JPH0424964A - 固体撮像装置 - Google Patents

固体撮像装置

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JPH0424964A
JPH0424964A JP2124271A JP12427190A JPH0424964A JP H0424964 A JPH0424964 A JP H0424964A JP 2124271 A JP2124271 A JP 2124271A JP 12427190 A JP12427190 A JP 12427190A JP H0424964 A JPH0424964 A JP H0424964A
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JP
Japan
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pixel
gate electrode
solid
array
state imaging
Prior art date
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Pending
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JP2124271A
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English (en)
Inventor
Kazuya Matsumoto
一哉 松本
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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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、電荷変調素子(Charge Modul
ationDeνice、以下CMDと略称する)を画
素として用いた固体撮像装置に関する。
〔従来の技術] 従来、MIS型受光受光積部を有する受光素子からなる
固体撮像装置は種々のものが知られているが、その中、
MIS型受光受光積部を有し且つ内部増幅機能を有する
受光素子を用いた固体撮像装置がある。その−例として
本件発明者等が提案したCMDを用いた撮像装置があり
、特開昭6184059号、及び1986年に開催され
たInternationalElectron De
vice Meeting (I E D M)の予稿
集の第353〜356真の”A  NE−門O5I門A
GE 、5ElISOI’10PEI?ATING I
N A N0N−DESTRUCTIVE READO
UT MODE”という題名の論文で、その内容につい
て開示がなされている。
第3図に従来のCMD固体撮像装置の1画素部分の断面
構造を示す。図において、1はp−基板、2はn−チャ
ネル層、3はn゛ソースドレイン)層、4はn゛ ドレ
イン(ソース)層、5はゲート絶縁膜、6は環状ゲート
電極、7は絶縁物による保fl[!(パッジベージタン
膜)である。
次にこのような構成のCMD受光素子の受光動作につい
て説明する。まず光8がゲート電極6の上部より入射す
ると、該入射光8は保護膜7.ゲート電極6.ゲート絶
縁膜5を通ってチャネル層2に入り、そこで正孔−電子
対を発生させる。そのうちの光発生正孔が逆バイアスが
印加されているゲート電極6直下のゲート絶縁膜5とn
−チャフル層2の界面に蓄積され、その結果、チャネル
層2の表面電位が上昇する。それにより、ソース層3と
ドレイン層4間に存在する電子に対する電位障壁が低下
し、n−チャネル層2中を電子電流が流れる。この電流
を読み取ることにより増幅された光信号が得られるよう
になっている。
〔発明が解決しようとする課題] ところで、上記構成のCMD固体撮像装置において、入
射光8は保護膜7.ゲート電極6.ゲート絶縁膜5を通
過してn−チャネル層2に入るわけであるが、その際、
空気/保護膜/ゲート電極膜/ゲート絶縁膜/n−チャ
ネル層の多層膜構造中における多重干渉効果により、反
射、吸収が発生し入射光の一部が失われる。この現象は
、固体撮像装置としては感度低下の原因となる。
そのため、従来のCMD固体撮像装置では、上記多層膜
構造の各膜厚値を最適化し、感度向上を計っている。例
えば、Si基板を用いゲート電極をポリシリコン膜で形
成し、ゲート絶縁膜に熱酸化SiO□膜を用いる場合に
ついて説明すると、まずゲート電極のポリシリコン膜厚
を400〜800人とした場合、ゲート絶縁5iOz膜
厚は1000Å以下、及び1500人近辺、 3400
人近辺、 5100人近辺が良好な透過率をを示す膜厚
であるのがわかっている。
しかし、ゲート電極にポリシリコンを、ゲート絶縁膜に
S:Oz熱酸化膜を使う限り、光透過率の向上には限界
がある。これを簡単に説明すると、次のとおりである。
すなわち、一般に異なる屈折率を持つ界面(屈折率をn
l、n、とし、n、’:> n。
とする)での反射率Rは、 (n +/ n z)” + 1 で表される。この式かられかるように、nlとn2の比
が大きくなるほど反射率が大きくなる。
上記構成の受光素子においては、保護膜としてはSi0
g膜が使われることが多く、またゲート絶縁膜としては
熱酸化540g膜が通常使われており、またゲート電極
はポリシリコン薄膜で形成されている。この場合、ポリ
シリコンの屈折率は〜4で、SiO□の屈折率は1.4
5であり、したがって屈折率の比が大きく、結局多重干
渉時における反射が大きくなり、透過率が下がる結果と
なっている。
光透過率の一例を第4図に示す。これは保護膜がSiO
□で形成され、その厚さが24000人、ゲート電極の
ポリシリコン膜の厚さが600人、ゲート酸化膜厚さが
350人の時の可視光(波長が400〜700nm)範
囲での光透過率の算出結果を示している。
この図から、600nm付近の光は、多層膜の反射によ
り透過率が下がっているのがわかる。
一方、CCD等の撮像素子において、樹脂を用いて撮像
素子上にマイクロレンズアレイを集積して形成し、開口
率を向上させる技術が実用化されている。例えば特開平
1−309370号公報には、第5図に示すような構成
のものが開示されている。
すなわち、P型Si基板101に設けられた多数の光電
変換素子のn゛型ホトダイオード領域102.n型埋込
チャネル103.P”型チャふルストツパ104層間膜
106を介してn°型ホトダイオード領域102に対応
する部分以外に配置した転送電極105.該転送電極1
05に対応する眉間膜106上に配置したアルミニウム
遮光膜107を含む受光部を備えた固体描像素子におい
て、受光部を被覆する表面が平坦で透明な中間層108
−1.108−2.108−3.108−4と、この中
間層上にn゛型ホトダイオード領域に対応して選択的に
設けられた透明感光性樹脂層113及びその表面を被覆
する他の透明な中間層108−5からなる凸レンズとを
備えている。そして中間層1081〜10B−5はPG
MAで形成され、透明感光性樹脂層113はゼラチンに
より形成される。なお109110、111は各中間層
108−1.108−2.108−3上に形成されたマ
ゼンタ染色層、シアン染色層、イエロー染色層である。
このように構成された撮像素子において、中間層10’
8−1〜108−5.透明感光性樹脂層113の屈折率
は1.5であり、各染色層の屈折率とほぼ等しく、入射
光が凸レンズに対して垂直に入射されると仮定した場合
、第6図に示すように、中間層の厚さを1+、凸レンズ
の厚さをt2としたとき、次式を満足すると開口率は、
はぼ100%になる。
ここで、nO,nlは、それぞれ空気、中間層の屈折率
、pは水平方向セルピッチの1/2である。
本発明は、従来のCMDを画素とした固体撮像装置にお
ける上記問題点を解消するためになされたもので、上記
マイクロレンズアレイ技術を用いて、多層膜構造による
光感度低下を解消し、高感度のCMDを画素として用い
た固体撮像装置を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段及び作用〕上記問題点を解
決するため、本発明は、CMDを画素とし、該画素を多
数配列した画素アレイを備えた固体撮像装置において、
前記画素アレイ上に被覆した可視光に透明な保護膜上に
前記各画素に対応して選択的に設けられた有機又は無機
材料からなるマイクロレンズアレイを、該レンズアレイ
の焦点が各画素のMIS型蓄積部以外のゲート電極近傍
に存在するように配置し、該焦点位置に対応する半導体
表面部分より前記ゲート電極に対応する半導体表面部分
に亘る領域に、前記ソース又はドレイン領域の拡散長よ
り長い拡散長を有する半導体領域を形成するものである
このような構成により、入射光は可視光に対し透明な保
護膜のみを通過して直接受光部の拡散長の長い半導体領
域に入射することが可能となり、従来の多層膜構造によ
る多重干渉及び反射に基づく量子効率の低下が阻止され
、大幅な感度向上の達成が可能となる。また焦点位置に
対応する領域に亘り拡散長の長い半導体領域が形成され
ているため、焦点位置で発生した正孔は、該発生位置よ
り効率よくゲート電極下に移動して蓄積され、光発生正
孔−電子対の再結合が原因で生ずる短波長光に対する感
度低下も阻止される。
〔実施例] 次に実施例について説明する。第1図及び第2図は、本
発明に係る固体撮像装置の実施例のCMD画素部分の構
成を示す断面図及び平面図であり、第3図に示した従来
のものと同−又は同等の部材には同一符号を付して示し
、その説明を省略する。
次に従来のCMD固体撮像装置と異なる部分について説
明する。本発明においては、CMDの保護膜7上に、は
ぼ一画素全体に入射する入射光を集光するための、存機
物あるいは無機物よりなるマイクロレンズアレイ9を形
成する。そして該マイクロレンズアレイ9により集光さ
れた入射光8が、半導体基板に入射する領域10には、
従来ゲート電極6に自己整合的に形成されていたドレイ
ン拡散層を形成しないように、すなわちマイクロレンズ
アレイ9の焦点に対応する部分から離してドレイン拡散
層4を形成するように構成されている。
このように構成されたCMD固体撮像装置においては、
従来例とは異なり、入射光8はゲート電極6部分の多重
干渉膜を通過せず、5i02等の可視光に対し透明な材
料からなる保護膜7のみを通過し、直接基板受光部であ
るチャネル層2に入射する。これにより入射光の反射、
吸収が防止され、大幅に感度が上昇する。
また受光領域表面には高濃度のドレイン拡散層が形成さ
れていないため、高濃度拡散層中での光発生正孔−電子
対の再結合が原因で生ずる、短波長光に対する感度低下
も生しないようになる。
上記実施例では、マイクロレンズアレイの焦点位置に対
応する部分はチャネル層とし、ドレイン拡散層を形成し
ないようにしたものを示したが、本発明は、マイクロレ
ンズアレイの焦点位置に対応する部分からゲート電極に
対応する部分に亘って、ドレイン(ソース)拡散層の拡
散長より長い拡散長を有する半導体領域が形成されてお
ればよく、例えば、入射光が半導体基板に入射する領域
lOには、拡散長が充分長くできる範囲において、ドレ
イン(ソース)拡散層の濃度以下の濃度を有するn型拡
散層を形成しても、同等の作用効果が得られる。
また上記実施例においては、NチャネルCMDを画素と
して用いた固体撮像装置について説明を行ったが、不純
物のタイプを変えることにより、pチャネルCMDを画
素として用いたものにおいても本発明は適用できる。ま
た上記実施例では、シリコンを使用したCMDからなる
固体撮像装置を示したが、本発明は、シリコンの他の単
元素半導体、化合物半導体、あるいは多結晶、更にはア
モルファス半導体よりなるCMDを画素として用いた固
体撮像装置にも適用可能である。
(発明の効果〕 以上実施例に基づいて説明したように、本発明によれば
、入射光をゲート電極配置部分の多層膜構造を通過せず
に、可視光に対し透明な保護膜のみを通して直接、拡散
長の長い受光部に入射させることができるので、ゲート
電極部分の多層膜構造による多重干渉及び反射による量
子効率の低下を阻止し、また光発生正孔−電子対の再結
合による感度低下を阻止して大幅に感度を向上させたC
MDを画素とした固体撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る固体撮像装置の実施例の画素部
分を示す断面図、第2図は、その一部を除いた上面図、
第3図は、従来のCMD固体撮像装置を示す断面図、第
4図は、その光透過早特性を示す図、第5図は、従来提
案されたマイクロレンズアレイを用いた撮像素子を示す
断面図、第6回は、その入射光の光路を示す図である。 図において、1はP−基板、2はn−チャネル層、3は
n4ソース(ドレイン)層、4はn゛ ドレイン(ソー
ス)層、5はゲート絶縁膜、6は環状ゲート電極、7は
保護膜、8は入射光、9はマイクロレンズアレイ、10
は入射光入射領域を示す。 特許出願人 オリンパス光学工業株式会社代理人弁理士
  最  上  健  治(E:、 −士一 第3図 第4図 光波長(nm)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、半導体層上にチャネル層を介してソース及びドレイ
    ン領域を形成し、チャネル層上にゲート絶縁膜を介して
    ゲート電極を形成してなる電荷変調素子を画素とし、該
    画素を多数配列した画素アレイを備えた固体撮像装置に
    おいて、前記画素アレイ上に被覆した可視光に透明な保
    護膜上に前記各画素に対応して選択的に設けられた有機
    又は無機材料からなるマイクロレンズアレイを、該レン
    ズアレイの焦点が各画素のMIS型蓄積部以外のゲート
    電極近傍に存在するように配置し、該焦点位置に対応す
    る半導体表面部分より前記ゲート電極に対応する半導体
    表面部分に亘る領域に、前記ソース又はドレイン領域の
    拡散長より長い拡散長を有する半導体領域を形成したこ
    とを特徴とする固体撮像装置。 2、半導体層上にチャネル層を介してソース及びドレイ
    ン領域を形成し、チャネル層上にゲート絶縁膜を介して
    ゲート電極を形成してなる電荷変調素子を画素とし、該
    画素を多数配列した画素アレイを備えた固体撮像装置に
    おいて、前記画素アレイ上に被覆した可視光に透明な保
    護膜上に前記各画素に対応して選択的に設けられた有機
    又は無機材料からなるマイクロレンズアレイを、該レン
    ズアレイの焦点が各画素のMIS型蓄積部以外のゲート
    電極近傍に存在するように配置し、該焦点位置に対応す
    る半導体表面部分から離して前記各画素のソース又はド
    レイン領域を形成したことを特徴とする固体撮像装置。 3、半導体層上にチャネル層を介してソース及びドレイ
    ン領域を形成し、チャネル層上にゲート絶縁膜を介して
    ゲート電極を形成してなる電荷変調素子を画素とし、該
    画素を多数配列した画素アレイを備えた固体撮像装置に
    おいて、前記画素アレイ上に被覆した可視光に透明な保
    護膜上に前記各画素に対応して選択的に設けられた有機
    又は無機材料からなるマイクロレンズアレイを、該レン
    ズアレイの焦点が各画素のMIS型蓄積部以外のゲート
    電極近傍に存在するように配置し、該焦点位置に対応す
    る半導体表面部分から離して前記各画素のソース又はド
    レイン領域を形成し、前記焦点位置に対応する半導体表
    面領域に、前記ソース又はドレイン領域の濃度以下の低
    濃度の同型拡散領域を形成したことを特徴とする固体撮
    像装置。
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