JPS59124764A - 半導体光電変換素子 - Google Patents

半導体光電変換素子

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Publication number
JPS59124764A
JPS59124764A JP58000305A JP30583A JPS59124764A JP S59124764 A JPS59124764 A JP S59124764A JP 58000305 A JP58000305 A JP 58000305A JP 30583 A JP30583 A JP 30583A JP S59124764 A JPS59124764 A JP S59124764A
Authority
JP
Japan
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electrode
region
substrate
barrier
potential
Prior art date
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Pending
Application number
JP58000305A
Other languages
English (en)
Inventor
Takao Kamata
鎌田 隆夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp, Nippon Electric Co Ltd filed Critical NEC Corp
Priority to JP58000305A priority Critical patent/JPS59124764A/ja
Publication of JPS59124764A publication Critical patent/JPS59124764A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/148Charge coupled imagers
    • H01L27/14825Linear CCD imagers

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

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】 本発明は半導体光電変換素子にかがり、とくに半導体光
電変換素子に於ける光電変換部と該光電変換部で光電変
換された電荷を蓄積する蓄積部の構造に関するものであ
る。
従来フォトダイオードを有する光電変換素子としては、
光電変換した電荷の蓄積をフォトダイオードのp −n
接合のみで行うものあるいはフォトダイオードと該フォ
トダイオードと隣接したMO8容量の両者で行うものが
知られているが、これらはいずれも、フォトダイオード
電位が比較的大で空乏層の広がりによる短波長感度の劣
化、光電変換電荷蓄積に従いフォトダイオード電位変動
が生じるだめの分光感肝の蓄積量変動及びフォトダイオ
ードから電送路への電荷取り残しに伴う残像等に問題が
ある。テレビジョン学会技術報告ED−538(昭和5
5年11月20日)で、これらの改良報告が提出されて
いる。
該構造の基本概念を第1図(a)、第1図(blで説明
する。以下本発明は光電変換部の構造と光電変換電荷蓄
積に関するものであるので該構造部に着目し説明するこ
ととし、当業者なら周知であるフォトダイオード部のみ
開口部を持ち制御電極群等の他の領域を覆う金属痘光膜
及び信号電荷を検出回路へ移送する転送路等は本発明の
本質ではないので特に必要ある場合を除いて説明は省く
ことにする。
第1図(a)は、1次元イメージセンサの光’l11f
換部から転送路(坤込みチャンネルCCD )方向への
素子断面図であって、11はp型St基板、12は基板
と同一導電型チャンネルストッパー不純物層、13はゲ
ート酸化膜、14は埋込みチャンネル用の基板と逆導電
型不純物層、15はフォトダイオードを形成する基板と
逆導電型不純物層、16は電極層間絶縁酸化膜を表わし
、φBGは障壁電極で電荷蓄積電極φ8Tとフォトダイ
オードのn十不純物層間に電位障壁の形成を制御するも
のであシ。
φTGはφ8T下の蓄積領域から埋込みチャネルC0D
(BCCD)の転送りロック電極下に信号電荷の転送を
制御する移送制御電極を表わす。該構造の前記従来技術
に対する特徴は障壁電極をフォトダイオードと蓄積電極
間に配し光電変換された電荷は全て蓄積電極下に集め、
フォトダイオード部では蓄積させないことにある。
この動作は第1図(b)に各領域下の基板表面電位関係
に示す如く、φ8TにV8T(>O)なる直流電圧を印
加し蓄積電位の井戸を形成し、φBGにVBG(VAT
 > VBG >O)なる直流電圧を印加し電極下にチ
ャンネルを形成されているので、光電変換された電荷は
該φBG下のチャンネルを通じて全て蓄積電位井戸部に
集められ、フォトダイオードの電位は常にφBG下のチ
ャンネル電位に固定される。
従ってフォトダイオードの電位はφ船上にチャンネルが
出来る程度の小さな電位で固定されるので空乏層の広が
シは小さくでき、しかも電位が光電変換によシ変動する
ことがない。又φ8T下の蓄積電荷は移送制御電極φT
Gにクロックパルスの高レベルの電圧を印加することに
より第1図rb)中に点線で示した如くφTG下にチャ
ンネルを形成し電荷をBCCDに移送するのであるが、
電荷空乏状態でのφTG、φ8T下の表面電位を図に示
した如くΔφ()O)なる電位差を持たせることが出来
るので電荷取り残しも改善されるものである。
しかし該従来技術は逆に次に述べる欠点が発生する。そ
の1は、前記公知例に対し障壁制御電極配線が必要であ
シ配線が複雑となる。その2は。
第1図(b)に示した如くフォトダイオードの電位は障
壁電極φBG下のチャンネル電位に保持されておシ、シ
かも空乏化されておらず、電荷で満されて5− いる。従ってφBGの電位がゆらぐこと、該φBG下の
チャンネル電位が変動し、フォトダイオードからの信号
電荷とは無関係ガミ荷流入が生じN/Sの劣化を招く。
本発明の目的は配線が簡単するとと、さらに電位ゆらぎ
に対しN7B変動の少い半導体光電変検素′子を提供す
ることにある。
本発明は蓄積電極下のフォトダイオード側端部の基板表
面領域に蓄積電荷に対し電位障壁と々る導電形の高濃変
不純物層を配することに依シ障壁電極とその配線をなく
し配線を簡単にすること。
さらに障壁領域の基板表面を高い不純物製電とすること
により、該傾城上の電極のゆらぎに対し。
障壁電位変動を小さくすることに依1)、N/S変動が
改善された半導体光電変換素子が提供されるものである
次に本発明の第1の実施例につき図を参照に説明する。
第2図(a)は従来技術として示した第1図(alに対
応する第1の実施例に於ける素子断面図を示す。第6− 1図(a)と同様にp形10Ω・儂シリコン基板21上
に、基板と同−導電形の高濃度不純物層としてのチャン
ネルストッパー領域22とBCCD(埋込みチャンネル
C0D)用の基板と逆導電形層24を形成した後、ゲー
ト酸化膜23を800X成長させる。
しかる後本発明の主要部分を構成する障壁不純物層領域
27を硼素の100Kev3X10  ton/iイオ
ン注入法で、フォトレジストマスク材ヲ用イて、上部に
前記ゲート酸化膜を介して蓄積電極が配される基板表面
領域のフォトダイオード側端部に位置すべく形成する。
該フォトレジスト・マスク材を除去し、第1層目の多結
晶シリコン電極パターンが図に示す如く蓄積電極φ8T
及びl3CCD用シフトレジスタクロツク電極φOL形
成され、引き続き無光された前記ゲート酸化膜をフッ酸
エツチング液で除去し、改めて露光された基板表面にゲ
ート酸化膜を80OA成長させると共に、第1層目多結
晶シリコン電極を慴う層間絶縁酸化膜26を成長させる
。しかる後第2層目多結晶シリコン電極パターンを形成
し1図に示す如く移送制御電極φTGを得る。これら電
極材とフォトレジストマスク材を用い、フォトダイオー
ドとなる基板と逆導電形不純物領域25を燐(7)15
0KeV、lX1013i0n/画のイオン注入法で形
成し、該フォトレジスト材を除去し、前記第1図(a)
の場合と同様の手法で半導体光電変換素子を得るもので
ある。
第2図fa)の各領域の基板電位関係は第2図(blに
示す通シであるが、蓄積電極φST下の障壁領域の電位
ψBGと信号電荷が空状態である時の蓄積領域の電信ψ
8Tは第2図(C)に示す如く、蓄積ゲート電極φ8T
に直流電圧■sTを印加した場合の値であって、蓄積電
極下に蓄積可能な電荷による表面電位差はΔψである。
尚、第2図(clにおいて、符号100は蓄積領域の電
位特性曲線を示し、符号200け障壁領域の電位物性曲
線を示す。第2図(c)に示したように高濃度不純物を
有する障壁領域のゲート電圧に対するチャンネル電位の
勾配は、該高濃度不純物層がないものに比較し非常に小
さくなる。従って上部の電極のゆらぎに対し、障壁領域
の電位変動は非常に小さくできることにな1シSが改善
された、障壁電極がなく配線が簡単な半導体光電変換素
子が得られる。
次に第2の実施例について第3図で説明する。
前記第1の実施例に於ては電極配線の簡素化され。
しかもN/Sの改善された素子が提供されるものである
が、電極配線の簡素化の改善は計らず、N/Sの改善の
みを計る場合の実施例を第2の実施例で示す。
第1の実施例の第2図(a)に示した障壁領域を形成す
る高濃度不純物層27をあらかじめ形成することなく、
シリコン基板31上にチャンネルストッパー領域32.
BCCD用基板と逆導電形層34゜ゲート酸化膜33、
第1層目の多結晶シリコン電極の蓄積電極φST並びに
シフトレジスタクロック電極φOLを形成し層間絶縁酸
化膜36を成長させた後、これら電極材料と7オトレジ
ストーマスク材を用いて障壁領域となる基板と同−導電
形高濃度不純物領域37を硼素100Kev 3x 1
012Ion/〜のイオン注入法で形成する。しかる後
、フォト−〇− レジストマスク材を除去し第2層目の多結晶シリコン電
極の障壁電極φBG及び移送制御電極φTGを形成し、
前記第1の実施例と同一の手法でフォトダイオードとな
る基板と逆導電影領域35を形成し以下の工程は前記実
施例の同様にして半導体光電変換素子を得るものである
。該実施例に於ては前記第1の実施例に比較し電極配線
簡素さは改善されていないが、蓄積電荷量の選択に自由
度が増す。即ち第2図(C)に於ては蓄積領域の電位と
障壁電位は1つのゲート電極である蓄積電極φ8Tの電
圧で決まシ、該両領域の電位差Δψひいては、蓄積電荷
量がφ8Tの電圧で一義的に決まるが本実施例の場合に
は障壁電極φBGの電圧を任意に選択でき、しかも障壁
電位のゲート電圧に対する勾配が小さくできるので従来
技術に比べN/Sが改善された素子が得られるものであ
る。
以上実施例で示した如く本発明に従えば、障壁電極下の
基板表面領域を蓄積電荷に対し電位障壁となる高濃度不
純物層を配することにより、該電極の電位のゆらぎに対
しN/Sが改善された素子。
10− さらに障壁電極をなくし蓄積電極下の基飯表面領領のフ
ォトダイオード側端部に前記高濃度不純物層を配するこ
とによシミ極配線が簡素化されしかも、該電極の電位の
ゆらぎに対しN7sが改善された半導体光電変換素子が
得られるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は従来技術の素子に於ける1断面図。 第1図(blは該素子に於ける各領域の1動作条件での
基鈑表面傾城の電位図を表わし、第2図(alおよび第
2図(b)は本発明に於ける第1の実施例の前記従来技
術に対応する領域での素子断面図および電位図をそれぞ
れ表わし、第3図は本発明の第2の実施例に於ける対応
する領域の素子断面図を表わし、第2図(e)は第2の
実施例に於ける蓄積電極下の障壁領域と蓄積領域の該蓄
積電極の印加電圧に対する表面電位特性曲線を表わす図
である。 図中に於て、11,21.31・・・・・・pmシリコ
ン基板、12,22.32・・・・・・基板と同−導電
形高I11度不純物のチャンネルス)yパー領域、13
 、23 、33・・・・・・ゲート酸化膜、14,2
4.34・・・・・・BCCD用基板と逆導電形の不純
物層、16,26.36・・・・・・層間絶縁酸化膜、
27.37・・・・・・蓄積電荷に対し電位障壁となる
基板と同−導電形高濃度不純物層、φST・・・・・・
第1層目多結晶シリコンによる蓄積電極、φOL・・・
・・・第1層目多結晶シリコンに依るシフトレジスタク
ロック電極、φTG・・・・・・第2層目多結晶シリコ
ンによる移送制御電極、φBG・・・・・・第2層目多
結晶シリコンによる障壁電極を表わし、Δφ・・・・・
・蓄積領域が蓄積電荷が零であシ移送制御領域がON 
したときの周領域の電位差、ψBG・・・・・・蓄積電
極電圧■8Tを印加したときの蓄積電極下の障壁領域の
表面電位でψ8T・・・・・・該電極下の蓄積領域に蓄
積電荷が零であるときの蓄積領域表面電位、Δψ・・・
・・・該状態に於けるψST−ψBGを表わす。 −29・

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (11半導体基板表面に離間して配置された複数個のフ
    ォトダイオードと、該フォトダイオードで光電変換され
    た信号電荷を信号検出回路に順次転送する転送路と、該
    フォトダイオードと転送路間にあって、半導体基板と該
    基板上に絶縁膜を介して配された積蓄電極と相俟って、
    前記信号電荷を蓄積する蓄積容量部を有する半導体光電
    変換素子に於て、前記蓄積電極下の基板表面領域のフォ
    トダイオード側端部に蓄積電荷に対し電位障壁となりう
    る導電形の高濃度不純物領域を配したことを特徴とする
    半導体光電変換素子。 (21半導体基板表面に離間して配置された複数個のフ
    ォトダイオードと、該フォトダイオードで光電変換され
    た信号′電荷を信号検出回路に順次転送する転送路と、
    該フォトダイオードと転送路間にあって半導体基板と該
    基板上に絶縁膜を介して配された蓄積電極と相俟って、
    前記信号電荷を蓄積する蓄積容量部を有し、該蓄積容量
    部とフォトダイオード間にあって、基板表面上に絶縁膜
    を介して配された障壁電極を有する半導体光電変換素子
    に於て%該障壁電極下の基板表面領域に蓄積電荷に対し
    、蓄積容量部の基板表面領域に比較し電位障壁となる不
    純物が高濃度に紀行されていることを特徴とする半導体
    光電変換素子。
JP58000305A 1983-01-05 1983-01-05 半導体光電変換素子 Pending JPS59124764A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62237758A (ja) * 1986-04-08 1987-10-17 Fuji Photo Film Co Ltd 固体撮像素子の製造方法
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