JPS58125962A - 固体撮像装置とその駆動方法 - 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】 本発明は電荷転送装置を用いた撮謙装ｍ！に関するもの
である。

電荷転送装置ｔｆｔ用いた撮像装＆ｌ”ｔ７し一ム転送
方式、インターライン転送方式と呼シれる方式が開発さ
れており、固体装置の％徴である小型、＠獣、低消費電
力、高信頼性を柱に急速に発展してｂる。しかし撮像装
置として電荷転送装置装置の利害得失を考えると、先に
述べた固体装置の利点の外、雑音、残像、焼き付き＆等
では現在使用されている撮像管よ）優れているがプルー
ミング。

スミア現象（クロストーク）Ｋ大きな間ｌｌを残してｂ
る。

従来のインターライン転送方式による電荷転送撮像装置
は第１図に示すように同一電荷転送電極群で駆動する複
数りりの垂直シフトレジストｌＯと。

各垂直シフトレジスタのｍ−に隣接し、且つ互いに電気
的に分離された光電変換部１１と、垂直シフトレジスタ
と光電変換部間の信号電荷転送を制御するトランス７ア
ゲートｔ＠１２°と、各垂直シフトレジスタの一端に電
気的結合した電荷転送水平シフトレジスタ１３と、水平
シフトレジスタの一端ｖｃ＊−ｑ＊ｍｔ検出する＊ｍｘ
＋がＦ＆Ｊｄｂれている。第２図Ｃａ）は第１図に示す
撮像装置における■−■繍上における断面を模式的に示
したものである。半導体基板１５の主面に絶縁層１６を
介して垂直シフトレジスタの電荷転送１を極１７゜光電
変換部から垂直シフトレジスタへの信号電荷転送を制御
するトランスファゲート１１１ｃ極１８．基板半導体と
異った導電臘層１９　ＣＰ−ｎｌｉｊ１合）で構成され
る光電変換部が形成されており、光電変換部は隣接する
垂直シフトレジスタと、例えば基板不純物濃度より高い
不純物層をもつチャ本ルストップ領域２０によって分離
されている。また、光電変換部以外は例えば金属層２１
で光Ａｉされている。

このようなインターライン転送方式による撮像装置は、
光電変換部１１で入射光緻に応じて蓄積した信号電荷を
、９１えばトランス７アゲート１２を介してそれぞれ対
応する垂直シフトレジスタｌＯへ転送する。垂直シフト
レジスタへ信号電荷転送した後、トランスファゲートが
閉じられ、光電変換部１１は次の周期の信号電荷を蓄積
する。一方、垂直シフトレジスタ１０へ転送された信号
電荷は並列に垂直方向に転送し、各垂直シフトレジスタ
の一水平ライン毎に、水平シフトレジスタ１３に転送さ
れる。水平シフトレジスタへ送られた電荷は次の垂直シ
フトレジスタから信号が転送されて来る間に水平方向に
信号電荷を転送し電荷検出部１４から信号として外部に
取り出される。

この様な従来の電荷転送撮像装置では、第２図（ｂ）の
電位分布図で示すように光電変換部１１以外のチャネル
ストップ領域２０．またはトランス７アゲート電極との
境界に照射された党２２は第２図（ｂ）ｃ示すように一
部隣接する垂直シフトレジスタへ流れ°込む。

光電変換部の電位井戸２３外で信号電荷を発生した電荷
の一部は隣接する垂直シフトレジスタ２４または光電変
換部に対応する垂直シフ）レジスタ２５に流れ込む。ま
た光電変換部の主面に対して角度をもって入射する光は
半導体基板表面で夏射し絶縁層、多結晶シリコン等で形
成された電極層の中を多重反射しながら第２１！　（Ｉ
Ｌ）で示す断面の横方向に伝播してゆき、隣接する垂直
シフトレジスタ、及び各光電変換部に対応する垂直シフ
トレジスタ内で吸収され電荷群を発生させる。

この様な現象が、垂直シフ）レジスタで信号電荷を転送
している期間に起ると、各垂直ラインに照射されている
光量に応じて各垂直シフトレジスタに漏れる電荷の量が
異るため、各垂直ラインの平均光量差が、暗出力レベル
の差となって現われ一般にスミアと呼ばれる現象がみら
れる。もう一つの問題として第２図（ｃ）　Ｋ示す電位
分布図のように光電変換部に強匹元が入射し光電変換部
で蓄えられる最大電荷量以上の電荷が発生した場合。

その電荷は充電変換部のｖ１位井戸２３からあふれ出し
隣接する垂直シフトレジスタの電位井戸２４または光電
変換部に対応する垂直シフトレジスタの電位井戸２５に
流れ込む、この現象は一般にプルーミング現象と呼ばれ
、撮ｌ１ｉｉ像では白い線状のパターンになる。

本発明は上記の欠点を無くした新しい構造の固体撮ｆ１
１装置とその駆動方法を提供するものである。

本ｌｈ男によれば半導体基板の主面に、前記基板と反対
の導ＷＩＬ型管もつ埋込み層を部分的に形成し前配鳳込
み−を覆うように、前記基板主面全体に基板と反対の導
電型をもつ半導体層を形成し、埋込み鳩が形成されて込
ない前記半導体ＡＩＩＩ／ｃ光電変換素子群を形成し、
前記埋込み鳩が形成されているｍ把手導体層、罠光電変
換部からの信号を読み出す装置を設けることを特徴とす
る固体撮像装置と該固体撮は装置にお込て、少くとも前
記埋込み層のない領域の半導体層が完全に空乏化するの
に必要な逆バイアス電圧を前記半導体層と基板半導体に
印加することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法が得
られる。

前記本発明によれば、固体撮像装置のプルーミング・ス
ミアを完全に抑制、低減できる。

次に本発明の実施列について図面を用わて説明する。以
後本発明の実施列についてｌｌ！明を簡単にするために
Ｎチャネルの半導体装置について述べる。

ａＩ３図は本＠明の一実ＤＩＩＡ岡を示すもので従来ガ
で説明した第２図（ａ）と同様に、第１図に示す電荷転
送撮像装置の■−■線上の断面を模式的に示したもので
るる、第３図におりて第２図と同一機能をもつ領域は同
一記号で示しである。仁の第３図に示す実施列と第２図
（ａ）Ｋ示した従来ガとの違いは半導体基板２６とＮ鷹
半導体基板上の一部ＫＰｆｉ場込み層２７を形成した後
均−不純物＃Ｉｆを有するＰｇ半導体層２８が設けられ
て−ることＫある。

Ｎｌｌ半導体２６上に埋込み層及びＰｔｌ１半導体層を
形成する方法の一例について第４図を用いて説明する。

まず半導体基板２６上に通常の写真食刻技術を用いて埋
込み層領域２７に該当する部分にイオン注入法、または
熱拡散法によって高＃度のＰ置不純物を拡散する（第４
図（ａ））。その後基板半導体と反対の導電種をもつＰ
ｆｉ半導体Ｊｉｉ２８を、岡えば気相成長方法等によっ
て形成する。高層［ＰＩｌ城込み層２７はその後の熱処
理によってＰｆｉ半導体４２８へ拡散され第４図（ｂ）
　Ｋ示すようＫｍ込み鳩２７．Ｐ型半導体層２８′を形
成することができる。

次に本発明の実施列の動作について、説明する。

撮像装置としての基本的な動作は、第１図で示した従来
岡の撮像装置と同様であるため、第３図に示した本発明
の重要な要素であるＰ製埋込みＮｊＩ２７Ｐ！１半導体
層２′８の動作について説明する。

ｇ５ａ！Ｉは第３図に示す光電変換部ｏｎ−ｎｉ纏上す
な線上光電変換部の深さ方向ｏｔ位分布を示してｈる。

第６図の横軸は深さ方向の距離、縦軸は電位を表わして
いる。今第３図に示すチャネルストップ領域２０の電位
を基準電位（この場合０ボルト）とする、トランスフア
ゲ−）１８の電位を　ｊＶ？Ｇ、）ランス７アグートの
閾値電圧をＶｒとすると、ＮＩ１％ｊ！夏門部１９はＶ
テｏ−Ｖ丁の電位でセットされる。またＰｆｉ半導体層
２８と基板２６に印加する逆バイアス電圧を曲線３１で
示す低い電圧から、よ食高い逆バイアス電圧にすると曲
線３２のようＫＰ型型半体体層２８シ完全空乏化する。

光電変換領域１９ｔＣ光が照射され信号電荷が蓄積する
と１元電変換領域１９の電位は曲！Ｉ３２からＪ１１１
１１３３のように小さくなってゆきｉｌｋ終的には１ｌ
ｉｌｉ３４のように光電変換部１９とＰＩＩ領域２７の
接合は順方向とな）、これ以上光電変換部１９で発生し
た電荷はＰＷ領域２７Ｙｒ介して基板半導体２６へ流れ
込む、すなわち１１ｇ３図で示すトランス７アゲート１
８直下、チャネルストップ領域２０直下、および図示し
ていないが光電変換部１９を轟む全ての領域の表面電位
より光電変換部１９とＰａ１半導体層２Ｂで形成する接
合電位２９が高くなるように基板半導体とＰ型中導体層
２８に逆バイアス電圧を印加することによシ、光電変換
ｌ！ｌ１１９で発生する過剰電荷は完全に基板半導体へ
掃き出すことができる。この場合、基板半導体２６の不
純物濃度Ｆｉｐｍ半導体層２８の不純物濃度より高いこ
とが望ましい、基板不純物濃度が高−と、前述の逆バイ
アス電圧のうちＮｌ！基板内部て消費する電圧が小さい
ことと、ｐＨＪｌ込み層２７からのフリンジ電界が小さ
くなることから。

逆バイアス電圧の低電圧化が可能になる。

この構造及び動作によって従来の欠点であり之プルーミ
ング現象を完全に抑制することができる。

一方、光電変換部でプルーミング抑制を行っている状−
Ｋかける罷直電荷転送領域す欧わち第３図に示す■−■
線上の電位分布を第６図に示した。

こｏｈ直シフトレジスタｌＯは埋込みチャネルで構成さ
れている場合について記述しである。

曲線３５は垂直電荷転送電極１７に印加されているパル
スがハイレベルで垂直レジスタには信号電荷が存在しな
い状態での電位分布である０曲線３５で示すように光電
変換部でブルーミング抑制を行う動作条件では、垂直シ
フトレジスタ１０直下のＦｉｌ領域２８は完全に空乏化
するが、空乏層端が埋込み層２７に到達すると、塚込み
鳩２７の濃度が１％−ため、垂直シフトレジスタ直下の
Ｐ型堀込み鳩２７は完全に空乏化することはない。

この実施列の場合、Ｐ置場２８のｆ！Ａ度は＃１ＩＩｆ
は少くともＰ型半導体層よ）１桁高いｍｒｘが望ましｉ
、また基板半導体２６の不純物１１度は先に述べたよう
九Ｐ型半導体層の不純物ａｒｉｔよ〕＾ｂ機度である。

具体的には基板半導体はＰｆｉ牛導体層２８の２倍から
１０倍の濃度を持つことが望ましい。

第７図は、第３図における水平方向断面Ｖ−Ｖ線上の電
位分布を示したものである。元の開口部（光電変換部）
１１厘下では曲線３６で示されるように電位が高くなっ
て込るため、開口部の周辺で発生したｉＩ′＃ＩＦｉ全
て光電変換部へ流れ込む、また、第３図に示す光電変換
領域１１ｏＰｍｌ半導体層２８は完全に空乏化し゛てお
シ、Ｐ麿半専体層２８から隣接する垂直シフトレジスタ
へは深さ方向のどの位瀘においても曲８３６で示すよう
な障壁があるため、拡散による電荷の漏れ込みはない。

このため第２Ｌｍ（ｂ）で説明したいわゆるスミア現象
Ｉｆｉｔｉとんど発生しない。

以上述べてきたように第３図に示した本実施列はブルー
ミング、スミア現象を大幅に低減できる。

以上本発明のｓＡ施ガについてその構造と駆動法につい
て述べて来たが、感光素子と読み出し装置が対になって
構成される固体撮像装置には全て適用されるであろう、
ｔた４３図に示す実施列での光電変換ｓ１９はＭＯＳキ
ャノ（シタ１１１造で形成される素子でも良−０ また真ａｉ９１ではｈチャネル置半導体灸皺について説
明したがｉＩｌ域の導電型を反対和すること工Ｐチャネ
ル半導体装置に適用できることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はインターライン転送方式による撮像装置１［Ｄ
構成図、第２図は、第１図に示すｎ−ｎ線上の断面模式
図およびその直下の電位分布図を示している。第３図は
本発明の一実總岡を示す断面間で、第４図は本発明を構
成するための製作方法の一例を説明するための図である
。第５図、＠６図ｅ　ｉＥ　７　図Ｉｄ　Ｋ　３５ｆＪ
　Ｋ　示ｔ　ＩＩＩ　−１ｔ［−ｌｖ−■＊　■−■線
上の電位分布を示している。 １０は垂直シフトレジスタ、１１は光電変換素子。 ２７はＰ聾埋込み鳩、２８はＰ型半導体層である。 垢／記 集２）図 第４図 α） 雫乞国 隼乙国 ”　　　　　Ｚｆ　　　　Ｚｆ　　　　　Ｚ６−−−濱
ン方向 集７圓 １

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　半導体基板の主ａｉｄ、前記基板と反対の導
   電ｆｊ１をもつ塚込み層を部分的に形成し、前記埋込み
   層を覆うように前記基板主面全体に基板と反対の４電鳳
   をもつ半導体層を形成し、前記埋込み層が形成されてい
   ない前記半導体層主面に光電変換素子群を形成し、ｖｉ
   記埋込み層が形成されてｂる。 ｆＩＪ記半導体層上に前記光電変換素子からの信号を読
   み出す装置を設けたことを特徴とする固体撮像装置。
2. （２）　　前記基板半導体および前記埋込み層の不純物
   ａ度は、＃Ｉ記半導体層の不純物ｉ１１［より高い特許
   請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。
3. （３）　　半導体基板の主面に、前記基板と反対の導電
   ａ１をもつ埋込み層を部分的に形成し、前記埋込み層を
   覆うように前記基板主面全体に基板と反対の導電型をも
   つ半導体層を形成し、前記埋込み層が形成されていなり
   前記半導体層主面に光電変換素子群を形成し、前記埋込
   み層が形成されている前記半導体層上に、前記光電変Ｉ
   ｌ！素子群からの信号を読み出す装ａＩｔを形成して成
   る固体撮像装置におりて、少くとも前記埋込み層が形成
   されてｈない前記半導体！が完全に空乏化するに必要な
   逆バイアス電圧管前記半導体層と前記基板間に印加する
   ことを特徴とする固体撮像Ｓａｔの駆動方法。