JPH01303752A - 固体撮像装置の感光部構造 - 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） この発明はワンチップ中に複数の撮像素子を配列してな
る、固体撮像装置の感光部構造に関する。

（従来の技術） 従来より種々のタイプの固体撮像装置が実用化されてい
る。これら固体撮像装置（イメージセンサともいう、）
のうち、小型化、使い易き、高性能化等の理由によって
、密着型イメージセンサが開発され及び実用化されてい
る。そして、高感度化を図るため、密着型イメージセン
サとして電荷結合素子（ＣＯＤと称する。）を用いたＣ
ＯＤイメージセンサが多く用いられており、その概略的
なブロック構成図を第２図に示す、このイメージセンサ
（以下、単にＣＯＤセンサと称する場合がある。）は、
従来既知のように、シリコン１チツプ１０に、感光部を
構成する撮像素子配列１２と、ホトゲート１４と、トラ
ンスファゲート１６と、ＣＯＤシフトレジスタ１８と、
プリアンプ２０とを主として形成した構成となっている
。撮像素子としては、通常はＰＮ投合ホトダイオードを
用い、ＣＯＤイメージセンサとしてはＮチャネルＭＯ３
構造が主流とな゛っている。そして、これら撮像素子の
受光窓が画素に対応する。

ところで、最近、複数のＣＯＤセンサを例えば厚膜セラ
ミック等の基板上に一直線状に配列固定してマルチチッ
プ化した、ＣＯＤインライン密着型イメージセンサの開
発及び実用化が図られでいる。

このインライン密着型イメージセンサは通常多数の撮像
素子配列（画素配列に対応する。）が形成されている各
チップを順次に直線的に配設して撮像装置を構成するが
、第３図に示すように、隣接するチップ２２ａ及び２２
ｂ同志の継ぎぬにはギャップ２４が形成されているため
、チップ２２ａ、２２ｂ内の画素２６間の画素ピッチＰ
と、それぞれのチップ２２ａ及び２２ｂのチップ端側の
両画素２８間の画素ピッチＰ′とが異なってしまう、こ
のチップ継ぎぬの画素ピッチＰ′は国際電信電話諮問委
員会（ＣＣＩＴＴ）によって、画素ヒツチＰの１２５％
以内となるように規格が定められでいる。

この規格を満足させるためには、第４図にそれぞれ示す
ように、加工精度を高めて、チップの切出し精度±α７
．±０２、チップのスクライブ時の切断面の傾きによる
走査方向精度±８１゜±８２を出来るだけ小ざくするよ
うに努めている。

しかしながら、これら切出し精度を高めても、各チップ
２２ａ、２２ｂ等のチップ端の撮像素子すなわちホトダ
イオード２８がこの切断により損傷を受ける恐れがある
。従って、感光部を構成する撮像素子配列のチップ端側
の撮像素子を、動作時に拡がった空乏層３０がこの切断
による損傷を受けないような距離ｍ＋及びｍ２だけチッ
プ端からｇＩ間するよう（こ、作り込む必要があると共
に、その際、チップ端からチップ端側の画素２８の中心
までの距ｗ１β、及びβ２８それぞれ小さくする必要が
ある。尚、第４図において、３２は一方の導電型の半導
体層、３４は他方の導電型の拡散層であり、両者を以っ
てホトダイオードを形成し、３６はその画素従って受光
窓を画成する連光膜である。

そこで従来は、文献（「テレビ学技報ＪＥＤ８４−１６
１．第４１頁〜第４６頁のｒｃｃｏインライン記着型イ
メージセンサ」）に開示されでいるよう４ＣＣＤインラ
イン密着型イメージセンサの撮像素子配列表フが提案さ
れている。

第５図は感光部を構成する従来の固体撮像装置の感光部
構造の説明に供する、撮像素子の配列方向に沿う方向の
チップ断面を概略的に示す断面図である。この図におい
で、４０は一方の導電型（Ｐ◆）の基板、４２はＰ−工
どクキシャル層、４４ａ及び４４ｂは他方の導電型（Ｎ
＋）の拡散層で、一方の導電型の第一層（基板４０とエ
ピタキシャル層４２かうなる層）中に他方の導電型の第
二層（拡散層４４ａ　、　４４ｂ　）を複数個作り込ん
でチップ中心側の撮像素子（ホトダイオード）４６ａ及
びチップ端に隣接した撮像素子（ホトダイオード）４６
ｂの配列を形成している。これらホトダイオード４６ａ
同志はもとより、ホトダイオード４６ａと４６ｂＶ互い
にＰ１チャネルストップ層４８ａで分離している。５０
ａ、５２は５ｉＣｈ酸化膜、５４は連光膜で画素を与え
る受光窓５６ヲ画成している。

そして、この従来構造では、チップ端にｆｉｌＷｉシた
撮像素子（ホトダイオード）４６ｂの拡散層４４ｂの素
子配列方向の幅を受光窓５６の幅よりも狭め、チップ端
側のＰ＋チャネルストップ層４８ｔ）及びＳｉ○２酸化
膜５０ｂをホトダイオード４６ｂ内まで広げてチップ切
断面からホトダイオード４６ｂのＮ◆拡散層４４ｂまで
の距離を長くしてチップ切断による損ｉを受けないよう
にし、暗出力の増加を抑えた構造となっており、受光窓
５６の幅と拡散層４４ａの幅とがほぼ同じで、Ｐ＋チャ
ネルスト９７層４８ａ及びＳｉＯ２酸化膜５０ａが遮光
膜５４によって覆われているチップ中心側の他のホトダ
イオード４６ａの構造とは異なっている。

第６図に、概略的な平面図で、チップ端近傍の画素４６
ａのＮ１拡散層４４ａと、画素４６ｂのＮ十拡散層４４
ｂ及びＰ＋チャネル７８９７層４８ｂの配百関係を示す
。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この従来構造のチップ端側のホトダイオ
ードでは、次のような問題点があった。

先ず第一に、チップ端側のホトダイオード４６ｂのＮ＋
拡散層４４ｂを他のホトダイオード４６ａのＮ”拡散層
４４ａの幅よりも狭くした結果、ホトダイオード４６ｂ
の空乏層５８ｂはホトダイオード４６ａの空乏層５８ａ
の拡がり・領域よりも小ざい。

従って、ホトダイオード４６ａ及び４６ｂに入射した光
りによってＰ−エビクキシャル層４２中に生成されたホ
トキャリア６０がＮ十拡散層４４ａ及び４４ｂにそれぞ
れ捕えられる。ホトダイオード４６ｂのＰ＋チャネル７
８９７層４８ｂの上方から入射した光りによるホトキャ
リア６２はその一部が空乏層５８ｂに捕えられるにすぎ
ない。

これがため、チップ端側の画素と他の画素との間で光感
度に差が生じてしまう、このため、各画素ともに同一感
度となるように、ホトダイオード４６ｂの受光窓５６ヲ
画素配列方向に直交する方向に長くするなどして調整を
図る必要があるという問題があった。

ざらに、チップ端側のホトダイオード４６１）では、Ｐ
＋チャネルスト・ンブ層４８ｂの上側からも光が入射す
るので、Ｎ十拡散層４４ｂには、その上方からの光の他
、膜厚ｔ、のＳｉ○２酸化膜５２及び膜厚ｔ２のＳｉＯ
□酸化膜５０ｂを透過した光によって発生したホトキャ
リアもＮ＋拡散層４４ｂに捕えられる。後者の光は、二
層の酸化膜５２及び５０ｋ）による光の干渉で波長によ
って透過率が変わるため、チップ端側のホトダイオード
４６ｂと、その他のホトダイオード４６ａとで感度に差
が出てしまうといろ問題点があった。この様子を第７図
に示す。

第７図はこの従来の感光部の各撮像素子従って画素と光
の波長に対する感度特性を示す図であり、（Ａ）図は第
５図と同様な概略的な断面図、（Ｂ）図は感度出力特性
図（ａ、Ｕ、で表わす、）である、第７図（Ｂ）におい
て、横軸は素子配列方向の位！？プロットし、縦軸は感
度出力をプロ・シトして表わしている０図中λ３、λ２
、λ、はそれぞれ入射光の波長を示す、この図より理解
出来るように、チップ端側のホトダイオード４６ｂのＰ
＋チャネル７８９７層４８ｂの上方からの感度出力が乱
れていることが分る。

この発明の目的は、チップ端側の撮像素子とチップ中央
側の撮像素子にかかわらず、素子構造を同一にして感度
差を無くし、よって光感度が一様でしかも暗出力の低い
固体撮像装置の感光部構造を提供することにある。

（課題を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明によれば、 一方の導電型の第一層中に他方の導電型の第二層を作り
込んで配列したホトダイオードを互いにチャネルストッ
プ層で分離してなる複数の撮像素子を具え、それぞれの
撮像素子の受光窓を遮光膜によって画成し、これら受光
窓の領域に透明絶縁膜を具えた固体撮像装置の感光部構
造において、撮像素子の少なくとも配列方向に沿う第二
層の幅をこの配列方向に沿う受光窓の幅よりも狭くして
あり、 この配列方向に沿う前述の第二層の両側に浅いチャネル
ストップ層を設け、 この第二層の深さをこの浅いチャネルストップ層よりも
深く形成してなる ことを特徴とする。

この発明の実施に当り、全ての撮像素子の平面形状及び
断面形状を実質的に同一とする。これにより、各撮像素
子の感光面構造が同一となる。

さらに、この発明の好適実施例によれば、第一層をＰ導
電型とし、第二層をＮ−’導電型とするのが良い。

ざらに、この発明の実施に当り、好ましくは、チャネル
ストップ層及び浅いチャネルスト・ンブ層をＰ４導電型
とするのが良い。

ざらに、この発明の好適実施例によれば、それぞれの撮
像素子の透明絶縁層の膜厚及び形状を実質的に均一とす
るのが良い。

（作用） このように、この発明によれば、受光窓の幅又は受光面
に比べて第二層例えばＮ−拡散層の幅を狭くした構成と
なっているので、暗電流を減少させることが出来る。

また、この第二層の少なくとも両側に受光窓の領域−杯
に浅いチャネルストップ層を形成し、この第二層の深さ
をこの浅いチャネルストップ層よりも深く形成しである
ので、空乏層が浅いチャネルストップ層の下側に受光窓
幅一杯に拡がり、従って、ホトキャリアを第二層中に効
率良く収集することが出来、各撮像素子とも、感度が一
様となりかつ高感度となる。

また、全ての画像素子の感光面構造が同一であるので、
５ｉｎ２酸化膜の膜厚による光透過率の違いに基づく感
度出力のバラツキを無くし、全ホトダイオードの暗出力
を均一にすことが出来る。

（実施例） 以下、図面を参照して、この発明の固体撮像装置の感光
部構造の実施例につき説明する。

第１図はこの発明の固体撮像装置の感光部の素子配列方
向従って画素配列方向に沿って取って示したチップ端に
近傍な部分の概略的断面図である。

尚、図において、各構成成分の形状、寸法及び配＝開係
等はこの発明が理解出来る程度に概略的に示しであるに
すぎず、従って、これらは図に示す実施例にのみ限定さ
れるものではない、ざらに、各構成成分に用いる材料、
導電型、数偵例等も何等限定されるものではなく所要に
応じて任意好適なものとすることが出来る。

１遣ユ朋 第１図において、一方の導電型であるＰ型基板５０に第
一層としてＰ型のエピタキシャル層５２ヲ例えば１０ｕ
ｍの膜厚で具える。５４は反対導電型である第二層とし
てのＮ−型拡散層であり、５６はこの拡散層５４の素子
配列方向に沿った両側に少なくとも設けたＰ＋型の浅い
チャネルストップ層である。５８は素子分離のためのＰ
＋型のチャネルストップ層、６０は拡散層５４、浅いチ
ャネルストップ層５６及びチャネルストップ層５８の上
側に形成された５ｉ０２等のフィールド酸化膜からなる
透明絶縁膜、６２はこのフィールド酸化膜６０の上側に
設けられた８１０２等の透明な中間絶縁膜、６４は個々
の撮像素子７２．７４（ここで、７２はチップ中心側の
撮像素子、７４はチ・ンプ端側の撮像素子を示す、）の
受光窓（従って画素）６６ヲそれぞれ画成するための例
えばＡβ等の金属遮光膜である。各撮像素子７２及び７
４の受光窓６６従って受光面の大きさは全て同一に形成
しである。

この第１図に示す実施例では、撮像素子７２．７４の少
なくとも配列方向に沿う第二層の拡散層５４０幅を該方
向に沿う受光窓６６の幅例えば２０ｕｍよりも狭い例え
ば１０ｕｍとしてあり、必ずしも必要な要件ではないが
受光窓６６の中心が拡散層５４の中心と一敗するように
構成しである。この拡散層５４のドーピング濃度８Ｘ１
０”ドーズ／　ｃ　ｍ　３程度とするのが好適である。

そして、浅いチャネルスト・ンブ層５６ソこの拡散層５
４の周囲、この場合には素子配列方向に沿う拡散層５４
の両側であって主として受光窓６６の下側にＰ型エピタ
キシャル層５２の表面から深さ３５００八程度にまで設
けである。この浅いチャネルストップ層５６のドーピン
グ濃度を３×１０′６ドーズ／Ｃｍ３程度とするのが好
適である。

そして、拡散層５４はこのチャネルストップ層５６より
もさらに下方に８５００Ａ程度の深さまで形成しである
。

さらに、Ｐ＋チャネルスト９７層５８は約２ｕｍの膜厚
としかつそのドーピング濃度を４×１０１６ドーズ／ｃ
ｍ３程度とし、透明絶縁膜であるフィールド酸化膜６０
のうち受光窓６６の下側では１１００Ａ程度の均一の膜
厚とし、遮光膜６４の下側では８０００Ａ程度の均一の
膜厚とするのが好適である。

さらに、中間絶縁膜６２の膜厚を８０００人程度とし、
少なくとも受光窓６６も領域内では均一な膜厚としであ
る。遮光膜６４の膜厚を同じ＜ｓｏｏ。

λ程度とする。

上述した数値例は、既に説明したように、単なる好適例
にすぎず、設計に応じた任意好適な値とすることが出来
る。

ざらに、この発明の実施例では、各撮像素子の感光特性
及び又はその他の特性等を一敗させるため、各撮像素子
の平面的形状及び断面形状を同一に形成するのが好適で
ある。特に、それぞれの撮像素子の透明絶縁膜の膜厚及
び形状を実質的に均一とするのが好適である。このよう
にすると、全ての素子について感光面が同一の大きざと
なり、感光特性が同一となる。

第８図は、このように構成した撮像素子配列を具える固
体撮像装置のチップを複数個直線的に順次に隣接配置し
たときの二つのＦａ接するチップ８０及び８２のチップ
端付近での画素配列、拡散層５４及び浅いチャネルスト
ップ層５６の位ｍｆｆｆｉ係を説明するための図である
。この図においで、遮光膜６４によって画成された受光
窓の領域従って受光面が各撮像素子の画素８４．８６に
対応しており、画素８４はチップ８０及び８２の中心側
の画素、画素８６はチップ８０及び８２のチップ端の画
素である。

上述した第１図及び第８図の構成からも理解出来るよう
に、感光面構造は、他方の導電型の第二層であるＮ−型
拡散層５４ヲ受光面に対し狭く形成し、この拡散層５４
ヲ素子配列方向の両側から一方の導電型であるＰ＋型の
浅いチャネルストップ層５６で挟んだ構造となっている
。これがため、チップ切出しの際、チップ端切断面から
のダメージに起因する拡散層５４の損（ａを回避するこ
とが出来、暗出力を小さく出来る。また、チップでの配
列位置にかかわらず、各撮像素子の感光面構造を同一に
しであるので、全ての画素の出力が一様となり、しかも
、入射光の波長感度特性も各画素共に実質的に同一とな
る。

ざらに、他方の導電型の第二層である拡散層５４をその
周囲に隣接する一方の導電型の浅いチャネルストップ層
５６よつも深いところにまで形成しであるので、撮像素
子の動作時に空乏層（第１図に破線９０でその拡がりの
位〕を概略的に示す。）が浅いチャネルストップ層５６
の下側にまわり込んで十分拡がり、場合によっては遮光
膜６４の下側のチャネルストップ層５８に接つする位百
にまで拡がるので、全ての画素においてその受光窓全域
に入射した光によるホトキャリアを効率良く収集するこ
とが出来、従って、特にチップ端の画素の感度□の低下
を抑えることが出来る。

肱作刊 この発明の固体撮像装置の感光部構造の動作例を簡単に
説明する。

第１図に示す感光部を構成するホトダイオードのＮ−拡
散層５４をＰ型基板５０に対し順方向に適当なバイアス
電圧を印加すると、破線で示すように空乏層９０が拡が
る。この拡散層５４は隣接する浅いチャネルストップ層
５６よりも深く形成しであるので、横方向（素子配列方
向）に浅いチャネルストップ層５６の下側に広く拡がる
。

光里工。の入射光が中間絶縁膜６２及びフィールド酸化
膜６０の両酸化膜を透過して各撮像素子７２．７４従っ
て画素内に入射すると、Ｐ型エピタキシャル層５２内で
光電変換されて空乏層９０の内外でホトキャリア（電荷
）９２（図中、白丸で示しである。）が発生する。

尚、このとき、酸化膜６０及び６２０反射率及び吸収率
を考慮した係数を日とすると、この両酸化膜６０．６２
ヲ透過して入ってくる光の光量は（１−Ｒ）Ｉ。となる
。

入射光により空乏層９０の領域外で発生した電荷は拡散
により、ライフタイムτ内に空乏層９０の領域内に取り
込まれたホトキャリア９２のみが空乏層９０内で発生し
たホトキャリアと伴に、第２図に示したホトゲート１４
に蓄積される。

このホトゲート１４には、Ｎ−型拡散層５４で発生した
暗電流も合せて蓄積される。

このようにして、全てのホトゲート１４に蓄積されたホ
トキャリアは、従来と同様に、トランスファーゲート１
６を介し、ＣＯＤレジスタ１８に送られ、ＣＯＤレジス
タ１８により転送されてプリアンプ２０を通して、プリ
アンプ２０に近いホトダイオードのホトキャリアから順
次に、出力される。

この発明は上述した実施例のみに限定されるものではな
いこと明らかである０例えば、Ｎ−拡散層５４の中に浅
いチャネルストップ層５６が入り込んでいても差支えな
い０例えば、上述の実施例では、一方及び他方の導電型
８Ｐ型及びＮ型とそれぞれしたが、一方の導電型をＮ型
及び他方導電型ｔｐ型としても良い、その場合には、多
少の構造の変更が必要となるが、これらの変更は当業者
が容易に考えることが出来る範囲内である。

ざらに、素子構成の材料として従来用いられている半導
体材料を用いることが出来る。

また、各構成成分の寸法、配置、形状等といった条件は
、設計に応じて任意に決定することが出来る。

（発明の効果） 上述した説明から明らかなように、この発明の固体撮像
袋フの感光部構造によれば、受光窓の幅に比べて第二層
の幅を狭くした構成となっているので、暗電流を減少さ
せることが出来る。

また、この第二層の少なくとも両側に受光窓の領域−杯
に浅いチャネルスト・ｙブ層を形成し、この第二層の深
さをこの浅いチャネルストップ層よりも深く形成しであ
るので、空乏層が浅いチャネルストップ層の下側に受光
窓幅一杯に拡がり、従って、第二層の幅を狭くしたため
に起る感度出力の低下を空乏層の拡がりによって補える
ので、各撮像素子とも、感度の低減を押えることが出来
、高感度となる。

また、浅いチャネルストップ層のため、感度出力の一様
性を損なうことなく、チップ端切断面に起因する第二層
のＨ４傷を回避することが出来る。

また、全ての画像素子の感光面構造が同一であるので、
透明結締膜の膜厚による光透過率の違いに基づく感度出
力のバラツキを無くし、全ホトグイオートの感度出力は
もとより、暗出力をも均一にすることが出来る。

このような利点を有するため、この発明の撮像素子配列
製画はマルチチップ型のＣＯＤイメージセンサに用いて
特に好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の固体撮像装置の感光部構造の一実施
例の素子配列方向従って画素配列方向にｊ８って取って
示したチップ端に近傍な部分の概略的断面図、 第２図は固体撮像製画の概略的なブロック構成図、 第３図はインライン式のと春型ＣＯＤイメージセンサの
チップ継ぎめでの画素ビ・ソチの説明に供する図、 第４図はチ・ンブの加工精度の説明図、第５図は感光部
を構成する従来の固体撮像製雪の感光部構造の説明に供
する、撮像素子の配列方向にｊ８う方向のチップ断面を
概略的に示す断面図、 第６図は従来のチップ端近傍の画素の拡散層とチャネル
ストップ層との配置１ｆＥｆｆｉ係を示す概略的平面構
造図、 第７図はこの従来の固体撮像製画の感光部構造の各撮像
素子従って画素と光の波長に対する感度特性説明図であ
り、（Ａ）図は第５図と同様な概略的な断面図、（Ｂ）
図は感度出力特性図、第８図はこの発明の固体撮像装薗
の感光部構造を具える固体撮像装百のチップを複数個直
線的に順次にｌｌｌｌ配接したときの二つの隣接するチ
ップのチップ端付近での画素配列、拡散層及び浅いチャ
ネルストップ層の位ＭＷ係説明図である。 ５０・・・一方の導電型基板 ５２・・・一方の導電型のエピタキシャル層、５４−・
・他方の導電型の拡散層 ５６・・・浅いチャネルストップ層 ５８・・・チャネルストップ層 ６０・・・透明絶縁膜（フィールド酸化膜）６２・・・
中間（透明）絶縁膜 ６４−・・遮光膜、　　　　　６６・・・受光窓７２、
７４−・・撮像素子 ８０、８２・・・チップ、　　　８４．８６・・・画素
９０・・・空乏層、　　　　　９２・・・ホトキャリア
。 特許出願人　　　　沖電気工業株式会社第２図 従来のチップ端近傍の平面構造 第６図 Ｗ　　　　　　　　　　　　＞ 感度出力　（ａ、Ｕ、）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方の導電型の第一層中に他方の導電型の第二層
   を作り込んで配列したホトダイオードを互いにチャネル
   ストップ層で分離してなる複数の撮像素子を具え、それ
   ぞれの撮像素子の受光窓を遮光膜によって画成し、該受
   光窓の領域に透明絶縁膜を具えた固体撮像装置の感光部
   構造において、撮像素子の少なくとも配列方向に沿う第
   二層の幅を該方向に沿う受光窓の幅よりも狭くしてあり
   、 前記配列方向に沿う前記第二層の両側に浅いチャネルス
   トップ層を設け、 前記第二層の深さを該浅いチャネルストップ層よりも深
   く形成してなる ことを特徴とする固体撮像装置の感光部構造。
2. （２）全ての撮像素子の平面形状及び断面形状を実質的
   に同一とした請求項１記載の固体撮像装置の感光部構造
   。
3. （３）第一層をＰ導電型とし、第二層をＮ＾−導電型と
   した請求項１又は請求項２記載の固体撮像装置の感光部
   構造。
4. （４）チャネルストップ層及び浅いチャネルストップ層
   をＰ＾＋導電型とした請求項１〜３のいずれか一つに記
   載の固体撮像装置の感光部構造。
5. （５）それぞれの撮像素子の透明絶縁層の膜厚及び形状
   を実質的に均一とした請求項１〜４のいずれか一つに記
   載の固体撮像装置の感光部構造。