JPH04368176A - 固体撮像装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光信号を電気信号に変
換する固体撮像装置に関し、特に、半導体基板上に形成
したウエル層を電荷転送部として使用する形式の固体撮
像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置は、小型、軽量で低消費電
力であるのみならず、画像歪や焼き付きがなく、振動や
磁界などの環境条件に強い。また、ＬＳＩと共通あるい
は類似の工程で製造できることから、信頼性が高く、量
産にも適している。このため現在、１次元固体撮像装置
はファクシミリなどに、２次元固体撮像装置はビデオカ
メラなどに幅広く用いられている。

【０００３】図２は本願出願人が先に出願した（特願平
１−３３４４７２号）固体撮像装置内の画素及びＣＣＤ
への電荷注入部の構成例を示したものである。同図にお
いて、（イ）は平面図、（ロ）は電気回路図、（ハ）は
構造断面図である。この固体撮像装置ではｐチャンネル
ＭＯＳトランジスタ２Ｐのドレインがフォトダイオード
１のアノードを兼ねている。すなわち、本例においては
Ｐ型基板４上にｎウェル５を形成し、該ｎウェル５をフ
ォトダイオード１のカソードとし、その上部に拡散形成
されたＰ＋領域６をアノードとする。さらに、ｎウェル
５上にｐチャンネルＭＯＳトランジスタ２ｐを形成し、
その際、前記Ｐ＋領域６を該ｐチャンネルＭＯＳトラン
ジスタ２ｐのドレインとすることにより前記Ｐ＋領域６
をフォトダイオード１のアノードと共用する。尚、ｎウ
ェル５上のもう１つのＰ＋領域７は前記Ｐチャンネルト
ランジスタ２ｐのソースとなっている。

【０００４】このような構成において、ｎウェル５にア
ルミニウム電極８からｎ＋領域９を介して直流電圧ＶＤ
Ｄを、ｐチャンネルＭＯＳトランジスタ２ｐのソース７
に直流電圧ＶＰを、ゲートにはその電極１０にプリチャ
ージパルスΦＰを印加する。またＰ型基板４上にはｎチ
ャンネルＭＯＳトランジスタ２ａやＣＣＤを形成し、対
数変換回路や電荷転送部などを形成する。ｎチャンネル
ＭＯＳトランジスタ２ａはｎ＋領域１３、１４をそれぞ
れソース、ドレインとし、１５をゲート電極として構成
されている。

【０００５】図２においてｐチャンネルＭＯＳトランジ
スタ２ｐのゲート電極１０の上方のアルミニウム配線１
１はポリシリコンより成るゲート配線の抵抗値を小さく
するために設けられている。１２は絶縁膜である。更に
固体撮像装置上部には遮光用アルミニウム１７が、フォ
トダイオード１のアノードを形成するＰ＋領域６の上部
を除き全面に設けられ、光がフォトダイオード１部分以
外に入射することを防止している。また、１６は絶縁膜
である

【０００６】前記ＰチャンネルＭＯＳトランジスタ２Ｐ
は主としてフォトダイオ−ド１の光に対する応答性を上
げるためのものであって、具体的にはフォトダイオ−ド
１との接続点にパルス電圧を与える。一方、Ｎチャンネ
ルＭＯＳトランジスタ２ａは光信号を対数圧縮する機能
を有する。

【０００７】ところで、多くの固体撮像装置は、銀塩フ
ィルムと比較してダイナミックレンジが狭く、このため
露光量を精密に制御する必要があり、また露光量を精密
に制御しても、暗い部分が黒くつぶれたり、明るい部分
が飽和したりすることが生じやすいという欠点がある。 これらの問題を解決し、ダイナミックレンジが広く、高
輝度から低輝度までを撮像することのできる固体撮像装
置が提案されている。それによれば、入射した光量に応
じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力する
ＭＯＳトランジスタと、ＭＯＳトランジスタを閾値電圧
以下で且つサブスレッショールド電流が流れうる状態に
バイアスするバイアス手段とを用意し、前記ＭＯＳトラ
ンジスタをサブスレッショールド電流特性域で使うこと
により光電流を対数圧縮変換できるというものである。 前記ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ２ａがこの目的に
使用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、固体撮像装
置には、スミア（ｓｍｅａｒ）と呼ばれる偽信号を生じ
る欠点がある。スミアとは、高輝度被写体の再生像の特
定の方向に現われる光のにじみ現象で、光電変換により
発生した電子または正孔が、直接ＣＣＤなどの電荷転送
部に流入することにより生じる（詳しくは、例えばテレ
ビジョン学会編「固体撮像デバイス」昭和６１年昭晃堂
ｐｐ．１３１−１３４参照）。

【０００９】これを図２の従来例に基いて説明する。固
体撮像装置に光が照射されると、遮光用アルミニウム１
７の設けられていない部分を通して光が入射し、Ｐ＋領
域６とｎウェル５とＰ型基板４において光電変換により
、電子正孔対を発生する。Ｐ＋領域６とｎウェル５で発
生した電子と正孔は、一部が再結合により消滅し、残り
の部分は、フォトダイオード１を流れる電流となる。 すなわち、電子はｎウェルからＶＤＤへ、正孔はＰ＋領
域からｎチャンネルＭＯＳトランジスタ２ａと流出する
ため、Ｐ＋領域６とｎウェル５で発生した電子と正孔は
同一の基板４上において図３の左側に形成されるＣＣＤ
へ混入することはなく、従ってスミアの原因とはならな
い。

【００１０】しかし、Ｐ型基板４で発生した電子は、以
下に述べるように、スミアを生じさせることになる。Ｐ
型基板４で発生した電子と正孔のうち、正孔は再結合に
より消滅または、Ｐ型基板４の電位を与える外部端子へ
流出する。一方電子はその一部が再結合により消滅し、
また一部はｎウェル５に到達し、ＶＤＤ端子へ流出して
行く。しかしながら残りの部分については、拡散によっ
てＰ型基板４中を拡がって行く。Ｐ型基板４には電荷転
送部を形成するＣＣＤが設けられているため、前記電子
が混入することになり、スミアを生じる。

【００１１】特に、上述の広いダイナミックレンジを持
つ固体撮像装置は前記スミアに対しては、通常の固体撮
像装置に比し、より一層の抑圧が要請される。これは、
該固体撮像装置が高輝度被写体の撮像が可能であるため
Ｐ型基板４の深部で電子が発生しやすくなることと、信
号電荷は光電変換部において入射光量の対数値に圧縮さ
れるのに対し、スミアは基板深部で光電変換により発生
した電子が直接ＣＣＤ電荷転送部に流入することにより
生じるため対数圧縮されないことによる。

【００１２】本発明はこの問題を解決し、ダイナミック
レンジが広く、高輝度から低輝度までを高精度に撮像す
ることができるのみならず、スミアが大幅に抑圧された
高品位な画像を得ることができる固体撮像装置を提供す
ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明の固体撮像装置は、半導体基板と、該半導体基
板に設けられ該半導体基板と逆導電型をなす第１のウエ
ルと、前記半導体基板上に設けられたＰＮ接合のフォト
ダイオ−ドと、前記第１のウエルに設けられ前記フォト
ダイオ−ドで発生した光電荷に対応する信号電流を転送
する電荷転送部と、からなっている。この場合、前記フ
ォトダイオ−ドを前記半導体基板と同導電型をなし不純
物濃度が前記半導体基板の不純物濃度よりも高い第２の
ウエル上に設けてもよい。また、フォトダイオ−ドの電
流を電荷転送部へ供給する際に、フォトダイオ−ドから
の電流を対数圧縮するトランジスタを介して与えるよう
にした高輝度対応の（従って、広ダイナミックレンジの
）固体撮像装置に適用するとよい。

【００１４】

【作用】スミアは、先にも述べたように半導体基板の深
部で発生した電子が直接電荷転送部に流入することによ
り生じる。しかるに、本発明の構成によると、電荷転送
部は第１のウエル上に設けられており、該第１のウエル
は半導体基板の逆の導電型をなすため、これら第１のウ
エルと半導体基板とを逆バイアスすることにより半導体
基板で発生した電子が第１のウエル内に流入するのを防
ぐことができる。従って、半導体基板の深部で発生した
電子が直接電荷転送部に流入することはなく、スミアが
抑圧される。また、第２のウエルを設け、この第２のウ
エル上にＰＮ接合のフォトダイオドを設けた場合には、
半導体基板と同導電型をなす第２ウエルの不純物濃度を
半導体基板の不純物濃度よりも高くすることにより、基
板深部で発生した正孔がＰＮ接合ダイオ−ドに到達する
のが、阻止される。そのため、その正孔は再結合により
消滅又は第１ウエルに到達して排出されることになる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を図１に従って説明する。図１
はスミアを抑圧するために本発明を適用した固体撮像装
置の要部の断面構造（ｂ）とその等価回路（ａ）を示し
ている。

【００１６】図１において、図２と対応する部分には同
一の符号を付してある。本実施例では、ｎ型の導電性を
もつｎ型基板１９内にＰ型の導電性をもつ第１のウェル
、即ちＰウエル２０と、ｎ型の導電性をもつ第２のウエ
ル、即ちｎウエル２１が形成されている。これらのウエ
ル２０、２１はｎ型基板１９上に選択的に、前者はＰ型
不純物を、後者はｎ型不純物を拡散することにより形成
できる。

【００１７】ｎウエル２１は、後述するようにスミアの
低減に寄与するものでないので、本発明の目的を達成す
る上で、必ずしも設ける必要はない。尚、このｎウエル
２１はｎ型基板１９上にｎ型不純物を拡散することによ
り形成されることから、その不純物濃度は必然的にｎ型
基板１９の不純物濃度よりも高くなる。

【００１８】固体撮像装置の動作時にはＰウエル２０と
ｎ型基板１９が逆方向にバイアスされるように直流電圧
を印加する。例えばＰウエル２０を接地電位とすれば、
ｎ型基板１９には正の直流電圧ＶＤＤが印加されること
になる。そのＰウエル２０の接地電位は図１（ａ）の回
路図の端子２２から与えられ、ｎ型基板１９への直流電
圧ＶＤＤは端子２３からアルミニウム配線８を介して与
えられる。

【００１９】図１（ａ）における端子３３には上記ＭＯ
Ｓトランジスタ２ａからの信号電流をＣＣＤ入力部３１
へ注入するためのパルスΦＤが与えられ、端子３４には
前記注入された信号電荷の入力部３１における蓄積のた
めのポテンシャルに関与する直流電圧が与えられ、また
端子３５には前記入力部３１に蓄積された信号電荷をＣ
ＣＤレジスタ部３２側へ送り出すためのパルスΦＳが与
えられるようになっている。ＣＣＤレジスタ部３２は、
３相のパルスΦ１、Φ２、Φ３で駆動される。

【００２０】さて、本固体撮像装置に光が照射されると
、遮光用アルミニウム１７の設けられていない部分５０
を通して光が入射し、光電変換により電子正孔対が発生
する。この光電変換による電子・正孔対の発生はＰ＋領
域６、ｎウェル２１、ｎ型基板１９で生じる。尚、Ｐウ
エル２０はｎウェル２１の両側部分であるので、アルミ
ニウム開口部の真下には設けられていないため、光が極
度の傾斜で入射する時以外はこの部分で光電変換が行な
われることはない。

【００２１】ダイオ−ド１を構成するＰ＋領域６とｎウ
ェル２１で発生した電子と正孔は、一部が再結合により
消滅し、残りの部分は、フォトダイオード１を流れる信
号電流となる。このため図２の場合と同様に、もともと
スミアの原因となることはない。一方ｎ型基板１９で発
生した電子と正孔のうち、電子はｎ型基板１９とＰウエ
ル２０が逆方向バイアス電圧が印加されていることから
Ｐウエル２０に流入することはなく、ｎ型基板１９の電
位を与える外部端子２３へ流出する。従って、Ｐウエル
２０上に形成された電荷転送部３０へ前記電子が流入し
て、スミア現象を生じる虞は払拭される。

【００２２】また、ｎ型基板１９で発生した電子と正孔
のうち、正孔は一部が再結合により消滅し、一部はＰウ
エル２０に到達し、Ｐウエルの電位（本実施例では接地
電位）を与える外部端子２２へ流出する。そして、残り
の部分は、もしｎウエル２１がなければ真上のＰ＋層６
に到達し、フォトダイオ−ド１を流れる信号電流となる
。このため、ｎ型基板１９で発生する正孔は、もともと
スミアの原因となることはない。しかしながら、ｎ型基
板１９の深部で発生する正孔は、その真上のＰ＋層６に
だけ到達するとは限らず、隣接するＰ＋層（他の画素を
構成するＰ＋層であって、図１の紙面に垂直な方向に図
１のＰ＋層６と隣接するＰ＋層）に到達して他の画素の
フォトダイオ−ドに不要な電流を流す可能性があり、こ
の場合には画素間のクロスト−クを生じ、解像度の劣化
を招くことになる。

【００２３】本実施例において、ｎウエル２１は前記問
題を解決するために設けられたものである。即ち、ｎウ
エル２１の不純物濃度をｎ型基板１９の不純物濃度より
も高くすれば、正孔に対するポテンシャルはｎウエル２
１の方がｎ型基板よりも高くなって、ｎ型基板１９で発
生した正孔はｎウエル２１に到達しにくくなり、その分
、再結合により消滅、或いはＰウエル２０に到達し排出
され易くなる。従って、ｎウエル２１を設けることによ
って当該画素のＰ＋層６を含め他の画素の対応するＰ＋
層にも前記正孔は到達しない。これにより当該画素のフ
ォトダイオ−ド１に流れる信号電流は少し減少するが、
もともと基板深部での光電変換により生じる光電荷は信
号として利用することを意図していないので、問題ない
。一方、他の画素のフォトダイオ−ドからみれば、クロ
スト−クとなる正孔の侵入がなくなるので、解像度の劣
化が生じない。

【００２４】上記実施例では、半導体基板としてｎ型基
板１９を用いたが、Ｐ型基板を用いることも可能であり
、その場合には、Ｐウエル２０の代わりにｎウエルを、
ｎウエル２１の代わりにＰウエルを設けるものとする。 その場合に、Ｐウエル２０の代わりに設けたｎウエルと
Ｐ型基板間には逆バイアス電圧をかけるものとし、また
ｎウエル２１の代わりに設けたＰウエルの不純物濃度は
Ｐ型基板の不純物濃度よりも高いものとする。

【００２５】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、固
体撮像装置におけるスミアを著しく抑制することができ
、高品位なイメ−ジ信号を得ることができる。そして、
光信号を対数圧縮することにより信号転送部のダイナミ
ックレンジの影響を受けず高輝度から低輝度までを高精
度に撮像することが可能な固体撮像装置に適用すればい
っそう高品位な画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スミアを抑圧するために本発明を適用した固体
撮像装置の要部の断面構造及びその等価回路を示す図

【
図２】従来例の構成図

【符号の説明】

１　　フォトダイオ−ド １９　　ｎ型基板 ２０　　Ｐウエル ２１　　ｎウエル ３０　　電荷転送部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板と、前記半導体基板に設けられ
   前記半導体基板と逆導電型をなすウエルと、前記半導体
   基板上に設けられたＰＮ接合のフォトダイオ−ドと、前
   記ウエルに設けられ前記フォトダイオ−ドで発生した光
   電荷に対応する信号電流を転送する電荷転送部と、から
   なる固体撮像装置。
2. 【請求項２】前記半導体基板とウエル間には逆方向バイ
   アス電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載
   の固体撮像装置。
3. 【請求項３】前記フォトダイオ−ドを、前記半導体基板
   と同導電型をなし不純物濃度が前記半導体基板の不純物
   濃度よりも高いウエル上に設けたことを特徴とする請求
   項１に記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】更に、サブスレッショ−ルド電流特性領域
   で前記フォトダイオ−ドからの信号電流を対数圧縮変換
   した後、前記電荷転送部へ与えるトランジスタを有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記
   載の固体撮像装置。