JPS59197168A - 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】 産業上の利用分野 この発明ばＣＣＤなどを使用した固体撮像素子に関する
。

背景技術とその問題点 例えはインターライン転送方式のバルク型ＣＯＤを使用
した固体撮像素子ではスミアが発生ずると画質が劣化す
るので何らかの対策を講する必要がある。

スミアの発生は主に以−トに述べることが原因となって
いる。

■　受光領域（センサー領域）から直接垂直シフトレジ
スタに光信号電荷が流れ込む。

■　センサー領域と垂直シフトレジスタとの間の表面に
おいて光の回折効果によって生じた光信号電荷が垂直シ
フトレジスタに流れ込む。

■　基体の奥深く進入する長波長光によって励起された
光信号電荷が拡散によって垂直シフトレジスタに流れ込
む。

これらの発生原因のうち最も大きなものは■によって生
ずるスミアである。

第１図は波長の相違によっ°ζ基体中に進入する程度が
異なることを示す図面であって、同一光量Ａｏの赤、緑
及び青の各色光がセンサー領域に入射したとき、短波長
の緑や青の各色光よりも長波長の赤色光の方が基体の奥
深＜　　（ｘ方向）まで進入する。これは、基体中での
光吸収係数が波長によって相違するからである。

これに対し、基体中に形成される空乏層はセンサー領域
の構成によっても若干相違するが、例えば第２図に＞＋
＜ずようにセンサー領域がＭＯ３構成のものでは、この
センサー領域ＳＥＭＳの１−１’線上におけるポテンシ
ャルを第３図に示すように、基体濃度が５　Ｘ　１０’
　ｃｍ−’程度では空乏層は基体表面からたかだか３〜
５μｍのところまでしか延びていない。長波長の光信号
は基体表面から６〜８μｍまで達するので空乏層外の基
体の奥深くで光電変換されたこの長波長の光信号電荷は
もはや（４号キャリヤーとはなり得す、そのためこのよ
うな光信号型イ逍は基体中を四方に、等方向に拡散する
。そして、拡散したこの光信号電荷が垂直シフトレジス
タＶＲに流れ込んでスミアが発生ずる。

なお、この第２図においζ、（１）はこの例ではＰ型シ
リコンの基体で、基体（１）の上面近傍には垂直シフト
レジスタＶＲをバルクチャンネル（埋込みチャンネル）
とするためＮ型領域（２）が形成されると共に、センサ
ー領＠　ＳＥＭＳを挾んでオーバーフロードレインＯＦ
Ｄ用のＮ小型領域（３）カベさらにこのＮ＋型領領域３
）を挾んで左側にオーバーフローコンＩ・ロール用のゲ
ートＯＦ（：ＧのためのＰ＋型領域（４）が、右側にチ
ャンネルスト・７バＣ８用のＰ＋型領域（５）が夫々形
成されている。ＣＧは読出し用のコントロールゲートを
示す。そして、基体（１）の上面には５ｉ０２等の絶縁
層（７）を介して垂直転送用のポリシリコン等よりなる
電極（８）が形成され、（９）はセンサー領域５ＥＮＳ
をコントロールする透明電極である。

第４図はＰＮ接合の構成のセンサー領域５ＥＮＳの一例
を示すもので、この例でもそのポテンシャルは第５図の
ようになり、空乏層が基体（１）の表面付近に存在する
。このため、空乏ｊ−の基体（１）中への拡がりが少な
く、上述したと同様に長波長成分によってスミアが発生
してしまう。

空乏層の拡がりを大きくするためセンサー領域５ＥＮＳ
におけるＮ＋型領領域１２）を深くすると、基体（１）
の表面付近での光信号電荷が再結合されるため、特に短
波長の感度が低下してしまう。またＰＮ接合構成では光
信号電荷の読出し時、センサー中の光信号電荷を完全に
垂直シフトレジスタＶＲに転送することができないとい
う欠点がある。

発明の目的 そこで、この発明では短波長感度をトげるごとなく、残
像も発生させずにスミア量を減少させることができるよ
うにしたものである。

発明の概要 そのため、この発明においては第１導電型の＋８１抵抗
基体上に他の導電型で上記基体よりも低抵抗である低抵
抗層を設けてＰＮ接合を形成し、この低抵抗層上に厚い
絶縁層の部分と薄い絶縁層の部分を形成し、上記両方の
絶縁層上に沿って透明電極を形成し、上記厚い絶縁層の
下に対応する部分を受光領域とし、薄い絶縁層の４弓こ
対応する０１；分をオーバーフローコントロールゲート
領域とすることによって上記）」的を実現したものであ
る。

実施例 続いて、この発明に係る固体撮像素子の一例をインター
ライン転送方式をとるものに適用した場合にフき第６図
以ドを参照して詳細に説明する。

第６図は水平走査方向に対し垂直に断面したバルク型Ｃ
ＣＤの固体撮像素子任０）の−例であって、基体（１）
は商抵抗のこの例ではＰ型シリコン基体であり、その上
面近傍には第２図に示したようにバルクチャンネル（埋
込みチャンネル）用のＮ小型領域（２）、オーバーフロ
ードレインＯＦＤ用のＮ＋型領領域３）、チャンネルス
トッパＣ８用のＰ＋型領域（５）が形成されると共に、
Ｎ小型領域（２）と（３）の間には、Ｎ＋型領領域３）
寄りに高抵抗の基体（１）よりも低抵抗で、他のＮ小型
領域（２］、　（３］よりは高抵抗になされた基体（１
１とは異なる導電型の低抵抗１＠、従ってこの例ではＮ
−型の領域（１１）が３〜５μｍの深さをもって形成さ
れ、これとＰ型の基体（１）とでＰＮ接合が形成される
。これら領域（２）、　（３１，（５）及び（１１）は
いずれもイオン注入や拡散の手法によって形成される。

基体（１）の上面にば５ｉ０２等の絶縁層（７）を介し
てポリシリコン等よりなる転送電極（８）が被着形成さ
れると共に、Ｎ−型領域（１１）の上面に形成される絶
縁層（７）の厚みは、図のようにＮ小型領域（３）側の
方が他方よりも薄く形成され、厚い絶縁層の部分がセン
サー領域ＳＥＭＳとして用いられると共に、薄い絶縁層
の部分がオーバーフロードレインＯＦＤのコントロール
ゲート０ＦＣＧとして用いられる。これによっ゛（セン
サー領５３ＨＮＳとオーバーフロー１”レインＯＦＤと
の間に所定のポテンシャルバリヤーが形成される。

絶縁層（７）の上面に被着形成される透明電極（９）に
は受光時、ハイレベルの所定の電圧が印加され、読出時
はローレベルの所定の電圧が印加される。

第７図は第６図構成のものにおける１−Ｉ′線−ヒ及び
ｎ−１１’線」二でのポテンシャルの関係を示すもので
、その横方向は基体（１）の深さ方向をとっである。曲
線βＩはＩ−１’線上における空乏層の拡がりを示し、
曲線β■はｎ−ｎ’綿線上おける空乏層の拡がりを示す
。低批抗のＮ−型領域（１１）を形成すれば空乏層が拡
がると共に、Ｐ型の基体ｔｘｔとＮ−型領域（１１）と
によっ゛ζ形成されるＰＮ接合による接触電位差に基づ
き基体（１）内のポテンシャルは夫々図不のようにＰＮ
接合近傍で凹んだ形となる。この最小ポテンシャルＶＭ
の位置はＮ−型領域（１１）を深（することによ・って
基体ｆｉ）の表面よりも一層深いところに生ずるごとに
なる。

光信号電荷はこのバルクチャンネル内に蓄えられ、オー
バーフローコントロールゲート叶ＣＧの最小ポテンシャ
ルＶＦを越えるとオーバーフローする。

この発明による空乏層の拡がりについて第８図を参照し
て説明する。

第８図において、基体表面からＰＮ接合までの距離をＸ
ＣＨ＋基体表面から最小ポテンシャルＶＭ（光信号電荷
の有無によって相違する）までの距離をｘｔ、ＰＮ接合
から最小ポテンシャルＶ、までの距離をｘ２とし、また
透明電極（９）の電位をＶＧとし、透明電極（９）と基
体（１）との仕事関数の差をφＭ６とすれば、次のｆｌ
）〜（３）式が成立する。

Ｑｐ””ｑＮｏ　　（ＸＣＨＸＩ　　Ｘ２　）　　　・
・・（２１・　・　・　（３） ここに、 ｑ　：電子の電気素鍛 に９　：基体（１）の比誘電率 ε０：真空の誘電率 Ｃｏｘ：絶縁層（７）の静電容量 Ｑｓｓ：絶縁ＩＷ　（７１と基体（１）との界面におけ
る表面準位 ＱＰ：光信号塩イーｆ量 φＦ　：フェルミポテンシャル ＮＤ、ＮＡ：領域（１１）と基体（１）の各濃度 バルクチャンネルが完全に空乏化されていると、ＸｃＨ
＝Ｘ１　＋Ｘ２となるから、今この状態で、例えは、 とした場合には、ｘ２＃ｏ、５μｍとなる。

また、空乏層の延在点からＰＮ接合までの距離をＸＨｌ
とすると、 −ＮＤ　Ｘ２　＝ＮＡ　Ｘａ　　　　・・・・　（５）
であるから、これより、ｘａ＃７．０μｍになる。

従って、空乏層の拡がり距離は、 Ｘ　ＣＨ＋　Ｘ　ａ　＝　１０．０μｍ・・・・（６）
となる。

このように、この発明によれば空乏層は基体表面から１
０．０μｍ程度の深さまで延在することになるから、長
波長成分による光信号布イＥＳでも基体（１）中に等方
向に拡散することなく信号キャリヤーとなり得る。この
ため、この光信号電荷が垂直シフトレジスタＶＲに流れ
込む割合が少くなって、長波長感度及びスミアが大幅に
改善される。

なお、センサー領域５ＥＮＳではＮ−型領域（１１）と
基体（１）とのＰＮ接合が形成され、また透明電極（９
）と基体（１）との間には所定の電圧が印加されている
ため、基体（１）の表面付近での光信号電荷の再結合は
生じない。このため、短波長の感度はあまり低トしない
。

また、センサー領域５ＥＮＳに形成されるＮ−型領域（
１１）は低抵抗層であるため、光信号電荷の読出し時バ
ルクチャンネルが完全に空乏化されるような濃度にごの
Ｎ−型領域（１１）の濃度Ｎｏを選定しζおけは、読出
し時ハンクナヤンネル内の光信号電荷はほぼ完全に垂直
シフトし・ジスタＶＲに転送するごとができる。従って
、残像の発生も大幅に軽減される。このためには、 ５　Ｘ　１０１１０ｌ５≦ＮＤ≦３　Ｘ　１０１６ｃｍ
−３・・ｆ７１のような濃度ＮＤに選定すればよい。

なお、上述の実施例ではインターライン転送方式のバル
ク型ＣＣＤの固体撮像素子に通用したが、受光部と蓄積
部を有するようなバルク型ＣＣＤにおいて、受光部での
キャリヤ転送がインターライン転送であって、蓄積部で
のキャリヤ転送がフィールド若しくはフレーム転送とな
るようないわゆるハイブリッドトランスファ（ＨＴ　）
転送方式の固体撮像素子にもこの発明を適用することが
できる。

３発明の詳細な説明 な説明したように、この発明によれは、短波長感度を下
げることなく、残像も発生させずにスミア量を軽減する
ことができるから、この発明は高画質を得る、−とを目
的とした固体撮像素子に通用して極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は光信号の基体中での減衰状態を説明する図、第
２図及び第４図は従来の固体撮像素子の一例を不ず断面
図、第３図及び第５図は夫々そのポテンシャルを示す図
、第６図はこの発明に係る固体撮像素子の一例を不ず断
面図、第７図及び第８図は夫々そのポテンシャルを示す
図である。 （１）は基体、（１１）はＮ−型領域、ＶＲば垂直シフ
トレジスタ、ＣＧは読出しコントロールゲート、５ＥＮ
Ｓはセンサー領域、０１’（：Ｇはオーバーフローコン
トロールゲート、ＯＦＤはオーバーフロードレイン、Ｃ
３はチャンネルストッパ、（７）は絶縁層、（８）。 （９）は電極である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１導電型の晶抵抗基体上に他の導電型で上記基体より
   も低抵抗である低抵抗層を設けてＰＮ接合を形成し、こ
   の低抵抗層上に厚い絶縁層の部分と薄い絶縁層の部分を
   形成し、上記両方の絶縁層ヒに沿って透明電極を形成し
   、上記厚い絶縁層の十に対応する部分を受光領域とし、
   薄い絶縁層のドに対応する部分をオーバーフローコント
   ロールリー−１−領域とした固体撮像素子。