JPS59108462A - 静電誘導トランジスタを具える固体撮像素子 - 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】 本発明は静電誘導トランジスタを具える固体撮像素子に
関するものである。

従来固体撮像装置としてはＣＯＤ等の電荷転送集子を用
いるものや、ＭＯＳ　　）ランジスタを用い］るものな
どが広く用いられている。しかし、これらの固体撮像装
置は電荷転送時に電荷の洩れがあること、光検出感度が
低いこと、集積度が上がらないことなどの問題がある。

このような問題ｋ　−挙に解決するものとして、静電誘
導トランジスタ・・（５ｔａｔｉｃ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏ
ｎ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒの頭文字をとつ１でＳＩＴと
呼ばれている）を用いたものが新たに提案されている。

例えば特開昭５５−１５２２９号公報には、マトリック
ス状に配列したＳＩＴのソースを行導線に接続し、ドレ
インを列導線に接続し、ゲートをクリア導線に接続した
固体撮像装置が示されている。また、このような固体撮
像装置をさらに発展させたものとして、信号蓄積ゲート
にコンデンサを接続し、拡散層を分離ゲートとして用い
たものが考えられている。第１図Ａに、このよ１・うな
ＳＩＴ　の構造を示す断面図であり、第１図ＢにこのＳ
ＩＴ　’ｉｉ用いた固体撮像装置の全体の構成を示す回
路図である。

第】図ＡｖＣ示すようにＳＩＴのソースを構成するｎ＋
シリコン基板１上に不純物濃６１０１８〜１０１４゜原
子４−のｎ″′′シリコンエピタキシヤル層２長させ、
このエピタキシャル層２０表面に熱拡散法などによりｎ
＋ドレイン領域８．ｐ＋信号蓄積ゲート領域４およびｐ
＋分離ゲート領域５を形成する。ドレイン領域８の拡散
深さはゲート領域４゜５の拡散深さよりも浅くする。分
離ゲート領域５′は主として隣接するＳＩＴ相互を電気
的に分離するためのものであり、これはフローティング
電位としても成る電位を与えておいてもよい。また、信
号蓄積ゲート領域４はコンデンサ６を介してゲート端子
７に接続されており、このコンデンサ６に、例えば信号
蓄積ゲート領域４と、その上に被着された絶縁膜と、さ
らにその上に被着されたゲート電極とで構成されるもの
である。また、ｎ−エピタキシャル層２はチャンネル領
域を構成するも・・のであり、光入力のない定常状態に
おいて、すなわちゲート電位Ｏ■であってもチャンネル
領域はすてに空乏化され、ソース−ドレイン間が順方向
にバイアスされてもソース−ドレイン間には電流が流れ
ないようになっている。

このような構成において光入力が与えられると、チャン
ネル領域内あるいはゲート空乏層内で正孔−電子対が発
生され、この内篭子は接地されたソース］へ流れ去るが
、正孔は信号蓄積ゲート領域４へ蓄積され、これに接続
されたゲートコンデン、。

（８） す６を充電し、ゲート電位をΔＶＧだけ変化させる。こ
こでゲートコンデンサ６の容量ｋ　ＯＧとし、光入力に
よって発生され、信号蓄積ゲート領域４に蓄積された電
荷’ｔ−ＱＩ、とすると、ΔＶＧ＝　ＱＬ／　ＯＧとな
る。成る蓄積時間が経過した後、ゲート端子７にゲート
読み出しパルスｇｌＧが与えられると、ゲート電位はχ
ＧにΔｖＧが加わったものとなり、信号蓄積ゲート領域
４とドレイン領域８との間の電位は低下して空乏層が減
少し、ソース−ドレイン間に光入力に対応したドレイン
電流が流れる。・このドレイン電流はＳＩＴの増幅作用
のためΔ■Ｇが増幅変倍されたものとなシ、大きなもの
となる。

また、ＳＩＴのソース−とドレインとを入れ替えても同
様の動作をするものである。

第１図Ｂは上述したＳＩＴ　’ｉマトリックス状に１配
列して構成した固体撮像装置の回路構成を示すものであ
り、第１図Ｇは同じくその動作を説明するたゆの信号波
形図である。各５ＩＴＩＯ−１。

１０−２　・・・・・・・に上述したようにノーマリオ
フ形のｎチャネルＳＩＴで、光入力に対する出力ビデオ
信号音ｘＹアドレス方式で読み出すようにしてい□る。

各画素を構成するＳＩＴのソースは接地され、Ｘ方向に
配列された一行のＳＩＴ群のドレインは行ライン］］−
１，１１−２・・・・・・・に接続され、これらの行ラ
インはそれぞれ行選択用トランジスタ１２−１．１２−
２・・・・・・・を介してビデオライン］８に共通に接
続されている。捷たＹ方向に配列された一列のＳＩＴ群
のゲー）Ｕ列ライン１４−１゜１４−２・・・・・・・
に接続されている。ビデオライン１８は負荷抵抗１５を
経て直流電源１６の正端子に接・・・続し、この電源の
負端子は接地されている。

今、１つのＳＩＴ画素の出力が読み出される場合につい
て考えてみる。例えば行選択パルスＯ８Ｉにより、行ラ
イン１１−１に接続されたトランジスタ】２−１がオン
となっている期間にゲート読　１み出しパルスＯＧＮが
列ライン１４−］に加えられると、５ＩＴＩＯ−１が選
択され、この５ＩＴＩＯ−１のドレイン電流がビデオラ
イン１８を介して負荷抵抗１５を流れ、出力、端子１７
ＶＣ出力電圧Ｖｏｕｔが発生する。上述したようにこの
ドレイン電流は、・ゲート電圧の関数であり、このゲー
ト電圧は先入□力の関数となるから、暗時の出力電圧か
らの増加分ΔＶＯｕｔは光入力に対応した電圧となる。

しかも、この電圧ΔＶＯｕｔはＳＩＴの増幅作用により
Δ■Ｇが増幅変倍された大きなものとなる。次に列ライ
ン１４−２にゲート読み出しパルス１ｉｆＧ２　＝ｉ与
えて５ＩＴＩＯ−２の読み出しを行ない、−桁分の読み
出しが終了したら、トランジスタ１２−２ｉ行選択パル
スＯ８２でオンとして次の行のＳＩＴ’ｉ順次に読み出
す。

しかし、上述し１ｓＩＴ構造においては、分離ゲート領
域５および受光部となる信号蓄積ゲート領域４はチャン
ネルの開閉を十分性なえるようにするため、ドレイン領
域８の接合位置（通常０．３μ程度）よりも深い位置（
通常２〜８μ程度）に１くるように形成する必要がある
ため、短波長感度が悪くなる不具合がある。すなわち、
第２図にシリコン（Ｓｉ）の光吸収係数の波長依存特性
を示すように、波長λがλ−０．４〜０．７μの可視光
範囲の光についてみると、光吸収係数αばλ＝０．４μ
。

（紫）　テホホ６　Ｘ　］　ｏ’　ｃｒｎ　’、λ＝　
０．７　／ｊ　（赤）で１はぼ２Ｘ１ｏｚ−となり、短
波長側においてλが大きくなる。こ＼で、Ｓｉ表面での
光強度’６１ｏ。

８１表面からの距離Ｘでの光強ｉ１１とすると、Ｉ＝Ｉ
。ｅ−“Ｘと表わされるから、光吸収係数αからＩ７エ
○＝’／１０となるｘ’２求めてみると、λ＝０．７μ
の長波長光でにほぼ１２μとなるのに対して、λ−０，
４μの短波長光ではほぼ０．８８μとなる。すなわち、
短波長光はＳｉ表面付近で著しく減衰してしまう。した
がって、上述したＳＩＴ構ｊ・・造においては、信号蓄
積ゲート領域４の下方の空乏層に入いる光の短波長強度
が著しく減少したものとなるため、短波長感度が低くな
ってしまう。

本発明の目的は上述した不具合を解決し、短波長光に対
する感度を向上し得るよう適切に構成し・たＳＩＴ　’
ｒ具える固体撮像素子を提供しようとするものである。

本発明のＳＩＴ　を具える固体撮像素子は、ＳＩＴのゲ
ート部を、信号蓄積ゲート領域表面およびその近傍の半
導体表面に亘って設けた透明な絶縁膜、。

と、この絶縁膜の少く共前記信号蓄積ゲート領域□に対
応する部分上に設けた透明なゲート電極とをもって構成
し、光キヤリア蓄積時に前記絶縁膜を設けた前記信号蓄
積ゲート領域近傍の半導体表面に反転層を形成して、こ
の反転層下の空乏層で発生する元キャリアを前記ゲート
部の容置に蓄積するようにしたことを特徴とするもので
ある。

以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第３図に本発明の固体撮像素子の一例の構成を示す断面
図である。本例でｌｄｎ＋基板２１をドレ・・・インと
し、その一方の面上にドレイン電極２２を接合し、他方
の面上に厚さ５〜６μ、不純物濃度１０１８〜・１０Ｃ
ＩｒＬ　　の低濃度のｎ−エピタキシャル層２８’を成
長させ、このｎ−エピタキシャル層２８の表面に熱拡散
法やイオン打込み法により深１さはソ０．８μ程度のｎ
　ソース領域２４、深さはソ２〜３μ程度のｐ＋信号蓄
積ゲート領域２５およびｐ＋分離ゲート領域２６を形成
する。ソース領域２４および分離ゲート領域２６にはそ
れぞれ電極２７および２８を接合して設け、信号蓄積ゲ
、。

−４領域２５には透明な絶縁膜２９を介してＳｎＯ２’
。

ＩＴＯ等よ構成る透明なゲート電極３０を設けてＭＩＳ
構造のゲート部を形成する。本例では、絶縁膜２９を信
号蓄積ゲート領域２５およびその近傍のｎ−エピタキシ
ャル層２３に亘って設けると共に、この絶縁膜２９の全
域に亘ってゲート電極３０を設け、このゲート電極８０
に印加するゲートバイアス電圧によって、光キヤリア蓄
積時には絶縁膜２９を設けた信号蓄積ゲート領域２５の
近傍のｎ−エピタキシャル層２３の表面に反転層３１・
・全形成し、読出し時には該表面に蓄積層全形成する。

なお、電極２７および２８、絶縁膜２９を設けた以外の
ｎ−エピタキシャル層２３の表面は８１０、膜３２で被
覆する。

以下、第３図に示す固体撮像素子の動作の一例・・全説
明する。

本例では、ドレイン電極２２を接地し、分離ゲート電極
２８に−は高抵抗Ｒｇを介して電圧ｖｓＧ　を印加して
空乏層８８を形成し、これにょシ隣接する固体撮像素子
間を電気的に分離する。光キャリ。

ア蓄積時には、ソース電極２７に印加するソース電圧ｖ
ｓ全零ボルトとし、信号蓄積ゲート電極３０に印加する
ゲート電圧■Ｇに絶縁膜２９下のｎ−エピタキシャル層
２３の表面に反転層３１が形成されるような負の電圧と
する。このように反転層８］全形成すれば、この反転層
ａ］下には空乏層８４が広がり、この空乏層８４内で発
生した元キャリアｌ”Ｉ信号蓄積ゲート領域２５および
反転層３１に有効に集められると共に、反転層３１の厚
さばは”ｆ１００Ａ以内と極めて薄いから、ｎ−エビ・
タキシャル層２８をＳｉで形成しても、その表面付近で
吸収の著しい短波長側の光で発生する光キャリアをも少
ない損失で集めることができる。こ＼で、光入力によっ
て発生した電子−正孔対のうち、信号蓄積ゲート領域２
５および反転層３１に集め・られる正孔の電荷量をＱＬ
、信号蓄積ゲート領域２５、絶縁膜２９およびゲート電
極３０で形成される芥竜’ｋＯＧ、信号蓄積ゲート領域
２５の空乏層容量ｋＯｊ、ゲート電極３０、絶縁膜２９
および反転層３１で形成される絶縁膜容量全Ｃ工、反　
。

転層３］下に形成される空乏層容量（ｒ　Ｏｊとする　
□と、このときのゲート電位の変化Δ■Ｇ汀、で表わを
れる。

信号読出し時には、ソース電圧■８としてソース電極２
７に負の読出し電圧を印加し、ゲート電圧ｖＧとしてゲ
ート電極３ｏにチャンネル３５が開き、かつ′電極８０
下のｎ−エピタキシャル層２３・・の表面が蓄積層とな
るような電圧を印加する。このときの光キヤリア蓄積に
よるゲート電圧の変化分ΔＶｏば、 となる。上記（１）および（２）式から明らかなように
、読出（〜時には容量Ｃ＋およびＣ引がゲート容量とし
て入いらない。したがって、読出し時には光キヤリア蓄
積時の（ｃＧ＋　Ｏｊ　＋　０１＋　Ｏｊ　）／（Ｏｏ
十〇ｊ）　−倍のゲート電圧変化分が得られ、見掛上光
感変音□上げることができる。

このように、本例においては信号蓄積ゲート領域２５お
よびその近傍のｎ−エピタキシャル層２３に亘って絶縁
膜２９を設けると共に、この絶縁膜２９のはソ全域に亘
ってゲート電極８０を設けたから、このゲート電極３０
に印加するゲートバイアス電圧によって光キヤリア蓄積
時において絶縁膜２９下のｎ−エピタキシャル層２３の
表面に反転層３】を形成することができる。したがって
、・・・この反転層８１下の空乏層８４内において短波
長側の光によって発生した光キャリアも有効に蓄積する
ことができ、これによシ短波長光に対する感度を向上さ
せることができる。また、ゲート電極８０に印加するゲ
ートバイアス電圧によシ、読出１し時において絶縁膜２
９下のｎ−エピタキシャル層２８の表面に蓄積層を形成
することができるから、これによりゲート容量を減少さ
せて元キャリアによるゲート電圧変化分、したがって光
感度を増加させることができ、高出力化を計ることがで
。

きる。

なお、本発明は上述した例にのみ限定されるものではな
く幾多の変形または変更が可能である。

例えば上述した例ではゲート電極３０にゲートバイアス
電圧を印加することにより絶縁膜２９下のｎ−エピタキ
シャル層２Ｂの表面に反転層３】を形成し得るようにし
たが、絶縁膜２９中に存在する負の電荷あるいは絶縁膜
２９７１ｆ″複層構造としてその界面付近に存在する電
子トラップに電子を保持することにより、定常的に反転
層を形成するこ１．。

ともできる。この場合には、ゲート電極３０は信号蓄積
ゲート領域２５に対応する部分にのみ設ければよい。ま
た、本発明は上述しｆＣ，ｎチャンネルに限らず、Ｐチ
ャンネルの構成の場合でも有効に適用することができる
。

以上述べたように、本発明においては、ＳＩＴの受光部
となるゲート部を、信号蓄積ゲート領域表面およびその
近傍の半導体表面に亘って透明な絶縁膜を設けると共に
、この絶縁膜の少く共信号蓄積ゲート領域に対応する部
分上にゲート電極全設けることにより、光キヤリア蓄積
時に絶縁膜を□設けた信号蓄積ゲート領域の近傍の半導
体表面に反転層全形成し、この反転層下の空乏層におい
て発生する光キャリアをゲート容量に蓄積し得るよう構
成したから、特に半導体表面付近で発生する短波長光に
よる元キャリアを有効に収集することができ、したがっ
て短波長側の光電変換効率を向上することができる。′
＝！た、上述した実施例のように、ゲート電極全信号蓄
積ゲート領域およびその近傍の半導体に亘って設けた絶
縁膜のはｙ全域・・・に亘って設け、このゲート電極に
印加するゲートバイアス電圧によって、光キヤリア蓄積
時には信号蓄積ゲート領域近傍の半導体表面に反転層全
形成し、読出し時には該半導体表面に蓄積層を形成し得
るようにゲート部を構成すれば、短波長側の・光を変換
効率全向上させることができると同時に、読出し時にお
いてはゲート容量が減少して元キャリアによるゲート電
圧変化が増加するから高出力化を計ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは従来のＳＩＴ　を具える固体撮像素子の構成
を示す断面図、 第１図Ｂは第１図Ａに示す固体撮像素子を用いる固体撮
像装置の構成を示す回路図、 第１図Ｇはその動作を説明するための信号波形図、 第２図はシリコンの光吸収係数の波長依存特性を示す図
、 第３図は本発明のＳＩＴを具える固体撮像素子・・・の
−例の構成を示す断面図である。 ２］・・・ｎ　基板、　　　　　２２・・・ドレ“イン
電極、２８・・・ｎ−エピタキシャル層、 ２４　　ソース領域、　　　２５・・・信号蓄積ゲート
領域、２６・・分離ゲート領域、　２７・・ソース電極
、２８・分離ゲート電極、　２９・・・絶縁膜、８０・
・信号蓄積ケート電極、 ３１・・・反転層、　　　　　３２・・５１０２膜８８
　、８４・・空乏層、　　３５・・チャンネル。 ３″１ ８ 手続補正書 昭和５９年８月８　日 １、事件の表示 昭和５７年　特　許　願第２１７７５６号２、発明の名
称 静電誘導トランジスタを具える固体撮像素子３、補正を
する者 事件との関係　特ＦＩｔＢｉ人 （０３７）　　オリンパス光学工業株式会社西　　澤　
　潤　　− ５゜ ６補正の対象明細書の「特許請求の範囲」　「発明の詳
細な説明」。 】、明細書第１頁第４行〜笛２頁第１０行の特許請求の
範囲を下記のとおり訂正する。 ［２特許請求の範囲 １　静電誘導トランジスタのゲート部を、信号蓄積ゲー
ト領域表面およびその近傍−゛の半導体表面に亘って設
けた透明な絶縁膜と、この絶縁膜の少く共前記信号蓄積
ゲート領域に対応する部分上に設けた透明なゲート電極
とをもって構成し、光キヤリア蓄積時に前記絶縁膜を設
けた前記１パ信号蓄積ゲート領域近傍の半導体表面に反
転層を形成して、この反転層下の空乏層で発生する元キ
ャリアを前記ゲート部の各階に蓄積するようにしたこと
を特徴とする静電誘導トランジスタを具える固１゛体撮
像素子。 ｉ　前記反転層を前記絶縁膜中に存在する電荷によって
形成するよう構成したことを特徴とする特Ｗｆ請求の範
囲第１項記載）欄　　　　　の静電誘導トランジスタを
具える固体撮パ□像素子。 ＆　前記ゲート電極を＠記絶縁膜のほぼ全域に亘って設
け、このゲート電極に印加するゲートバイアス電圧によ
って、光キヤリア蓄積時には前記絶縁膜を設けた前記信
号蓄積ゲート領域近傍の半導体表向に反転層を形成し、
読出し時にＧゴ該半導体表面に蓄積層を形成することに
より光キャリアによるゲート電圧変化分を増加し得るよ
う構成したことを特徴とする特“□ンジスタ２員える固
体撮像素子。」 ２明細Ｎ＠５頁第１８行の［たゆのｊを「ためのゴに訂
正する。 ３同第８頁第２行の「λ」を「α」に訂正する。 （３）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　％電誘導トランジスタのゲート部を、信号蓄積ゲー
   ト領域表面およびその近傍の半導体表面に亘って設けた
   透明な絶縁膜と、この絶縁膜の少く共前記信号蓄積ゲー
   ト領域に対応する部分上に設けた透明なゲート電極とを
   もって構成し、光キヤリア蓄積時に前記絶縁膜１゛″を
   設けた前記信号蓄積ゲート領域近傍の半導体表面に反転
   層を形成して、この反転層下の空乏層で発生する光キヤ
   リア全前記ゲート部の容量に蓄積するようにしたことを
   特徴とする静電誘導トランジスタを具える固体撮像素゛
   ・子。 ＆　前記反転層゛を前記絶縁膜中に存在する電荷によっ
   て形成するよう構成したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の静電誘導トランジスタを具える固体撮像
   素子。 ８、　前記ゲート電極を前記絶縁膜のはソ全域に□亘っ
   て設け、このゲート電極に印加するゲートバイアス電圧
   によって、光キヤリア蓄積時には前記絶縁膜を設けた前
   記信号蓄積ゲート領域近傍の半導体表面に反転層を形成
   し、読゛出し時には該半導体表面に蓄積層を形成するこ
   とにより光キャリアによるゲート電圧変化分を増加し得
   るよう構成したことを特徴とする静電誘導トランジスタ
   を具える固体撮像素子。