JPH01268164A - 固体撮像装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、固体撮像装置に関し、特に、感光素子に関連
する部分に改良を加えた固体撮像装置に関する。

（従来の技術） 第６図に、従来のインターライン転送形固体撮像装置の
単位構成要素（ユニットセル）の断面構造図を示す。同
図かられかるように、ｎ形半導体基板１上にｐウェルと
してのｐ形不純物層２が形成されている。そのｐ形不純
物層２内に感光素子の一部をなすｎ形不純物層３が形成
されている。

このｎ形不純物層３は信号電荷を蓄積する機能を有する
。そのｎ形不純物層３は素子分離層としての高濃度ｐ形
不純物層４で挟まれている。それらの不純物層４内にｎ
形の電荷転送チャンネル不純物層５が形成されている。

このようなｐ形不純物層２上には、内部に電荷転送電極
６を含む絶縁層７が形成されている。さらに、この絶縁
層７中には、開口８ａを有する光遮閉層８が形成されて
いる。

上記構成のユニットセルにおいて、開口８ａがら光が入
射すると、その光は主としてｐ形及びｎ形不純物層２，
３によって構成されるｐｎ接合形感光素子で光電変換さ
れ、信号電子としてｎ形不純物層３に蓄積される。所定
の蓄積時間を経た後、電極６にハイレベル電圧を印加す
ると、信号電子は不純物層５に移送される。この不純物
層５に移送された信号電子は、紙面に垂直方向に転送さ
れ、最終的に外部に出力される。

第７図は、第６図のＸ　ｒ　　Ｘ　２線に沿った電位分
布図である。その第７図において、９は信号電荷がｎ形
不純物層３に充満した状態の伝導帯の電位を示し、１０
は信号電荷かｎ形不純物層５に移送された状態の伝導体
の電位を示し、］１は同状態の価電子帯の電位を示す。

ｎ形不純物層３からｎ形不純物層５への電荷移送時にｎ
形不純物層３内に電荷が残留すると、その電荷か熱拡散
過程によって非常にゆっくりとした速度でｎ形不純物層
５に移動し、周知の残像形象をもたらす。これを防ぐた
め、ｎ形不純物層３を、はぼ完全に電子がなくなる状態
にする必要がある。

しかしながら、ｎ形不純物層３に電子かはとんど存在し
ない完全空乏状態では、熱的電子の発生が大量に行われ
、暗電流雑音として信号をしよう乱する。即ち、半導体
表面は、その結晶性か乱されることから、いわゆる表面
準位１３が禁制帯内に多量に存在し、その表面準位を介
して電子の熱励起か盛んに起こる。この現象は、伝導体
内に多量の電子が存在する場合あるいは価電子帯に正孔
か充満している場合には、大幅に軽減される。従って、
前述の如く、ｎ形不純物層３の完全空乏状態には、熱的
電子の発生が大量に行われ、暗電流雑音として信号をじ
よう乱する。

また、電荷移送時に印加されるハイレベル電圧は、素子
の耐電圧上あるいは動作の簡易化上、できるだけ小さい
方が望ましい。そのため、ｎ形不純物層３をできるだけ
小さな電位で空乏化できるように、その不純物濃度を低
くする必要がある。

このようにすることにより、ｎ形不純物層３に蓄積でき
る最大信号電荷量が小さくなり、装置全体としてのダイ
ナミックレンジか損われることになる。

上記した第６図及び第７図のものは、ｎ形半導体基板］
を過剰電子排出ドレインとして作用させる一般的な構造
のものである。このような構造のものにおいては、ｐ形
不純物層２の濃度も非常に低い。それにより、基板］と
不純物層２との接合容量が非常に小さく、前記ダイナミ
ックレンジはこれによってより一層顕著に低下する。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の半導体装置には、熱的キャリア（暗
電流）が発生し、残像が生じ、且つ電荷蓄積容量が小さ
いという難点かあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的は、
暗電流が発生ぜず、残像が生しることもなく且つ電荷蓄
積容量の大きな半導体装置を得ることにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体装置は、第１導電型の半導体層上に第２
導電型の不純物層を形成することにより感光素子を構成
し、その感光素子に蓄積された信号電荷を読み出すよう
にした固体撮像装置において、前記感光素子を被う透明
な絶縁層と、その絶縁層中に形成され、前記不純物層の
表面に第］導電型の電荷を蓄積させる第２導電型の透明
な電荷層と、を備えるものとして構成される。

（作　用） 第１導電型の半導体層と第２導電型の不純物層とにより
感光素子が構成されている。その不純物層の表面に、透
明な絶縁膜中の第２導電型の透明電荷層によって、第１
導電型の電荷が蓄積される。

これにより、感光素子に対する光のロスが生じることの
ない状態において暗電流の発生が極力抑制される。さら
に、不純物層の不純物濃度を高くして電荷蓄積容量を大
きなものとしても、電荷層により不純物層の完全空乏電
位が低くなって、残像の発生が極力抑えられる。

（実施例） 第４図は、本発明の詳細な説明するための原理構造図で
ある。同図において、第６図及び第７図と同一の符号を
（＝Ｊした部分は同一のものを示す。

さらに、その第４図において、２１は導電性電極１４に
接続された負電圧供給電源、２２は表面反転層に注入さ
れた正孔、２３はｎ形半導体基板１をドレインとして動
作させるための正電圧電源である。

今、導電性電極１４に十分大きな負の電圧を印加すると
、ｎ形不純物層３の表面に空乏層が形成される。この空
乏層に、ｐ形不純物層（素子分離層）４から正孔２２が
注入され、いわゆる反転層が形成される。

この状態におけるＸ３−Ｘ４線に沿った電位分布を、第
５図に示す。この第５図において、１５は伝導体の電位
、１６は価電子帯の電位を示す。

ｎ形不純物層３の表面に反転層が形成されており、正孔
２２が充満している。従って、その表面部分には、表面
暗電流となるべき電子がほとんど存在しないこととなる
。このため、暗電流の発生は飛躍的に抑えられる。

また、第５図中の電位２４は、ｎ形不純物層３から電子
が完全に取り払われるのに必要ないわゆる完全空乏電位
を表わしている。この完全空乏電位が低いことが前記残
像のない動作を容易とする。

しかるに、導電性電極１４を大きな負電位とすることに
より、ｎ形不純物層３の不純物濃度を高くしてそこにお
ける電荷蓄積容量を大きくしつつも、前記完全空乏層電
位を所定値以下に保持することができる。

以上述べたような利点を有する第４図の原理構造を固体
撮像装置の感光素子に適用することにより、多大の素子
性能改善が達成される。ただし、この場合、第１図の電
極１４を通して映像光を入射させる必要がある。そのた
め、その電極１４は、光透過率の高い導電材料によって
構成しなければならない。しかるに、一般に、固体撮像
装置の電極材料としては、多結晶シリコンが使用されて
いる。この材料は周知のごとく、青色に相当する光波長
４００〜４５Ｏｒ＋ｎ＋の光についての光吸収係数が大
きい。そのため、青色光についての透過率が著しく低い
という欠点がある。このような点に着目し、本発明は、
上記電極１４を設けることなく、前記原理に基づく作用
効果が実現できる構造の装置を提供するようにしている
。以下に本発明の各種の実施例を説明する。

第１図〜第３図は、本発明の第１〜第３実施例を示す。

それらの各実施例において、第４図及び第６図と同一符
号を付した部分は同等の部材を示す。

第１実施例を示す第１図において、１７．１８は絶縁層
である。それらの絶縁層１７．１８の界面に負の固定電
価１９を形成している。その固定電荷１９は、第４図に
おける負電圧を印加した電極１４に相当するものである
。従って、固定電荷に代えて、イオンを用いることもで
きる。この負の固定電荷１９によって、第７図と同様の
原理で、ｐ形不純物層３の表面に反転層が形成され、正
孔２２が充満する。即ち、固定電荷（イオン）の電荷密
度は、ｐ形不純物層３の表面にｎ形の電荷担体（キャリ
ア）を蓄積するのに十分なものである必要がある。第１
図のＸ　ｔ、　　Ｘ　ｅ線に沿った電位分布は、第５図
と同一となる。

第１図の装置においては、第４図の電極１４のような不
透明なものが存在しない。そのため、映像入射光は、透
明な絶縁層１８．１７のみを通過して半導体内に入射し
、効率良く光電変換される。

よって、第１図の装置によれば、表面暗電流が飛躍的に
低減し、電荷蓄積容量が大きく、且つ残像のない感光素
子を、光吸収損失の極力小さなものとすることができる
。

第２図に示す第２実施例が、第１図の第１実施例と異な
る点は、２層に構成された絶縁層１７゜１８を絶縁層１
７による１層構造とし、その絶縁層１７中にその絶縁層
１７とは異なる材質の層２０を設け、その層２０中に前
記固定電荷１９を極在させるようにした点にある。その
他の点は、第１図のものと同様である。

第３図に示す第３実施例が、第２図に示す第２実施例と
異なる点は、第２図の絶縁層１７を電極６の下側のゲー
ト絶縁膜２５と上側の絶縁層２６とに分割して構成し、
その絶縁層２６を負の固定電極が分布形成されたものと
して構成した点にあ上記第２及び第３実施例は、前記第
１実施例と同様の作用、効果を奏する。

上記各実施例において、不純物層２．３の極性か上記し
た場合とは逆のものにおいては、固定電荷の極性も各実
施例の場合とは逆に正のものとすればよい。また、上記
各実施例の作用、効果を得るに際し、半導体基板１は必
ずしも必要としない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、感光素子に対する光のロスを生じさせ
ることなく、電荷蓄積容量を大きなものとしつつ残像の
発生を極力抑えることができ、且つ暗電流の発生を極力
抑えることのできる固体撮像装置を得ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の第１〜第３実施例の要部断面
図、第４図は本発明の原理構造図、第５図はそのＸ３−
Ｘ４線に沿った電位図、第６図は従来例の要部断面図、
第７図はそのＸ　１Ｘ　２線に沿った電位図である。 ２・・・ｐ形不純物層（第１導電型の半導体層）、３・
・・ｎ形不純物層（第２導電型の不純物層）、１７・・
絶縁層、］８・・絶縁層、１つ・・・固定電荷、２６・
・・絶縁層。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 ト寸

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　第１導電型の半導体層上に第２導電型の不純物層を形
   成することにより感光素子を構成し、その感光素子に蓄
   積された信号電荷を読み出すようにした固体撮像装置に
   おいて、 前記感光素子を被う透明な絶縁層と、 その絶縁層中に形成され、前記不純物層の表面に第１導
   電型の電荷を蓄積させる第２導電型の透明な電荷層と、 を備えることを特徴とする固体撮像装置。