JPS59144170A - イメ−ジセンサ装置 - 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】 本発明は放射線イメージを集め、それを電気信号に変換
するために、少なくとも１個の半導体本体を具え、この
半導体本体内に主表面で複数個の相互Ｇこ分離されたほ
ぼ平行な電荷転送チャネルが画成され、半導体本体の同
じ主表面上に絶縁層を設け、この絶縁層の上（こ電荷を
転送させるために電極系を配設し、この電極系を電荷転
送チャネル上に延在させ、この電極系に放射線イメージ
を集めるために窓を設け、これによりこの窓を通して半
導体本体内に放射線、特に波長の短い光が入り、半導体
本体内に電荷キャリヤを発生させ、前記電極系が電荷転
送チャネルに直角な方向に延在する第１群の電極を具え
るイメージセンサ装置に関するものである。

このようなイメージセンサ装置は、１９８１年９月１６
日Ｇこ公衆審査のため（こ公開されたオランダ国特許願
第８０００９９９号から既知であるが、・そこでは放射
線感応部に放射線パターン、即ち露光パターンに対応す
る電荷パケットのパターンが発生し、この電荷バテット
が集積期間の終了后蓄積レジスタに転送される（フレー
ム／フィールド転送）。次に蓄積レジスタに蓄わえられ
た電荷はライン毎にシフトレジスタに送られ、シフトレ
ジスタから別の処理のために読み出される。

電極系によりその下に存在する半導体本体内に空乏層が
誘起され、この空乏層内又はその近傍に放射線の吸収に
より電荷キャリヤが発生ずる０そしてこれらの電荷キャ
リヤが前述した電荷パケットの形態で電極系の下Ｑこ存
在する空乏層内に蓄わえられる。

前述したオランダ国特許願の一実施例のイメージセンサ
装置では放射線感応部に窓が設けられており、これらの
窓が転送方向（こ直角な方向では第１群の電極で限界づ
けられ、転送方向では電極の主として転送チャネル上に
延在する部分で限界づけられている。このようにして３
相クロツク系により放射線感応部に発生した電荷パケッ
トを蓄積レジスタに移すのに適した電極系を具えるイメ
ージセンサ装置が得られる。応答時間を短かくし、転送
速度を高くするために、転送方向に平行な電極要素を、
所望とあらば、横方向の接続部により相互に結ぶことが
できる。このような電極構造は前記イメージセンサ装置
Ｑこ特に青色の光に対し非常に高い感度を与える。

更に処理するために、検出されたイメージ（画像）に対
応する蓄積されている電荷を一般にはテレビジョン受像
機用の信号Ｇこ変換する。次に通例通りイメージスクリ
ーンの偶数番目のラインと奇数番目のラインとを交互に
活゛姓化する。それ故こ１ の所謂飛越しにとって、１ライン期間（π〜ｎ秒）内に
放射線感応部から蓄積レジスタへの電荷の転送が２回行
なわれ、これにより放射線感応部の異なる部分で交互に
電荷の蓄積が行なわれるようにするのが望ましい。この
目的でこのイメージセンサ装置では電荷パケットが１イ
メ一ジ期間内で交互に異なる区域、即ち、第１群の２個
の下と電荷転送方向で窓を区切る電極部の下とで集めら
れるようになっている。

しかし、この飛越し方法にはいくつかの問題がある。一
つの問題は、関連するイメージセンサ装置で放射線感度
を高くするためには、転送方向に平行な電極の窓どうし
の間にある部分の長さを幅よりも大きくしなければなら
ないことである。利用しなければならない表面積をでき
るたけ小さくするために、これらの電極部の幅は一般に
使用される導体トラックの最小トラック幅になっている
。

そこで放射線感度を高めるためには、これらの部分の長
さを数倍大きくしなければならず、代表的な例では、例
えば、（最小）トラック幅３．６μｍに対し長さを１４
μｍにとる。それ故、この電極の下で電荷が集められる
時、関連する空乏層の表面積は約５０μｆｒＬ２となる
。同時に、集積領域は正確に画成しなければならない。

蓋し、２個の転送チャネルの間で発生−した電子をこれ
らの２個の隣接する転送チャネルに分布させるためには
電極どうしの間の相対距離（約５μｆｒＬ）を過度に大
きくすることはできないからである。

前記オランダ国特許願に示されているイメージセンサ装
置では、第１群の電極の下にチャネルストッパ領域が延
在し、これまた直接転送チャネルを限界づけているが、
同じイメージ期間内の第２の集積期間において、電荷転
送チャネルに直角に位置し且つ部分的に互に重なり合う
電極の下で電荷が集められる。同じ（最小）トラック幅
でも本例では、空乏層が占める表面積は高々約１２μｍ
２となろう。また、このように作られた空乏層は隅でだ
け周囲の放射線に透明な麻と接する。これは電荷キャリ
ヤ、特にこのような窓の中心部で発生した電荷キャリヤ
が、前述した第１の集積期間の状況と比較して空乏層に
達する迄に相当に長い道を辿らねばならないことを意味
する。そしてこの効果は、窓の転送方向の寸法が横方向
の寸法よりも大きいという前述した事実のため更に強め
られる０ この効果を避けるためには、発生する信号を異なる程度
に増幅することになるが、そのためには制御エレクトロ
ニクス手段を余分に使うことにな第１の電極の下のチャ
ネルストッパ領域を狭くすることＧこより第１の電極の
下の空乏層を大きくすることも部分的には有効である。

事実特に転送方向に平行な電極部からの距離が大きいた
め隣接する集積領域の有効感度が相当に変化することが
見出されている。そしてこの変化は工程の変化と電極の
幾何学的構造のずれとによるもので、この変化のためこ
れらの電極部の下の障壁はあまりょく画成されない。こ
れは２個のイメージ信号の平均値を信号処理で用いる電
子手段によっても僅がしか改良されない。

本発明の目的は工程の変化やマスクのずれに敏感でない
ようにしてこれらの欠点を大部分除去した電荷結合イメ
ージセンサ装置を提供するにある。

本発明の別の目的は偶数番号のイメージライン用の電荷
パケットと、奇数番号のイメージライン用の電荷パケッ
トとがほぼ同じ態様で集められる電荷結合イメージセン
サ装置を提供する（こある。

本発明はイメージセンサ装置の放射線感応部の転送チャ
ネルの上に１個の連続した電極構造が形成され、転送効
率が失なわれない電極構造を採用すればこれが達成でき
るが、窓の縁を完全に又は一部面成し且つ転送方向に直
角な方向に配列される第２及び第３群の電極を用いれば
達成できることを認識し、この認識に基づいてなされた
ものである。

それ数本発明に係る電荷結合イメージセンサ装置は前記
の放射線に透明な窓を、表面に直角に見て、少なくとも
一部第１群、の電極から電気的に絶縁され且つ第２の導
電拐料層の一部である第２群の電極と、第１及び第２群
の電極から電気的に絶縁され且つ第３の導電材料層の一
部である第３群の電極とにより限界づけ、これらの第２
と第３群の電極を主として電荷転送チャネルに直角な方
向に延在させ、少なくとも電荷転送チャネルの区域で第
８の電極群の電極が一部第２の電極群の電極と重なり合
うように構成したことを特電とする。

この結果、一層堅固な窓が得られる。事実窓は今度は転
送方向では一処理工程で設けられた第１群の電極により
限界づけられ、横方向では第２又は第３群の電極の一部
により限界づけられ、また第２群の電極と第３群の電極
とは同−形態をとることができる。第２群の電極と第８
群の電極が相対的にずれても、それは半導体装置全体に
亘りほぼ等しいから、窓の寸法には影響しない。

電極の転送チャネル上の部分は、オランダ国特許願第８
０００９９９号に記載されているよう（こ、こ＼でも効
果的に２個の群に分割される。これは２個の群の一方の
電極部の下に交互に電荷を集める可能性を与え、これら
の電極部は直接放射線に透明な窓の傍に位置する。この
場合４相クロツク系により飛越しのために１個のイメー
ジ期間内に２回実際上同じ方法でイメージセンサ装置の
放射線感応部のほぼ瞬接する正確に画成された２個の部
分から電荷を集める。

成る量のスペースは犠牲になるが、窓を完全に第２群及
び第３群の電極で限界づければ、半導体本体が異なるこ
とによる窓の寸法の相対的な変化をずっと小さくするこ
とができる。この結果、第１群の電極の製造時の整列公
差による青色の光に対する感度の変動を避けることがで
きる。

本発明に係るイメージセンサ装置の一つの好適な実施例
は第１群の電極を交互に第２群の電極と、第３群の電極
に電気的に結合し、少なくとも動作状態において、この
結合が第１群の電極と、夫々第２群及び第８群の電極と
の間に電位差を誘起するように構成したことを特徴とす
る。

このようなイメージセンサ装置は特に２相クロツク系で
電荷を転送するのに適している。

図面につき本発明の詳細な説明する。

図面は略図であって、原寸通りではない。特に断面図に
おいて明瞭ならしめるため厚さ方向の寸法が著しく誇張
されている。同じ尋電形の半導体領域には同一方向のハ
ッチンダを施しである０また、種々の実施例において対
応する部分には一般に類似の符号を付しである。

第１図は所謂フレーム／フィールド転送形の電荷結合イ
メージセンサ装置１の原理回路図である。

このようなイメージセンサ装置は放射線感応センサ部２
を具え、この放射線感応センサ部ｚ内に所定の露光期間
において放射線イメージに対応する電荷キャリヤのパタ
ーンが形成される。露光期間の後、この電荷キャリヤの
パターンは一時的に蓄積部３内に蓄わえられ、シフトレ
ジスタ４によりこの蓄積部３から電荷キャリヤのパター
ンが順次に読み出される。この読出しはそれ自体は既知
の技術により行なわれる。

イメージセンサ装置（第２〜５図）は半導体本体５を具
え、この半導体本体５は、例えば、比抵抗が１０Ω・ｃ
ｒｒＬ（約５Ｘ１０１４ＦＪ−一原子／ＣＩｒＬ８）１
７）　ｎ　Ｅ’　シ１，１コン基板６と、その上にデポ
ジットされた、ドーピングが約８　Ｘ　１０１５アクセ
プタ原子／ＣｒｒＬ８のｐ影領域７とを具える。このｐ
影領域７は、例えば、エピタキシャル成長によりデポジ
ットさぜることかできる。半導体本体５の主表面８に複
数個の相互に分離されたほぼ平行な電荷転送チャネル（
第１図に符号９で示す）を画成する。電荷の転送は第１
図に矢印１０で示すようにこの電荷転送チャネル９内で
行なわれる。本例では、電荷転送装置ｃｃｄをバルク転
送形のｃｃｄ　！ＩＪちｂｃｃｄで構成する。電荷転送
チャネルはｎ影領域１１で構成するが、これらのｎ影領
域１１はｐ影領域１２により相互に分離されている。本
例ではｎ影領域１１は平均不純物濃度が約１ｏ１６原子
／α８で、深さが約１μｍであり、幅が約８．５μｍで
ある。他方ｐ影領域１２は表面での不純物濃度が約１０
１８原子／　ｃｒｒＬ８テ、−表面テ（Ｄ　ＩＩ’４　
カ約５　μｍ　”Ｃアリ、約０．５μｍの深さ迄半導体
本体５内に侵入している。

主表面８は絶縁利料、例えば、酸化シリコンの層１３で
覆う０この絶縁祠料層１３の上に第１の組の電極を配置
するが、これらの電極により半導体材料内に電荷の蓄積
と転送のためのポテンシャル井戸が形成される。

この第１の組の電極１５．１６は相互に絶縁され、チャ
ネルに沿って約４μｍの間隔をおいて、電荷転送チャネ
ルの方向に対し直角な方向Ｇこ延在する〇これらの電極
の材料としては、例えは、多結晶シリコンを選ぶことが
できる。しかし、多結晶シ　　゛・リコンは波長の短い
光（青）をあまり通さないから、これらの電極に窓１４
を設け、これらの窓１４を経て特に青色の光が半導体本
体５内Ｇこ入り、その中に′電荷キャリヤが形成される
ようＧこする。

それ数本発明（こよれば、電極系は第２の組の電４：’
Ｍ　１７と第３の組の電極１８とを具え、これらの電極
１７．１８が電荷転送チャネル１１１こほぼ直角な方向
に延在し、その突出部１９．２０がこれらの電荷転送チ
ャネル１１上に電荷転送方向に平行な方向（こ延在する
。′電極１５〜１８は電荷転送チャネルＩＩＧこ直角な
方向において放射線に透明な窓１４を区画し、電極１７
．１８の突出部１９゜２０が電荷転送チャネル１１の長
手力量において窓１４を区画する。電荷転送チャネル１
１の上方Ｑこおいて、電極１８が一部電極１７の突ａ１
部１９の上に重なり、電極１８の突出部２０が一部電極
１８の反対側にある次の電極１７の上に重なる。

このようＯこして電荷転送チャネル１１が完全に電極系
により覆われるため、これらの電極の下で電荷が転送さ
れる時転送効率が下がることはない。

本例では電荷転送チャネル１１の上方において、電極１
７及び１８が電ｔ！！１ｉ１５及び１６と一緒になって
４相クロツクシステムの電極系を構成する。

この構成では、放射線により生じた電荷キャリヤが類似
した態様で隣接する領域内（こ交互（こ集積される。こ
の目的で、関連する電荷パケットを電極１７の突出部１
９と電極１８の突出部２０との下で交互に集める。イメ
ージセンサ装置の放射線感応センサ部２を露光すると電
荷キャリヤが発生する。特に青色の光は窓１４により解
放されたｐ影領域１２内に約０．１μｍの深さだけ電荷
キャリヤを発生する。この放射線により発生した正孔は
ｐ影領域１２内にとどまり、他方発生した電子は隣接す
る電荷転送チャネル１１上に分布する。蓋し、電極１７
又は電極１８には電子に対するポテンシャル井戸が電極
１７又は１８の下の電荷転送チャネル内に得られるよう
な電圧が印加されるからである。

波長が一層長い光は窓１４の外側でも主表面８に達し、
一層深い新進電荷キャリヤを発生する〇この場合は発生
した電子が電荷転送チャネルｌｌ内の最近値のポテンシ
ャル井戸に流れ、正孔がｐ影領域１２又はｐ形基板７を
経て排出される。

１個のイメージ期間内の、例えば第１の半部において、
電荷転送チャネル１１内の突出部１９の下にポテンシャ
ル井戸が形成され、このポテンシャル井戸内に前述した
態様で電荷パケット（電子）が集められるような電圧を
電極１７に印加する。

この時突出部１９は、例えば、長さが５μｍで、１１？
ａカｓ、６μｍであり、相互の距離が５μｍである。

次に、これらの電荷パケットを電極１５，１６゜１７及
び１８にかけられた適当に選ばれたクロック電圧分布に
より蓄積部３に転送し、別の処理に備える。　− 前記イメージ期間の第２の半部において、先ず突出部１
９と同じ寸法を有する電極１８の突出部２０の下にポテ
ンシャル井戸を形成する。斯くして、１個のイメージ期
間の両方の半部において、電荷がほぼ同じ態様で２列の
イメージ要素内に集められる。そしてこうして電荷パケ
ットが集められ終った後、これらの電荷パケットは蓄積
部３に転送される。所望とあらば、電極１５　、１６　
、１７及び１８に必要なりロック信号を用いてイメージ
期間の第１の半部以后未だ蓄わえられていた１ｎ報を出
力レジス！４に転送し、別の処理に備えることもできる
。

一層好適な飛越し方法は電極１７の突出部１９と電極１
８の突出部２０の下で連続的に電荷を集めるものである
。そしてこの集積期間の後、イメージ期間の第１の半部
において、例えは、突出部１９の下に集められた電荷パ
ケットを突出部２゜の下に集められた電荷パケットに加
え、他方第２の半部において突出部２ｏの下に集められ
た電荷パケットを突出部１９の下に集められた電荷パケ
ットに加える。この加えるプロセスは電荷が矢印１０の
方向に転送されるように行なわれる。

蓄積部８は放射線を集める必要がない。従って窓を設け
る必要がない。このため全体として蓄積部３は放射線感
応センサ部２よりも表面積を相当に小さくできる。

放射線感応センサ部２と蓄積部３とでの電荷の転送に必
要なりロック信号は、シフトレジスタ４用のクロック信
号と同じように、周知の態様て゛、例えば、第１図には
別に示していないシフトレジスタにより得ることができ
る。

このイメージセンサ装置は通常の方法で作ることができ
るＯｎ形シリコン基板６の上にｐ形エヒ。

タキシャル層７を成長させた後、イオン注入又は拡散（
こよりこのｐ形エピタキシャル層７内Ｇこｎ形チャネル
１１を形成する０この後で主表面８の上に薄い酸化物層
をデポジットし、この酸化物層の上に周知の方法で第１
の組の電極１５．１６を形成する０なお、電極１５．１
６は多結晶シリコンで作ると好適である０電極１５，１
６を電気的Ｑこ絶縁するための酸化工程の後、同じよう
Ｇこ多結晶シリコンから成る電極１７．１９を形成する
０再び酸化工程によりこれらの電極１７．１９を電気的
に絶縁した後電極１８．２０を形成する。。このように
して電極系が完成した後、イオン注入Ｇこよりｐ影領域
１２を形成する。

第１図ないし第５図に示したイメージセンサ装置は簡単
な方法で、即ち非対称なポテンシャル井戸が得られるよ
うな電位差を電極１７と１８の間及び突出部１９と２０
の間に加えることにより２相クロツク系に適合させるこ
とができる０この電位差は第２図に電圧源２１により略
式図示されているが、例えば、公衆審査のために公開さ
れているオランダ国特許願第７，２００，５１９号に記
載されているように分圧器により又は公衆審査のために
公開されているオランダ国特許願第７．１１４１．８５
９号に記載されているように容量性結合により印加する
ことができる。この構成の付加的利点は２個のクロック
相間の相対容量が小さいことである。蓋し、これらの相
は非常に小さい部分に亘ってではあるが、互に重なり合
うからである０第６図ないし第８図に示したイメージセ
ンサ装置では、電極１７．１８が自分達だけで完全に窓
１４を画成するような構造になっている。これは成る量
の表面積を犠牲にするが、今度は全ての窓１４が完全に
同−Ｇこなる０このため簡単に同じマ°スクを用いて相
対的にずれた電極１７と１８とを作ることができる。今
度は電極１５．１６が窓１４の限界を作るのに加わらな
いから、これらの電極１５　、　’１６とｉ！極１７，
１８の間の相対公差はも早や窓の寸法Ｑこ影響してこな
い。

電荷パケットは今度は交互に連結部１９　、２０の下に
集められるか又は前記他の飛越し方法では同時に連結部
１９及び２０の下に集められる。他の点では、符号は前
述した実施例と同じ意味を有する。

勿論、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、当業者ならば本発明の範囲を逸脱することなく、種
々の修正を施すことができる。例えば、第６図ないし第
８図と類似した態様で、電極＋７．：ｔｓを開口を具え
る細長いストリップとして構成し、例えば、電極１５と
１６の間の面離が電荷転送装置の開口の寸法よりも短い
場合は、電極１７．１８が完全に窓を画成しないよう（
こすることができる。加えて、他の種類の電荷転送装置
、例えば、ｂｂａや表面ｃｃｄを用いることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電荷結合イメージセンサ装置の略
式の原理的回路図、 第２図はこのようなイメージセンサ装置の放射線感応部
の一部の略式平面図、 第３図は第２図の■−■線で切ったイメージセンサ装置
の略式断面図、 第４・図は第２図のＩＶ−ＩＶ線で切ったイメージセン
サ装置の略式断面図、 第５図は第２図のｖ−■線で切ったイメージセンサ装置
の略式断面図、 第６図は本発明に係るもう一つのイメージセンサ装置の
放射ｍ感応部の一部の略式平面図、第７図は第６図の■
−■」線で切ったイメージセンサ装置の略式断面図、 第８図は第６図の■−Ｖｌｌｌ線で切ったイメージセン
サ装置の略式断面図である０ １・・電荷結合イメージセンサ装置 ２・・・放射線感応センサ部　３・・蓄積部４・・・シ
フトレジスタ　　　５・・・半導体本体６−・ｎ形シリ
コン基板　　７・・・ｐ影領域８・・主表面　　　　　
　　９・・電荷転送チャネル１０・・・電荷の転送を示
す矢印 １１・・電荷転送チャネルを構成するｎ影領域１２・・
ｐ影領域　　　　　１３・・絶縁材料層１４・・窓 １５　、１６・・・第１の組の電極 １７・・・第２の組の電極　　１８・・・第３の組の電
極１９．２０　　・突出部　　　　２１・・電圧源２２
・・・増幅器 ψ ０ ３０６−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　放射線イメージを集め、それを電気信号に変換する
   ために、少なくとも１個の半導体本体を具え、この半導
   体本体内に主表面で複数個の相互に分離されたほぼ平行
   な電荷転送チャネルが画成され、半導体本体の同じ主表
   面上に絶縁層を設け、この絶縁層の上に電荷を転送させ
   るために電極系を配設し、この電極系を電荷転送チャネ
   ル上に延在させ、この電極系に放射線イメージを集める
   ために窓を設け、これによりこの窓を通して半導体本体
   内に放射線、特に波長の短い光が入り、半導体本体内に
   電荷キャリヤを発生させ、前記電極系が電荷転送チャネ
   ルに′直角な方向に延在する第１群の電極を具えるイメ
   ージセンサ装置において、前記の放射線に透明な窓を、
   表面に直角に見て、少なくとも一部第１群の電極から電
   気的に絶縁され且つ第２の導電材料層の一部である第２
   群の電極と、第１及び第２群の電極から電気的に絶縁さ
   れ且つ第３の導電材料層の一部である第８群の電極とに
   より限界づけ、これらの第２と第３群の電極を主として
   電荷転送チャネルに直角な方向に延在させ、少なくとも
   電荷転送チャネルの区域で第３の電極群の電極が一部第
   ２の電極群の電極と重なり合うように構成したことを特
   徴とするイメージセンサ装置。 久　第２群と第３群の電極を平面図でくし形とし、くし
   の歯を電荷転送チャネル上に延在させたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のイメージセンサ装置。 ８、　放射線に透明な窓を第２群と第３群の電極の開口
   により構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のイメージセンサ装置。 生　第２群の電極と第８群の電極とを少なくとも平面図
   でほぼ同一にしたことを特徴とする特許請求の範囲第２
   項及び第３項のいずれか一項に記載のイメージセンサ装
   置。 五　電極系が４相電荷転送用のｉ！電極構造具えること
   を特徴とする特許請求の範囲前記各項のいずれか一項に
   記載のイメージセンサ装置０＆　第１群の電極を交互に
   第２群の電極と、第３群の電極に電気的に結合し、少な
   くとも動作状態において、この結合が第１群の電極と１
   夫々第２群及び第３群の電極との間（こ電位差を誘起す
   るように構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第４項のいずれか一項に記載のイメージセンサ
   装置０ ７、　電極系が２相電荷転送用の電極構造を具えること
   を特徴とする特許請求の範囲第６項記載のイメージセン
   サ装置。 ８、　イメージセンサ装置に更に制御回路と、電気信号
   を更に処理するための少なくとも１個の回路とを設けた
   ことを特徴とする特許請求の範囲前記各項のいずれか一
   項に記載のイメージセンサ装置０ ９、　前記の制御回路と、電気信号を更（こ処理するた
   めの回路とを少なくとも一部半導体本体内に作ったこと
   を特徴とする特許請求の範囲第８項記載のイメージセン
   サ装置０