JPH02503618A - 固体イメージセンサ - 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】 固体イメージセンサ この発明は固体イメージセンサに、更に詳しくは、このようなセンサの画像検出 素子におけるブルーミングを制御するための装置に関係している。

感光素子へ導かれた光エネルギーに比例してこの素子に信号キャリヤが発生され る固体イメージセンサは既知である。この信号キャリヤは電荷結合素子（ＣＣＤ ）によって読み出される。

所与の時間の間に感光素子に入射する光の量が比較的高いときには、感光素子に おいてこれの蓄積容量を越えてキャリヤが発生され、これが起こると、余剰のキ ャリヤは隣接の感光素子へ流れ込む。これはブルーミングとして知られた現象を 生じる結果になる。センサによって発生された信号から画像を再生する際には、 画像が捕えられたときにブルーミングが発生した区域においては画質が著しく劣 化する。

のような一つのデバイスにおいては、Ｎ形感光素子が基準電位にあるＰ形層によ ってＮ形基板から分離されている。基板が所定の電位より上にバイアスされてい るときには、Ｐ形層が空乏状態になっている突接は状態が得られる。これが起こ ると、感光素子からの余剰キャリヤは基板へ流れ込み、この基板は垂直あふれド レーンとして役立つ。垂直あふれドレーンを使用しているセンサの欠点はセンサ がスペクトルの緑及び赤の領域における応答性において損失を呈することである 。

イメージセンサにおけるブルーミングをルリ御するためにいわゆる横方向あふれ ドレーンを使用することも又知られている。

米国特許第４４８０９１２号には、感光素子が垂直の列に配置され且つ感光素子 のそれぞれのものの一方側に垂直転送部分が設けられているインクライン転送形 の固体センサが開示されている。

感光素子の反対側には横方向あふれドレーンが素子のそれぞれのものに対向して 形成されている。各感光素子とこれの対応するあふれドレーンとの間にあふれゲ ート制御電極が設けられて、この電極にはあふれドレーンへの余剰キャリヤの転 送を制御するために直流電圧が加えられる。このデバイスについての問題は、あ ふれゲートに対する付加的制御電極のためにセンサの有効区域において損失があ ることである。別の問題は、比較的多数の表面素子のために望まれるような小さ い画素を持ったデバイスを製造するのが困難であることである。

上述の従来技術における諸問題を克服して、ブルーミングが制御される改良形固 体デバイスを提供することがこの発明の目的である。

この発明に従って、第１の導電形の半導体基板、基板に形成された第２の導電形 の感光領域、感光領域におけるドレーン領域であって第２の導電形のものであり 且つ高められた導電率のものであるドレーン領域、ドレーン領域に近接して感光 領域に形成された仮想ゲート領域であって第１の導電形のものであり且つ高めら れた導電率のものである仮想ゲート領域、及び感光領域において発生された信号 キャリヤを読み出すための装置、を備えている固体イメージセンサが与えられる 。

この発明の一実施例においては、固体イメージセンサはＰ形基板に形成されたｐ ｎホトダイオードを備えている。ホトダイオードからの信号キャリヤを受けるた めにホトダイオードに近接して電荷結合素子が形成されている。ホトダイオード からの余剰キャリヤを受けるためにホトダイオードの一区域に横方向あふれドレ ーンが形成されている。チャネル停止領域と物理的に接触している仮想ゲートが ドレーンに近接して形成されている。ドレーンに供給された電圧はホトダイオー ドからドレーンの余剰キャリヤの転送をもたらす。

この発明の一つの利点は、極上水準のゲート材料の必要性及びゲートのための接 点が仮想ゲートの使用によって除去されることである。センサの更なる利点は、 センサの応答性が可視スペクトルのすべての区域において比較的高いことである 。

今度はこの発明の実施例が例として添付の諸図面を参照して説明されるが、この 諸図面中、 図１はインクライン転送形式の従来技術の固体イメージセンサの断面図であり、 図２はこの発明のイメージセンサの平面図であり、図３は図２における線３−３ に沿って取られた断面図であり、図４はインクライン転送形式のイメージセンサ の平面図であり、 図５Ａ〜５Ｅはこの発明のイメージセンサ素子を作る際に実施される諸段階を示 しており、 図６はこの発明の第２の実施例を示しており、図７は、図３の断面図に概して類 似しているが、センサにおける静電位が種々の位置において示されている、この 発明のイメージセンサ素子の断面図であり、又 図８はこの発明のイメージセンサ素子の応答性と垂直あふれドレーンを持ったイ メージセンサ素子の応答性との比較を示した図表である。

ここで使用されたような用語「仮想ゲート」は、従来技術のデバイスにおけるゲ ート及びゲート制御電極によって行われる機能を行う開示されたイメージセンサ 素子における構造のことである。この発明における仮想ゲートは、これのすぐ下 のチャネル領域における静電位の制御を与えて、これにより「あふれ点」、すな わち余剰電荷がホトダイオードから排出されるレベル、を調整する。

図１に言及すると、従来技術の固体センサ３０が示されている。

センサ３０はＰ形基板３２を備えている。基板３２におけるホトダイオード３４ はＮ影領域３６を含んでいる。ホトダイオード３４の一方側には、横方向あふれ ドレーン（ＬＯＤ）４０がＮ影領域によって形成されている。ホトダイオード３ ４の反対側には、電荷結合素子（ＣＣＤ）４４がＮ影領域４６によって形成され ている。図１に示されたようにセンサ３０には絶縁層４８が形成されていて、転 送ゲート電極４９はホトダイオード３４から素子４４へのキャリヤの流れを制御 するように構成されており、又垂直転送電極５０は水平電荷転送部分（図示され ていない）へのキャリヤの流れを制御するように構成されている。ドレーン４０ への余剰キャリヤの流れを制御するためにＬＯＤゲート制御電極５２が設けられ ている。上述のように、図１に示された形式の従来技術のセンサの欠点はセンサ ３０における電極５２のようなＬＯＤゲート制御電極が必要なことである。

この発明に従って構成されたイメージセンサ素子６０が図２及び３に示されてい る。図３に示されたように、素子６０はＰ形基板、ピン式ホトダイオード６４、 及び埋込みチャネル電荷結合素子（ＣＣＤ）６６からなっている。素子６６は基 板６２におけるＮ影領域６７を備えている。ホトダイオード６４は基板６２にお いて、上にピニング層７０が形成されているＮ影領域６８によって形成されてい る。層７０とは仮想ゲート７１が連絡しているが、このゲートは図１に示された ように、Ｐ　チャネル停止部領域７４と接触しているイオン注入Ｐ＋領域によっ て形成されている。チャネル停止部領域７４は、基板Ｂ２により基準電位にバイ アスされていて、素子６０を互いに分離するのに役立つ。仮想ゲート７１の機能 は以下において更に詳細に説明される。横方向あふれドレーン（ＬＯＤ）７５は 領域７２に近接して注入されたＮ４領域７６によって形成されている。バイアス 電圧ＶＤは端子７８を通してドレーン７５に供給される。例えば二酸化けい素の 、絶縁層８０が、図３に示されたように素子６０に形成されている。ＣＣＤクロ ック電極８２を通して供給される電位は、転送ゲート８４を通してのホトダイオ ード６４から素子６６へのキャリヤの転送とイメージセンサ１０の水平電荷転送 部分１８へのキャリヤの転送の両方を行うために使用される（図４参照。）。

イメージセンサ素子６０は図４におけるイメージセンサ１０に示されたようにイ メージセンサに配列されることができる。イメージセンサ１０はインタライン転 送形式のものである。イメージセンサ素子６０は又線形イメージセンサ（図示さ れていない）において使用されることができる。イメージセンサ１０は、図４に 線図で示されたように水平の行及び垂直の列に配列された複数のイメージセンサ 素子６０からなっている。イメージセンサｌＯの動作の際には、ホトダイオード ６４に入射する光エネルギーに比例してこのホトダイオードに電荷キャリヤが形 成され、この電荷キャリヤはＣＣＤ６６に転送され、ここで（図４で観察された ときに）垂直に水平電荷転送部分１８まで移動され、次に出力部分２０まで移動 される。

センサ６０を製作するための製造工程が図５Ａ〜５Ｅに示されている。図５Ａに 示されたように、この工程は上部絶縁層８０が形成されているＰ形基板６２で開 始される。層８０上にはマスク層１０４が準備される。図５Ａに示された第１段 階において、りん又はひ素のイオンが基板６２に注入されて埋込みチャネルＣＣ Ｄ６６のＮ影領域６７が形成される。次の段階において、図５Ｂが示されたよう に、りんイオンが注入されてホトダイオード６４のＮ影領域６８が形成される。

はう素イオンが領域６８において所与のイオン線量及びイオンエネルギーにおい て注入されてピニング層７０（図５Ｃ）が形成され、又マスク層１０５によって 規定された一つの領域においてより大きいイオン線量でほう素イオンが注入され て仮想ゲート７１のＰ＋領域７２が形成される（図５Ｄ）。

図５Ｅに示された最終注入段階において、マスク層１０ｇにおける開口部を通し てひ素又はりんイオンが注入されてドレーン７５のＮ　領域７６が形成される。

図５Ａ〜５Ｅに示された段階が完了された後、諸電極及び必要な諸デバイス間の 接続部を作るために金属化段階（図示されていない）が行われる。

この発明の動作は図７の参照によって最もよく理解することができる。図７にお いて、センサ６０の素子は断面で示されている。又曲線９０が示されているが、 これは積分期間中におけるセンサ６０の断面に沿ってのこのセンサの静電位を例 示している。

曲線９０は断面に沿っての横方向距離をＸ軸として且つチャネル電位をＹ軸とし て構成されており、電位はＸ軸の方向に増大しレベルに達して、この時点で仮想 電極７１の下をドレーン７５へと流れることがわかるであろう。ドレーン７５の 電位は端子７８を通して供給された電圧ＶＤによって点７７における電位よりも 高い値に維持される。電荷キャリヤを素子６６に転送することが望まれるときに は、第ルベルの電圧ＶＧが電極８２に供給されて、これが曲線９０における点７ ９の電位を上昇させ、これにより転送ゲート８４を通る電荷キャリヤの流れがも たらされる。第２レベルの電圧Ｖ。が電極８２に供給されると、電荷キャリヤが 素子６Ｂから図７における図面の面に垂直な方向に移動される。

上述のように、この発明の利点は横方向のあふれドレーンを制御する電極の必要 がないことである。この発明は又垂直方向あふれドレーンを利用した既知のセン サに比べて利点を与える。

これは図８に図示されており、この図において曲線１００は波長３５０ｎ■ない し７５０止対する素子６０の応答性を表しており、又曲線１０２は垂直あふれド レーンのある典型的なセンサ（図示されていない）の応答性を表している。素子 ８０は実際に緑及び赤の領域において（すなわち、はぼ５５０ｎ＋＋＋から６５ ０止までの波長において）応答性が増大しているが、これに対し垂直あふれドレ ーンを持ったセンサは約５００ｎｍの波長の後応答性が常に減小していることが わかるであろう。この現象は垂直あふれドレーンを持ったデバイスにおいては周 知であり、長い方の波長の光子の大部分がホトダイオードと基板との間の領域に 配置された比較的浅いあふれ点の下で吸収されるという事実に起因している。

この発明の第２実施例が図６に示されており、この図において素子６０における 諸部分に対応する諸部分にはプライムの付加された同じ参照数字が付与されてい る。図６に示されたように、イメージセンサ素子６０′　は基板６２′、ホトダ イオード６４′、及びＮ影領域６７′のある埋込みチャネル電荷結合素子（ＣＣ Ｄ）６６′を備えている。ホトダイオード６４′はＮ影領域６８′によって基板 ６２′に形成されている。仮想ゲート７１′は、Ｐ＋チャネル停止部領域７４′ 　と（図示されていない区域において）接触しているイオン注入ど領域７２′に よって形成されている。領域７２′に近接したＮ　領域７６′　は横方向あふれ ドレーン７５′を形成している。バイアス電圧ＶＤは端子７８′を通してドレー ン７５′　に加えられる。絶縁層８０′がデバイス６０′　に形成されている。

ホトダイオード６４′から転送ゲート８４′を通してデバイス６６′へのキャリ ヤの転送を行うためにＣＣＤクロック電極８２′が準備されている。図６に示さ れた素子６０’　と上述の素子６ｏとの間の主な差は、デバイス６０′　には素 子６０におけるピニング層７０に対応する層がないことである。素子６０′　は 素子６０と同じ方法で機能するが、但しホトダイオード６４′が転送ゲート電位 にリセットされるのに対し、ホトダイオード６４はビン式ダイオード電位にリセ ットされる。

疫上せ中 ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４ Ａ３　（シコＰ） ＦＩＧ、　５ｂ ＦＩＧ、　５ｅ ＦＩＧ、７ 液−１（ｎｍ） 国際調査報告 国際調査報告　　　、５８．。。、６゜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１導電形の半導体基板（６２，６２′）、前記の基板（６２，６２′）に 形成された第２導電形の感光領域（６８．６８′）、 前記の感光領域（６８，６８′）におけるドレーン領域（７６，７６′）であっ て、前記の第２導電形のものであり且つ高められた導電率のものである前記のド レーン領域（７６，７６′）、前記のドレーン領域（７６，７６′）に近接して 前記の感光領域（６８，６８′）に形成された仮想ゲート電極（７２，７２′） であって、前記の第１導電形のものであり且つ高められた導電率のものである前 記の仮想ゲート電極（７２，７２′）、及び 前記の感光領域（６８，６８′）に発生された信号キャリヤを読み出すための装 置（６６，６８′）、 を備えている固体イメージセンサ。 ２．前記のゲート領域（７２）に近接して前記の感光領域（６８）にピニング層 （７０）が形成されていて、このピニング層が前記の第１導電形のものである、 請求項１に記載の固体イメージセンサ。 ３．信号キヤリヤを読み出すための前記の装置が電荷結合素子（６６，６８′） である、請求項１に記載の固体イメージセンサ。 ４．前記の電荷結合素子（６６，６６′）が前記の基板（６２，６２′）におけ る埋込みチャネル（６７，６７′）を備えている、請求項３に記載の固体イメー ジセンサ。 ５．前記の電荷結合素子（６６，６６′）がＣＣＤクロック電極（８２，８２′ ）を備えている、請求項４に記載の固体イメージセンサ。 ６．第１及び第２の導電形がそれぞれＰ及びＮの導電形である、請求項１に記載 の固体イメージセンサ。