JPS60182768A - 縦形オ−バ−フロ−イメ−ジセンサ− - 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 本発明はＡｉ川、な縦形オー／ヘーフローイメージセン
サーに関し、スメア、ブルーミングをより小さくした新
規な縦形オーバーフローイメージセンサ−を提供しよう
とするものである。

背景技術 １、Ｇｌ　／＃　１＆ｓ僧誌許！（調Ｖ冗抹の点間ｍ−
喜にへ清）以の面ンい光によって過剰電荷が発生し、そ
の過剰電荷によって害生画像が損なわれるブルーミング
、スメア現象が発生するという大きな欠点を有し、これ
が実用化を阻む大きな要因となる。

そこで、Ｆ＃　Ｊａするチャンネル間にオーバーフロー
トレインを設け、該オーバーフロードレインによって過
剰電荷を吸収するようにする等の対策が諦じられた。し
かしながら、隣接チャンネル間にオーバ−フロートレイ
ンを設けることは開口率を低くしてしまうという問題を
生しる。そのため、開口率を低くすることなく過剰電荷
を吸収できるようにすべく案出されたのが縦形オーバー
フロー構造のイメージセンサ−である。

第１図は縦形オーバーフロー構造を有する電荷結合ディ
バイス（以下ｒｃｃＤＪという。）の光センサーのセル
の断面構造を示すものである。

同図において、ａはＮ−型の半導体基板、ｂは半導一体
基板ａの表面上に形成されたＰ型半導体ウェルで、その
接合深さは感光素子下において浅く、転送領域下、アン
プ下において深くされている。Ｃはフォトダイオード型
の感光素子で、Ｐ型半導体ウェルｂの接合深さの浅い領
域の表面に選択的に形成されたＮ十型半導体領域からな
る。ｄはＰ型土４休ウェルｂ表面において感光；Ｆ９子
Ｃを囲繞するように形成されたチャンネルストッパで、
Ｐ十型半導体領域からなる。ｅはＰ型２１！゛導体つェ
ルｂの表１ｎｊに形成されたＮ十型の垂面転送レジスタ
、ｆは感！　；４、子Ｃと垂直転送レジスタｅとの間を
ｍ！１’１ぶ読み出しケ−１・部で、チャンネルストッ
パｄの不純物濃度よりも低い濃度のＰ−型半導体領域か
らなる。ｇは半導体表面を被覆するシ’）　］　］ン酸
化１１！−ｉｈは転送用の電極である。

このように、縦形オーバーフロー構造の半導体光センサ
ーは半導体ノ、（板ａがＰ型てはなくＮＪ（ｌｊてあり
、Ｎ型の半導体基板ａ−ヒにＰ型半導体ウェルｂを形成
し、該Ｐ型半導体ウェルｂ表面に感光素子Ｃ等活性領域
を形成してなるものであり、第２図は感光素子Ｃの中央
部における深さ方向のポテンシャルプロフィールを示す
。同図において、実線は感光素子Ｃに電荷が全く蓄積さ
れていない状’ｊｌＩ：、におけるポテンシャルを示す
。

第２図から明らかなように、感光素子Ｃとウェルｂとの
間にある高さの障壁が形成される。そしで、その障壁を
越えるｈ：のｉｌＬ荷が感光」、子Ｃに生じると、その
障壁を越える分の電荷が半導体基板ａの深さ方向に流れ
る。従って、感光素子Ｃに蓄積される過剰電荷はＰ型半
樽体つェルＣを越えて半２υ体−１（〜ａに流れ、半導
体基板ａに吸収されることになり、Ｖｒ接接チャンネル
間オーバーフロートレインを設ける必要性かなくなる。

その結果、開１１率を小さくすることなく過剰電荷の吸
収を行うことができる。

又、感光素子Ｃの深部において光電変化された′電荷は
半４体］、（板ａに吸収される可能性か強くなるのてス
メアが少なくなるという利点がある。これ等の点で縦形
オーバーフロー４．ｂ造の半導体光センサーは（’Ｒれ
ているといえる。

前足技術の問題点 しかしながら、縦形オーバーフロー構造のイメージセン
サ−においてもスメアが出てしまい、スメアを完全にな
くすことができなかった。その点について第１図、第２
図に従って具体的に説明する。

感光素子Ｃを成すフォトダイオードに寄生する容ｌをＣ
ｇ、フォＩ・ダイオードとその周囲のゲートとの間の容
量をＣｐ、フォトダイオードとその周囲のチャンネルス
トッパｄとの間の容ｈ；゛をｃｐ、フォトダイオードと
半導体〕、（板ａとの間の容ｈｊ、をｃｂとすると、次
式（１）が成Ａ″１．する。

Ｃｇ＝Ｃｐ十Ｃｐ　′＋ｃｂ　＠　＃　ｅ　（１）そし
て、感光素子Ｃの中性領域の端の深さをＸｌ、その位置
における電位をφ１、ポテンシャルバリア、即ち、障壁
の頂部の深さをＸｌ、その沫さＸｌの位置における′電
位をφ２、ハル側の空乏層端の深さをＷ、その電位をφ
ｓｕｂとし、又、ＸｌとＸｌの間の容量をＣ２，Ｘｌと
Ｗの間の容量を０３、φ１とφ２の差、即ち、有効障壁
高さをφｂとし、感光素子Ｃに電荷ΔＱが追加されると
すると、φ１、φ２、φｂの変動量Δφ１、Δφ２、Δ
φｂは次の式（２）、（３）、（４）により表わされる
。

Δφ１＝ΔＱ／Ｃｇ　・・・　（２） Δφ２＝Δφ１・Ｃ２／（Ｃ２＋Ｃ３）・・・　（３） Δφｂ＝Δφ１−△φ２−Δφ１・Ｃ３／（Ｃ２＋Ｃ３
）　・　・・　（４） ココテ、Ｒ＝（Ｃ２＋　Ｃ３）　／　Ｃ３トすると、 従って、上記式（２）、（４）により次式（６）が成立
する。

又、光電荷の蓄積時間をｔｓ　（ｔｓさ３０ｍ５ｅｃ）
とし、１＝０でのφｂをφｂ０　とし、光電流をＩｐと
する。

すると、光ｈ；−がオーバーフローが生じない程度に少
ないと、増加する電荷ΔＱ（エレクトロン。

従ってΔＱく０）は次式（７）て表わされる。

Δ　Ｑ　：　′Ｉ　ｐ　ＩＩ　Ｌ　ｓ　や　・　・　（
７）ところで、電荷が蓄積されるとその増加電荷ΔＱに
対応して障壁高さかある量Δφｂ減少する［式（６）参
照］。その結果、φｂがある程度（約０．５Ｖ）以下に
なれはオーバーフローを開始する。ここて、オーバーフ
ロー開始時の光屯がＣ。

をＩｋ、同じく電荷をＱｋ、同じく障壁の高さをφｂｋ
とし、又、Ｉ　ｋ＝０．２ｇＡ／ｃｍ’、φｂｋ＝０．
５Ｖとする。

光量が多く光電流ＩｐがＩｋを越えると、感光素子Ｃに
は−ｒ′イ１（の電荷しか蓄積されないのて光’Ｉｌｌ
流Ｉｐと電荷ΔＱとの関係は直線性を失い、第３図に示
すような曲線で表わされる。ぞして、第４図に示すよう
に障壁（そのイラ効高さφｂ−φｂ０＋Δφｂ［但し、
Δφｂｏｏ］　）を越えて基板ａに流れる光゛正流Ｉｏ
ｆは次式（８）で表わされる。

Ｄ拳Ｎｄ Ｌｂ ・　・　・　（８） そして、」−記入（８）及び１１θ述の式（６）から、
オーバ−フロー後の感光素子Ｃに蓄積される′ＩＬ荷Δ
Ｑは次式（９）で表わされる。

ΔＱ＝ＲＣｇ　（φｂ０−φｂｋｌ ・・・（９） 尚、上記式（８）及び（９）において、ｑは１つの電子
の持つ電荷、Ｄは電子の拡散係数、Ｎｄはフォー・ダイ
オード（即ち、感光索子Ｃ）のドナー濃度、ｋはポルツ
マン定数、Ｔは絶対温度、Ｌｂは障壁の有効長である。

に記式（９）から、オーバーフローしてから感光Ａ・８
子Ｃに蓄ｊｊ＋１される電荷の早は光１ｊｊの１ｏＨに
比例し、かつ、ＲＣｇに比例することが明らかである。

」二記式（１）〜（９）及び第１図乃至第４図に治って
述べたことを要約すると、ポテンシャルプロフィールは
決して不変でなく、感光素子Ｃに蓄２にされる電荷の隼
によって変化し、電荷の１１１．が増加するとそれに応
じて障壁のポテンシャルも第２図における上側に移動し
てしまう。その結果、オーバーフローが開始されても、
電荷蓄積聞始昨点における障壁を越える電荷のすべてが
半導体ノ人板ａに吸収されてしまうわけではなく、１部
は感光素子Ｃ内に蓄ＪＪ−されてしまうことになる。従
って、過剰電荷のすべてを完全に感光素子Ｃかも基板ａ
へ拮除することができるわけではない。

ところで、そのスメアを小さくするには前記の式（５）
のＲを小さくすれば良く、そして、そのＲを小さくする
にはＷを小さくすること、換言すれば空乏層のＮ　４（
！Ｊ半半導体基板円内延びる側の端ｇ１（か深くならな
いようにすることか〃了ましいといえる。ところで、空
乏ＡＹＩ’のＥｌ’導体〕１（板ａ内への延びを少なく
するにはぞのＮ　、１＋！半心体基板ａの不純物濃度を
高くすることが好ましいといえる。しかしながら、Ｎ型
半導体基鈑ａの不純物濃度を高くすると、基板ａの表１
ｎＪにＰ８す不純物を拡散することにより形成される半
導体ウェルの不純物濃度も必然的に相当にＩシフ＋＜Ｌ
なければならなくなる。そして、Ｐ型半導体ウェルの不
純物濃１ルを徒らに高くするとポテンシャルバリアか高
くなり過ぎて縦方向へのオーバーフローがスムースに行
うことが難しくなるという問題に曲面する。

発明の目的 本発明は上記問題を解決すべく為されたもので、信号電
荷の深さ方向の流れに対して障壁を成す半導体ウェルの
不純物濃度を徒らに高くすることなく空乏層の半導体基
板側への延びが少なくなるようにし、延いてはスメア、
ブルーミングを少なくすることを目的とする。

発明の概凹 上記目的を達成する本発明縦形オーバーフローイメージ
センサ−は、光電変換により生じた光電子の半導体表面
から深さ方向への流れに対する障壁を成すＰ型半導体領
域とＮ型半導体基板との間に該ノ、（板の不純物濃度と
異なる不純物ｌ音度のＮ型半導体領域が位１６するよう
にされてなることを特徴とするものである。

実施例１ 以下に、本発明縦形オーバーフローイメージセンサ−を
添ｔＭ４図面に示した実施例に従って訂細に説明する。

第５図乃至第７図は本発明縦形オーバーフローイメージ
センサ−の実施の一例を説明するだめのもので、第５図
はセルの断面図である。同図において、１はＮ−型の半
導体基板、２は半導体基板１表面に例えばイオンインプ
ランテーション法により形成されたＮ型の埋込層で、後
述する感光集子領域の下側に位置するように形成されて
いる。

尚、Ｎ　４＋１埋込層２をイオンインプランテーション
法により形成するのではなく、エピタキシャル成長法に
より形成するようにしても良い。

３はＰ型の半導体ウェル、４は感光素子領域で、半導体
ウェル３の表面部に選択的に形成されたＮ生型半導体領
域からなる。５はチャンネルストッパで、半４体ウェル
３の表面部に感光素子領域４を囲繞するように形成され
たＰ生型半導体領域から成る。６は垂直レジスタで、半
導体ウェル３の表面部に選択的に形成されたＮ生型半導
体領域からなる。７は読み出しゲートで、感光素子領域
４と垂直レジスタ６との間を結ぶようにＰ型半導体ウェ
ル３の表面に形成されたＰ−型半導体領域からなる。８
は半導体表面を被覆するシリコン酸化膜、９は転送電極
、ｌＯは光シールドで、例えばアルミニューム等からな
る。

第６図は感光素子領域中心部における深さ方向の不純物
濃度分布図であり、また、第７図は同じく深さ方向のポ
テンシャルプロフィールである。

この第５図に示すような構造の縦形オー／へ一フローイ
メージセンサーによれば、光電変換により生じた電荷の
深さ方向の流れに対して障壁を成すＰ型半導体ウェル３
よりも深い位置に不純物濃度がＮ−型半導体）、（板ｌ
の不純物濃度よりも高いＮ型半導体からなる埋込層２が
形成されているので、空乏層の基板側への延びを少なく
することができる。従って、前記式（５）のＷが第７図
に示すように小さくすることができる。尚、Ｑ″Ｊ７図
において破線はＮ型埋込層２を形成しない場合のポテン
シャルプロフィールを示す。依って、スメア、ブルーミ
ングを少なくすることができる。

実施例２ 第８図乃至第１０図は本発明縦形オーバーフローイメー
ジセンサ−の第２の実施例を説明するためのものであり
、ｔｆＴＪａ図は縦形オーバーフローイメージセンサ−
のセルの断面図である。同図において、１′は不純物濃
度がきわめて高いＮ中型半導体ノ９（板、２′が該Ｎ生
型半導体ノル板１′の表面上にエピタキシャル成長法に
より形成された不純物濃度の低いＮ−型エピタキシャル
層である。

３は該Ｎ−型エピタキシャル層表面に形成されたＰ型半
導体ウェルである。尚、Ｐ型半導体ウェル３表面部、生
存体表面上の構造は第５図に示す縦形オーバーフローイ
メージセンサ−のそれと同じであるのでその説明は省略
する。

第９図は感光素子領域４の中心部における深さ方向の不
純物濃度分布図、７ｉＪＪＩＯ図は同じくポテンシャル
プロフィール図である。

この第８図に示す縦形オーバーフローイメージセンサ−
においては、半導体基板１′の不純物濃度を高くして空
乏層の延びが略半導体基板１表面で止まるようにすると
共に半導体基板ｌとＰ型半導体ウェル３との間にＮ−型
エピタキシャル層２′を存在させて半導体基板１の不純
物濃度を高くしつつｐ　Ａｌ＋半導体ウェル２′の不純
物濃度を低くして縦方向のオーバーフローか支障なく行
なわれるようにしてなる。従って、第５図に示した縦形
オーバーフローイメージセンサ−と同様に空乏層の基板
側への延びを少なくすることができ、延いてはスメア、
ブルーミングを少なくすることができる。メ、オーバー
フローにも支障を来たさない。

尚、上記２つの実施例はフォトダイオード型の縦形オー
バーフローイメージセンサ−であったが本発明はフォト
ダイオード型以外の縦形オーバーフローイメージセンサ
−にも適用することができる。

発明の効果 以上に述べたように、本発明縦形オーバーフローイメー
ジセンサ−は、光電変換により生じた光電子の半導体表
面から深さ方向への流れに対する障壁を成すＰ型半導体
領域とＮ型半導体基板との間に該基板の不純物濃度と異
なる不純物濃度のＮ５半導体領域が位置するようにされ
てなることを特徴とするものである。従って、本発明に
よれば、Ｎ４１！半埒体、Ｊ、ｔ；　扱の不純物濃度を
低くし、Ｎ型半導体領域の不純物濃度を高くすることに
より、あるいはＮ型半導体基板の不純物濃度を高くし、
Ｎ型半導体領域の不純物濃度を低くすることにより、半
導体の深さ方向のオーバーフローに支障を生じさせるこ
となく空乏層の基板側への延びを小さくすることができ
、延いてはスメア、ブルーミングを小さくすることがで
きる。

変形例 ５．１１図は本発明縦形オーバーフローイメージセンサ
−の変形例のセル中心における不純物濃度分布図である
。

この変形例はＮ型半導体基板（不純物濃度が例えば２Ｘ
１０　７ｃｍ”）の表面から適宜捺い位置にＰ型不純物
を例えばハイエネルギーイオンインプランテーション１
人により打ち込むことにより、濃度分布が急峻で厚さの
薄い半導体ウェルを形成することができる。従って、濃
度分布を急峻にすることによってオーバーフローに支障
をきたさないようにしつつ半導体基板の不純物濃度を２
×１０１　’　／ｃ　ｍ　］　というような高ｃ度にす
ることができる。依って、空乏層の基板側への延びを少
なくすることができる。その結果、前記式（５）のＷを
例えば従来の１０ＡＬ（従来のドライブイン拡散により
Ｐ型半導体ウェルを形成するタイプの縦形オーバーフロ
ーイメージセンサ−においては、一般に）、（板の不純
物１（＞度か２ＸＩＯ１４／ｃが、〕＋（ｈ′屯圧がｉ
ｏｖ、ｗがｉｏ＝程度、ｘ２−ｘ、か０．５〜１川で、
ＲがｌＯ〜２０程度となる。）から２〜３Ｗ程瓜にする
ことかできる。従って、Ｘ２＝ｘｉ＝１ｇでもＲを３程
度にすることかできる。

どころで、オーバーフロー後の感光素子領域の電位変化
Δφは、次式（ｌＯ）で表わされる。

Ｔ ΔφｃｘＲ−Ｌ　ｎ　（Ｉ　ｐ　／　Ｉ　ｋ）・・・　
（１０） 従って、Ｉｐ／ｌｋ＝１０とすると、 Δφ＝　Ｏ、ｌ　７　Ｖ／ｄｅｃａｄｅとなり、読み出
しゲートと障壁との間のポテンシャルマージンをＩＶと
した場合にはＩｐがオーバーフローを開始する値Ｉｋの
６．１ＸＩＯ倍にまでスメアを防止することができ、オ
ーバーフロー開始ｌ１４ｆの１０倍程度以上の光電流が
生じるとスメアが発生するような従来の場合に比較して
スメアをきわめて少なくすることができる。

尚、Ｐ型半導体ウェルはＭｏ１ｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ
　Ｅｐｉｔａｌｔｙにより形成するようにしても良い・

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は背景技術を説明するだめのもので、
第１図は従来の縦形オーバーフローイメージセンサ−の
セルを示す断面図、第２図はそのセンサーのポテンシャ
ルプロフィール図、第３図は光電流と感光素子領域の蓄
積電荷量との関係図、第４図は障壁を越えてオーバーフ
ロー電流が流れることを示すためのポテンシャルプロフ
ィール図、第５図乃至第７図は本発明縦形オーバーフロ
ーイメージセンサ−の実施の一例を説明するだめのもの
で、第５図はセルの断面図、第６図はセル中心における
深さ方向の不純物濃度分布図、第７図は同しくポテンシ
ャルプロフィール図、第８図乃至第１０図は本発明縦形
オーバーフローイメージセンサ−の別の実施例を説明す
るだめのもので、第８図はセルの断面図、第９図はセル
中心における深さ方向の不純物濃度分布図、第１０図は
同じくポテンシャルプロフィール１Δ、第１１図は本発
明縦形オーバーフローイメージセンサ−の変形例の不純
物濃度分布図である。 ９４号の説明 １．１′・・・Ｎ型半導体基板、 ２．２′・・ψＮ型半導体領域、 ３・・・Ｐ型半導体領域 第　１　回 第　２　図 第　３　図 Ｏ 第　４　図 Ｘ２　→深さ 第　５　図 − 【 へ 廓 ＸｒＸｚ　Ｗ−４−深２ 第８図 第９図 第１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光電変換により生した光電子の半導体表面から深
   さ方向への流れに対する障壁を成すＰ型半導体ｆ（４域
   とＮ５半導体基板との間に該ノル板の不紳物濃瓜と異な
   る不純物濃度のＮ型半導体領域が位置するようにされて
   なることを特徴とする紐形オーバーフローイメージセン
   サ−