JPS5848578A - 固体撮像装置 - 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、固体撮像装置に関し、低照度撮像時あるいは
瞬間撮像時においても良好な）質を得ることのできる超
高感度特性と、高照度撮像時においても原理的にブルー
ミングを生じない特性とを有することによシ、ダイナミ
ックレンジの極めて広い固体撮像装置を作り易い条件で
実現しようとするものである。

従来、固体撮像装置の一般的な構成は、光電変愛機能を
有する画素領域として２次元に配列されれたフォトダイ
オードあるいはＭＯＳキャパシタと、各画素を選択する
だめの画素選択手段としてのＭＯＳ　）ランジスタある
いは電荷転送ゲートと、画素選択手段によシ各画素から
得られた光信号に対応した電位変動あるいは電荷を出方
部まで伝送（転送）する信号読出し手段としての伝送線
あるいは電荷転送素子などが単導体基板表面に形成され
ているものであった。

このような固体撮像装置の代表側としては、ｘ”ｒ７ド
レス型のＭＯ８撮像装置、電荷転送型のＱＣ，Ｄ撮像装
置、ＭＯ８撮像装置とＣＯＤ装置のハイブリッドである
ＣＰＤ撮像装置などがあるが、受光領域内の同一平面上
に光電変換を行なう画素領域と画素選択手段と信号読出
し手段とが構成されてい予ため、高集積化（すなわち高
解像度変化）を困難にし、光利用率が悪いので感度が低
いという問題を有していた。

更に、強い入射光に対して電荷蓄積型の画素領域は本質
的にブルーミングを生じるため、オーバーフロードレイ
ン、垂直ｙ＋＋ｐ　ｎ構造などを利用したプルーミング
防止手段が不可欠となるため、高集積化は一層困難にな
り感度は一層低くなるという欠点が生じていた。

これらを解決する方法として従来提案されたものに、光
電変換を行なわない画素領域と、画素選択手段と信号読
出し手段とが形成された半導体基板表面の上部に積層膜
として知られる光電変換機能のだめの光導電性薄膜を形
成する固体撮像装置がある。（特開昭４９−９１１１６
号、特開昭５１−１０７１５号、特開昭、５１−９６７
２０号。

特開昭５１−９５７２１号、各公報） 光導電性膜として実際に用いられているものの一例とし
ては、セレン（３ｅ）を主材料とし、性能改善のために
砒素（五ｇ）、テルル（Ｔｅ）を添加した非晶質の複合
層からなっているものがある。他の代表的な例では、多
結晶構造の化合物半導体を２層に蒸着している。第１層
はｎ形のセレン化亜鉛（Ｚｎ８ｅ）で第２層はテルル化
亜鉛とテルル化カドミウムの固溶体（ＺｎｘＣｄｌ−ｘ
Ｔｅ）から成っている。

ところが、以上のような光導電性膜を構成する化合物半
導体も、材料の完全性、すなわち、純度。

化学量論比の精度、結晶の完全性などの点ではＳｉ、Ｇ
ｅに比べてはるかに劣る。しかもこのような化合物半導
体を非晶質として用い多層膜構造にするということは、
−見、プロセスが簡略化されたように見えても特性向上
、再現性の改善などが極めて困難である。これは、格子
定数の異なった格子同志の影響が格子定数そのものを考
え、格子欠陥を生じやすくする問題からも分かる。

このことから、光導電膜材料として、アモルファスＳｉ
（α−８ｉ）を用いる提案もある。しかし、単結晶以外
の半導体構造においては、たとえ、単一元素で構成され
ているとしても問題が多い。

例えば、多結晶などは、グレイン（結晶粒）の大きさが
数μｍ程度であるが、この寸法精度をどのように出すか
という問題、また、グレインの大きさが電子の平均自由
行程と同程度になってきたら、バンド構造自体が疑わし
くなり、従来のように、多結晶の特性が単結晶の理論を
用いて説明することも困難になる。更に、グレイン粒界
には、析出物が堆積することも、特性制御、再現性に対
する不安定さの原因となり、実用化に対する大きな障害
となる。

一方、アモルファスと呼ばれる非晶質については、元来
結晶の方が安定であるのが普通であり、結晶化を防ぐｉ
段が解決されない限り、決して安定な材料とはなり得な
い。この為、一般的には熱的に不安定となり、結晶化が
生じて特性の変化を招き易くする。また、バンドギャッ
プ内のトラップ密度が単結晶に比べて相当高い為、晃電
膜構造より高速度応答を示すフォトダイオード構造でも
キャリアの移動度が低く、（例えばアモルファスＳｉの
電子の移動度は単結晶Ｓｉの１／　１０３以丁である。

）現状では２０ＫＨ２程度の低い周波数応答特性にとど
まり、残像などを生じやすい。

さらに、このトラップ密度は、キャリアの拡散長を短か
くする（例えば、単結晶Ｓｉの拡散長１００μｍに比ベ
アモルファスＳｉでは０．１〜０．３μｍである）ため
、青感度あるいは感度その　４ ものの低下を招きやすい。しかも、光導電膜構造では、
導電率に波長依存性があり、フォトダイオード構造では
、応答速度に、強度依存性及び波長依存性をもつため、
カラー化の際、これらが、設計・再現性を著しく困難に
する。

しかも、積層膜構造により得られる感度向上については
現状では光利用面積増加による効果と量子効率増加によ
る影響で改善されるだけであり、まだ十分とはいえない
。又、従来の積層膜は、画素領域と接続するために、ム
ｌやＭｏなどの金属電極を用いており、金属一画素領域
半導体、□金属−積層膜間の物理化学的特性が素子性能
を影響し、プロセスを複雑にすると共に、キズ発生の原
因となる段差の一因でもあった。

一方、光導電膜を利用せず光電変換を行なう画素領域を
フォトトランジスタ構造とし、光電変換動作を画素領域
における多数キャリア交合動作で行なう固体撮像装置の
提案もある。（特開昭６６−３０８６５号、特開昭５５
−１２４２６９号。

各号報） １　に れはＳ　Ｉ　Ｔ　（５ｔａｔｉｃ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ
　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：′静電話等トランジスタ）撮
像装置と呼ばれ、本発明の１−１的である超高感度の実
現と、本質的にプルーミングを生じないという条件を実
現するには構造が極めて複雑となり、従来の固体撮像装
置及びその技術をそのまま利用することはできず、全く
異なる観点に立って最初からＳＩＴ撮像素子の設計・プ
ロセス開発が不可欠である。

とくに、構造については、フォトトランジスタ構造実現
のため、ＭＯＳプロセスとバイポーラプロセスの併用が
必要となり、フォトトランジスタの占有面積が大きいの
で表面照射型のｆｓＩＴ撮像装置では、設計ルールが超
ＬＳＩレベルにならなければ現在、すでに実用化されて
いる程度の固体撮像装置（例えば２／３′受光面積に、
画素数が水＄４００個×垂直ＳＯＯ個程度）の実現も極
めて困難である。

裏面照射型のＳＩＴ撮像装置では、設計ルールが幾分、
緩和されるけれども、可視光の大部分はシリ〜コン表面
から４μｍ以内で吸収されること、加電圧が厚さと共に
増すこと、バルク内でのキャリア再結合低減のためなど
から、一般的にいって受光領域の基板の厚さを薄くする
ことが必要になるが、絶縁物膜と電極構造内の応力が薄
い基板面を曲げて機械的強度の低下を招くこととなり、
これは信頼性、寿命を大幅に低下させる原因となるので
実用化の大きな障害である。

そこ・で、本発明は、上記従来例の問題点を解消し、超
高感度特性および原理的にプルーミングを発生しない耐
ブルーミング特性の良い装置を提供することを時的とす
るものである。

この目的を達成するため、本発明で”は、光電変換を行
なわない画素領域と画素選択手段と信号読出し手段とが
形成された半導体基板表面の上部に、従来の様な電子あ
るいは正孔の一方のみを利用する非晶質の光導電性膜で
はなく、電子・正孔をともに利用する光電変換を行なう
単結晶の高抵抗層（高抵抗領域）を形成するものである
。もちろん単結晶並の性能を有する非晶質材料を用いて
、同様な光電変換を行なうことも可能である。しかしこ
の高抵抗層における光電変換は画素領域の多数キャリア
の交会動作で行なわれるためプルーミングが原理的に発
生せず、画素領域近傍の高抵抗領域内のポテンシャル分
布にＳＩＴ形の電位障壁を設け、この障壁に起因する電
荷増倍作用で通常のフォト・トランジスタよりも高感度
化が可能となるものである。

以下、本発明の実施例につき図面をもとに説明する。第
１図は、本発明の装置の基本構成を示すものである。こ
こでは２次元の固体撮像方式として一般的なＭＯ８撮像
装置を例にとりあげる。

ＭＯ８撮像装置は、光電変換領域１０１、画素選択用の
垂直ＭＯＳスイッチ１０２、垂直ＭＯ８スイッチを一行
ごとに順次走査するための垂直シフトレジスタ１０３、
垂直シフトレジスタ１０３からの走査パルスを伝送する
パルス伝送線（以下行ラインとも呼ぶ）１０４、各垂直
ＭＯｆＳスイッチ１０２がオンとなる時、予電変換領域
１０１の電位を設定するだめの信号伝送線（以下列ライ
ンとも呼ぶ）１ｏ６、各信号伝送線１０６を外部電源Ｔ
ｏ（０マでもよい）で一定するための水平ＭＯＳスイッ
チ１０６、水平ＭＯ８スイッチを１列とと縫順次走査す
るだめの水平走査回路１０了とから成っている。信号伝
送線１０５は、水平ＭＯＳスイッチ１０６がオンとなる
時、信号検出用のＲＬを介してｖＯに設定される。

なお、高抵抗領域である光電変換領域１０１は画素領域
（これは垂直ＭＯＳスイッチ１０２の信号伝送伝線１０
５と結ばれていないソース領域である。）の多数キャリ
アの交会動作で光電変換を行なうためにＶｓが印加され
ている。

次に、多数キャリアの交会動作の光電変換部と信号読出
し方法を第２図をもとに説明する。

第２図ａにおいてＰ基板２０１上の１領域２０２は第１
図で示した光電変換領域１０１と接続された光電変換に
寄与しない画素領域であり、このｎ＋領域２０２と１領
域２０３とゲー）ＶＧとが第１図の垂直ＭＯＳスイッチ
１０２を構成する。

？領域２０３はムｌなどの信号伝送線２０４に接続され
る。この信号伝送線２０４は、第１図の水平ＭＯＳスイ
ッチ１０６を構成する？領域２０６゜献領域２０６．ゲ
ートＨＧのうち献領域２０６と接続されている。

なお、ここで、献領域２０６は、信号検出用抵抗ＲＬを
介して接地されている。＋（つまりＶｏｗＯマの場合で
ある。） 第２図ｂ１〜ｂ了は、画素領域である献領域２０２と信
号伝送線と、外部電源Ｖｏ＝Ｏマに対応したポテンシャ
ル状態を模式的に表わしたものである。第２図ｂ１は暗
状態のポテンシャルモデルである。垂直ＭＯＳスイッチ
のゲー）ＶＧ１水平水平３スイッチのゲートＨＧがオ／
・オフすることにより全ての電位がＯｖに設定されてい
る。

第２図ｂ２は、光照射のために、画素領域の多数キャリ
アである電子の字余動作が行なわれている。信号読出し
方法は、第２図ｂ３のようにまずゲートＶＧをオ／とし
、そのままの状態で第２図ｂ４のようにゲー）ＨＧをオ
ンとすれば、電子交会を埋めるためにグランドから注入
される電子によってＲＬに信号電圧が発生する。

信号読出しが終了すれば、第２図ｂ６のようにゲー）１
１Ｇをオフとし、第２図ｂ６のようにゲートＶＧをオフ
とすれば、全ての領域のポテンシャルがＯｖに設定され
たこととなる。

第２図ｂ７はプルーミング状態に対応するポテンシャル
モデルである。画素領域である１領域２０２の電子学会
化が極端に進んでいる。ところがこの字余化が素子のｐ
−ｎ接合部の耐圧程度あるいは耐圧を超えるとリーク電
流ｉｌ　、暗電流１ｄなどによ゛つてそれ以上の字余化
が抑えられるので、破壊には至らない。

次に、具体的な光電変換部について、説明する。

第３図は、本発明の第１の実施例を示すものであるＯ 第３図ａは、光電変換部近傍の断面構造を示す。

Ｐ基板３０１の表面に、画素領域であるｉ１領域３０２
、信号伝送線３、・９３と接−続された１領域３０４と
ゲート３０５が第１図の垂直ＭＯＳスイッチ１０２を構
成する。Ｐ基板３０１０表面を保領領域３０６の上に、
１域３０２と接した高抵抗領域３０７が形成され、その
上に透明電極３０８が形成されＶｓが印加されている。

第３図＆のＹ　−Ｙ’断面でのポテンシャルモデルは第
２図と同様である。

第３図ａのＸ　−Ｘ’断面の構造を中心に把えた等価回
路図を第３図ｂ−１に示す。

第３図ｂ１の等価回路図に従って第３図ｂ２〜ｂ４に光
電変換部のエネルギーバンド図を示す。

第３図ｂ２は、高抵抗領域３０７として真性半導体を用
いた場合の光電変換部のＶ！！＝ＶＯ＝０マにおけるエ
ネルギーバンド図を示している。

Ｖｓに正の電圧を印加すると、高抵抗領域３０７に電界
が生じ、充電変換部のエネルギーバンド図は第３図ｂ３
とりる。

高抵抗領域３０７の不純物密度が零か、４極めて低い場
合、ｖ８にわずかの電圧を印加すれば、高抵抗領域３０
７が完全に交会層で覆われピンチオフ状態となり、画素
領域である１領域３０２前面に鞍部点状の電位障壁３０
９が現われ、この電位障壁３０９の高さが主として献領
域３０２から透明電極３０８に流れる電子の流量制御を
行なうことになる。これはＳＩＴと同様な動作であり、
その動作理論により？領域３０２から透明電極３０８に
向う方向の高抵抗領域３０７の直列抵抗ｒＳと、光入射
で制御される高抵抗領域３０７を含む光電変換領域の仮
想変換コンダクタンスをＧｍとすれば、ｒ！ＩＧｍ（１
であることが必要である。この条件を実現するためには
、高抵抗領域３０了として真性半導体ではなく、１０〜
１０ｃＭ　程度の不純物密度゛を有するｎ型又はＰ型の
半導体を用いることも可能である。

第３図ｂ３のエネルギーバンド図において、光が高抵抗
領域３０７に入射すると、高抵抗領域３０Ｔ内に光によ
り励起された電子・正孔対が発生するにのうち電子は透
明電極３ＣＬ８側に吸収され、正孔は、高抵抗領域３０
７に印加されている強電界によって加速され、電子に対
する電位障壁３０９部に流れこみ、電位障壁３０９部分
を正に帯電させる。これは、電子に対する電位障壁３０
９の高さを下げることになり、その結果？領域３０２か
ら電子が高抵抗領域３０７に注入され、高抵抗領域３０
７内をドリフト走向して透明電極３０８に吸収される。

この結果、？領域３０２は電子学会状態となり、又電位
障壁３０９０作用により感度増倍効果が生じることとな
る。感度増倍率Ｓムは、電位障壁３０９部と１領域３０
２間の容量Ｏｆと１領域とグランド間の容量Ｃ１１との
比５ｓ＝Ｃｓ／Ｃｆ で与えられる。

更に、透明電極３０８と高抵抗領域３０７の接触はオー
ミック接触でもよいが、第３図ｂ３から分かるように、
正孔に対する阻止形接触の方が、暗電流低減にとって望
ましいことが分かる。

第３図ｂ４は更に画素領域である？領域３０２の学会動
作が進んだ状態を示す。ΔＶで示すエネルギバンドの変
化が入射光に反応した光電変換量を表わしている。

ここで、電位障壁３０．９近傍に捕えられた正孔１０２
で信号読出しを行なっても、？領域３０２の電位は、正
孔の蓄積量に対応する電位障壁３０９の高さで決まるの
で、？領域３０２に信号伝送線１０６から注入された電
子は速やかに透明電極３０８に吸収される。従って？領
域３０２の電位は０マに戻らず、垂直ＭＯＳスイッチ１
０２で読み出される前の電位を保持することとなるので
、非破壊読出しが可能となる。

一方、１領域３０２の電位をＯマにリセットする通常の
破壊読出しを行なうには、電位障壁３０９近傍に蓄積さ
れた正孔を除去する必要がある。この為には、Ｖｇを一
度、Ｏマあるいは負電圧とすれば、電位障壁３０９近傍
に捕えられた正孔を透明電極ｊ０８に排出することが可
能である。

以上のように本発明によれば、光電変換を学会動作で行
なうごとにより、第２図で示したように、原理的にブル
ーミング１生じず、また画素領域近傍の高抵抗領域内に
電位障壁を形成することにより、感度増倍効果が実現す
る。しかも、この電位　６ 障壁の存在により、非破壊読出しが可能となり、破壊読
み出しと非破壊読出しの選択は、透明電極の電圧を変化
させるだけで行なえることが明らかとなった。

さらに、光電変換を行なう高抵抗領域は、信号読出しと
して用いる高抵抗領域下面の素子構造と独立に形成する
ことができ、しかも、全プロセスをＳｉプロセスで統一
することが可能なので、再現性、制御性は極めて良いこ
とが分かる。

電子・正孔ともにキャ１１アとして利用でき、しかも本
装置の様なエネルギーバンドが構成できるならば、高抵
抗領域を形成する半導体は単結晶に限らず、非晶質にし
てもよいことは勿論である。

第４図は、第３図ａに示した第１の実施例の変形例であ
る。これは、感度増倍効果により、受光面積を決める高
抵抗領域を撮像素子表面全域とせずに、画素領域である
２次元配列の？領域３０２と同様、高抵抗領域４０１が
、絶縁物領域３０６で分離されて、２次元配列となった
もので、その上を透明電極４０２で覆うものである。こ
れは、高抵抗領域の形成が、第３図の構造に比べ、遥か
に簡略化され、プＵセスを容易にする。

第６図も、第３図ａに示した第１の実施例の別の変形例
である。これは、高抵抗領域６０１が透明電極６０２で
分離されて２次元配列となったものである。

第６図は、本発明の第２の実施例を示すものである。

第６図ａは、−光電変換部近傍の断面構造を示す。

Ｐ基板６０１の表面に、画素領域である♂領域６０２、
信号伝送線６０３と接続された？領域６０４とゲート６
０５が第１図の垂直ＭＯＳスイッチ１０°２を構成する
。Ｐ基板６０１の表面を保護し、各素子を絶縁分離する
８ｉ０２などの絶縁物領域６０６の上に、１領域６０２
と接した高抵抗領域６０７が形成され、その上に、低抵
抗１領域６０Ｂが形成され更に、その上に、胡電極６０
９が形成される。

第６図ａのｘ−ｒ断面の構造を中心に把えた等価回路図
を第６図ｂ１に示す。第６図ｂ１の等価のエネルギーバ
ンド図を示す。

第６図ｂ１は、低抵抗領域６０８として、？型半導体を
用い、高抵抗領域６０７として真性半導体を用いている
。

第６図ｂ２は、第６図ｂ１に示す光電変換部のＶｇ＝Ｖ
Ｏ：Ｏマにおけるエネルギーバンド図を示している。

Ｖｓに正の電圧を印加すると、高抵抗領域６０７に電界
が生じ、光電変換部のエネルギーバンド図は第６図ｂ３
となる。

高抵抗領域６０７の不純物密度が零が、極めて低い場合
、ｖ８にわずかの電圧を印加すれば、高抵抗領域６０７
が完全に交会層で覆われピンチオフ状態となり、画素領
域である？領域６０２前面に鞍部点状の電位障壁６１０
が現われる。この電位障壁６１０の高さが主として？領
域６０２から透明電極６０９に流れる電子の流量制御を
行なうことになる。これはＳＩＴと同様な創作であり、
その動作理論により、１領域６０２がら透明電極と、光
入射で制御される高抵抗領域６０７を含む光電変換領域
の仮想変換コンダクタンスをＧｍ　とすればｒｓ＋Ｇｍ
＜１　　であることが必要である。この条件を実現する
には、高抵抗領域ｅｏ７として、真性半導体ではなく、
１０〜１５ｃＩＭ　程度の不純物密度を有するｎ型又は
Ｐ型の半導体を用いることも可能である。

第６図ｂ３のエネルギーバンド図において、光が高抵抗
領域６０７に入射すると、高抵抗領域６０７内に光によ
シ励起された電子・正孔対が発生する。このうち電子は
透明電極６０９側に吸収され、正孔は、高抵抗領域６０
７に印加されている強電界によって加速され、電子に対
する電位障壁６１０部に流れこみ、電位障壁６１０部分
を正に帯電させる。これは、電子に対する電位障壁６１
０の高さを下げることになり、その結果、ｎ＋領域６０
２から電子が高抵抗領域６０７に注入され、高抵抗領域
６０７内をドリフト走行して、ｎ＋領域６０８を通過し
て透明電極６０９に吸収され　９ る０ この結果、？領域６０２は電子学会状態となり、また電
位障壁６１０の作用により、感度増倍効果が生じること
となる。

更に、透明電極６０９と１形の低抵抗領域６０８の接触
はオーミック接触でもよいが、第６図ｂ３から分かるよ
うに、正孔に対する阻止形接触の方が、暗電流低減にと
って望ましいことが分かる。

ここで、電位障壁６１０近傍に捕えられ正孔は、蓄積状
態にある。この為垂直ＭＯ８スイッチ１０２で、信号読
出しを行なっても、？領域６０２の電位は、正孔の蓄積
量に対応する電位障壁６１０の高さで決まるので、？領
域６０２に信号伝送線１０６から注入された電子は、高
抵抗領域６０７、を形の低抵抗領域６０Ｂを通って速や
かに透明電極６０９に吸収される。従って１領域６０２
の電位は０マに戻らず、垂直ＭＯＳスイッチ１０２で読
み出される前の電位を保持することとなる、非破壊読出
しが可能となる。

一方、？領域６０２の電位を０マにリセットす近傍に蓄
積された正孔を除去する必要がある。

このためには、Ｖｒ＋を一度Ｏマあるいは負電圧とすれ
ば、電位障壁６１０近傍に捕えられた正孔を透明電極６
０９に排出する事が可能である。

以上のべた第２の実施例によれば、透明電極６０９から
高抵抗領域６０７に正孔が注入されにくくなるので、第
１の実施例に比べて、暗電流が一層少なくなり、温度変
化に対する動作がより確実となり８／Ｎ、’信頼性の向
上をもたらす。

第７図は、第６図ａに示した第２の実施例の変形である
。これは、感度増倍効果により、受光面積を決める高抵
抗領域を撮像素子表面全域とせずに、画素領域である２
次元配列の？領域６０２と同様、高抵抗領域７０１が、
低抵抗領域７０２で分離されて、２次元配列となし、そ
の上を透明電極６０９で覆うものである。これは、レー
ザー・アニールなどの手法を用いた高抵抗領域の形成が
第６図の構成に比べ、遥かに簡略化され、プロセスを容
易にする。

第８図は第６図ａに示した第２の実施例の別の変形例で
ある。これは、高抵抗領域８０１と低抵抗領域８０２が
絶縁物領域６０６で分離されて２次元配列となし、透明
電極８０３で覆うものである０ 第９図は、本発明の第３の実施例を示すものである。

第９図ａは、光電変換部近傍の断面構造を示す。

Ｐ基板９０１０表面に画素領域である？領域９０２部号
伝送線９０３と接続された１領域９０４とゲー　ト９０
５７％、ｚｌｒｇの垂直ｗｏｓスイッ−ｙ−１ｏ２を構
成する。Ｐ基板９０１の表面を保護し、各素子を絶縁分
離する５ｉ０２などの絶縁物領域６０９の上に、？領域
９０２と接して、第１の高抵抗領域９０７を形°成し、
その上に第２の高抵抗領域９０Ｂが形成され、更にその
上に低抵抗１領域９０９、透明電極９１０が順に形成さ
れる。

第９図ａのｘ−ｘ’断面の、構造を中心に把えた等価回
路図を第９・図ｂ１に示す。第９図ｂ１の等価回路図に
従って、第６図ｂ２．ｂ３に光電変換部１）開′Ｊａ５
８−　４８ｂン８（９）のエネルギーバンド図を示す。

第９図ｂ１は、第１の高抵抗領域９０７として、比較的
低不純物濃度のＰ型半導体を用い、第２の高抵抗領域９
０８として、真性半導体を用いている０ 第９図ｂ２は、第９図ｂ１に示す光電変換部のＶｇ＝Ｖ
ｏ＝０マにおけるエネルギーバンド図を示している。

Ｖｇに正の電圧を印加すると、高抵抗領域９０７゜９０
８に電界が生じ、光電変換部のエネルギーバンド図は第
９図ｂ３となる。

第１の高抵抗領域９ｏ７、第２の高抵抗領域９０Ｂの不
純物密度が十分に小さいと、Ｖｓにわずかの電圧を印加
しただけで、高抵抗領域９０７゜９０８は完全に交会層
で覆われ、ピンチ・オフ状態となり画素領域である？領
域９０２部面の第１の高抵抗領域９０７部分に鞍部点状
の電位障壁９１１が現われる。この電位障壁９１１の高
さが主として、−１領域９０２から透明電極へ向かって
流れる電子の流量制御を行なうことになる。これはＳＩ
Ｔと同様な動作であや、その動作理論により、？領域９
０２から透明電極９１０に向かう方向の高抵抗領域の直
列抵抗ｒ８と、光入射で制御される高抵抗領域を含む光
電変換領域の仮想変換コンダクタンスをＧｍとすれば、
ｒａＧｌｍ（１が必要となる。この条件を実現するには
、第１の高抵抗類Ｐ域９０７として、１０〜１０ｃＩＲ
程度の不純物密度、第２の高抵抗領域９０８としてン真
性半導体でなく、１０〜１０３　　程度の不純物密度を
有するｎ型、又はＰ型の半導体を用いることも可能であ
る。

第９図ｂ３のエネルギーバンド図において、光が第２の
高抵抗領域９０Ｂに入射すると、第２の高抵抗領域９０
Ｂ内に光により励起された電子・正孔対が発生する。こ
のうち電子は、透明電極９１０側に吸収され、正孔は、
第１の高抵抗Ｐ領域９０８部に流れこみ、電位障壁９１
１を正に帯電させる。これは、電子に対する電位障壁９
１１の高さを下げることになり、その結果、？領域９０
２から電子が高抵抗９０７．９０８に注入さ４ れ、高抵抗領域９０７．９０８内をドリフト走行して、
ｎ１領域９０９を通過して、透明電極９１０に吸収され
る。

この結果、１領域９０２は電子字余状態となり、また電
位障壁９１１の作用により、感度増倍効果が生じること
となる。

更に、透明電極９１０と低抵抗１領域９０９の接触はオ
ーミック接触でもよいが、第９図ｂ３より正孔に対する
阻止形接触の方が、暗電流低減には望ましいことが分か
る。

ここで、電位障壁９１１近傍に捕えられた正孔は、蓄積
状態にある。この為垂直ＭＯＳスイッチ１０２で、信号
読出しを行なっても、ｎ補職９０２の電位は、正孔の蓄
積量に対応する電位障壁９１１の高さで決まるので、ｎ
＋ｌＪ域９０２［信号伝送線１０６から注入された電子
は、高抵抗領域９０７゜９０８、を形の低抵抗領域９０
９を通って速やかに、透明電極９１０に吸収される。従
って１領域９０２の電位は０マに戻らず、垂直ＭＯＳス
イッチ１０２で読み出される前の電位を保持すること一
方、？領域９０２の電位を０マにリセットする通常の破
壊読出しを行なうには、電位障壁９１１近傍に蓄積され
た正孔を除去する必要がある。

このためには、ｖｓを一度Ｏマあるいは負電圧とすれば
、電位障壁９１１近傍に捕えられた正孔を透明電極９１
０に排出することが可能となる。

以上述べた第３の実施例によれば、電位障壁９１１の形
成する位置を第１の高抵抗領域であるＰ領域９０７で決
定でき、電位障壁９１１の特性をＰ領域９０７の不純物
濃度で制御できるようになり、設計・プロセスでの自由
度が増し、一層作り易くなる。

第９図０１は、第１の高抵抗領域として比較的低不純物
密度のｎ領域９１２を用いた光電変換部を示してい゛る
。この光電変換部のＶｓ４Ｖｏ＝Ｏマのエネルギー°パ
／ド図が、第９図０２であり、Ｖｇに正の電圧を印加し
たものが、第９図０３で電位障壁９１３が形成される。

゛ 第９図ｂ３とＣ３との差は、第１の高抵抗領域としてｎ
領域９１２を用いた場合、第２の高抵抗領域との関係で
、電位障壁９１１の位置、特性を決定できることである
。

第１０図は、第９図ａに示した第３の実施例の変形であ
る。これは、感度増倍効果により、受光面積を決める高
抵抗領域を撮像素子表面全域とせずに、画素領域である
２次元配列の１領域９０２と同様、第１の高抵抗領域１
０ｏ１、第２の高抵抗領域１００’２、低抵抗領域１ｏ
０３が、絶縁物領域９０６で分離されて２次元配列とな
し、その上を透明電極１ｏ０４で覆うものである。これ
は高抵抗領域の形成を容易にし、歩留まりをあげる。

第１１図は、第９図ａに示した第３の実施例の別の変形
である。

これは、第１の高抵抗領域１１ｏ１が、Ｐ基板９０１表
面の画素領域である♂領域９０２内部表面に形成された
も゛のである。これにより、第２の高抵抗領域９０８□
が、表面に、レーザニ・アニールなどを利用して形成で
きるので、作り易くなる。

しかも電位障壁を１領域９ｏ芝内部の第１の高低　７ 抗領域１１ｏ１に形成できる事から、表面に形成した第
２の高抵抗領域９０８との界面の影響が電子の、ドリフ
ト走行部に含まれるようになり界面の影響が電位障壁に
及ぶのを避けることが出きる。

第１２図は、本発明の第４の実施例を示すものである。

これまで述べて来た各実施例に用いた高抵抗領域の特性
を十分活かすには、やはり単結晶が最も望ましい。しか
も、この単結晶は、純度が高いばかりでなく、欠陥の少
ないものが最終的に要求される。

第１２図ａは、光電変換部近傍の断面構造を示す。Ｐ基
板１２０１の表面に、画素領域である１領域１２０２、
信号伝送線１２ｏ３と接続された？領域１２０４とゲー
）　１２０５が第１図の垂直ＭＯＳスイッチ１０２を構
成する。

本装置の高抵抗領域は、Ｐ基板１２０１０表面を保護す
ると共に、各素子を絶縁分離する５ｉ０２などの絶縁物
領域１２０６の上に、？領域１２ｏ２と接して形成され
る。これを、液相又は気相成長になって１領域１２ｏ２
の上に単純に形成する以　８ 外に、第１２図ａに示すように絶縁物領域１２ｏ６の上
に　、＋領域１２０２と接して、アモルファスＳｉなど
の非晶質領域１２ｏ７を形成し、その後レーザー光熱・
射などにより高抵抗領域としての単結晶領域１２０９に
変えることが考えられる。これは、加熱冷却に局所性を
もたせると基板結晶から結晶化が進むため全体が安定し
易すく欠陥を避けることが容易になるという事を応用し
たもので、レーザー光線を照射すると、必要なところだ
け加・熱できるし、波長を変えて吸収減垂距離を変化さ
せるとか、焦点距離を変化させて光が集中する範囲をあ
る程度限定することもできる。従って他の部分に損傷を
及ぼさずに熱処理が可能になる。したがって、第１２図
すのように？領域１２ｏ２に対応する範囲ムでは、−領
域１２ｏ２に接して単結晶領域を形成し、範囲Ｂでは、
非晶質領域１２０８をわずかに残して単結晶領域ケ予成
することが、レーザー光照射で可能になる。

この時、非晶質領域１２０７表面あるいは絶縁物領域１
２０６表面に、適当な起伏を設ければ、により可能であ
り、これにより、完全結晶成長も実現できる。

上記の非晶質領域１２０７は、多結晶Ｓｉなとの多結晶
領域としても全く同様の方法で実施できる０ さらに、量産化に適したものとして、第１３図に第６の
実施例を示す。

これは、第１１図に示した実施例の変形でもある。Ｐ基
板１３ｏ１の裏面に画素領域となる？領域１３０２、ｎ
１領域１３０３を形成し、更に？領域１３０２の内部表
面にＰ領域１３０４を拡散・イオン注入法などで形成し
たあと、Ｋ　−Ｋ’の二重線のようにエツチングしくこ
の時、生じるエッチピットなどは、レーザーアニールで
取り除くことは可能である。）、その上に、ＳｉＯ２な
どの第１層の絶縁物領域１３ｏ６を形成する。この後、
ゲート１３ｏ６、？領域１３０３と接続した信号伝送線
１３ｏ７を形成したあと、第２層の絶縁物領域１３０８
を形成し、第２層の絶縁物領域１３０８一平面とする。

この後、気相又は液相で、単結晶成長を行ない、高抵抗
領域１３０９を形成し、その上に１領域１３１０．透明
電極１３１１を形成する。

以上のように、本発明によれば、従来の固体撮像素子で
主として用いられたＰ−ｎ接合形の光電変換部、つまり
、Ｐ基板上に形成された献領域に接して、素子表面に、
高抵抗領域を形成し、しかもこの高抵抗領域の上に形成
した透明電極に電圧を印加して、高抵抗領域に接したＰ
基板表面のｎ＋領領域、電子突合動作となるような光電
変換を高抵抗領域で実施することにより、次のような結
果が得られる。

■　感度増倍効果による超高感度が得られる。

■　原理的にプルーミングを発生しない。

■　積層構造による゛高集積化が可能で高解便度設計が
容易となる。

■　高抵抗領域と接するのは１領域のみゆえ１、　　下
地となる固体撮像素子は、従来技術で構成これにより、
今後、固体撮像素子の大きさく主に受光部面積）を８ミ
リカメラの光学系が利用できるサイズから更に小さいサ
イズへの小型化まで可能となり、カメラそのものの小型
化に大いに貢献できる。

又、将来技術としての３次元ＬＳＩの敏感な評価手段と
しても利用できることとなり、現在の撮像素子がメモリ
の性能向上に寄与する様々な情報を提供しているのと同
様に重要な役割を果たすことができる。

なお、実施例は、全てＰ基板を用いたが、ｎ基板を用い
たものにも適用できることはいうまでもなく、基板材料
としてもＳｉに限らず、Ｇａム８などを用いてよいこと
も勿論である。更に本文中でも述べたが、非晶質が極め
て高性能になり、単結晶と同等となれば、非晶質を高抵
抗領域として用いてよいことも勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮像装置の基本構成を示す断（２
）図、第２図は突合モード動作の光電変換部と信号読出
し方法を示すポテンシャルモデル図、第３図は本発明の
第１の実施例における固体撮像装置の構造図、その等価
回路図、そのＶｇ＝Ｏｖ時の光電変換部のエネルギーバ
ンド図、そのＶｓ※時の光電変換部のエネルギーバンド
図、第４図。 第６図は第１の実施例の変形例の装置の断面図、第６図
は本発明の実施例における固体撮像装置の断面図、その
光電変換部の等価回路、そのＶｓ＝０時の光電変換部の
エネルギーバンド図、そのＶｓ※時の光電変換部のエネ
ルギーバンド図、第７図、第８図は第２の実施例の変形
例の装置の断面図、第９図は本発明の第３の実施例にお
ける固体撮像装置の断面図、その光電変換部の等価回路
図、その”１ｓ＝ｏの時の光電変換部のエネルギーバン
ド図、そのＶｓ）ｏ時の光電変換部のエネルギーバンド
図、別な光電変換部の等価回路図、−そのＶａ−。 時の別な光電変換部のエネルギーバンド図、ｖＳ）時の
別な光電変換部のエネルギーバンド図、第１０図、第１
１図は第３の実施例の変形例の装４３ 置の断面図、第１２図は本発明の第４の実施例における
固体撮像装置の断面図、第１３図は本発明の第６の実施
例における固体撮像装置の断面図である。 １０２・・・・・・垂直ＭＯ８スイッチ、１０６・・・
・・・信号伝送線、Ｖｓ・・・・・・透明電極への印加
電圧、２０２゜３０２．６０２．９０２．１２０２．１
３０２・・・・・・画素領域である１領域、３０７．４
０１．６０１　。 ６０７　．７０１　．８０１　．９０７．９０８，９１
２゜１００１　．１００２，１１０１　．１２０９゜１
３０４．１３０９・・・・・・高抵抗領域、３０８゜４
０２　．６０２　．６０９　．８０３　．９１０　。 １２１０．１３１１・・・・・・透明電極、６０８，７
０２゜８０２　、９０９　、１００３　、１３１０・−
・−・低抵抗領域、３０９，６１０，９１１．９１３・
・・・・・電位障壁。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名１１
開ワｏ５８−　４８５７８（１２）第１６１ ＠２１１Ｉ 第３図 第４１１ 第６図 第７図 第８図 ６０ｆ　５０；２　に０５　６’舛 第９図 第１０図 ｑＱｌ　　ｑＯ？　　１００１　　　’１０５−　　　
ＶＵｔｌ＠１１図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　第１導電型の半導体基板の表面に絶縁物領域
   で分離されて２次元に配列された前記第１導電型とは逆
   の第２導電型高不純物密度の画素領域と、前記画素領域
   の位置を選択する画素選択手段と、前記画素選択手段に
   より選択された前記画素領域に入射する光信号に対応す
   る電気信号を外部に出力するだめの信号読出し手段とを
   前記半導体基板の同一表面に設けた半導体集積回路と、
   前記集積回路上に設けられ、各々の画素領域と接続され
   た電子・正孔を共に利用する光電変換のための高抵抗領
   域と、前記高抵抗領域上に設けられた光透過電極とを有
   し、前記光透過電極への電圧印加によって前記高抵抗領
   域の光入射側領域をその反対側領域に対して正、負いず
   れか一方にバイアスし、前記光電変換が前記画素領域に
   おける多数キャリアの空令動作で行なわれるようにした
   ことを特徴とする固体撮像装置。 ？）　高抵抗領域と光透過電極とが画素領域の少数キャ
   リアに対して阻止形接触になっていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 （３）高抵抗領域と光透過電極の間に、第２導電型高不
   純物濃度の低抵抗領域を設け、前記低抵抗領域と前記光
   透過電極とが画素領域の少数キャリアに対して、阻止形
   接触となっていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の固体撮像装置。 （４）高抵抗領域が絶縁物領域あるいは光透過電極で分
   離され、画素領域に対応した２次元配列となるようにし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項または２項記
   載の固体撮像装置。 （６）高抵抗領域が低抵抗領域で分離され画素領域に対
   応した２次元配列となるようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第３項記載の固体撮像装置。 （６）高抵抗領域が不純物元素を全く含まない一半導体
   で構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の固体撮像装置。 （７）高抵抗領域が第２導電型低不純物密度領域である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像
   装置。 （８）高抵抗領域が第１導電型低不純物密度領域である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像
   装置。 （９）高抵抗領域が低不純物密度の第１領域と不純物元
   素を全く含まない第２領域からなっており、前記第１領
   域が上記画素領域と接続されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 （１０）高抵抗領域が第１導電型高不純物密度の第３領
   域と低不純物密度の第４領域からなっており、前記第３
   領域が画素領域と接続されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 （１１）高抵抗領域が第２導電型低不純物密度の第６領
   域と、前記第６領域の不純物密度より２らに□少ない不
   純物密度を有する第６領域がらなっており、前記第６領
   域が画素領域と接続されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載゛　　の固体撮像装置。 （１２）第１領域が絶縁物領域で分離され）画素領域に
   対応した２次元配列となっていることを特徴とする特許
   請求の範囲第９項の固体撮像装置。 （１３）第３領域が絶縁物領域で絶縁され、画素領域に
   対応した２次元配列となっていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１０項記載の固体撮像装置。 （１４）第６領域が絶縁物領域で分離され画素領域に対
   応した２次元配列となっていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１１項記載の固体撮像装置。 （１６）画素領域内の表面に第２導電型低不純物密度の
   第７領域を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の固体撮像装置。 （１６）画素領域内の表面に第１導電型低不純物密度の
   第８領域を設けたことを特徴とする特ｍｌ請求の範囲第
   １項記載の固体撮像装置。　　　□（１了）高抵抗領域
   の画素領域近傍に電位の不均一な部分を設けて、主動作
   領域において電位障壁となし、上記画素領域から前記電
   位障壁までの直列抵抗ｒｓ　と固有変換コンダクタンス
   Ｇｍの積が主動作領域においてｒａＧｍ（１となり、し
   かも前記電位障壁部分で上記画素領域における少数キャ
   リアの蓄電動作が行なわれるようにしたことを特徴する
   特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 （１８）電位障壁が第１領域内に設けられ、画素領域か
   ら電位障壁までの直列抵抗ｒ８と固有変換コンダクタン
   スＧｍの積が主動作領域においてｒｓＧｍ（１となり、
   しかも、電位障壁部分で画素領域における少数キャリア
   の蓄積動作が行なわれるようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第９項記載の固体撮像装置。 （１９）電位障壁が第３領域内に設けられ、画素領域か
   ら電位障壁までの直列抵抗ｒｓ　と固有変換コンダクタ
   ンスＧｍの積が主動作領域においてｒｓＧｍ（１となり
   、しかも、電位障壁部分で画素領域における少数キャリ
   アの蓄積動作が行なわれるようにしたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１０項記載の固体撮像装置。 （２ｏ）電位障壁が第６領域内に設けられ、画素領域か
   ら電位障壁までの直列抵抗ｒｓ　と固有変換コンダクタ
   ンスＧｍの積が主動作領域において、ｒｓＧｍ〈１　と
   なシ、しかも、電位障壁部分で画素領域における少数キ
   ャリアの蓄積動作が行なわれるようにしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１１項記載の固体撮像装置。 （２＋）電位障壁が第７領域内に設けられ、゛第７領域
   を除く画素領域から電位障壁までの直列抵抗ｒｓと固有
   変換コンダクタンスＧＩ１１の積が主動作領域において
   ｒａＧｍ（１となり、しかも電位障壁部分で第７領域を
   除く画素領域くおける少数キャリアの蓄積動作が行なわ
   れるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１６
   項記載の固体撮像−装置。 （？り電位障壁が第８領域内に設けられ、第ｄ領域を除
   く画素領域から電位障壁までの直列抵抗ｒ８と固有変換
   コンダクタンスＧ１１１の積が主動作領域においてｒａ
   ＧＨ（１とな９、しかも電位障壁部分で第８領域を除く
   上記画素領域に於ける少数キャリアの蓄積動作が行なわ
   れるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１６
   項記載の固体撮像装置。 （２３）高抵抗領域と画素領域との間に格子整合が成立
   していることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   固体撮像装置。 （２４）絶縁物領域と高抵抗領域の間に基板の主要元素
   からなるアモルファス膜領域を形成したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 （２））絶縁物領域と高抵抗領域の間に基板の主要元素
   からなる多結晶膜領域を形成したことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 （２８）アモルファス膜領域表面に、画素領域のもっ結
   晶面、結晶軸と同一の高抵抗領域が形成されるようにア
   モルファス膜表面に起伏を設けたことを特徴とする特許
   請求の範囲第２４項記載の固体撮像装置。 （２７）結晶膜領域表面に、画素領域のもつ結晶軸と同
   一の高抵抗領域が形成されるように多結晶表面に起伏を
   設けたことを特徴とする特許請求の範囲第２６項記載の
   固体撮像装置。 （２Ｂ）電位障壁部分で行なわれる少数キャリアの蓄積
   動作を利用して信号読出し手段が非破壊読出し動作とな
   るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１７項
   記載の固体撮像装置。 （２９）電位障壁部分で行なわれる少数キャリアの蓄積
   動作をリセットするために、光透過電極への印加電圧を
   一時的に変化させて１高抵抗領域りバイアス状態を変化
   させることを特徴とする特許請求の範囲第’に６項記載
   の固体撮像装置。 （３））画素選択手段がＭＯＳ）ランジスタあるいは電
   商転送ゲートのいずれがであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 （３１）高抵抗領域が基板の主要元素からなる厳結晶で
   形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の固体撮像装置。 （３１）高抵抗領域が基板の主要元素とは異なる元素の
   単結晶で形成されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の固体撮像装置。 （３２）絶縁物領域と画素領域のそれぞれが高抵抗領域
   と接する面が平担で同一平面にあることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。