JPH0244771A - 垂直タイプ・ブルーミング防止システム装備のｃｃｄフレーム転送感光マトリックスとその作製方法 - 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、幅の狭い絶縁ゾーンにより多くの列（ｃｏｌ
ｕｍｎ）に分けられたチャネル層の二番目のタイプが半
導体基板の最初のタイプの上にある垂直タイプ・ブルー
ミング機構を備え、絶縁ゾーンに対して垂直に伸び、列
を多くの「ピクセル」つまり基本的なピクチャー（イメ
ージ）・エレメントに分割する転送ゲットのネットワー
ク上にある絶縁酸化物の層を挿入したフレーム転送ＣＯ
Ｄマトリックスに関するものである。

さらに、本発明は上記のような感光マトリックスを作製
する方法に関するものでもある。

（従来の技術） よ（知られているように、感光マトリックスは、マトリ
ックスの入力フェースに投射した光イメージな、行（ｒ
ｏｗ　）とフレームのデュアル・シーケンスによって形
成される電気信号に変換するように設計されている。各
フレームは一定の蓄積時間を有しており、この時間の間
に吸収された光子は電子／正孔ベアを生成する（ペアに
２つのタイプがあり、一方は基本セルつまりピクセルに
集まり、他方は半導体中を流れる）。蓄積の後、転送が
行なわれる。この転送では、集められた電荷は、信号電
圧を生成する変換コンデンサに列単位で逐次的に送られ
る。もちろん、転送時間は、蓄積時間よりも短い。

蓄積時、絶縁ゾーンと適切にバイアスされた転送グリッ
ドとの間の協同作用により、ピクセルごとの、壁（ｗａ
ｌｌｓ　）で仕切られた離散的な電位ウェル（ｐｏｔｅ
ｎｔｉａｌ　ｗｅｌｌ）の形態が決まる。電荷はこれら
のウェルに集まり、次第に増えていく。この電荷の流れ
は局部照明（ｌｏｃａｌ　ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）
にほぼ比例している。転送時、グリッドの電位を適切に
調整すれば、電位ウェルの壁は、列の方へ、コンデンサ
の方へシフトする。

フレーム転送周波数と共に、ウェルの電荷蓄積容量は、
ダーク・レベルとブルーミング・レベル（後者はウェル
の全電荷量（ｔｏｔａｌ　ｆｉｌｌｉｎｇ　）に相当す
る）間の使用可能な照明レベルの範囲を決める（ブルー
ミング・レベルを越えると、電荷が壁からあふれ隣のウ
ェルを満たしていく）。

電荷がウェルからあふれて隣のウェルに流れ込んでいく
ことにより発生するマトリックスのゾーンのブルーミン
グを防止するための標準的な方法は、絶対値でブルーミ
ング・レベルに近いがそれよりも低いバリヤ・レベルに
余分な電荷を流すブルーミング防止機構を使用する方法
である。これらのブルーミング防止機構では、基板をＰ
タイプとすると、ウェルの電位がバリヤ・レベルよりも
高い場合にはオン、低い場合にはオフとなるように適切
にバイアスされた接続部に接続されたダイオードまたは
ドレインが使用される。基板がＮタイプである場合には
、上記の関係、つまり電位とオン、オフの関係は逆にな
る。

従来の技術では、上記のブルーミング防止機構は、電荷
がドレインの方に流れる方向が（水平面に沿って伸びる
と考えられている）マトリックスの表面に平行かあるい
は垂直かにより、水平タイプまたは垂直タイプという２
つのタイプに分類される。

特に文書ＰＲ−Ａ−２５２９３８８とＰＲ−Ａ−２５２
９３９０の中で述べられているように、水平タイプでは
、ダイオードはビクセルの隣にあるマトリックスの表面
に置かれる。この結果、光学的には非活動状態にあるこ
れらのダイオードはマトリックスの表面のうちかなりの
部分を占める。マトリックスのオプティカル・アパーチ
ャ、つまり、感光表面：幾何学的な表面の比率は小さく
なる。

垂直タイプ・のブルーミング防止構造も提案されている
。この構造では、余分な電荷の放電は、Ｎタイプの基板
の中のＰタイプ・リセス（ｒｅｃｅｓｓ）の材料を埋め
込んだ埋込み型ＰＮ接合を使い、基板を通じて行なわれ
る。これらの構造は、異ニテイの近（にオプティカル・
アパーチャを有している。それと対照に、それらの構造
のスペクトル反応は鈍く、波長の長いスペクトル、すな
わち赤色スペクトルと赤外スペクトルに対する感度は低
い。なぜなら、電子／正孔ペアの形をした光子の吸収の
平均距離は、シリコン内の低エネルギー光子の場合、比
較的大きく、リセスの深さを越えているからである。こ
の深さは制限されているが、その制限は、特に、ＰＮ接
合が関連ウェルの近くにあるようにするために設けられ
ている。

本発明の目的は、ブルーミング防止機構を装備し、広い
オプティカル・アパーチャを持ち、すぐれたスペクトル
反応を持つ感光電荷転送マトリックスをつ（ることにあ
る。

（発明の概要） 上記の趣旨に沿って、本発明はＣＣＤフレーム転送感光
マトリックスを提案する。このマトリックスは、半導体
基板の最初のタイプの上に、狭い絶縁ゾーンにより多く
の列（ｃｏｌｕｍｎ）に仕切られたチャネル層の二番目
のタイプがのっている垂直タイプ・ブルーミング防止機
構を装備し、その絶縁層とは垂直に伸びそれらの列を多
くのビクセルに分割する転送グリッドのネットワーク上
にある絶縁酸化物の薄い層を介在物にしている（ここで
は、ブルーミング防止機構は、ベース層、基板とチャネ
ル層間に埋め込まれたダイオードである。

そのベース層は最初のタイプで、不純物の注入は基板の
場合よりも少ない。上記のダイオードは絶縁層と平行な
列に置かれ、多くの不純物が注入されている二番目のタ
イプの狭いドレインを有する）。

したがって、本質的に、本発明では、オプティカル・ア
パーチャがほぼ１の垂直タイプ・ブルーミング防止機構
の利点が利用される。このため、余剰電荷除去ドレイン
はマトリックスの表面（ｓｕｒｆａｃｅ　）を占めるこ
とはない。電荷のペアの形をした光子の、吸収はベース
層の深さ全体で行なうことができる。したがって、それ
はドレインが埋め込まれる深さよりも深いところで可能
である。このため、スペクトル反応をシリコンの特定の
反応のレベルに近づけることができる。

各ダイオードは、最初のタイプの、ベース層よりも不純
物かた（さん注入された保護スクリーンを備え、その保
護スクリーンは基板側にあるドレインの近くにあるのが
望ましい。このスクリーンは、オリジナルの光子が蓄積
ウェルの高さまで電子／正孔ペアを生成したポイントか
ら電荷が拡散している間、ドレインによる電荷の直接的
集合に対するバリヤを形成する。このようなわけで、ス
ペクトル反応は、赤外光子や赤色光子のオプティカル・
アパーチャを太き（すればさらによ（なる。

マトリックスは、ブルーミング防止機構が２つの絶縁ゾ
ーンのいずれかの下にあり、各ダイオードが隣接する２
つの列をドレインした形でつ（ることかできるが、通常
、マトリックスの各列に１個のダイオードが用意される
ことになろう。これらのダイオードは、余剰電荷の除去
がウェルの中央から行なわれるように、なるべく１つの
面に配列した方がよい。

また、ダイオードはなるべくベース層の厚さの約半分の
深さで埋め込んだ方がよい。このようにすることで、ス
ペクトル反応に必要なベース層の厚さ、適正な電位ウェ
ルの深さおよびドレインとウェルの効果的な接続等を適
切に調和させることができる。

望ましい配列においては、絶縁ゾーンは半導体の最初の
タイプによって形成される。なぜなら、これらの絶縁ゾ
ーンがグリッドでセットアツプされているか、あるいは
ｒＬＯｃＯ３Ｊ　　（ロコス−選択的酸化構造）によっ
て形成されているかぎり、最初のタイプの不純物で二番
目のタイプのチャネル層に多少多めに不純物を注入して
おくと何かと好都合である。どういうのは、そのように
することでこれらの絶縁層は感光的な性質を帯びるから
である。これにより、表面近（で吸収される、スペクト
ルの最上部の光子のアパーチャが良（なる。

ウェルに集まった電荷が電子であれ正孔であれ、物理的
な面でのマトリックスの働きは同じであるけれども、半
導体の最初のタイプはＰタイプであるのが望ましいし、
したがって、集まった電荷は正孔よりも動きが速いのが
望ましい。

もう一つの点として、本発明は、以下のような垂直タイ
プ・ブルーミング防止機構を備えたＣＣＤフレーム転送
感光マトリックスをつ（るための方法を提案する：狭い
絶縁ゾーンをつくってチャネル層を多くの列に分割する
ために、半導体基板の最初のタイプの上に、チャネル層
の二番目をタイプが形成する：絶縁酸化物の薄い層をチ
ャネル層の上に形成し、この酸化物の薄い贋の上に、絶
縁層に対して垂直に伸びる転送グリッドのネットワーク
を形成する；基板上には、基板よりも不純物の量が少な
いベース層の最初のタイプの最初の部分をエピタキシャ
ル法によって生成する；二番目のタイプの最初の不純物
を、低いエネルギーで、次いで高いエネルギーで、用意
されている絶縁ゾーンと平行になっている狭い列のパタ
ーンで、ベース層の最初の部分に注入する；最初のタイ
プの最初の不純物は、次の拡散で、二番目の不純物をベ
ース層の最初の部分の最初の不純物よりも深く拡散する
ように注入する；ベース層の二番目の部分を、チャネル
層が形成される前に、最初の部分にエピタキシャル法に
よって生成する。

（実施例） 選択して示しである実施例では、全体としてのマトリッ
クス１は、不純物が適度に注入されているＰタイプのシ
リコンからつ（られた基板２を有している。基板２の上
には、タイプがＰで、小量の不純物（原子数が１ｃｍ３
当り１０１５個）が注入され、厚さが約１５μｍのエピ
タキシャル層３がある。以後このエピタキシャル層をベ
ースＭと呼ぶことにする。このベース層３の上には、Ｎ
タイプのチャネル層４があり、その上にはシリコン酸化
物の絶縁層５がある。　チャネル層４は、幅が狭（平行
な絶縁層４１のネットワークにより多くの列４０に分割
されている。チャネル層は、この場合、タイプがＰで、
密度が基板とベース層３との中間である不純物を拡散す
ることによって得られる。

「狭い層」とは、隣接する列４０よりも幅が著しく狭い
層のことを意味する。

酸化物層５の上には、間隔が狭く等距離のグリッド６の
ネットワークがある。これらのグリッドは絶縁層に対し
て垂直で、多結晶シリコンでつくられている。適切にバ
イアスされたこれらのグリッドは、ベース層３とチャネ
ル層のＰＮ接合によって形成される感光層の電位誘導壁
において、列４０を多くのピクセル、つまりイメージ作
成エレメントに分割する。これらの電位壁は、絶縁層４
０によって形成される電位壁と交わる。それらは、後者
と共に、小数キャリアが集まる離散的で電荷の少ない電
位ウェルのマトリックスを決める。この場合、小数キャ
リアは、感光領域内の電子／正孔ペアが光子を吸収した
ことによって生成した電子である。

本質的にベース層によって形成される感光領域の厚さは
、有用なスペクトルの波長に関係なく、非常に一様に光
子を吸収できる厚さであることに注意されたい。現実に
は、青色の光子の透過距離は短いが、赤色の光子あるい
は近赤外光子は、シリコンの場合、かなり深いところま
で透過する。

イメージ信号をつくるためには、フレーム率での蓄積後
、蓄積した電荷は多くの変換コンデンサに送られる。こ
の転送は多くの列に対しては平行に、列のビクセルおよ
び同じ列に対しては順次的に行なわれる。この転送は、
各ウェルのアップライン・ウオール（ｕｐｌｉｎｅ　ｗ
ａｌｌ　）とダウンライン・ウオールを１ステツプずつ
交互に列の変換コンデンサの方ヘシフトするグリッドの
電位を適切に定期的に調整（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）す
ることによって行なわれる。上記の表現アップリンク・
ウオールとダウンリンク・ウオールは、変換コンデンサ
へ転送される電荷の方向を言及する場合に使用される。

上記のデバイスはすべて標準的なタイプである。

前述したように、電荷が集まるイメージ・エレメントに
ブルーミング防止デバイス（適切に配列し、電源から正
しくバイアスしたダイオードで形成し、ウェル内に蓄積
した空間電荷が、ウェルを仕切っている壁または仕切り
のピーク電位に達したときにオンになり、余剰電荷があ
ふれて隣りのウェルに流れ込む前にそれらの電荷を電源
の方に流すデバイス）を装備することは極く当り前のこ
とである。

本発明では、ダイオード３２は基板２とチャネル層４と
の境界面の間の中間であるベース層３のレベル３ａの箇
所（実際には、基板からは５〜１０μｍ、チャネル層か
らは５〜ｌＯμｍの箇所）に埋め込まれる。

これらのダイオードは非常に多量の不純物を注入してつ
くられ、Ｎタイプの幅の狭いドレイン３２で、絶縁ゾー
ン４１と平行に伸びており、それらのゾーンから等距離
にあり、このため、関連する列とほぼ垂直である。ドレ
イン３２は、多量の不純物を注入したＰタイプの材料で
つくったスクリーン３３の上に配置されている。このた
め、レベル３ａの下、更に具体的にいうとドレイン３２
の下にある電子／正孔ペアからの電子（大多数は赤色と
赤外光子）は、ドレイン３２に引き寄せられ吸収される
ことなく上方に位置する電位ウェルの方へ拡散してい（
ことができる。

以下の詳細な記述かられかるように、ベース層３は二段
階のエピタキシャル成長でつくったものである。最初の
段階では、下部層３０はエピタキシャル成長でつくられ
る。この層３ａの上に、ドレイン３２とスクリーン３３
がイオン注入と拡散でつくられる。第二の段階では、上
部層はレベル３ａからエピタキシャル成長でつくられる
。

ドレイン３２は、多量の不純物を注入したＮタイプのコ
レクタ・ウェルを介してマトリックスの有用な面を除く
面に接続されている。

第２図の断面図でより明確に示されているように、空間
電荷Ｐタイプのベース層とＮタイプのチャネル層４によ
るＰＮ接合、ならびにＰタイプの絶縁ゾーン４１によっ
て生成された空間電荷ににより、等電位４５が形成され
る。これは、絶縁ゾーンでは３５ａ（ピーク）を有し、
チャネル層４の列の下にあるウェル３７の形成を決める
。蓄積時、ネットワーク６のグリッドを空間的に定期的
なバイアスを行なうと図示の面と平行に壁が形成される
（この場合、ピーク構成はピーク３５ａと類似している
）ことに注目されたい。

さらに、ドレイン３２／スクリーン３３の接合部と共に
ブルーミング防止ドレイン３２をバイアスすると、集合
ゾーン３８を仕切る平板状（ｔａｂｕｌａｒ　）の等電
位３６の形成が決まる。

波長が短い（青）光子７０が、チャネル層、たとえば７
１で電子／正孔ペアの形をした、チャネル層の光子近（
まで吸収されど、その正孔はＰタイプ領域（正孔がキャ
リア）においてその効力が弱められる。一方、電子７２
は近くのウェル３７で拡散する。

さらに、波長が長い光子８０（赤色光子あるいは赤外光
子）が、ベース層３、たとえば８１で吸収されると、そ
の遊離した電子８２は、基板２と等電位３５との間の領
域が決めるパスで拡散するが、保護スクリーン３３の箇
所ではその拡散の仕方が変わる。この場合、弾性衝突が
偶発的な軌道事故を引き起こす。

既知の水平タイプのブルーミング防止のシステムと比較
すると、実際には、マトリックスの全面は感光性であっ
て、表面のどの部分もブルーミング防止ダイオードでか
（れることはない。この観点から、感光性であるＮタイ
プのチャネル層のＰドーピングで得られた絶縁ゾーンの
使用は、選択的酸化によって得られる、いわゆるＬＯＣ
ＯＳタイプの絶縁ゾーンあるいは列と平行に伸びるグリ
ッドをバイアスすることによって得られる絶縁ゾーンの
使用よりも望ましい。

また、垂直タイプ・ブルーミング防止システムと比較す
ると、半導体のスペクトル反応はほぼ保持されており、
ベース層３の深さは、Ｎタイプの基板のＰタイプのリセ
スの場合に得られる深さによって制限されることはない
。

前にみたように、保護スクリーン３３があれば、ベース
層３の深いセクションをほぼ全体にわたって使用するこ
とができる。

さらに、ドレイン３２は絶縁ゾーン４１の下に配置でき
る。したがって、２つの絶縁ゾーン４１に対して１つの
ドレイン３２があり、そのドレイン３２は隣り合ってい
る２つの列４０の電位ウェルからの電荷の流れに対して
用意されるという状況が予想される。しかし、ここで述
べた、ドレインが最大電位ゾーンに可能な限り近くにあ
る配列が望ましい配列である。

本発明に従ってマトリックスをつくる場合には、その基
板として、感光性のマトリックスをつ（るのに通常使用
されるドーピングのレベル（原子数１ｃｍ３当り約１０
１８個）を有するＰタイプの基板２を用いる。

それほど多くの不純物が注入されていない（原子数１ｃ
ｍ３当り１０１５個）Ｐタイプの半分３０はエピタキシ
ャル成長したものであり、厚さは５〜１０μｍである。

もう一方の半分３０の酸化膜の厚さは約０．４μｍであ
る。列のダイオードの箇所で形成された酸化層はフォト
・エツチングで除去される。

アンチモンのイオンは高密度（原子数１ｃｍ２当り約１
０１５個）と低エネルギーで注入される（「高密度」と
「低エネルギー」はこの分野の専門家がいっている意味
で理解されたい）。次いで、ホウ素の高エネルギー・イ
オンが、アンチモンの下にくるように注入される。これ
に続く、マトリックスの高温処理により、不純物の拡散
が可能になり、スクリーン３３が得られるダイオード３
２の構成が可能になる。

イオン注入後、ダイオードをマークし、マトリックスの
列を配列するためにもう一度酸化処理が行なわれ、その
後で、酸化物がすべて除去される。

次いで、下半分の層の表面３ａの上に、Ｐタイプの上半
分が厚さ５〜ｌＯμｍでエピタキシャル成長で形成され
る。上半分３１の厚さはブルーミング防止ドレイン３２
に印加される電圧に応じて調整される。

この後で、ベース層３の表面の上に、Ｎタイプ（原子数
１ｃｍ３当り約１０１６個）のチャネル層４が形成され
る。このチャネル層４に、ドレイン３２の場所に基づい
て識別される絶縁層４１が形成される。

標準的な厚さを持つ酸化物の絶縁層が形成され、多結晶
シリコンでつ（られる、グリッド６のネットワーク・パ
ターンが形成される。このネットワークは、いろいろな
厚さにおける有用なスペクトルに対して透過的（トラン
スペアレント）である。

次いで、接続ウェルがイメージ作成面以外のマトリック
スの各部につくられる。これらの接続ウェルは、リンを
レベル３ａまで拡散させると得られる。

もちろん、本発明の範囲はいままで述べてきた選好構造
の例に限定されることはなく、特許請求の範囲内での代
替実施例すべてを対象にしている。

特に、本発明は、Ｐタイプ基板、Ｐタイプ・ベース層お
よびＮタイプ・チャネル層に基づいて述べてきた（この
場合、蓄積電荷は電子である）。

また、半導体の逆のタイプをマトリックスのエレメント
すべてに対して使用しても、相当する物理的動作が得ら
れるということはいうまでもない。

その場合、蓄積電荷は正孔となる。しかし、それでもや
はり上記の構造を採用した方がよい。なぜなら、電子は
動きがより速いという特性を持っているからである。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、余剰電荷除去ド
レインはマトリックスの表面を占めることがなく、電荷
のペアの形をした光子の吸収はベース層の深さ全体で行
なうことができる。したがって、それはドレインが埋め
込まれる深さよりも深いところで可能である。このため
、スペクトル反応をシリコンの特定の反応のレベルに近
づけることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従った、はぼ１つのピクセルの長さ
に沿って区切られたマトリックスの透視図を示している
。 第２図は、本発明に従った、光子の電子／正孔ペアへの
変換と電荷の蓄積を表わすマトリックスの概略断面図を
示している。 特許出願人　トムソンーセーエスエフ 特許出願代理人　弁理士　山　本　恵

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板の最初のタイプの上に、狭い絶縁ゾー
   ンにより多くの列に仕切られたチャネル層の二番目のタ
   イプがのっている垂直タイプのブルーミング防止機構を
   装備し、 その絶縁層とは垂直に伸びそれらの列を多くのピクセル
   に分割する転送グリッドのネットワーク上にある絶縁酸
   化物の薄い層を介在物にし、前記ブルーミング防止機構
   は、ベース層、基板とチャネル層間に埋め込まれたダイ
   オードであり、そのベース層は最初のタイプで、不純物
   の注入は基板の場合よりも少なく、当該ダイオードは絶
   縁層と平行な列に置かれ、多くの不純物が注入されてい
   る二番目のタイプの狭いドレインを有することを特徴と
   するＣＣＤフレーム転送感光マトリックス。
2. （２）各ダイオードが、最初のタイプであり、ベース層
   よりもさらに多くの不純物を注入され、基板側のドレイ
   ンの近くに配置された保護スクリーンを持っていること
   を特徴とした請求項１記載のマトリックス。
3. （３）各列がブルーミング防止ダイオードを備えている
   ことを特徴とする請求項１記載のマトリックス。
4. （４）平面内で、ダイオードが絶縁ゾーンの間に配置さ
   れていることを特徴とする請求項３記載のマトリックス
   。
5. （５）ダイオードがベース層の厚さの約半分の厚さまで
   埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載のマト
   リックス。
6. （６）前記絶縁ゾーンは、不純物がベース層と基板との
   間に注入された、最初のタイプの半導体で形成されるこ
   とを特徴とする請求項１記載のマトリックス。
7. （７）半導体の最初のタイプがＰタイプであることを特
   徴とする請求項１記載のマトリックス。
8. （８）チャネル層を多くの列に分割する幅の狭い絶縁ゾ
   ーンをつくる際、チャネル層の二番目のタイプを最初の
   タイプの半導体基板の上に形成し、絶縁酸化物の薄い層
   をチャネル層の上に形成し、酸化物のこの薄い層の上に
   、絶縁ゾーンに対して垂直に伸びる転送グリッドのネッ
   トワークを築き、 基板上には、エピタキシャル法により、基板の場合より
   も不純物が少ないベース層の最初のタイプの最初の部分
   を形成し、 二番目のタイプの最初の不純物を、低エネルギーで、用
   意されている絶縁ゾーンと平行な幅の狭い列のパターン
   でベース層の最初の部分に注入し、 最初のタイプの最初の不純物を、二番目の不純物がベー
   ス層の最初の部分で最初の不純物の場合よりも深く拡散
   するように、高エネルギーで注入し、 ベース層の二番目の部分を最初の部分の上にエピタキシ
   ャル法で形成し、その後でチャネル層を形成する垂直タ
   イプ・ブルーミング防止機構装備のＣＣＤフレーム転送
   感光マトリックスの作製方法。