JPH0671071B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はビデオカメラ等に用いられる固体撮像素子に関
するものである。

（従来例の構成とその問題点） 固体撮像素子は小型軽量、長寿命、低消費電力という従
来の撮像管にはない優れた特徴を有するため近年活発な
開発が行なわれてる。その結果、性能向上は著しく既に
一部実用段階に達しつつある。

撮像方式としては種々の方式が検討されているが、撮像
特性を決定する光電変換部は感光波長領域が広く、製造
が容易なPN接合型フォトダイオードであり、フォトダイ
オードの信号電荷を順次読み出す電荷転送部は電荷結合
素子（CCD）よりなり、それらが交互に多数配置された
インターライン転送型CCD撮像素子が主流となりつつあ
る。

まず、図面を参照しながら上述したようなインターライ
ン転送型CCD撮像素子（以下IL−CCDという）を例にとっ
て説明する。第１図はIL−CCDの全体構成を示したもの
である。１はフォトダイオードで素子内に多数（通常約
500列×約500行）配置されている。２は垂直方向転送用
CCDでありフォトダイオード列に対応して配置される。
また、３は水平方向転送用CCDであり４は出力部であ
る。なお図中の矢印は信号電荷の動きを示したも
のである。以上のような構成をもつIL−CCDの動作を簡
単に説明する。まず、フォトダイオード１で光電変換さ
れ、一定期間蓄積された信号電荷は各フォトダイオード
列に隣接する垂直方向転送用CCD2に移され（矢印）、
その後水平方向転送用CCD3に一行分ずつ順次転送され
（矢印）、水平方向転送用CCD3により出力部４へ転送
され（矢印）、時系列ビデオ信号として読み出され
る。

以下図面を参照しながら、上述したようなIL−CCDの従
来の単位画素について説明を行なう。なお、単位画素と
しては、１個のPN接合ダイオードと、矢印に示したよ
うな信号電荷移動領域およびその電荷を受け取る電荷転
送部とする。

第２図は従来の単位画素の断面構造を模式的に示すもの
である。第２図において、５はＰ形シリコン基板、６は
単位画素を分離する二酸化シリコン膜、７はPN接合フォ
トダイオードを形成するＮ形領域、８は垂直転送用CCD
の埋め込みチャンネル部となるＮ形領域、９は転送用駆
動パルスを印加するための多結晶シリコンよりなる転送
電極、10はPN接合フォトダイオードに蓄積された信号電
荷を垂直転送用CCDの転送チャンネル８へ移す移送ゲー
トであり、11はゲート酸化膜である。図中の丸印は光電
変換により発生した電子であり、矢印は電子の動きを示
したものである。

以上のように構成されたIL−CCDの単位画素について、
以下その動作について説明する。まず、Ｐ形シリコン基
板５とＮ形領域７からなるPN接合フォトダイオードに光
が照射されると、シリコン内での光電変換作用により電
子、正孔対が発生し、電子が信号電荷としてPN接合部に
蓄積される。一方、正孔は基板へ拡散し吸収される。電
子がPN接合部に拡散し、蓄積される様子を第２図矢印
およびで示す。

しかしながら、上記のような従来構造では、スミアーの
発生、および感度向上のためのフォトダイオード面積の
拡大が困難という二つの大きな欠点を有していた。スミ
アーは矢印で示したように基板奥深くで発生した電子
の一部が横方向へも拡散するため、移送ゲート10がOFF
状態でも垂直転送用CCDのチャンネル部であるＮ形領域
８に直接電子が混入してしまう現象である。これは疑似
信号として出力さされ画質を著しく低下させてしまう。
このスミアーを減少させるには移送ゲート10のゲート長
を長くすることが考えられるが、一定の素子面積内に多
数の画素を集積すすることが必要条件である固体撮像素
子ではフォトダイオード部面積の減少による感度低下等
の問題が生じることになる。このため、感度低下のない
スミアーの低減が強く望まれていた。

（発明の目的） 本発明は上記欠点に鑑み、スミアーの発生が極めて小さ
く、かつ、高感度の固体撮像素子を提供するものであ
る。

（発明の構成） この目的を達成するために本発明の固体撮像素子は、光
電変換部から電荷転送部への信号電荷移動領域の少なく
とも一部が半導体基板の主表面に形成された凹部よりな
る構造となっている。この構造により基板深部で発生し
た電荷の横方向拡散による電荷転送部への直接混入が抑
制され、同時に光電変換部の面積を増加させることがで
き、スミアー低減とともに高感度化が実現する。

（実施例の説明） 以下本発明の一実施例について図面を参照しながら説明
する。第３図は本発明の一実施例におけるIL−CCDの単
位画素断面構造を模式的に示すものである。第３図にお
いて５はＰ形シリコン基板、6,11は二酸化シリコン、7,
8はＮ形領域、9,10は多結晶シリコンであり、移送ゲー
トを形成する領域のＰ形シリコン基板５の表面が凹状と
なっている点を除けば、第１図の構成と全く同じもので
ある。

以上のように構成されたIL−CCD撮像素子の単位画素に
ついてその動作を説明する。まず、Ｐ形シリコン基板５
とその表面に形成したＮ形領域７とからなるPN接合フォ
トダイオードに光が入射し、発生した電子が一定期間蓄
積され、多結晶シリコン10よりなる移送ゲートにより埋
め込みチャンネル部となるＮ形領域８に読み出される動
作は従来例と同様である。

しかしながら、PN接合フォトダイオードの空乏層端より
基板深部で発生し、横方向拡散によりＮ形領域８に向っ
て移動する電子は、Ｐ形シリコン基板５の表面に形成さ
れた凹部の底部より深い位置を除いてその横方向拡散は
完全に抑制される。（矢印）。本実施例では、Ｎ形領
域７および８の接合深さはそれぞれ0.6μｍおよび0.7μ
ｍであり、Ｐ形シリコン基板５の凹部は幅1.2μｍ深さ
5.0μｍとした。スミアーは従来構造と比べて約１／８
となり著しく低減した。スミアー低減効果は第３図より
明らかなように、凹部は深くするほど顕著であるが、製
造プロセス中の熱処理工程における熱歪等による結晶欠
陥が発生しやすくなるため３〜６μｍが適当である。さ
らに、多結晶シリコン10よりなる移送ゲートの実効的な
ゲート長は凹部深さの２倍以上となるため、いわゆる
“ショートチャンネル効果”によるＮ形領域８およびＮ
形領域９のパンチスルーは発生しない。このため本実施
例では凹部の幅を1.2μｍとしたが、パンチスルーを防
止するため必要であった２μｍ程の移送ゲート幅をもつ
従来構造に比べて、フォトダイオード面積は約10％増加
し、感度もそれに対応して向上した。

なお、Ｐ形シリコン基板５のエッチングは高周波放電を
利用した反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etchi
ng）により容易に行うことができ、他の製造プロセスは
従来構造と全く同様である。

以上のように、本実施例によればPN接合フォトダイオー
ドと、垂直転送用CCDをつなぐ移送ゲートを形成する領
域のシリコン基板表面に凹部を設けることにより、スミ
アー発生が極めて小さく、かつ、フォトダイオード受光
面積の広い高感度なインターライン転送方式CCD固体撮
像素子を実現することができる。

なお、本実施例では、半導体基板としてＰ形シリコンと
したが、Ｎ形シリコン表面にＰウエルを形成し、その中
にフォトダイオード、CCD転送部等が形成された構造を
有るもの、あるいは、化合物薄膜、アモルファスシリコ
ン膜等を光電変換部とする構造を有するもの、さらにCC
Dではなく他の信号電荷の読み出し方法を用いる構成の
ものにおいても同様の効果が得られる。また凹部は必ず
しも基板表面に垂直である必要はなく、いわゆるＶ字形
あるいはＵ字形でも同様の効果が得られる。

（発明の効果） 以上のように本発明は、固体撮像素子の光電変換部と電
荷転送部との間の信号電荷移動領域の少なくとも一部を
半導体基板の主表面に形成された凹部表面とすることに
より、スミアーを大幅に低減するとともに、高感度化が
可能となり、その実用的効果は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図はインターライン転送型CCD撮像素子の全体構成
図、第２図は従来の単位画素の断面模式図、第３図は本
発明の一実施例における単位画素の断面模式図である。 １……フォトダイオード、２……垂直方向転送用CCD、
３……水平方向転送用CCD、５……Ｐ形シリコン基板、
6,11……二酸化シリコン、7,8……Ｎ形領域、9,10……
多結晶シリコン。

フロントページの続き (72)発明者 広島 義光 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電子 工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−10985（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板の主表面に形成された光電変換
   部と電荷転送部との間の信号電荷移動領域の少なくとも
   一部に、前記半導体基板の主表面にエッチングにより形
   成された深さが３〜６μｍの溝を備え、前記溝の表面に
   均一にゲート酸化膜が形成され、前記溝の内部にゲート
   電極が詰め込まれていることを特徴とする固体撮像素
   子。