JPS5917581B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体撮像装置の改良に係わり、特に光電変換部
を狭めることなくプルーミングを防止できるようにしよ
うとするものである。

５ 従来の固体撮像装置に用いられているブルーミング
防止法を第１図によつて説明する。

同図ａはＰ形シリコン基板を用いたｎチャンネル電荷結
合撮像装置の断面構造を示しており、１はｎ＋不純物層
によるブルーミング防止用ドレイン、２はｏｐ＋不純物
層によるチヤンネルストツプス領域、３は光電変換され
た信号キャリアを蓄積、転送する表面チャンネル部、４
はＳｉＯ２等の絶縁層、５は例えば多結晶シリコンにリ
ン等をドープした導電性透明電極、６は適当な電圧を印
加することに５ よりｐ＋層２の障害電位を適当に調節
するためのバイアス電極をそれぞれ表わす。第１図ｂは
電極５、６に正電圧を印加した場合に基板表面に形成）
【−される電位分布を示す。

７はチヤンネルストツフスの障壁電位、８はｎ＋層１を
正電圧でバイアスした状態でのブルーミングドレインの
電位、６９はチヤンネル電位をそれぞれ表わす。

この状態において電極５、絶縁層４を透過して基板内に
進入した光は電子一正孔対を発生させ、チヤンネル部３
に電子のみを蓄積させる。蓄積された電子によりそのチ
ヤンネル電位はｐ＋層２の障壁電位７に近づき、やがて
この電位を越えて過剰キャリアはｎ＋層１へ流出する。
このような構成によれば、確かにブルーミングを防ぐこ
とができるが、ｎ＋層を形成する分だけ光電変換部の有
効面積は狭くなり、装置の実効感度は低下し、さらに高
集積化に対して不利になる欠点がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたのであつて、ブル
ーミング防止用ドレインを光電変換素子と同一面上に設
けるのでなく、光電変換素子の深部に設けることにより
、有効受光面積を狭ばめることなくブルーミングを防止
し、さらにバイアス電圧印加によりこの効果を一層高め
ようとするものである。

以下本発明の詳細をその一実施例を示す第２図によつて
説明する。

同図ａは固体撮像装置の主要部分の平面略図であり、Ｐ
−ｎ接合を光電変換素子として使用している場合を示す
。９はＰ−ｎ接合型光電変換素子のｎ形層、１６はＰ形
層、１０はｐ＋不純物により形成されたチヤンネルスト
ツプス領域、１１はｎ形層９に蓄積された信号キャリア
を読出してレジスタ１２に移動させるための移送ゲート
、１２は読出しレジスタとして用いた電荷結合形レジス
タの転送電極をそれぞれ表わす。

第２図ｂは第２図ａの１３−１３′線に沿つた断面図を
示し、第２図ａと同じものには同一の符号が付してある
。１６はＰ−ｎ接合型光電変換素子の一方に形成するＰ
形不純物層であると同時に基板に対する障壁も形成する
。

１５はチヤンネルストツプス１０を基準電位に保つため
の配線、１７はｎ形シリコン基板、１８は１６，１７間
を逆バイアスするための正電圧を印加する電源、２３は
ＳｉＯ２等の薄い絶縁膜をそれぞれ表わす。

第２図ｃは第２図ａの１４−１４′線に沿つた断面図で
あり、１９は光電変換素子以外への光の漏洩を防ぐぐた
めのＡｌ蒸着膜等で形成された光シールド、２２は信号
キヤリアを転送し読出しを行なうための電荷結合素子の
表面チヤンネル部をそれぞれ表わす。次に第２図に示し
た本発明に係わる固体撮像装置の動作を概説し、その特
徴を詳しく説明する。

一般に信号キャリアの転送読出しレジスタを形成する転
送電極１２には信号キャリアを第２図ｃにおいて紙面に
垂直な方向に転送するためにクロツクパルス電圧が印加
される。転送電極１２に高電圧が印加されると同時に表
面チヤンネル２２の表面電位は高くなり空乏層が形成さ
れる。この状態において移送電極１１に正電圧を加える
と絶縁膜２３を介してＰ形不純物層１６の移送ゲート１
１と対向する表面電位は高くなり、光電変換素子を形成
するｎ形不純物層に存在する信号キヤリアは移送ゲート
１１下の電設に応じて転送チヤンネル部２２へ移動する
。しかる後移送ゲート１１を閉じてほぼ零電位とするこ
とにより、ｎ形不純物層９に再び光電変換された信号キ
ヤリアの蓄積を開始する状態に戻す。このように一定時
間ｎ形不純物層９に蓄積したキヤリアを繰返し読出しす
ることにより撮像動作を行なう。しかしながら一定時間
内に入射する光量が非常に大きい場合には、第２図ｂに
て示すように配列された光電変換素子のｎ形不純物層９
内には最大蓄積可能なキヤリアの量を越えたキヤリアが
発生し、その過剰なキヤリアはｐ＋チヤンネルストツプ
ス１０を越えて隣接したｎ形不純物層に流出するいわゆ
るブルーミング現象を起こす。第２図ｂの場合Ｐ−ｎ接
合型光電変換素子の一方を形成するＰ形不純物層１６は
ｎ形基板との間に第２のＰ−ｎ接合を形成する構造を用
い、ｐ＋形層により形成されたチヤンネルストツプス層
１０は配線１５を通じて基準の零電位に保たれる。この
状態ではＰ形不純物層１６も基準電位となるが、基板１
７を電源１８により所定電位以上にバイアスすることに
より、ｎ形不純物層９とｎ形基板１７との間に存在する
Ｐ形不純物層１６が完全空乏化したいわゆるパンチスル
ー状態を実現することができる。この状態においては、
ｎ形不純物層９と基板１７との間に信号キヤリア障壁と
して存在するＰ形不純物層１６の電位は基準電位より切
離されて正電位となり、信号キヤリアである電子にとつ
ては障壁が低くなることになる。この場合ｐ＋チヤンネ
ルストツプス層１０は依然として基準電位（零電位）で
あれば、過剰信号キヤリアはこの層１０で形成された障
壁を越えることなくｎ形シリコン基板に流出することに
なる。以上の原理を第３図に用いて更に詳細に説明する
と、第３図ａは第２図の２０にて示したｘ方向に沿つた
本発明を適用した場合の電界分布を示し、第３図ｂはＸ
方向２０に沿つた電位分布を示し、第３図ｃは第２図ｂ
の２１で示したｙ方向にそつた電界分布を、第３図ｄは
対応する電位分布をそれぞれ示す。

なお説明を簡単にするために深さ方向に対する各不純物
濃度を一定に近似し、かつ空乏層近似を用いる。各図に
おいて符号は第２図と共通に使用されており、第３図ａ
の２４は少量の信号キヤリアがＰ一ｎ接合形光電変換素
子の一方を形成するｎ形不純物層９に蓄積されている状
態の電界分布を実線で示し、２５はｎ形不純物層９から
ｎ形基板１７に過剰信号キヤリアがあふれ出る状態の電
界分布を示したものである．第３図ａに対応する電界分
布は第３図ｂに示してあり、その４８は少量の信号キヤ
リアが存在する場合の電位分布を実線で示し、４９は過
剰キヤリアがｎ形基板１７に流出する状態の電位分布を
破線で示したものである。

なお電位は縦軸に沿つて下方が正電位となつている。５
０は少量の信号キヤリアを含んだｎ形不純物層９の最大
電位を、２６はＰ形不純物層１６の障壁電位を、５１は
過剰キャリアの流出が起る状態でのｎ形不純物層９の最
大電位を、５２は対応する障壁電位をそれぞれ示す。

２９はｎ形基板１７に正のバイアス電圧として第２図Ｂ
，ｃの１８を印加した場合の基板電位を示す。

今ｎ形基板１７の不純物濃度をＮＤｌ、Ｐ形不純物層の
不純物濃度をＮＡ．ｎ形不純物層９の不純物濃度をＮＤ
２、基板のバイアス電圧１８をＶ８Ｂとすれば、基板１
７の電位２９はＶ８Ｂ＋Ｖｂｉ２にて表わすことができ
る。

た〈しＴは絶対温度、Ｎｉは真正キャリア密度単位電荷
量をそれぞれ表わす。

この場合前記のバイアス電圧Ｖ８ＢによりＰ形不純物層
１６の最小障壁電位は基準電位、すなわちｐ＋チヤンネ
ルストツプスの電位より大きくなる。

一方信号キヤリア（この場合電子）で満たされているｎ
形層９の最大電位３０とＰ形層１６の最小電位５２との
電位差２７がＰ形層１６とｎ形層９の拡散電位Ｖｂｉｌ
より小さくなると、信号キャリアは障壁５２を越えてｎ
形基板１７へ流出する。この場合Ｖｂｉｌは次式にて与
えられる。基準電圧に対してＰ形層１６の障壁電位をＶ
Ｂ、ｎ形層９の最大電位をＶＭとして前記信号キヤリア
基板１７への流出の条件を解析的に表わすと次式のよう
になる。ここでε８はシリコンの誘電率、ＸＪはｎ形層
９の深さ、ＸＢはＰ形層１６の厚さ、Ｑｓｉｇは単位面
積当りのｎ形層９に存在するキヤリアの電荷量をそれぞ
れ表わす。

今実施例としてＮ。

ｌ？ＮＯ２−１０１６／Ｃｄｌμｍとすれば、ＳＢ＝５
程度以上でｎ形基板１７はブルーミング防止用ドレイン
の条件を満すことができる。なおｐ＋チヤンネルストツ
プスは前記状態にわたつて少なくともその障壁電位が基
準電位または５２より基準電位に近くなければならない
が、この条件は第３図Ｃ，ｄに示すように容易に実現で
きる。第３図ｃの実線５３はｎ形層９に少量の信号電荷
が存在する場合の電界分布を示し、破線５４はｎ形層９
からｎ形基板へ信号キヤリアが流出する状態でのｐ＋チ
ヤンネルストツプス１０を挟んだ電界分布を示す。さら
に第３図ｄは同図ｃの電界分布に対応する電位分布を示
し、実線５５は少量の信号キヤリアが存在する場合、破
線５６はｎ形基板１７へ信号キヤリアが流出する状態で
のｎ形層９とｐ＋チヤンネルストツプス１０の電位分布
を示す。この実施例においてはｐ＋チヤンネルストツプ
ス１０はパンチスルー状態にはなく、その大部分の領域
は多数キヤリアである正孔によつて満され、常に基準電
位となつている。従つてｎ形層９の最大電位とｐ＋チヤ
ンネルストツブス１０との電位差によつて与えられる障
壁電位差は第３図ｂの障壁電位差２７より常に大きく、
従つてｐ＋チヤンネルストツプス１０を越えて信号キャ
リアが流出することはない。すなわちブルーミングは起
らないことになる。本実施例ではｐ＋チヤンネルストツ
プス１０としてＹ方向の長さた５μｍ、不純物濃度）１
０１８／Ｃｒｌｌを用いた。次に本実施例に示した構造
は、たとえばｎ形基板１７上にＰ形層１６をエピタキシ
ヤル成長により形成し、イオン注入法によりｎ形層９お
よびｐ＋チヤンネルストツプス１０を形成することによ
り容易に実現できる。

また熱拡散によつて形成することも可能である。次に本
発明の第２の実施例を第４図によつて説明するに、同図
ａはその構造を示す。

固体撮像装置としての動作原理は例えば第２図に示した
実施例と同様に与えることができるが、本実施例の特徴
は光電変換素子としてＭＯＳ構造を用いたところにある
。第４図ａにおいて、３２は３４，３５と共にＭＯＳ形
光電変換素子を形成する．Ｐ形不純物層、３４は透明電
極、３５はＳｉＯ２等の絶縁層、３８はｎ形シリコン基
板、３３は複数個のＭＯＳ形光電変換素子の各々を分離
するためのｐ＋形不純物層で形成されたチヤンネルスト
ツプス層、３７はこの層３３およびＰ形層３２を基準電
位とするための配線、３６はｎ形シリコン基板に逆バイ
アス電圧を印加するための電源をそれぞれ示す。このよ
うな構造の第２実施例による固体撮像装置がブルーミン
グを防止するのにいかに有効であるかを第４図Ｂ，ｃに
よつて説明する。第４図ｂは同図Ａｆ）Ｘ方向３１に沿
つて形成される電界分布を示す。

なおこの場合透明電極３４には正電圧ＶＧが加えられて
いる。ＭＯＳ構造では周知のようにゲート電極である透
明電極３４に正電圧を印加することによりＰ形層３２の
表面に空乏層が形成され、絶縁層３５との界面に３４，
３５を通過して３２に入射した光により発生した信号キ
ヤリアである電子が蓄積される。第４図ｂの実線３９は
前記少数の信号キヤリアがＰ形層３２の表面に蓄積され
た場合、破線４０はＰ形層３２の表面より信号キヤリア
があふれ出すに十分な量に蓄積された状態での電界分布
を示す。同図から判るようにＰ形層３２からｎ形基板３
８にわたりパンチスルー状態が形成されるに十分な程逆
バイアス電圧３６が基板３８に印加されている。第４図
ｃはｘ方向３１に沿つた電位分布を示し、実線４１は信
号キヤリアが少数存在する場合の電位分布、破線４２は
Ｐ形層３２の表面に蓄えられた信号キャリアがｎ形基板
３８に流出する十分な量で存在する場合の電位分布を示
す。第２図、第３図にて説明したブルーミング防止法と
同様な原理によりｎ型基板３８へ印加する逆バイアス電
圧３９を十分高くしてＰ形層３２からｎ形基板３８にわ
たりパンチスルー状態を形成することにより、信号電荷
が基板に流出すに当り障壁となるＰ形層内の最小電位４
０を基準電位より正電位にすることができ、従つて基準
電位に保たれているｐ＋チヤンネルストツプス３３を越
えてブルーミングを起すことなく、過剰キャリアはｎ形
基板４２に流出する。すなわち第２の実施例においても
基板３８が過剰キヤリア吸収ドレイン即ちブルーミング
防止用ドレインの役割をする。次に第５図ａによつて本
発明の第３の実施例を説明するに、同図９は光電変換と
信号キヤリアの蓄積とを行なうｎ形不純物層、４３は９
とＰ−ｎ接合を形成して光電変換素子の一部を担うＰ形
不純物層、４４はブルーミング防止用ドレインとなるｎ
形不純物層、４５はＰ形シリコン基板、３５は絶縁層、
３４は透明電極、１０はｐ＋形層で形成したチヤンネル
ストツプス、４６はブルーミング防止用ドレインに十分
な正のバイアス電圧を印加するための電極、４７はｐ＋
チヤンネルストツプス領域１０およびＰ形層４３を負ま
たは基準電位にバイアスするための電極、６７はＰ形シ
リコン基板４５を基準電位に保つための手段をそれぞれ
表わす。

同図においては透明電極３４は必ずしも必要なく、さら
に基準電位を必ずしも基板４５の電位とする必要はない
。

この第３実施例の特徴は、ブルーミング防止用ドレイン
を基板でなく埋込み層４４によつて形成したところにあ
る。動作の原理、方法は第１の実施例と同様である。第
５図ｂはＸ方向５８に沿つた電界分布、第５図ｃは電位
分布をそれぞれ示す。同図ｃに示すように第１実施例と
同様に信号キヤリアを蓄えたｎ形層９とブルーミング防
止用埋込み層ドレイン４４とは４６，４７に印加された
逆バイアス電圧により完全空乏化したＰ形層４３を介し
てパンチスルー状態となり、Ｐ形層４３とｎ形層９との
障壁電位差５９は小さくなり、ｎ形層９内の信号キヤリ
アの増加に伴ない障壁電位差が拡散電位差以下になると
、ブルーミング防止用ドレインであるｎ形層４４へ過剰
キヤリアが流出する。一方ｐ＋チヤンネルストツプスは
負または基準電圧に保たれているためブルーミング現象
は起り得ない。このような第３実施例の原理の詳細は第
１実施例と同様である。以上本発明を３つの実施例につ
いて説明したが、本発明の適用はこれらに限られないの
は勿論であつて、例えばｎ形不純物層とＰ形不純物層と
を逆に用い、バイアス電圧を逆に印加することによつて
も実現できる。さらに固体撮像装置としての信号読出し
方法や蓄積方法も実施例のものに限られず、一次元およ
び二次元固体撮像装置のいずれにも適用できるのは勿論
である。以上の説明から明らかなように、本発明を適用
することにより平面的な従来のブルーミング防止法が固
体撮像装置の有効面積の損失を伴うのに比べ、全く有効
面積を損なうことなく効率のよいブルーミング防止が可
能となる。

なお本発明の付随的効果として、基板内で発生し各光電
変換素子間のクロストークの原因となり、従つて解像度
劣化をもたらす長波長光、特に赤外線による不良信号キ
ヤリアが各光電変換素子に流入せず、ブルーミング防止
用ドレインに吸収されるため、固体撮像装置の解像度を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは従来の固体撮像素子の断面図で第１図ｂはそ
の基板表面における電位分布図、第２図Ａ，ｂ，ｃは本
発明に係わるＰ−ｎ接合形光電変換素子を用いた固体撮
像装置の断面図で第３図Ａ，ｂはそのＸ方向に沿つた電
界分布図、電位分布図、第３図Ｃ，ｄはそのＹ方向に沿
つた電界分布図、対応する電位分布図、第４図ａは本発
明に係わるＭＯＳ形光電変換素子を用いた固体撮像装置
の断面図で第４図Ｂ，ｃはそのｘ方向に沿つた電界分布
図、電位分布図、第５図ａは本発明に係わる埋込み層を
ブルーミング防止用ドレインとした固体撮像装置の断面
図で第５図Ｂ，ｃはそのＸ方向に沿つた電界分布図、電
位分布図である。 ９，１６・・・・・・Ｐ−ｎ接合形光電変換素子のｎ形
層、Ｐ形層、１０・・・・・・チヤンネルストツプス層
、１１・・・・・・移送ゲート、１２・・・・・・転送
電極、１９・・・・・・光シールド、３３・・・・・・
チヤンネルストツプス層、４４・・・・・・ブルーミン
グ防止用埋込みドレイン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一導電形半導体基板に形成された複数個の光電変換
   素子と、この光電変換素子に蓄積された信号キャリアを
   読み出す手段とを有する固体撮像装置において、前記光
   電変換素子は前記基板上に形成された基板とは反対導電
   形不純物層内あるいは不純物層上に設けられてなり、前
   記基板又は前記基板とは反対導電形不純物層が前記光電
   変換素子の過剰キャリア吸収ドレインとして作用し、バ
   イアス手段によつて前記光電変換素子の電荷蓄積層から
   前記過剰キャリア吸収ドレインに至る経路がパンチスル
   ー状態となることを特徴とする固体撮像装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、光電変換素子として前記反対導電形の不純物層と接合
   するように形成したｐ−ｎ接合素子を用い、電荷蓄積層
   が前記反対導電形の不純物層を通じて基板とパンチスル
   ー状態となるようにし、前記ｐ−ｎ接合素子に蓄積され
   た過剰キャリアをドレインとしての基板に流し出すこと
   を特徴とする固体撮像装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、光電変換素子として前記反対導電形の不純物層上に設
   けた透明電極を備えたＭＯＳ構造を用い、前記透明電極
   に所定の電圧を印加して前記ＭＯＳ構造の不純物層の界
   面に信号キャリアを蓄積し、前記ＭＯＳ構造の不純物層
   と前記基板との間に逆バイアス電圧を印加して前記ＭＯ
   Ｓ構造の界面から前記基板にわたつてパンチスルー状態
   となるようにし、前記界面に蓄積したキャリアをドレイ
   ンとしての基板に流し出すことを特徴とする固体撮像装
   置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置において
   、基板上に基板とは反対導電形の埋込み層を設け、この
   埋込み層上に設けられた基板とは同一導電形の不純物層
   と接合するように形成したｐ−ｎ接合素子を光電変換素
   子として用い、前記ｐ−ｎ接合素子の基板とは同一導電
   形の不純物層および前記埋込み層に対して逆バイアス電
   圧を印加してパンチスルー状態とし、前記ｐ−ｎ接合素
   子に蓄積された過剰キャリアをドレインとしての埋込み
   層に流し出すことを特徴とする固体撮像装置。