JPS5856580A

JPS5856580A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPS5856580A
Application number: JP56153563A
Authority: JP
Inventors: Nozomi Harada; 望原田; Okio Yoshida; 吉田　興夫; Yukio Endo; 幸雄遠藤; Masayuki Matsunaga; 誠之松長
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-09-30
Filing date: 1981-09-30
Publication date: 1983-04-04
Also published as: JPH0311152B2

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】４ｉ：発明１は固体撮像装置の改良に膚する。

周知の如く、固体４障・直置は半導体基板上に設けられ
た互に独立する感光セルから、そこで光電変換、蓄積さ
れた信号電荷を何んらかの手段により前記基板に設けら
れ九出勾部より取出すものである。一方、撮濃蒼の部会
、光電変換、信号電荷蓄積を行なうターゲノ）嘆は連続
してゼ成されており、ンート抵抗が非常に高いために、
信号電荷の横方向拡散がほとんどなく、その結果、解像
度は信号読取りのための短資電子ビームの径でほぼ決定
されろ。したがって、既述した固体撮像装置では撮像管
のように走査電子ビームによる信号電荷読出しができな
いため、前記半導体基板上にいかに多くの感光部及び読
出部を形峻せしめることにより解像度が決定されろ。

ところで、従来の固体撮像装置としては、半導体基板内
で光電変換させて信号電荷を蓄積する構造のものが知ら
れている。しかしながら、かかる構造の固体撮像装置は
所定の解儂覚を得るために所定面積の感光部を確保する
こと、及び基板内で光電変換するために必要以上の信号
電荷が非読出し時に読出し部に流れるのを避ける目的で
同基板にオーバフロードレインを設けること、等の必要
があるので、高集積化には自ずと限界があるという難点
があった。

このようなことから、最近、第１図に示す如く光電変換
を半導体基板上の元′鑞変換模で行ない、該光電変換膜
にて発生した信号電荷を半導体基板の主面に形成し九続
出し部によって読み出す固体撮像装置が開発されている
。即ち１図中の１は例えばｐ型の半導体基板であり、こ
の基板１には該基板１と後記する導体電極とを電気的に
接続するための第１のｎ型不純′４４！Ｊ層２ｈ２２・
・・が所定間隔をあけてマ）　ＩＪフックス状設けられ
ている。前記基板１には光電変換された信号電荷を読み
出すための第２のｎ不純物’Ｉｆ　３１＃Ｊ２・・・が
所定長さのゲート領域４＋、４２・・・を介して前記第
１のｎ＋型不純物−２１ｔ２２・・・と隣接して夫々設
けられている。このｎ十型不純物・ｌ　３１＃３２・・
・けインターライン転送方式のＣＣＤ々らばＣＣＩＩ）
チャ／ネルとなる。また、前記基板１には前記第１．第
２の計型不純物項域２１゜３１を１単位として、これら
単位間を分離するため↓ のｐａｌのストッパ４５＋１５１１５３・・が設けられ
ている。更Ｉ（、前記ゲート頭載４１．４２・・・、第
２の計型不純物領域３１，３２、及びストッパ層５１＋
５２＊５３・・が位置する基板１ｋＫ！ｄ、ゲート絶縁
膜６１１６２＃６３・・・を介して転送′電極でちる多
結晶シリコンゲート電極７１＋７２＋７３・・が没けら
れてい乙、このゲート電極７ｈｐ７２ｐ７ｊ１．を含む
４＠ｌｈには絶縁膜８が被覆され、かつ＠紀第１のｎ　
型不純物Ｉｉ＃２１，２２・・・の一部に対応する前記
絶縁膜８にはコンタクトホール９１ｓ９２・・・が開口
されている。そして、前記絶縁膜８上には互に所定耐碓
へだてて独立した複数の導体１ｋＬ極１０１．１０２・
・が設けら作ていると共に、各導体電極１０１，１０２
・・・１は夫々前Ｉピコンタクトホール９１ｓ９２・・
・を介して第１のｎ　型不純物４２ｒｓ２２・・・に接
続されている。また、これら導体電極１０１．１０２・
・・を含む絶縁膜８全面１ｃは、光電変換を行なう例え
ばアモルファスシリコン等からなる光導ｄｔ膜１１が被
覆されている。この光導１［１ｃ模１１上には透明電極
１２が被覆され、かつ該電極１２には所望の電圧が印加
される。このような構造の固体撮像装置において、透明
電極１２に所望の４ＥＥを印加された状轢で、例えば導
体電極１０１上の光導電膜１１領域に光が照射されると
、光導電膜１１で光電変換されて信号電荷が発生すると
共に、その信号電荷は導体電極１０１を通ってこれとコ
ンタクトホール９１を介して接続した逆バイアスされた
ｐ型半導体艦板１のｎ十型不紬物層２１に王に蓄積され
る。こうして蓄積された信号電荷は任意の蓄積時間後に
ゲート電極７２に電圧を印加すること（でより、基板１
のゲート領域４１を通って第２の砂型不純’ｍ４３ｘに
読み出される。かかる固体撮像装置は半導体基板１上の
光導電膜１１で光電変換できるため、半導体基板内の感
光部で光電変換する固体撮像装置に比べて感光部の了パ
ーチャを確保するための設計上の考慮が軽減するため感
度を低下することなく高集積化が可能となる。また、上
記固体撮像装置でけ光電変換時に必要以上の信号電荷が
発生した場合％元導成咬１１上の透明電極１２より外部
に逃がすことができるため、半導体基板内で光電変換す
る固体考（１７装置のように感光部に隣接して鳩板内［
１−バフロードレインを設けることが不要となり、この
薇からも高集積化が可能となる。

ところで、上述した固体撮像装置は、従来、第１、第２
図のｎ型不純物・−、ゲート電極、導体電極及び光導′
？Ｊｔ嗅（共通部）を単位セルとし、これら鱗位セルを
第２図に示す如くマトリック状に配置した構造になって
いる。々お、第２図中の３ａ〜３ｄは続出し部（ＣＣＤ
チャンネル）としての第２のｎ十型不純４ｇ１ｉｉ、９
８〜９ｐはコンタクトホール。

１０ａ〜１０ｐは噂！Ｆ−電極である。ここで、一画素
は導体電極１０３〜１０ｐで定められ、既述の如く導体
電極１０ａ〜ｔｏｐ上の光導電膜で光電変換され１発生
された信号電荷はコンタクトホール９ａ〜９ｐを介して
図中の矢印で示される如く読出し部である計型不純物−
３ａ〜３ｄに移動し読出される。

Ｆ記第２図図示のＩＭ体撮１象装置Ｉｆおける画素を勘
定する導体電極は例えばＮＴＳＣ標準方式に適合させた
１合、信号電荷によって得られた再生画像の画素列に対
応する方向（垂直方向）に約５００個配置され、これと
直交する方向（水平方向）Ｋは例えば現状のインターラ
イン転送方式ＣＣＤでは４００個配利きれている。こう
した配列状態の固体撮像装置におＡて、垂（α方向に１
しては現在前述の標準方式に適合したものが得られるが
、水平方向の画素数について次のような問題がちる。即
ち、水平方向に４００個の画素を配列した装置では、空
間同波数白黒バーパターン４００本をナイキスト限界周
波数とな抄、この近傍及びこの周波数隻−ヒの細かいパ
ターンを撮像すると、モアレと呼ばれる偽信号が現われ
、再生画像を著ｊ〜〈劣化させる。

特に％実際の撮嗜にお（へては垂ｉ［、べ平方同成分を
多く持った被写体が多く、固体礒＃ｉ！装置では各画素
を規定−ｆも導体電極が互に独立ｌ、７て形成されてい
るため、ナイキスト限界周波数での、＜　　、：ターン
を撮ｆ象した際の出力、変調度が高く、その糖果−ヒ述
の偽信号が太き（現われＡ、こう（７た現象を軽減する
には、水平方向の画素数を増加させればよ１ハが、製造
ヒの困蝿さと、１浦号仇出しノートの増大による駆動同
格、情号処理回Ｊ各上の困難さを招く。

一方、半導体鳩板内で光蹴５換する固本撮１象装置に９
いて垂直方向に並んだ感光部の画素列を水平方向に一画
素列毎交互！でずらして配置し九構造のものが提案され
ている（米国特許第４０１２５８７号）。かかる固体搬
像装置では洒号処理上において向上がみられろものの、
単板式では尤に対する無効領域が噌え、ｍ４ｇ号の庫内
となるため解１象度の同上（は囁めない。そ７）塙果、
２枚式、３枚式で空間的Ｖζ全碩域から＃を報を得るよ
うＫ　Ｌなければならず、コストの増大化や駆動回路、
オ号処理回路が複雑化する欠点がある。

本発明は上記光導、を模で尤′鑞変換する固体撮ｆ象装
置の欠徹を解消ｒるためになされた本ので、従来と略同
様な製造技術でダイナミックＶンジの劣化や信号読出し
レートの高速化による不都合さを招くことなく高Ｉｓ像
度を達成した固体撮像装置を礎供しようとするものであ
る。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

本発明に係る固体撮儂装置は画素を規定する導体電極の
配列状態が異なる以外は前述した第１図と同構造をなす
、すなわち、第３図に示す如く読出し部よね出力された
信号電荷によって得られる再生画像の水平方向の画素列
に対応した方向（Ｘ方向）に連続した導体電極列１００
Ａ（１００Ａ１，１００４２゜１００Ａａ　、　１００
Ａ４・・・）、　１００Ｂ　（ｌ００Ｂ１．ＩＱＯＢ２
，１００Ｂ３＊１００Ｂ４・パへを、′それ−とば交す
る垂直方向（・Ｙ方向）において各導体電極の中心と一
致せしめ、同様に導体電極１１０人（１１０Ａｔ　、１
１０Ａ２．１１ｎＡ３，１１０Ａ４．ｌｌ０Ａｓ・・・
）、１１０　Ｂ　（１１０ＢＩ、１１０Ｂ２，１１０Ｂ
３，１１０Ｂ４，１１０Ｂ５・・・）今、それと直交す
る垂直方向において各導体電極の中心と一致せしめ、こ
れら導体電極１１０Ａ、ｌｌ０Ｂと前記導体電極１００
人、１００Ｂを垂直方向においてその中心をこの導体電
極の水平方向長さの略１／２ずらせる。なお、図中の３
ａ〜３ｄ・・・は続出し部としての第２のｎ十型不純物
−，９ａ〜９ｐ・・・はコンタクトホールであり、これ
らの配置状態は従来構造を示す第２図と同様ＥＴなって
いる。このような構成によれば、導体電極１００Ａ、１
００８．１１０人、１１０Ｂ・・・上の光導電膜１１で
光電変換され、発生された信号電荷はコンタクトホール
９ａ〜９ｐ・・・を介して図中の矢印で示されろごとく
続出し部である第２のｎ−１７１不純物噛’（ａ〜３ｄ
・・・１Ｃ移動して読出される。

こうした水平方向（Ｘ方向）への秋出しにおいて導体電
極列１ｏｏ＋、ｔｏｏＢで読出される画素の中心は他方
の導体電極列１１０．Ａ、、ｌｌ０Ｂで続出される画素
の中心の中間・Ｃ立置することになるため、出力信号処
理に際し１走査線読出しごとに１画素読出し期間の前記
導体電極１００Ａ、１００Ｂと導体電極１１０Ａ、１１
０Ｂの水平方向Ｉだおける空間的なずれに対応し九時１
団を遅らすか進めるかにより再生画像上の各画素信号と
本発明の固体撮壕装置における各画素との相対的な空間
的ずれを一致せしめる。

これてより、第２図に示す従来の導体電極列のものと比
べて水平方向の解像度を向上できる。即ち、；Ｘ２図に
示した従来の固体撮像′装置では水平方向の導体電極の
ピッチより細かいパターンを撮惨した場合、モアレとい
う偽１号が現われるが、本発明の場合水平方向において
第２図の導体電極ピッチに対して２倍の空間的なサンプ
リング点が存在するため前述の偽信号発生が大幅（軽減
される。

これにより画質の解偉度が向上される。

ｔた、−ヒポした本発明の固体撮像装置は画素を決定す
る導体電極のみの配置を変え、その他のコンタクトホー
ル、ゲート電極、基板の第１、第２のｎ＋型不純物１等
配着状態は従来のものと全く変らな贋ため、製造上はほ
ぼ従来と変ることなく高解像度を達成できると共に、総
画素数も従来の装置と同じであることから続出しレート
も同様（なり、高速駆動、これに伴う信号処理上の困難
さが増大することもない。

第４図は本発明のその他の１実施例を説明するだめのも
のである。この実施例においても第３図と同様に、従来
第１．第２の継型不純物１、ゲート電極、導体電極及び
光導電ｌ１ｌ（共通部）を琳はセルとし、この単位セル
（画素）を規定する前記導体電極の配列が鴨なる以外は
前述し九第１図と同構造を示す。−ｔなりち、第４図に
示↑如く、読出し部よりＩｌｊ勾された４ｇ号電荷（で
よって得られる再生ｍ　（’ｉｌ！の垂直り向（Ｙ方向
）に連続し、これと直交する水平方向（Ｘ方向）に警い
てその中心が一致した導体電極１２０　、’−（１２０
Ａ−＋　ｅ　１２０Ａ２−１２０人３゜１２０Ａ４　、
　＝・）と１２０１４（１２０Ｂ＋　、１２０Ｂ２．１
２０Ｂ３，１２０Ｂ４゜・・・）、　１３０’ｋ（１３
１）ＡＩ、１３’すＡ−２、１３０ＡＬ３　＊　１３Ｏ
Ａ４　、１３０Ａｓ　ｌ・・）と１３ｎｔ（（１３０Ｂ
＋、１１０Ｂｚ、１１０Ｂ３，１３０８４，１３０Ｂ５
・・・）。

１４０Ａ（１４０Ａ４．１４０Ａ−２，１４０Ａ３，１
４０Ａ４．・・・）と１４０Ｂ（１４Ｑ＋３．　、１４
０８２１１４０Ｂ３　、１４０Ｂ４　・）を配！ｉｌぜ
しめ、例えばＡフィールドで続出される画素の導体電極
１ｚｏｘ。

１３０〜．１４０Ａの中心の位置を空間的にすらしめる
こと１でよって第３図と同様に水平方向の偽信−＠発生
を大−に軽減させることがでへる。これにおいても、読
出し部（Ｃ−ＣＤチャネル）としての第２の継型不純物
Ｉ４３　ａ〜３　＋ｉ・・・、コンタクトホール１３１
〜１３３２・・・の位置は第２図と同様でちり、導体電
極１２０４　、１２０８　、１３ＯＡ　、　１３０１３
　、１４０　Ａ、　１４０Ｂ上の光導−ａ膜で光電変換
され５発生されたイざ号電荷はコンタクトホール１３１
〜１３３２・・を介して図中の矢印で示されるごとく続
出し部である第２のＮ＋型不純物−３ａ〜３ｄ・・・に
移動し読出される。

次に本発明をカラー撮像に適用した実施例を第５図乃至
第６図を参照して説明する。

第５図に本発明のカラー撮像における一実施例を示す、
カラー撮像を行う場合は、第１図における透明電極１２
上で、第３図の各セルの形状を決める導体電極１００Ａ
、１００８．１１０人、１１０Ｂ、・・・上のそれぞれ
に任意の光を透過せしめる色フィルタを乗せる。第５図
に示すよう（導体電極の配置は第３図と同様で各導体電
極１００−へ、１００Ｂ、１１０人、１１ＱＢ、・・・
上（透明フィルタｗＩＡ、〜■Ｉ　Ｂ　ｍ　”２人、Ｖ
％ｒ２Ｂ　、ｗ３＾。

Ｗ３　Ｂ　ｔ　”４　Ａ　＊　”４８　ｍ・・・緑色（
ｑ光と青色（ロ）光を透過せしめるシアン（Ｃｙ）　フ
イνり（Ｊｔ＾ｅＣＹＩ　ＢｅＣＹ２ＡｅＣＹ２Ｂｓ・
・・、緑色（ｑ光と赤色ｍ元を透過せしめるイＬ口（Ｙ
ｅ）　７４　ルタ”ＩＡｓ”ＩＢ＃Ｙｅ２ＢｓＹ’３Ａ
ｓＹｅ３Ｂｙ　”’を形成する。ここでＡフィールド目
のｎ番目の走ｆ続出し列ｎ＾、同様にＢフィールドのｎ
番目の走ｆｄ出し列１１台からはＷ尤、Ｃｙ光を透過し
て形成された信号出力が交１４　ＩＣ侍ら粍１．へ、Ｂ
フィールドの（ｎ＋１　）　’ｔｉ目の走１ｆｆｉ　ｄ
　＋ｉ　Ｌ列（ｎ　＋　１　）　ｈ　ｅ　（ｎ　＋　１
　）ＢからはＷ、Ｙｅ元（桓よる信号出力が交互【得ら
れる。

第６１司ｆａ）〆／ｒ、そのｎ番目短資続出し列の信号
出力波形を第６図１ｂ）Ｋ　（ｎ＋１　）番目ホ査続出
し列の信号出力波形を示す。ここで理解し易いようにＷ
ｙｔ、信号（叶（ｔ（、＋　Ｂ十Ｇ　）　′／ｌで５号
、ｃｙ党信号は（Ｂ＋Ｇ）光信号、　　Ｙｅ毘信号＋ｄ
（Ｒ＋Ｇ）光信号で記述している。

これｒり判るようにｎ列目信号では（Ｂ＋Ｇ）光信号１
寸全セルより得られ、Ｒ信号が１つ訃きのセルより得ら
れる。同様に（ｎ＋１　）列目信号では（Ｒ＋Ｇ）毘信
号布全セルより得られ、Ｂ信号が１つセきのセルより得
られる。ここでｎ、（ｎ＋１）列の（ｇ号出力Ｓ口、Ｓ
ｎ±１は次式で示される。

１３日８ｎ４−＋　＝　Ｇ＋Ｒ＋Ｔ　＋Ｔ　Ｓｔｎ（ｗｅｔ　
＋　Ｔ　）　・−・・−・＝２１ここでＷＣＩはセルｊ
吉号読出し＠波数の１／２０角闇波数である。ここでこ
れら信号を角−波数ｗｃを抑圧するローパスフィＶりを
通過せしめることにより次式の信号Ｙｎ　＊　Ｙｎ＋１
が得られも。

Ｙｎ＝Ｇ＋Ｂ十旦２　　　　　　　　　　　・・　・・１３）Ｙｎ−＋−
＋　＝　ｏ＋　ＦＬ十旦２　　　　　　　　　・・・・・・　・（４）又、’り
　ｐ　１２）式の信号を中心角周波数ｗｃ　、帯域幅ｗ
ｃ／２以下のバンドパスフィルタ及び検波回路を通すこ
とにより信号Ｃｎ　、Ｃｎ＋ｌが得られる。

Ｃｎ　＝旦２　　　　　　　　　　　　・・・・・・・・・・・（
５）ＣＩ’）＋１＝・匹２　　　　　　　　　　　°−−＋６）ここでＣｎ　、
Ｃｎ−ＨをＹｎ　、　Ｙｎ＋１に加算することによって
輝度信号ＹＡ　、　Ｙｎ＋ｔを得る。

Ｙｎ　＝　Ｇ＋　ｓ＋　Ｒ−−−−・川１−（７）ＹΔ
＋Ｉ　＝　Ｇ＋ａ＋８　　　　　　　　　・・・・・・
・・・・・（８）以上の演算処理により解像度を決める
輝度償号Ｙ古、ＹｔＨ−ｘは全セルよシ得られ、ｎ列目
と（ｎ＋１）列目の空、間約なセルは互に水平方向にお
いてずれているため第３図の場合と同様に１走査続出し
ごとに信号処理回路で第５図セル配置が忠実に再生１ｉ
ｉ　像上に表示されるように補正することにより解ｆ象
度の良い再生儂を得ることができる。

なし、本発明は第１　’ｄにしける透明電極１２上に色
フィルタ嘆を設けて、該色フィルタ嘆を透過し九九によ
り前記光導を嘆１１内に発生せしめだイｇ号４荷により
カラー再生ず象を得るト記第５層以外の檗板カーンー撮
像榛１ｄにも適用できることは言うまでもない。また、
かかる撮像に際しては単板式に限らず、２枚、３枚式の
カラー撮像【ついても同様に適用できる。２枚、３枚式
では各固体撮像装置を空間的にずらｌ〜て見かけ上、解
慣度を向上せしめろ空間絵素ｒらし法を用いると、更に
効果が大傘くなる。

ま九、丑記実寵例では導体電極を半導体基板に鑞気的に
接続する接合部をｐｎ接合で１ｆ戊したが、７＝１ツト
キーパリアで構成してもよい、光導ｔＫで光電変換され
′ＰＣ，信号電荷を読出す走査読出し部として、上記実
姑例ではインターライン転送方式ＣＣＤを用いたが、該
走査読出し部を、ＸＹアドレス方式のＮＯ３型、ライン
アドレス方式の呼び水転送形撮像素子（ｃｈａｒｇｅ　
Ｐｒｉｒｎｉｎｇ　１）ｅｖｉｃｅ；　ＣＰＤ　）、抵
抗ゲート型撮像素子等で構成しても同様な高解度化を達
成できる。

以上詳述した如く、本発明によれば従来と略同様な製造
技術で夕°イナミックレンジの劣化や信号読出しレート
の高速化による不具合さを沼〈ことなく高解偉度化を達
成した固体撮像装置を礎哄することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光導電膜を用いた固体Ｏ＆１象装置の要部断面
図、第２図は従来の固体撮像装置のセル構造を示す平面
図、第３図は本発明の一実施例を示す固体撮像装置のセ
ル構造の平面図、第４図は、本発明のその他の一実施例
を示す固体撮像装置のセル構造の平面図、第５図は１本
発明の固体撮像装置をカラー撮像に適用した例を説明す
る概略図、第６図（ａ）　（ｂ）はそれぞれ第５図に示
す固体撮像装置の出力信号波形図である０図において。１・・・ｐ型半導体基板％　２１＃２２・・・第１のｎ
型不純物ｌ−１３ｓ　＋３２ｅ３ａ〜３ｄ　＋＋＋　第
２のｎ　型不純物噛（続出し部）、７１　＊７２ｙ７３
・・・ゲート電極（転送電極）、９１＋９２ｓ　９ａ〜
９ｐ　＊　１３１〜１３３２・・・コンタクトホール、
１０１．１０２．１１）０へ〜１００Ａ４，１００ｔ３
＋〜１ｏＯＢ５，１１０Ａ１〜１１０Ａ４゜１１０Ｂ１
〜１１０ｔ３５．１２ＯＡ＋　〜１２ＯＡ４　、１２０
１うｔ−１２０Ｂ４．１３０Ａｔ〜１３０人ｓ、１１０
Ｂｒ”１３０Ｂ５，１４０人１〜１４０Ａ５，１４０Ｂ
１〜１４０Ｂｓ　　・・導体軍事、１１・・光導１ｔ＠
、１２・・・透明電極。（７３１７）代理人　弁理士　則　近　憲　佑（ほか１
名）第　１図 ′ｆＪｚ　ロ６３霞第４図第ｙ図第　６図ＩＮＣｙ　　　ｗ　　　（。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板の工面に接合部を設けると共に、該接
合部に一部が電気的に接続された導体電極上に入射光に
より信号電荷を発生せしめる光電変換半導体重を設け、
更に前記半導体基板の工面に前記元電変換半導体噛で発
生した信号電荷を読み出す丸めの読み出し部を前記接合
部と隣接して設けることによって一曝位セｖｔ嘴成１／
　ｍカ１つ該単位セルを前記半導体基板上に二次元的に
配１１せしめ、前記読み出し部より出力された信号１荷
によってた４暎位セルを、それと直行する永平方１句に
おいて巣位セルの中心が同一の一方の２単位セルの中心
を前配水平方向において巣位セルの中・０カニ１司−〇
他方の２単位セルの中心に対してずらして配電？しめる
°ことを特徴とする固１本撮（襖装電。