JPH0658952B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、光に対し感度をもつショットキ接合の金属
側電極を電荷結合素子（以下ＣＣＤという）の転送電極
として利用した固体撮像素子に関するものである。

〔従来技術〕

光検出素子アレイと電荷転送素子を同一の半導体基板上
に形成した固体撮像素子を撮像装置に使用すると小型，
軽量，低消費電力、かつ高信頼性の撮像装置が実現でき
る。

可視領域の撮像においては、最近ではシリコン集積回路
技術の発展に伴ない撮像用電子管並みの解像力を備えた
固体撮像素子が開発されている。一方、赤外線撮像装置
は物体の熱像をとらえることができるので、環境監視，
暗視監視，資源探索，温度分布観測等多方面の分野で使
用されている。ところが、現在実用化されている赤外線
撮像装置の多くは、単一の赤外線検出器を使い、機械的
走査により熱像を撮像している。そのため近年、赤外領
域においても固体撮像素子の開発が精力的に進められて
いる。特にシリコンショットキ接合を赤外線検出部とし
た赤外線固体撮像素子においては、実用に耐えられる画
素数を持つたものが開発されつゝある。

従来の赤外線固体撮像素子として第１図に示すものがあ
る。

第１図において、１はショットキ接合を用いた赤外光検
出部、２，３はそれぞれＣＣＤよりなる垂直シフトレジ
スタ，水平シフトレジスタであり、４は前記赤外光検出
部１から前記シフトレジスタ２へ光信号を移すトランス
フアーゲート、５は電荷検出部である。

第２図は第１図のＡ−Ａ線における断面図である。

第２図において、６はｐ型シリコン基板、７はこのｐ型
シリコン基板６の上に金，パラジウム，白金硅化物，パ
ラジウム硅化物，イリジウム硅化物などの金属または金
属硅化物を蒸着して形成した赤外光検出部１のショット
キ接合の金属側電極、８はこの金属側電極７の周囲のｎ
⁻領域であるガードリンク、９は前記トランスフアーゲ
ート４のゲート電極、１０は前記金属側電極７の一部に
重なるｎ^＋領域、１１，１２は前記垂直シフトレジスタ
２のＣＣＤのゲート電極と、ｎ型埋込みチヤネル、１３
は素子分離と絶縁用の酸化硅素膜、１４は素子保護用の
酸化硅素膜、１４は素子保護用の窒化硅素膜である。

次に動作について説明する。

赤外光検出部１へ入射した赤外光によつて、ショットキ
接合の金属側電極７中に電子・正孔対が生成される。こ
の正孔のうち、ショットキ障壁の高さを越えるエネルギ
ーを持つものは、ｐ型シリコン基板６に注入され、ショ
ットキ接合に光信号電荷が蓄積される。赤外光検出部１
の検出可能な最大波長はショットキ障壁の高さによつて
決まる。たとえば金属側電極７にＰｔＳｉを使うと、Ｐ
ｔＳｉとｐ型Ｓｉのショットキ障壁の高さは０．２５ｅ
Ｖであるので、０．２５ｅＶ以上のエネルギーを持つた
光（波長５μｍ以下の光）が検出できる。このようにし
て赤外光検出部１のショットキ接合に蓄積された光信号
電荷はトランスフアーゲート４を開くことにより垂直シ
フトレジスタ２のＣＣＤのｎ型埋込みチヤネル１２に移
される。光信号電荷が垂直シフトレジスタ２へ移された
後、トランスフアーゲート４が閉じられ、赤外光検出部
１には次の周期の光信号電荷が蓄積される。一方、垂直
シフトレジスタ２に移された光信号電荷はＣＣＤのｎ型
埋込みチヤンネル１２の中を垂直方向へ転送され、各垂
直シフトレジスタ２の１水平ライン毎に水平シフトレジ
スタ３へ送られ、水平方向に転送されて電荷検出部５か
ら映像信号として外部に取り出される。

このようにして赤外光検出部１の各画素への赤外光の入
射光量に対応した映像信号が得られる。

従来の赤外線固体撮像素子は以上のように構成されてい
るので、水平方向においては、赤外光検出部１の各画素
の間にトランスフアーゲート４と垂直シフトレジスタ２
が存在するため開口率（撮像領域の面積に対する有効感
光部の面積の割合）が小さかつた。赤外光検出部１と垂
直シフトレジスタ２の面積比は赤外光検出部１のショッ
トキ接合が蓄積できる光信号電荷量と垂直シフトレジス
タ２のＣＣＤが転送できる最大電荷転送量できまるた
め、極端に赤外光検出部１の面積を大きくすることはで
きないという欠点があつた。そのため従来の赤外線固体
撮像素子では赤外光検出部１を大きくして開口率を大き
くすることには限界があつた。

〔発明の概要〕

この発明は、上述のような従来のものの欠点を除去する
ためになされたもので、垂直シフトレジスタのＣＣＤの
電極の一部をショットキ接合の金属側電極にしてＣＣＤ
に赤外光検出機能を持たせ、垂直シフトレジスタで光検
出ができるようにすることにより開口率の大きな赤外線
用の固体撮像素子を提供するものある。以下、この発明
の一実施例を図面ついて説明する。

〔発明の実施例〕

第３図，第４図はこの発明の一実施例を示す要部の平面
図と断面図である。

第３図において、１５はｎ型シリコン基板、１６１，１
６２，１６３，１６４は前記ｎ型シリコン基板１５の表
面領域に形成されたｐ型領域で、ＣＣＤのｎ型埋込みチ
ヤネルになる。１７１，１７２，１７３，１７４は水平
方向は電気的につながり、前記ｐ型領域１６１〜１６４
の表面に絶縁膜を挟んで形成されたＣＣＤのゲート電
極、１８１，１８２，１８３，１８４は水平方向は電気
的につながり、垂直方向は前記ゲート電極１７１〜１７
４と交互に配列形成され、互いに絶縁されて前記ｐ型領
域１６１〜１６４の表面とショットキ接合を形成するシ
ョットキ接合の電極である。φ_Ａ１，φ_Ａ２は前記ゲー
ト電極１７１〜１７４と前記ショットキ接合の電極１８
１〜１８４に接続されたＣＣＤの駆動パルス（同時にこ
れが印加される導線を表わすものとする）である。

第４図は第３図のＸ−Ｘ線における断面図で、１９１，
１９２，１９３，１９４はそれぞれ前記ゲート電極１７
１〜１７４とｐ型領域１６２の間の絶縁膜で、ゲート電
極１７１〜１７４とショットキ接合の電極１８１〜１８
４の間も絶縁している。

次に動作について説明する。

第４図において、導線φ_Ａ１を０Ｖに導線φ_Ａ２を負に
バイアスしたときのｐ型領域１６２での正孔に対する電
位分布を破線で示してある。

ショットキ接合の電極１８１〜１８４とゲート電極１７
１〜１７４を同電圧にバイアスした場合、これら両電極
の下のｐ型領域１６２の正孔に対する電位は、ゲート電
極１７１〜１７４の下の方が、ショットキ接合の電極１
８１〜１８４の下よりも低くなる。そこでショットキ接
合の電極１８２，１８４の下のｐ型領域１６２の電位が
導線φ_Ａ１によつて０Ｖにバイアスされたゲート電極１
７１，１７３の下のｐ型領域１６２の電位より低くなる
ように導線φ_Ａ２を負にバイアスするとｐ型領域１６２
の正孔に対する電位分布は第４図の破線で示したように
なる。

この状態で赤外線が入射すると、ショットキ接合の電極
１８１〜１８４内に電子・正孔対が生成される。この正
孔のうちショットキ接合の障壁φ_ｍｓを越えるエネルギ
ーを持つものはｐ型領域１６２に注入される。たとえ
ば、ショットキ接合の電極１８１〜１８４の材料として
白金硅化物ＰｔＳｉを使用すると、φ_ｍｓ＝０．２５ｅ
Ｖになり、最大５μｍまでの波長の赤外線に対し入射光
量に応じた正孔の信号電荷が注入される。ｐ型領域１６
２に注入された正孔は一番電位の低いゲート電極１７
２，１７４の下に集められ、光信号電荷として蓄積され
る。室温においてはφ_ｍｓ＝０．２５ｅＶ程度の低いシ
ョットキ障壁では熱生成キヤリアが多いため光信号電荷
の蓄積はできないが、赤外線固体撮像素子は一般に液体
窒素温度７７Ｋ以下の低温で動作させるので熱生成キヤ
リアの発生を充分小さくできるため、光信号電荷の蓄積
が可能になる。

光信号電荷を一定時間蓄積した後、導線φ_Ａ１，φ_Ａ２
にそれぞれ互に１８０゜位相のずれた０Ｖから負に振れ
る駆動パルスφ_Ａ１，φ_Ａ２を与えると、ゲート電極１
７２，１７４の下に集められた光信号電荷は第４図の図
中右方向へ転送される。転送できる最大電荷転送量はゲ
ート電極１７１〜１７４の下のｐ型領域１６１〜１６４
に蓄えられる電荷量によつてきまる。

次にこの発明の主要部の製造方法の一実施例を第５図を
用いて説明する。

第５図において、ｎ型シリコン基板１５の上にｐ型領域
１６２（１６１，１６３，１６４についても同じ）をエ
ピタキシヤル成長もしくはイオン注入により形成し、ｐ
型領域１６２の表面を薄く酸化してゲート酸化硅素膜な
どの絶縁膜１９１〜１９４を形成し、ポリシリコンによ
りゲート電極１７１〜１７４を形成する。その後、酸化
硅素膜２０をＣＶＤ法により積層すると、第５図（ａ）
の形状になる。次に酸化硅素膜２０を異方性エツチング
によりポリシリコンのゲート電極１７１〜１７４の両横
の酸化硅素膜２０１，２０２，２０３，２０４の部分を
残してエツチングすると第５図（ｂ）のような状態にな
る。その上に白金またはイリジウムまたはパラジウム等
の金属を蒸着し熱処理により金属硅化物を形成するとシ
ョットキ接合の電極１８１〜１８４が第５図（ｃ）に示
すように自己整合で形成される。また、ポリシリコンの
上にも金属硅化物が形成されるのでポリシリコンの配線
抵抗が下る。

次に、この発明の固体撮像素子の全体の構成の一実施例
を第６図について説明する。

第６図において、２１は第３図，第４図に示した構造の
感光部のＣＣＤ、２２は蓄積部のＣＣＤ、φ_Ｂ１，φ
_Ｂ２とφ_ｃ１とφ_ｃ２はそれぞれ前記蓄積部のＣＣＤ２
２と水平読出し部の水平シフトレジスタ３のＣＣＤの２
相駆動パルス（同時に導線をも表わす）である。感光部
のＣＣＤ２１は赤外線を検出しなければならないので第
３図，第４図に示した構造のＣＣＤにするが、蓄積部の
ＣＣＤ２２と水平読出部の水平シフトレジスタ３は半導
体表面に絶縁膜を挟んで電極を形成する通常よく使われ
るＣＣＤで構成してもよい。

次に動作について説明する。

撮像する物体の光像は感光部のＣＣＤ２１上に結像され
る。感光部のＣＣＤ２１において、導線φ_Ａ１を０Ｖ
に、導線φ_Ａ２を負にバイアスし、第４図で述べた原理
で光信号電荷を一定時間蓄積した後、導線φ_Ａ１，φ
_Ａ２と導線φ_Ｂ１，φ_Ｂ２に２相駆動パルスを与え、感
光部のＣＣＤ２１と蓄積部のＣＣＤ２２を動作させて感
光部のＣＣＤ２１に蓄積されていた一画部分の光信号電
荷を蓄積部のＣＣＤ２２に転送する。光信号電荷を転送
している間も光は入射してくるので、この転送は光信号
電荷蓄積時間に対して充分早いことが望ましい。また、
蓄積部のＣＣＤ２２は感光部のＣＣＤ２１に蓄積されて
いた一画面分の光信号を一時蓄積するので、蓄積部のＣ
ＣＤ２２は感光部のＣＣＤ２１と同数もしくはそれ以上
の電極数を持ついなくてはらない。蓄積部のＣＣＤ２２
への転送が完了すると今度は導線φ_Ｂ１，φ_Ｂ２とφ
_ｃ１，φ_ｃ２にそれぞれ２相駆動パルスを与え、蓄積部
のＣＣＤ２２と水平読出し部の水平シフトレジスタ３を
動作させて蓄積部のＣＣＤ２２に蓄積されていた一画面
分の光信号電荷を一水平ライン毎に読出す。この間に感
光部のＣＣＤ２１には次の周期の光信号が蓄積される。

このようにして感光部のＣＣＤ２１に結像された光像に
応じた画像信号が読出される。

また、光信号蓄積期間に導線φ_Ａ１，φ_Ａ２に加えるバ
イアスを、φ_Ａ１を０Ｖに、φ_Ａ２を負にバイアスした
周期の次の周期はφ_Ａ１を負に、φ_Ａ２を０Ｖにバイア
スして１周期ごとに光信号を蓄積する領域をずらし２周
期で１画面を構成する動作をさせると垂直方向の解像度
を上げることができる。

なお、上記実施例では蓄積部のＣＣＤ２２と水平シフト
レジスタ３の２相駆動の場合について述べたが、信号電
荷の蓄積と転送が可能であれば他の種類の駆動方式のＣ
ＣＤを使用してもよい。

また、感光部のＣＣＤ２１は第４図に示した２相駆動の
場合について述べたが、他の種類の駆動方法をとること
も可能である。

第７図に感光部のＣＣＤ２１の他の駆動方法の一実施例
を示す。

第７図において、ゲート電極１７１〜１７４とショット
キ接合の電極１８１〜１８４の下のｐ型領域１６２の正
孔に対する電位は電極に印加している電圧が同じならば
ゲート電極１７１〜１７４の下の方が低くなる。そこ
で、ショットキ接合の電極１８１〜１８４とゲート電極
１７１〜１７４に電圧の異なる駆動パルスを印加して、
それぞれの駆動パルスのハイレベルとローレベルにおい
てショットキ接合の電極１８１〜１８４とゲート電極１
７１〜１７４の下のｐ型領域１６２の電位が同じになる
ようにする。すなわち、導線φ_Ａ１，φ_Ａ２，φ_Ａ３，
φ_Ａ４には互いに９０°ずつ位相のずれた４相駆動パル
スを加える。ただし、φ_Ａ１，φ_Ａ３とφ_Ａ２，φ_Ａ４
は各電極の下のｐ型領域１６２の電位をそろえるため
に、それぞれ駆動パルスのハイレベルとローレベルの電
圧が違う。第７図の破線は導線φ_Ａ１，φ_Ａ２がハイレ
ベルで、導線φ_Ａ３，φ_Ａ４がローレベルのときのｐ型
領域１６２の正孔に対する電位分布を示している。この
状態で光信号電荷の蓄積を行つた後、導線φ_Ａ１，φ
_Ａ２，φ_Ａ３，φ_Ａ４に４相駆動パルスを加えると第４
図中の右方向へ光信号電荷を転送できる。全体の動作は
第６図の場合と同じである。

第７図の駆動方法の場合、前述の第４図の駆動方法に比
べ、光信号電荷の蓄積がゲート電極１７１〜１７４の下
だけでなく、ショットキ接合の電極１８１〜１８４の下
のｐ型領域１６２でも行われるので、最大電荷転送量が
大きくなり、さらに赤外光感度を持たないゲート電極１
７１〜１７４の幅を狭くできるので開口率をさらに上げ
ることが可能になる。ただし第７図の駆動方法は第４図
の駆動方法に比して駆動パルスが複雑になる。

この発明の固体撮像素子を静止物体等の観測に使用する
場合は感光部での光信号電荷蓄積時間に対し信号電荷読
出し時間を充分短くできるので蓄積部のＣＣＤ２２は必
要なくなる。また、シヤツタ等を使用して感光部のＣＣ
Ｄ２１の光信号電荷転送時に赤外光が入射しないような
工夫をした場合も蓄積部のＣＣＤ２２は必要なくなる。

なお、上記の実施例では感光部のＣＣＤ２１のショット
キ接合の電極が白金硅化物ＰｔＳｉで基板がＳｉのもの
について述べたが、電極の材料は他の金属硅化物もしく
は金属でもよく、基板は他の半導体でもよい。ただし、
検出可能な光の最大波長は電極の材料と基板の半導体材
料の組合わせによりきまるので、組合わせ方によつては
検出可能な最大波長が可視領域になることもある。

また、赤外領域での撮像について主として説明したが、
感光部にショットキ接合を用いているので、可視領域や
可視領域以下の波長領域の撮像も可能なことは明らかで
ある。

さらに、ＣＣＤのｐ型領域１６１〜１６４の相互の分離
が、ｎ型シリコン基板１５のものについて説明したが、
絶縁膜によつて電気的に分離してもよい。

また、ＣＣＤの埋込みチヤネルがｐ型領域のものだけで
なく、ｎ型領域でもよい。ただし、この場合は、ｐ型基
板を使用し、信号電荷は電子になり、各電極に印加する
電圧は正負反転する。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、この発明は電荷の蓄積およ
び転送を行う第２の導電型の領域上に形成するショット
キ接合の電極を、ＣＣＤの電極として利用し、光感度と
電荷転送を可能にしたので、開口率の大きい固体撮像素
子が得られる利点がある。

また、ショットキ接合の電極とゲート電極を交互に並べ
ることができるので、電極間の間隙を充分小さくするこ
とが容易であり、転送効率の劣化を小さくできる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の赤外線固体撮像素子の構成図、第２図は
第１図のＡ−Ａ線における断面図、第３図はこの発明よ
る固体撮像素子の主要部の一実施例の構成図、第４図は
第３図のＸ−Ｘ線における断面図、第５図（ａ），
（ｂ），（ｃ）はこの発明の主要部の製造方法の一実施
例を説明する概略図、第６図はこの発明による固体撮像
素子の全体の構成の一実施例の概略図、第７図はこの発
明による固体撮像素子の主要部の他の駆動方法を説明す
る概略図である。 図中、１は赤外光検出部、２は垂直シフトレジスタ、３
は水平シフトレジスタ、４はトランスフアーゲート、５
は電荷検出部、６はｐ型シリコン基板、７は金属側電
極、８はガードリング、９はゲート電極、１０はｎ^＋領
域、１１はＣＣＤのゲート電極、１２はＣＣＤのｎ型埋
込みチヤネル、１３は酸化硅素膜、１４は窒化硅素膜、
１５はｎ型シリコン基板、２０は酸化硅素膜、２１は感
光部のＣＣＤ、２２は蓄積部のＣＣＤ、１６１〜１６４
はｐ型領域、１７１〜１７４はゲート電極、１８１〜１
８４はショットキ接合の電極、１９１〜１９４は絶縁
膜、２０１〜２０４は酸化硅素膜、φ_Ａ１，φ_Ａ２，φ
_Ｂ１，φ_Ｂ２，φ_ｃ１，φ_ｃ２は導線である。 なお、図中の同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型の半導体基板と、この半導体基
   板表面領域に形成された第２導電型領域と、この第２導
   電型領域上に自己整合で形成されたショットキ電極と、
   このショットキ電極と同一材料の金属硅化物がその上部
   に形成されたゲート電極と、上記ショットキ電極および
   ゲート電極との間に形成された絶縁膜とを有し、上記シ
   ョットキ電極と上記ゲート電極とが上記絶縁膜を介し上
   記基板表面上のほゞ同一面内で交互に密着配置されたこ
   とを特徴とする固体撮像素子。