JPH0360159A - 固体撮像素子 - 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、固体！ｌ素子に関し、特に、光電変換領域で
発生した過剰な信号電荷を引き抜く機構を有する固体撮
像素子に関する。

［従来の技術］ 固体撮像素子では、一部の画素に強い光が入りそこで生
起した信号電荷量が光電変換領域の電荷蓄積能力以上に
なると、過剰な電荷が周囲の光電変換領域に流れ込み、
偽信号を発生させるいわゆるブルーミング現象が起る。

このブルーミング現象を除去するための手段はいくつが
あるが、それらに共通した考えは、あふれた過剰な電荷
を他の画素や電荷転送通路に入らないように、別の脇道
を通して外部回路、もしくは半導体基板中に吸い取るこ
とである。

この考えに基づ〈従来より用いられている手法としては
、過剰信号電荷を光電変換領域に隣接して設けられたオ
ーバーフロードレイン領域へ引き抜く方式と、撮像素子
を縦型オーバーフロードレイン構造とし、半導体基板側
へ縦方向に引き抜く方式とが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した従来の方式のうち、前者は光電変換領域に隣接
してオーバーフロードレイン領域を設ける必要があるた
め、素子の微細化、高密度化に対して不利となる。した
がって、現在では後者の方式、すなわち、半導体基板側
へ縦方向に電荷を引き抜く方式が主流となっている。し
かしながら、この方式を達成するためには、半導体基板
表面のウェルの深さを選択的に変えるなど、複雑な製造
プロセスが必要であり、そしてウェル深さのばらつきが
、そのまま各光電変換素子の蓄積可能電荷量のばらつき
となることから、正確なプロセスコントロールが要求さ
れ、製造上の安定化が困難であるという欠点がある。

［課題を解決するための手段］ 本発明による固体撮像素子は、半導体基板の表面領域内
に、複数の光電変換領域、電荷読み出し領域および電荷
転送領域が設けられ、半導体基板上には絶縁膜を介して
ゲート電極、および電荷転送領域を遮光する導電性の金
属遮光膜が設けられたものであって、その特徴とすると
ころは、遮光膜と光電変換領域とを直接接触させ、その
接触界面でショットキー障壁を形成させ、金属遮光膜と
光電変換領域との間に適当な電位差が存在するようにす
ることにより形成されるポテンシャル井戸に信号電荷を
蓄積させる点である。この撮像素子においては、次第に
信号電荷の量が増え、これがショットキー障壁以上にな
ると、それ以上の信号電荷は、ショットキー障壁をとび
こえて金属遮光膜へと流れ込んでいく。

［実施例コ 次に、本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。

第１図（ａ）は、本発明の第１実施例を示す平面図であ
り、第１図（ｂ）は、そのＸ−Ｙ線断面図である。第１
図（ａ）、（ｂ）に示されるように、ｎ型半導体基板２
の表面にｐ型ウェル層３が形成され、その中にｎ導電型
の光電変換領域４および電荷転送領域６が設けられ、そ
の間の領域は信号電荷読み出し領域９となされており、
そしてこれら各領域はｐ＋型のチャネルストッパ５によ
り包囲され互いに分離されている。半導体基板上には絶
縁膜８を介して電荷転送領域を覆うようにゲート電極７
が形成されているが、このゲート電極は、信号電荷読み
出し領域９の上部にも渡してあり、信号電荷の読み出し
用ゲート電極をも兼ねている。ゲート電極９上にはさら
に絶縁膜８を介して電荷転送領域６および信号電荷読み
出し領域９を遮光する金属遮光膜１０が設けられている
。

この金属遮光膜１０には、通常用いられるアルミニウム
などの導電性金属を用い、そして、光電変換領域４の上
部の絶縁膜８にコンタクト孔を開設しておき、該コンタ
クト孔下部の接触部１において、光電変換領域４と金属
遮光膜１０とを直接接触させる。ここで光電変換領域４
の不純物濃度が１０１５〜１０　”／ｃｎｌ程度である
ので、光電変換領域４とアルミニウムである金属遮光膜
１ｏとの間の界面にはショットキー障壁が形成される。

次に、このように構成された固体撮像素子の動作につい
て説明する。

第２図に示したように、ｐ型ウェル層３を接地し、金属
遮光膜１０に電圧ｖｏを印加する。このとき、金属遮光
膜１０と光電変換領域４との間に金属遮光１１ｉ１０側
が負の電位差Ｖが存在しているものとして、この状態で
の第２図のＡ−Ａ’線に沿ってみたポテンシャル図を第
３図に示す。

第３図に示すように、金属遮光膜１ｏと光電変換領域４
の接触界面に金属のフェルミ準位ＥＰＭがらφＢの高さ
のショットキー障壁が形成さ、れており、また、ｎ型の
光電変換領域４とｐ型ウェル層３間にはそれぞれの領域
の不純物濃度で決まるビルトインポテンシャルｖｂＩが
形成されている。ここでは、 Ｖ　ｂ　ｌ＞φａ　＋　（ＥＰＭ　　ＥＣ）　−−（１
）となるように各々の領域の不純物濃度が選択されてい
るものとする。なお、ＥＣは、光電変換領域４の伝導帯
下端のエネルギー準位である。この状態のもとで、光電
変換領域へ光が入射されると、光電変換により発生した
信号電荷は、上述のショットキー障壁およびｐｎ接合障
壁により形戒されるポテンシャル井戸に順次蓄積されて
いく、その様子を模式的に第４図に示す。信号電荷が、
しだいに蓄積されていくと、ついには、金属遮光膜と光
電変換領域の作るショットキー障壁をとびこえて同図Ａ
に示すように金属遮光膜側へ流れ込む。

ここでは、各部の不純物濃度は、（１）式を満足するよ
うに設定されているので、これ以上発生した信号電荷は
、全て金属遮光膜側へ引き抜かれ、他の光電変換領域に
流れ込むことはない。

また、光電変換領域４のポテンシャル井戸に蓄積できる
電荷量、すなわち、最大蓄積電荷量は、金属遮光膜１０
に印加する電圧を変えることにより、第２図に示す光電
変換領域−金属遮光膜間の実効電位差Ｖを適当に設定し
て可変にすることができる。それを説明するための、第
２図のＡ−Ａ′線に沿った断面のポテンシャル図を第５
図に示す０例えば、第５図に示したように、電位差をＶ
からそれよりも小さいＶｌにすると、ｑＶ−ｑＶｌだけ
ポテンシャル井戸が浅くなり最大蓄積電荷量はその分減
少する。逆に、■よりも大きいＶ２にすると、ｑＶ２　
　ＣＩＶだけポテンシャル井戸は深くなり、それに相当
する分だけ最大蓄積電荷量は増加する。すなわち、金属
遮光膜の電圧を適当に選定することにより光電変換領域
の最大蓄積電荷量を任意に設定することが可能となる。

次に、光電変換領域での信号電荷の蓄積時間を任意に設
定できる可変電子シャッター動作について説明する。定
常状態で金属遮光膜−光電変換領域間に金属遮光膜側１
０が負となる電位差Ｖが設定されていたとして、いま、
金属遮光膜に高電圧を印加して、金属遮光膜側が正で両
者間の電位差が例えば１５Ｖとなるようにすると、光電
変換領域の形戒するポテンシャル井戸が、第６図に示す
ように、実線ａから破線ａ′に変化する。この状態では
、蓄積されていた信号電荷は全てショットキー障壁をの
りこえることができるので、信号電荷は金属遮光膜側へ
全て引き抜かれる。電子シャッタ動作はこの原理を利用
する。第７図（ａ）、（ｂ）に、通常動作時とシャッタ
ー動作時のタイミングチャートを示す。同図（ａ）は、
信号蓄積時間が１／６０秒の一般的なフィールド蓄積動
作を示したもので、垂直ブランキング期間内に、ゲート
電極７に読み出しパルスが印加されると蓄積されていた
信号電荷が全て電荷転送領域に読み出され、同時に、光
電変換領域は空となる。次の読み出しパルスが印加され
るまでの１／６０秒間が信号電荷蓄積時間となる。同図
（ｂ）は、信号電荷蓄積時間を任意に設定できるシャッ
ター動作を示したもので、垂直ブランキング期間内に印
加される読み出しパルスで光電変換領域の蓄積電荷は空
となり、その後再び光電変換電荷が蓄積されていく。そ
こで次の読み出しパルスが印加される前に、金属遮光膜
に印加しているバイアス電圧を前述のように金属遮光膜
側をプラス、光電変換領域側をマイナスになるように、
例えば１５Ｖ程度の電位差になるように変化させると、
それまでに蓄積されていた信号電荷は全て金属遮光膜側
へ抜き取られ、光電変換領域は空となる。その後このバ
イアス電圧を元に戻すと、その時点から新たに信号電荷
の蓄積が行なわれる。つまり同図（ｂ）に示したように
、シャッターパルスを印加し、元のバイアス電圧に戻し
た時点から次の読み出しパルスが印加されるまでの時間
が信号電荷の蓄積時間となる。シャッターパルスを印加
するタイミングを任意に設定することができるので、信
号蓄積時間を任意に変えることができる。

第８図（ａ）は、本発明の第２実施例を示す平面図であ
り、第８図（ｂ）は、そのＸ−Ｙ線断面図である。この
実施例の第１実施例と相違する点は、第１実施例におい
ては、光電変換領域４の周囲全域にわたって金属遮光膜
１０と接触させていたのに対し、本実施例では、光電変
換領域の周囲の一部分において金属遮光膜と接触させて
いる点である。動作については、第１実施例の場合と同
様である。なお、この接触領域は、さらに小さくするこ
とも可能である。

第９図（ａ）は、本発明の第３実施例を示す断面図であ
る。この実施例では、ｎ型の光電変換領域４の表面にｐ
型拡散層１１を形成し、この領域と金属遮光膜１０とを
接触させている。この場合ｐ型拡散層１１はｐ型ウェル
層３とは分離されている。この構造により、暗電流とな
る電荷を発生しやすい、半導体と絶縁膜８との界面を光
電変換領域と分離することができるので、暗電流の少な
い固体撮像素子を提供することができる。この構造の場
合、第９図（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿ったポテンシャル分
布は、第９図（ｂ）に示すものとなるが、その動作原理
は前述の各実施例のそれと同様である。

第１０図（ａ）は、本発明の第４実施例を示す断面図で
ある０本実施例は、第９図で示した第３実施例と同様、
光電変換領域４の表面にｐ型拡散層１１を形成したもの
であるが、第３実施例と相違している点は、このｐ型拡
散層１１をｐ型ウェル層３とチャネルストッパ５を介し
て接続してｐ型ウェル層３と同電位としている点と、金
属遮光ｇ！１０との接触部分にはｐ型拡散層は設けてい
ない点である。従って、第１０図（ｂ）で示したように
、第１０図（ａ）のｃ−ｃ’線のポテンシャル図は第１
、第２実施例の場合と同様になる０本実施例によれば、
暗電流を低減させることができるとともに、光電変換領
域の一部の表面が一定電位に固定されるため、信号電荷
の読み出しが容易になり、残像の少ない固体撮像素子と
することができる。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明は、金属遮光膜と光電変換
領域とを直接接触させ、適切なバイアス電圧を印加する
ことによりその接触部に形成されるシコットキー障壁を
利用して、過剰に発生した信号電荷を吸収してブルーミ
ングを抑制することができ、また、電子シャッタ動作を
容易に達成することができる。

また、本発明の固体撮像素子は、従来構造の固体撮像素
子のように、複雑な製造プロセスや、正確なプロセスコ
ントロールも要求されないので、本発明によれば、個々
の光電変換素子の蓄積可能電荷量がばらつかない固体撮
像素子を比較的容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１実施例を示す平面図、第１
図（ｂ）はそのＸ−Ｙ線断面図、第２図乃至第７図（ａ
）、（ｂ）は第１実施例の動作説明図、第８図（ａ）は
本発明の第２実施例を示す平面図、第８図（ｂ）はその
Ｘ−Ｙ線断面図、第９図（ａ）は本発明の第３実施例を
示す断面図、第９図（ｂ）はその動作説明図、第１０図
（ａ）は本発明の第４実施例を示す断面図、第１０図（
ｂ）はその動作説明図である。 ｌ・・・接触部、　２・・・ｎ型半導体基板、　３・・
・ｐ型ウェル層、　４・・・光電変換領域、　５・・・
チャネルストッパ、　６・・・電荷転送領域、　７・・
・ゲート電極、　８・・・絶縁膜、　９・・・信号電荷
読み出し領域、　１０・・・金属遮光膜、　１１・・・
ｐ型拡散層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板の表面領域内に配列された複数個の光電変換
   領域と、前記半導体基板の表面領域内に設けられた前記
   光電変換領域において光電変換された信号電荷を転送す
   るための電荷転送領域と、前記光電変換領域内に蓄積さ
   れた光電変換電荷を前記電荷転送領域へ読み出すための
   電荷読み出し領域と、前記電荷転送領域および前記電荷
   読み出し領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲー
   ト電極と、前記電荷転送領域および前記電荷読み出し領
   域を覆うように前記ゲート電極上に絶縁膜を介して形成
   された導電性金属からなる遮光膜とを具備する固体撮像
   素子において、前記光電変換領域に対し前記遮光膜はシ
   ョットキー障壁をもつて接触せしめられていることを特
   徴とする固体撮像素子。