造図、第５図ｂは本
発明の第３の実施例を示す断面構造図、第５図ｃ
は本発明の第４の実施例を示す断面構造図であ
る。 ８……基板、９……蓄積電極、１０……移送ゲ
ート、１５……転送電極、１７……チヤンネルス
トツプ、２９，３０，３８……障壁電極、３２…
…障壁電位、３７，４３……障壁不純物層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ １導電形半導体基板に反対導電形不純物層を
    形成して成るｐ−ｎ接合形フオトダイオードと、
    前記フオトダイオードの側方の前記基板上に絶縁
    層を介して配設され、前記フオトダイオードにお
    いて光電変換された信号電荷を蓄積するための電
    位井戸を前記半導体基板内又は前記絶縁層との界
    面に形成するための導電性蓄積用電極と、この蓄
    積用電極に隣接して絶縁層を介して設けられ前記
    信号電荷を移送するための導電性電極と、この導
    電性電極により移送された信号電荷を信号検出回
    路に送り出す手段とを具備する固体撮像装置にお
    いて、前記フオトダイオードと前記電位井戸との
    間に信号電荷にとつて前記電位井戸の電位に対し
    て障壁となる障壁電位を形成し、前記障壁電位に
    よりフオトダイオードの電位を規定することによ
    り、前記フオトダイオードで光電変換された信号
    電荷は随時前記電位井戸に流し出されて蓄積され
    るようにしたことを特徴とする固体撮像装置。 ２ 前記障壁電位が、前記フオトダイオードに隣
    接して前記半導体基板上に絶縁膜を介して障壁用
    電極を配設し、この障壁用電極に所定の電圧を印
    加することにより形成されることを特徴とする特
    許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ３ 前記障壁電位が、前記フオトダイオードに隣
    接して前記１導電形半導体基板と同一導電形不純
    物層を形成し、この同一導電形不純物層を絶縁膜
    を介して一定電位に保たれた導電性電極で覆うこ
    とにより形成されることを特徴とする特許請求の
    範囲第１項記載の固体撮像装置。 ４ 前記障壁電位が、前記電位井戸の電荷に対す
    るポテンシヤルより高くかつ基板ポテンシヤルよ
    り低くなるように設定されることを特徴とする特
    許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。
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