JPH0766961B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
固体撮像素子Info
- Publication number
- JPH0766961B2 JPH0766961B2 JP63254344A JP25434488A JPH0766961B2 JP H0766961 B2 JPH0766961 B2 JP H0766961B2 JP 63254344 A JP63254344 A JP 63254344A JP 25434488 A JP25434488 A JP 25434488A JP H0766961 B2 JPH0766961 B2 JP H0766961B2
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- Japan
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Links
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- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 10
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- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 8
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/148—Charge coupled imagers
- H01L27/14831—Area CCD imagers
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
- H04N25/63—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to dark current
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は固体撮像素子に関し、特に固体撮像素子の暗
電流の低減に関するものである。
電流の低減に関するものである。
第５図（ａ）は従来のスキミング動作を行う、光検出器
（以下、フォトダイオードと称す）と蓄積部をもつ固体
撮像素子の断面を示す図である。
（以下、フォトダイオードと称す）と蓄積部をもつ固体
撮像素子の断面を示す図である。
図において、１はフォトダイオード10を形成する濃度N1
のＮ型不純物拡散層、２は暗電流低減のためフォトダイ
オード10を埋込み形にするためにＮ型不純物拡散層１上
に形成された表面P+層、３は埋込CCD（Charge Coupled
Device;電荷結合デバイス）を形成する濃度N2のＮ型不
純物拡散層、４はフォトダイオードにバイアスを印加す
るバリアゲート、５は蓄積部20をつくるための蓄積ゲー
ト、６は蓄積部20からCCD30へ電荷を転送するための読
み出し電極（シフトゲート）、７はCCD30の転送電極、
８はＰ型半導体基板である。
のＮ型不純物拡散層、２は暗電流低減のためフォトダイ
オード10を埋込み形にするためにＮ型不純物拡散層１上
に形成された表面P+層、３は埋込CCD（Charge Coupled
Device;電荷結合デバイス）を形成する濃度N2のＮ型不
純物拡散層、４はフォトダイオードにバイアスを印加す
るバリアゲート、５は蓄積部20をつくるための蓄積ゲー
ト、６は蓄積部20からCCD30へ電荷を転送するための読
み出し電極（シフトゲート）、７はCCD30の転送電極、
８はＰ型半導体基板である。
また、第３図（ｂ）は第３図（ａ）の動作を説明するた
めのポテンシャル図である。
めのポテンシャル図である。
次に動作について説明する。
光がフォトダイオード10部に入射すると、信号電荷が発
生する。ここで、電子はポテンシャルの低い方に流れる
ため、バリアゲート４で電位を加え、さらにバリアゲー
ト４で加えた電位よりも深い電位を蓄積ゲート５で加え
ると、フォトダイオード10に発生した信号電荷はバリア
ゲート４を通り蓄積部20に蓄えられる。第３図（ｂ）の
Qsigで示される部分が蓄えられた信号電荷である。そし
て、ある一定の蓄積時間の後、シフトゲート６に蓄積ゲ
ート５の電位よりも深い電位を加え、シフトゲート６を
通してCCD30に信号電荷Qsigを読み出し、これを順次転
送して出力する。
生する。ここで、電子はポテンシャルの低い方に流れる
ため、バリアゲート４で電位を加え、さらにバリアゲー
ト４で加えた電位よりも深い電位を蓄積ゲート５で加え
ると、フォトダイオード10に発生した信号電荷はバリア
ゲート４を通り蓄積部20に蓄えられる。第３図（ｂ）の
Qsigで示される部分が蓄えられた信号電荷である。そし
て、ある一定の蓄積時間の後、シフトゲート６に蓄積ゲ
ート５の電位よりも深い電位を加え、シフトゲート６を
通してCCD30に信号電荷Qsigを読み出し、これを順次転
送して出力する。
このような蓄積モードで動作するイメージセンサの場
合、暗電流の成分がノイズとして信号電荷に重畳され、
暗電流バラツキが固定パターンノイズとなり、信号電荷
の均一性を劣化させてしまうことがある。この暗電流が
発生するメカニズムの１つには半導体表面の結晶欠陥に
起因した成分がある。これは結晶の表面に多く存在する
結晶欠陥部に不純物が結合してしまうために生ずるもの
である。このような現象を低減するため、通常は濃度N1
のＮ型不純物拡散層11の表面には浅いP+層２を形成し、
フォトダイオード10をSi中に埋込んでしまう対策がとら
れている。しかし、このようなフォトダイオード10と蓄
積部20とを有し、スキミング動作をおこなうイメージセ
ンサの場合には、フォトダイオード10の暗電流のみを低
減してもバリアゲート4,蓄積ゲート５下の蓄積部20で発
生する暗電流成分も信号電荷に重畳されてしまうことと
なり、結果的には撮像特性を悪くしてしまう。
合、暗電流の成分がノイズとして信号電荷に重畳され、
暗電流バラツキが固定パターンノイズとなり、信号電荷
の均一性を劣化させてしまうことがある。この暗電流が
発生するメカニズムの１つには半導体表面の結晶欠陥に
起因した成分がある。これは結晶の表面に多く存在する
結晶欠陥部に不純物が結合してしまうために生ずるもの
である。このような現象を低減するため、通常は濃度N1
のＮ型不純物拡散層11の表面には浅いP+層２を形成し、
フォトダイオード10をSi中に埋込んでしまう対策がとら
れている。しかし、このようなフォトダイオード10と蓄
積部20とを有し、スキミング動作をおこなうイメージセ
ンサの場合には、フォトダイオード10の暗電流のみを低
減してもバリアゲート4,蓄積ゲート５下の蓄積部20で発
生する暗電流成分も信号電荷に重畳されてしまうことと
なり、結果的には撮像特性を悪くしてしまう。
このように従来のスキミング動作をする固体撮像素子は
以上のような構成であるため、蓄積部20で発生する暗電
流を低減することが極めて難しく、また、このような構
成では暗電流の限界は蓄積部20で決められてしまうとい
う問題点があった。
以上のような構成であるため、蓄積部20で発生する暗電
流を低減することが極めて難しく、また、このような構
成では暗電流の限界は蓄積部20で決められてしまうとい
う問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、光電変換部で発生する暗電流はもとより蓄積
部で発生する暗電流も低減できる固体撮像素子を提供す
ることを目的とする。
たもので、光電変換部で発生する暗電流はもとより蓄積
部で発生する暗電流も低減できる固体撮像素子を提供す
ることを目的とする。
この発明に係る固体撮像素子は、光電変換部と蓄積部を
Si基板中に埋込み、蓄積部と電荷転送部の上方に遮光膜
を設け、しかも蓄積部の不純物の濃度を光電変換部の不
純物の濃度をよりも高くしたものである。
Si基板中に埋込み、蓄積部と電荷転送部の上方に遮光膜
を設け、しかも蓄積部の不純物の濃度を光電変換部の不
純物の濃度をよりも高くしたものである。
本発明による固体撮像素子によれば、光電変換部と蓄積
部とを半導体基板内に埋込むようにし、しかも蓄積部と
電荷転送部の上方部に遮光膜を設けるようにしたので、
光電変換部で発生する暗電流はもとより、蓄積部で発生
する暗電流も低減することができ、光電変換された信号
電荷を精度よく読み出すことができる。
部とを半導体基板内に埋込むようにし、しかも蓄積部と
電荷転送部の上方部に遮光膜を設けるようにしたので、
光電変換部で発生する暗電流はもとより、蓄積部で発生
する暗電流も低減することができ、光電変換された信号
電荷を精度よく読み出すことができる。
以下、本発明の一実施例を図について説明する。
第１図（ａ）は本発明の第１の実施例による固体撮像素
子の断面を示す図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の動作
を説明するためのポテンシャル図である。第１図（ａ）
において、11は濃度N1のＮ型不純物拡散層、13は濃度N2
のＮ型不純物拡散層である。10は光電変換を行うフォト
ダイオード部、20はフォトダイオード部10で発生した信
号電荷を蓄積する蓄積部、30は蓄積部20で蓄積した信号
電荷を読み出して転送するCCD部で、フォトダイオード
部10のＮ型不純物の濃度はN1,CCD部30の埋込みチャネル
のＮ型不純物の濃度はN2であり、蓄積部20の濃度は（N1
＋N2）となっている。蓄積部20の濃度はフォトダイオー
ド10のそれより濃くなっているため、ポテンシャルとし
ては第１図（ｂ）に示すように深くなっている。また、
14は蓄積部20とCCD部30の上方に形成したアルミニウム
などからなる遮光膜である。フォトダイオード部10に光
が入射することにより発生した信号電荷はフォトダイオ
ード部10よりもポテンシャルの深い蓄積部20に集められ
る。第１図（ｂ）において、Qsigが蓄積された信号電荷
を示している。そして積分時間の後、シフトゲート６に
電圧を印加してシフトゲート６の電位を蓄積部20の電位
よりも深くし、シフトゲート６を通してCCD20へ信号電
荷Qsigを転送する。これら一連の動作において、フォト
ダイオード10より蓄積部20のポテンシャルは深くしてお
く必要がある。もし、蓄積部20よりもフォトダイオード
部10の方のポテンシャルが深いと信号電荷を蓄積する場
所がなくなり、しかも、蓄積部20の井戸の深さがフォト
ダイオード部10のポテンシャルより十分に深くないと蓄
積できる電荷容量が小さくなってしまうからである。
子の断面を示す図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の動作
を説明するためのポテンシャル図である。第１図（ａ）
において、11は濃度N1のＮ型不純物拡散層、13は濃度N2
のＮ型不純物拡散層である。10は光電変換を行うフォト
ダイオード部、20はフォトダイオード部10で発生した信
号電荷を蓄積する蓄積部、30は蓄積部20で蓄積した信号
電荷を読み出して転送するCCD部で、フォトダイオード
部10のＮ型不純物の濃度はN1,CCD部30の埋込みチャネル
のＮ型不純物の濃度はN2であり、蓄積部20の濃度は（N1
＋N2）となっている。蓄積部20の濃度はフォトダイオー
ド10のそれより濃くなっているため、ポテンシャルとし
ては第１図（ｂ）に示すように深くなっている。また、
14は蓄積部20とCCD部30の上方に形成したアルミニウム
などからなる遮光膜である。フォトダイオード部10に光
が入射することにより発生した信号電荷はフォトダイオ
ード部10よりもポテンシャルの深い蓄積部20に集められ
る。第１図（ｂ）において、Qsigが蓄積された信号電荷
を示している。そして積分時間の後、シフトゲート６に
電圧を印加してシフトゲート６の電位を蓄積部20の電位
よりも深くし、シフトゲート６を通してCCD20へ信号電
荷Qsigを転送する。これら一連の動作において、フォト
ダイオード10より蓄積部20のポテンシャルは深くしてお
く必要がある。もし、蓄積部20よりもフォトダイオード
部10の方のポテンシャルが深いと信号電荷を蓄積する場
所がなくなり、しかも、蓄積部20の井戸の深さがフォト
ダイオード部10のポテンシャルより十分に深くないと蓄
積できる電荷容量が小さくなってしまうからである。
このような上記実施例においては、光電変換部10の表面
だけでなく、蓄積部20の表面にも表面P+層２を設け、光
電変換部10と蓄積部20とを半導体基板８中に埋込むよう
にしたので、基板表面部で発生する暗電流を低減でき、
素子の高性能化が図れる。
だけでなく、蓄積部20の表面にも表面P+層２を設け、光
電変換部10と蓄積部20とを半導体基板８中に埋込むよう
にしたので、基板表面部で発生する暗電流を低減でき、
素子の高性能化が図れる。
また、通常は光電変換部10の面積は蓄積部20の面積より
大きく設計しているため、蓄積部20に光が入射しても蓄
積部20で発生する信号の寄与は小さいが、上記実施例で
は蓄積部20と電荷転送部30の上方にアルミニウム等から
なる遮光膜14を設けるようにしているので、このような
蓄積部20での信号の発生を抑制することができ、さらに
素子の撮像特性を向上できる。
大きく設計しているため、蓄積部20に光が入射しても蓄
積部20で発生する信号の寄与は小さいが、上記実施例で
は蓄積部20と電荷転送部30の上方にアルミニウム等から
なる遮光膜14を設けるようにしているので、このような
蓄積部20での信号の発生を抑制することができ、さらに
素子の撮像特性を向上できる。
また、上記実施例においては基板８上にＮ型不純物の濃
度がN1である領域と（N1＋N2）である領域を形成し、そ
れぞれフォトダイオード部10,蓄積部20としたので、従
来のようなバリアゲート４及び蓄積ゲートが不要とな
り、素子の構造を簡単にできる。また、フォトダイオー
ド部10のポテンシャルを常に一定にでき、これによりフ
ォトダイオード10で光電変換された電子を線型性よく蓄
積部20に蓄積することができる。
度がN1である領域と（N1＋N2）である領域を形成し、そ
れぞれフォトダイオード部10,蓄積部20としたので、従
来のようなバリアゲート４及び蓄積ゲートが不要とな
り、素子の構造を簡単にできる。また、フォトダイオー
ド部10のポテンシャルを常に一定にでき、これによりフ
ォトダイオード10で光電変換された電子を線型性よく蓄
積部20に蓄積することができる。
なお、一般に、蓄積動作を行うイメージセンサを構成す
るにあたり、通常は上記実施例のようにフォトダイオー
ド以外に蓄積部を持ち、フォトダイオードで発生した電
荷を蓄えるものの他に、フォトダイオード自身で電荷を
蓄積するものが考えられるが、このフォトダイオード蓄
積型の特徴としては蓄積部が不要のため、素子を小型化
できるという利点をもつ反面、広いダイナミックレンジ
では蓄積電荷の線型性が悪くなるという欠点がある。即
ち、フォトダイオード蓄積では通常pn接合に逆バイアス
を印加し、そこに発生した空乏層に信号電荷を蓄えるよ
うにしているが、この信号電荷が増えると空乏層が縮
み、空乏層に捕えることのできる信号電荷の収集効率が
異なり、このため、蓄積状態の開始時と終了時とでは感
度が変化して蓄積電荷の線型性が悪くなる。しかるに、
本発明では上記実施例のようにフォトダイオードと蓄積
部を分離して有する構造としているので、フォトダイオ
ード蓄積型とする場合より、素子の高精度化を図ること
ができるものである。
るにあたり、通常は上記実施例のようにフォトダイオー
ド以外に蓄積部を持ち、フォトダイオードで発生した電
荷を蓄えるものの他に、フォトダイオード自身で電荷を
蓄積するものが考えられるが、このフォトダイオード蓄
積型の特徴としては蓄積部が不要のため、素子を小型化
できるという利点をもつ反面、広いダイナミックレンジ
では蓄積電荷の線型性が悪くなるという欠点がある。即
ち、フォトダイオード蓄積では通常pn接合に逆バイアス
を印加し、そこに発生した空乏層に信号電荷を蓄えるよ
うにしているが、この信号電荷が増えると空乏層が縮
み、空乏層に捕えることのできる信号電荷の収集効率が
異なり、このため、蓄積状態の開始時と終了時とでは感
度が変化して蓄積電荷の線型性が悪くなる。しかるに、
本発明では上記実施例のようにフォトダイオードと蓄積
部を分離して有する構造としているので、フォトダイオ
ード蓄積型とする場合より、素子の高精度化を図ること
ができるものである。
また、第２図（ａ）は本発明の第２の実施例による固体
撮像素子の断面を示す図であり、第２図（ｂ）はその動
作を説明するためのポテンシャル図である。上記第１の
実施例ではCCD30の埋込みチャネル部のＮ型不純物の濃
度はN2であったが、これは第２図（ａ）に示すようにCC
Dの埋込みチャネル部30及び蓄積部20のＮ型不純物の濃
度が（N3＋N4）となるような構造としてもよい。
撮像素子の断面を示す図であり、第２図（ｂ）はその動
作を説明するためのポテンシャル図である。上記第１の
実施例ではCCD30の埋込みチャネル部のＮ型不純物の濃
度はN2であったが、これは第２図（ａ）に示すようにCC
Dの埋込みチャネル部30及び蓄積部20のＮ型不純物の濃
度が（N3＋N4）となるような構造としてもよい。
このような本第２の実施例においても、フォトダイオー
ド部10よりも蓄積部20の方のポテンシャルを深くでき、
第２図（ｂ）に示すようなポテンシャル設定が可能とな
るので、上記第１の実施例と同様の機能，効果を実現で
き、蓄積部20での暗電流の発生を低減できる。
ド部10よりも蓄積部20の方のポテンシャルを深くでき、
第２図（ｂ）に示すようなポテンシャル設定が可能とな
るので、上記第１の実施例と同様の機能，効果を実現で
き、蓄積部20での暗電流の発生を低減できる。
また、上記第1,第２の実施例では第３図に示すように蓄
積部20の信号電荷を読み出す手段としてはCCD30を用
い、これにより順次信号電荷を読出すようにしたが、こ
の読み出し手段はCCD30に限定されるものではなく、MOS
スイッチを用いてもよい。
積部20の信号電荷を読み出す手段としてはCCD30を用
い、これにより順次信号電荷を読出すようにしたが、こ
の読み出し手段はCCD30に限定されるものではなく、MOS
スイッチを用いてもよい。
即ち、第４図は第３図のCCD30の代わりにMOSスイッチ34
を用いた本発明の第３の実施例の固体撮像素子を示すブ
ロック図であり、35は走査回路、36は信号出力である。
このような構成のイメージセンサでは蓄積部20の信号電
荷をMOSスイッチ34で順次読出し、走査回路35の動作に
より順次転送するものである。この場合においても上記
実施例と同様の効果を得ることができる。
を用いた本発明の第３の実施例の固体撮像素子を示すブ
ロック図であり、35は走査回路、36は信号出力である。
このような構成のイメージセンサでは蓄積部20の信号電
荷をMOSスイッチ34で順次読出し、走査回路35の動作に
より順次転送するものである。この場合においても上記
実施例と同様の効果を得ることができる。
以上のように本発明によれば、光電変換部と信号電荷の
蓄積部が分離して設けられている固体撮像素子におい
て、光電変換部の表面だけでなく、蓄積部の表面にも表
面P+層を設け、光電変換部と蓄積部とを半導体基板中に
埋め込み、蓄積部及びCCD部の上方に遮光膜を設け、し
かも不純物の濃度を変えることにより、光電変換部より
も蓄積部の方のポテンシャルを深くしたので、素子の表
面部で発生する暗電流を低減でき、光電変換された信号
電荷を精度よく読み出すことができる撮像特性の良好な
固体撮像素子を提供できる効果がある。
蓄積部が分離して設けられている固体撮像素子におい
て、光電変換部の表面だけでなく、蓄積部の表面にも表
面P+層を設け、光電変換部と蓄積部とを半導体基板中に
埋め込み、蓄積部及びCCD部の上方に遮光膜を設け、し
かも不純物の濃度を変えることにより、光電変換部より
も蓄積部の方のポテンシャルを深くしたので、素子の表
面部で発生する暗電流を低減でき、光電変換された信号
電荷を精度よく読み出すことができる撮像特性の良好な
固体撮像素子を提供できる効果がある。
第１図（ａ）は本発明の第１の実施例による固体撮像素
子を示す断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の動作を
説明するためのポテンシャル図、第２図（ａ）は本発明
の第２の実施例による固体撮像素子を示す図、第２図
（ｂ）は第２図（ａ）の動作を説明するためのポテンシ
ャル図、第３図は本発明の第1,第２の実施例による固体
撮像素子のブロック図、第４図は本発明の第３の実施例
による固体撮像素子のブロック図、第５図（ａ）は従来
の固体撮像素子を示す断面図、第５図（ｂ）は第５図
（ａ）の動作を説明するためのポテンシャル図である。 図において、２は表面P+層、６は読み出し電極、７は転
送電極、８は半導体基板、10はフォトダイオード、20は
蓄積部、30はCCD、11は濃度N1のＮ型不純物拡散層、13
は濃度N2のＮ型CCD埋込みチャネル不純物拡散層、14は
遮光膜、21は濃度N3のＮ型不純物拡散層、23は濃度N4の
Ｎ型不純物拡散層、34はMOSスイッチ、35は走査回路、3
6は信号出力である。 なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
子を示す断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の動作を
説明するためのポテンシャル図、第２図（ａ）は本発明
の第２の実施例による固体撮像素子を示す図、第２図
（ｂ）は第２図（ａ）の動作を説明するためのポテンシ
ャル図、第３図は本発明の第1,第２の実施例による固体
撮像素子のブロック図、第４図は本発明の第３の実施例
による固体撮像素子のブロック図、第５図（ａ）は従来
の固体撮像素子を示す断面図、第５図（ｂ）は第５図
（ａ）の動作を説明するためのポテンシャル図である。 図において、２は表面P+層、６は読み出し電極、７は転
送電極、８は半導体基板、10はフォトダイオード、20は
蓄積部、30はCCD、11は濃度N1のＮ型不純物拡散層、13
は濃度N2のＮ型CCD埋込みチャネル不純物拡散層、14は
遮光膜、21は濃度N3のＮ型不純物拡散層、23は濃度N4の
Ｎ型不純物拡散層、34はMOSスイッチ、35は走査回路、3
6は信号出力である。 なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】第１導電型の半導体基板と、 該半導体基板上に一次元あるいは二次元に配設された第
２導電型の第１不純物を有する光電変換部と、 上記各光電変換部に隣接して設けられ、上記光電変換部
の信号電荷を蓄積する第２導電型の第２不純物を有する
蓄積部と、 該蓄積部の信号電荷を読み出して転送する、読み出し転
送部とを備えた固体撮像素子において、 上記光電変換部，及び上記蓄積部の表面に第１導電型の
浅い不純物層を設けるとともに、上記転送部及び上記蓄
積部の上方に遮光膜を設け、かつ、上記蓄積部の第２不
純物の濃度を上記光電変換部の第１不純物の濃度より高
くしたことを特徴とする固体撮像素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63254344A JPH0766961B2 (ja) | 1988-10-07 | 1988-10-07 | 固体撮像素子 |
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