JPS58142682A - 固体撮像素子 - 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ＭＯＳ型の固体撮像索子の構成に関するもので
ある。

電荷転送素子は大別して電荷結合素子（」す後（’ＣＤ
と記す）とバケノトブリゲードデバイスどに分類される
が、本発明ではＣＣＩ）を中心に述べる。

ＣＣＤは１９７０年に発表されて以来、従来からの高度
の集積回路技術を基盤どし、その発展、Ｉともに急速な
り１１発が進められ、近年固体撮像、ｒリログ遅延線、
メモリ等の各種の応用がなケれるようになった。特にＣ
ＣＤを用いた固体撮像索子ｅ１、Ｍ（’）Ｓ型の撮像素
子とともに低消費電力、小型Ｗ　’１１’　、高集積化
が可能など、多くの特徴を有し近年その開発が急である
。ところでこれら固体撮像索子に（・、ｌプルーミング
、スミア現像により特性が口ｉなゎれる欠点があった。

とれは高照度の被写体を撮像１７たときに素子内１１μ
で発生する過剰電荷が基板内を拡散する結果、隣接絵素
あるいは隣接レジスター＼電荷がオーバフローレ再生画
像が損なわれる現象であり固体撮像素子の最大の欠点で
あった。従来このような欠点を除するためにオーツぐフ
ロードレインと称される拡散層を絵素間に配置させるこ
とにより過剰電荷を吸収しようという試みもなされては
いるがこの構造では本質的に高密度化が不可能なとと、
入射光址の利用効率が良くないこと等の欠点があった。

第１図（ａ）は従来のＣＣＩ）固体撮像素子の主要部の
断面図を示す。第１図（ａ）において１は一導電型を有
する半導体基也であり本例ではＰ型半導体を示す。２は
半導体基板ｌと反対導ｖＬ型を有する半導体領域で半導
体基板との間にＰ−Ｎ接合を形成し所謂フォトダイオー
ドを作る。３は半導体基板１と反対導電型を有する半導
体領域で埋込みチャネルを構成している。

４は表面チャネルで形成されるｌ・ランスファゲート領
域を示す。５は埋込みチャネル３およびトランスファゲ
ート領域４を覆うべく形成される転送電極、６は絶縁模
、７はチャネルストッパ、８はアルミニウムなどの光シ
ールド電極を示す１、つぎにこの素子の動作について説
明する。

第２図はこの素子を駆動する駆動波形の一部を示し、こ
こでは転送電極５に印加される垂直駆動パルス波形を示
す。この垂直駆動パルスは３値レベルを有し、垂直ブラ
ンキング期間ＶＢｔｌ？ｌ、、−ｉ（、高レベルＶＩ（
となり、有効期間においては中間レベルと低レベルとの
間を往復する振幅ＶＭのパルスとなる。

第１図（ｂ）、（Ｃ）は垂直パルスが高、甲、低レベル
時の第１図（ａ）に示すデバイス内部のポテンシャル分
布を示す。

まず第１図（ｂ）、（ｃ）において１１．１４はフォト
ダイオード２のポテンシャル、１２．１５．１６はトラ
ンスファゲート領域４のポテンシャル、１３．１７．１
８は埋込みチャネル３のチャネルポテンシャルをそれぞ
れ示している。第２図における時刻ｔにおいて垂直駆動
パルスが高レベルとなると、第１図（ｂ）に示されるよ
うにトランスファゲート領域４、埋込みチャネル３のポ
テンシャルは１２．１３の如く深い電位に設定されフォ
トダイオード２に存在していた信号電荷は埋込みチャネ
ル３で構成される垂直シフトレジスタへ読み出される３
、そ７′Ｌと同時にフォトダイオード２はトランスファ
ケーＮｊｔ域４のポテンシャル１２で決まる電位１１に
設定される。つぎに垂直有効期間内において既に読み出
された信号電荷は、第２図に示す中間Ｖペルと低レベル
との間ｅ振＋１１ｉｆＶＭで往復するノくルスにより垂
直方向に転送される、この期間フォトダイオード領域２
では光電変換された電荷が蓄積される。第１図（ｃ）に
は時刻ｔ１あるいはｔ２におけるポテンシャル図を示し
ている。

トランスファゲート領域あるいは埋込みチャネル領域の
ポテンシャルは時刻ｔ５１の中間Ｌ／ベベルは１６．１
Ｂで示される実線のように方り　時刻−り、２の低レベ
ルでは１５．１７で示される点線のようになる０ ところで光電変換された電荷が蓄積されるとともにフォ
トダイオード領域のポテンシャル１４は浅くなる。入射
光が強い場合にはフォトダイオードポテンシャル１４は
トランスファゲート領域ポテンシャル１６よりも浅くな
り、過剰に発生した電荷はシフトレジスタヘオーバフロ
ーしてブルーミングを起す。また第１図に示される構造
の素子では半導体基板ｌ内部にまで深く入射した光によ
り発生した電荷が四方に拡散してゆきその結果シフトレ
ジスタへ漏れ込むことによるスミアが発生する。このよ
うに従来の素子ではブルーミング、スミアを抑圧するこ
とが不可能であった。このため各絵素子間にオーバフロ
ードレインと称される拡散層を配置することによりプル
ーミング、スミアを軽減する試みもなされてはいるが、
既に述べたようにこの構造では本質的に解決はなされな
い。

本発明の目的は前記従来の欠点を除去した新しい固体撮
像素子を提供することにある。

本発明によれば一導電型を有する半導体基板−Ｆに形成
され、入射光を光電変換するための一導電型を有する半
導体受光部と、この受光部で光電変換された信号電荷を
転送するためのシフトレジスタと前記受光部およびシフ
トレジスタとを電気的に分離あるいけ結合するためのト
ランスファゲートと、前記シフトレジスタおよびトラン
スファゲートを駆動する手段とを有する固体撮像素子に
おいて、前記シフトレジスタおよびトランスフアゲ−）
・は前記半導体基板と反対導電型を有する半導体領域上
に形成され、前記受光部直下の少なくとも一部の領域は
前記半導体基板と同一導電型の半導体領域で形成され、
前記受光部と前記半導体基板とは前記半導体基板と同一
導電型の半導体領域を介して互いに接続されていること
を特徴とする固体撮像素子が得られる。

以下本発明について図面を用いて詳細に説明する０ 第３図（ａｌは本発明による実施例を示し素子主要部の
断面図を示す。第１図（ａｌにおいて２１は一導電型を
有する半導体基板であり“本実施例ではＮ型の基板につ
いて示している。２２．２３は半導体基板２１上に形成
されこの半導体基板とは反対導電型を有する半導体領域
であ如、この実施例ではＰ型不純物のイオン注入により
形成されたＰ−ｗｅｌｌである。２４はＰ−ｗｅ　ｌ　
Ｉ　２２．２３挾甘れた領域でありフォトダイオード２
あるいは基板２１と同一導電型を有する半導体領域であ
る。他の番号は第１図ｆａ）に示すものと同一である。

本素子の％徴は第１図（ａ）に示す従来の素子吉異なり
基板がＮ型となっており、活性領域はフォトダイオード
の一部を除き１）−ｗｅ　ｌ　ｌ上に形成されているこ
とである。さらに本素子においてはフォトダイオード面
下の少なくとも一部領域はＰ−ｗｅｌ１２２．２３で挾
まれた半導体領域２４で構成されており、この領域は基
板２１あるいはフォトダイオード２と同一導電型を有し
ている９、っき゛に本素子の動作について説明する。

本素子の駆動パルスは第２図に示すものと同一のものを
用いることができる。本素子の動作時にはＰ−ｗｅ１１
２２．２３と基板２１との間には逆バイアス電圧ｖＳＵ
Ｂが常に印加されている。この■８ＵＢの値としては領
咳２４を空走化するのに充分な値が必要であるＣ１第３
図ｆｂ）は第３図（ｂ）における一点鎖線Ａ−Ａ’の断
面におけるフォトダイオード領域およびその直下のポテ
ンシャル分布を示し、ている。第３図（ｂｌに示すポテ
ンシャルＮ、’　Ｐ−ｗｅ　Ｉ　Ｉを基準の電位として
示されており実線３０がポテンシャル分布、■　はフォ
トダイオード領域ポテンシャル、■８．ＪＢＰＩ） はＰ−と基板とに印加される逆バイアス電圧ｅｌｌ 値であり、基板の電位を示す。また■、けＡ−Ａ上で領
域２４中の最も浅い電位を示している。この■。の値は
領域２４に隣接するＰｗｅｌ１２”　２”かから拡がる
空え層の延び、あるいはｖ８ＵＢ電圧によって決定され
、動作時にはＩゝ−ｗｅｌｌの市１位よりも猟に深くガ
っている。さらにこの電位■８は駆動パルス電圧が中間
レベルのときのトランスファゲート領域の電位１６より
も常に深くなるように設定されている。

光入力により光電変換がなされるとフォトダイオード領
域には信号電荷が蓄積され、同時に電位■ＰＤも浅くな
ってゆく。

このとき電位ｖＰＤが、駆動パルス電圧が中間レベル時
のトランスファ領域のポテンシャル１６に達すると過剰
電荷がシフトレジスタへ漏れ込みブルーミングを起すこ
とになるが、本素子においてはポテンシャル１６よりも
常に■Ｉ３の値の方が大きくなるように制御されている
ため過剰電荷はシフトレジスタへ］−パフローする以前
にＶＢの電位を乗り越えて基板２１側へ掃き出される。

この結果プルーミングが抑制される。

さらにＰ−ｗｅｌ１２２．２３と基板２１との間には常
に逆バイアス電圧が印加されているため領域２４の電位
は隣接するＰ−ｗｅｌ　ｌ　２２．２３の電位よりも常
に深くなる。その結果フォトダイオード直下、王に領域
２４で発生した電荷が横方向に拡散しＰ−ｗｅｌ　ｌ、
さらには埋込みチャネル３△と漏れ込んでゆくことがな
くスミアを抑圧させることができる。

また本素子は絵素間ＫＪ−バフｐ−ドレインを配置した
素子と比較して本質的に高密黒化、高感度化が可能であ
ることは明らかである。

以上述べたように本発明によればプルーミング、スミア
を抑圧でき高密度、高感度の固体撮像素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ〜（Ｃ）は従来の固体撮像素子の主要部の
断面図および素子内部のボテンシャル分布を示す。 第２図は前記固体撮像素子の駆動波形の一例、第３図（
ａ＋、（ｂ）は本発明による固体撮像素子の一実施例の
主要部の断面図および破線Ａ−Ａ′での素子内部のポテ
ンシャル分布である。 第１図〜第３図において１．２１は半導体基板、２はフ
ォトダイオード、３は狸込みチャネル、４はトランスフ
ァゲート領域、５は電極、２２．２３は半導体基板２１
と反対導電型を有する半導体領域である。 代理人Ｊ「環１・」：内原　　石°′ 第１図 裾３図 呵−Ｎ＋→←−Ｎ−５ｕＢ−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一導電型を有する半導体基板上に形成され、入射光を光
   電変換するだめの一導電型を有する半導体受光部と、こ
   の受光部で光電変換された信号電荷を転送するだめのシ
   フトレジスタと前記受光部およびシフトレジスタとを電
   気的に分離あるいは結合するだめのトランスファゲート
   と、前記シフトレジスタおよびトランスファゲートを駆
   動する手段とを有する固体撮像素子において、前記シフ
   トレジスタおよびトランスファゲートは前記半導体基板
   と反対導電型を有する半導体領域上に形成され、前記受
   光部直下の少なくとも一部の領域は前記半導体基板と同
   一導電型の半導体領域で形成され、前記受光部と前記半
   導体基板とは妻呑革孝半蕎参古播前記半導体基板と同一
   導電型の半導体領域を介して互いに接続されていること
   を特徴とする固体撮像素子。