JPS6169171A - 固体撮像装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はテレビカメラ用固体撮像装置に関するものであ
り、さらに詳述すれば、萬感度化のための画素の改善に
関する。

〔発明の背景〕

まず従来技術の概要とその問題点を第１図より第４図ま
でを用いて説明する。

第１図は典型的な二次元同体撮像装置の構成例を示す。

光ダイオード１とＭＯＳ型トランジスタ（ＭＯＳＴ）２
を単位として画素のアレイが構成サレる。ＭＯＳｆｊｌ
シフトレジスタからなる水平走査回路９および垂直走査
回路ｌＯにより、それぞれＭＯＳ型トランジスタ２．３
を／１ｍ次走査し、光ダイオードｌに蓄積された光によ
り発生した電荷を信号線６および７を通じて出力端８よ
り順次引き出し、画素の受けた画像（光）信号を電気信
号として増り出すものである。信号線６．７および出力
端８は目的に応じそ石ぞれ複数ＩＢに分けられている場
合もある。

第２因は代表的な画素の断面構造の概略を示す。

以下説明の便宜上、電子を信号電荷とするｎチャンネル
素子について述べるが、正孔を信号電荷とするｐチャン
ネル素子においても、以下の説明は導電型ならびに極性
を逆にするのみで全く同様にｆ　　　　　　適用できる
。　　　・ ｐ型８ｉ単結晶からなるＳｉ基板１１とｎ＋拡散層１２
で光ダイオードを構成し、同時Ｉζｎ　拡散層１２はソ
ースとして、たとえば多結晶８４からなるゲート［極１
３と、該ゲート電極１３下で薄くなっているＳｉＯ２膜
１６とドレインとしての　　・ｎ＋拡散層１４と共にＭ
ＯＳ型トランジスタを構成する。ｎ　拡散層１４には通
常その電気抵抗を低下させるために、Ａ）などの金属か
らなる電極１７を設け、第１図における信号線６として
用いる。ｎ　拡散層１２は正電圧のかかった信号線６を
介して正に充電さｎ１光１５によって発生した電子−正
孔対の内の電子２０がこのｎ　拡散層１２に流入し放電
する。次の走査パルスウ５ゲート流極１３に印加される
までこの放電が続き、この走査パルスにより上記ｎ＋拡
散／１ｔ１２が再充電されると、同時に光重に応じた電
子量が読み出されるわけである。

このような基本的構成の一体撮像素子には多くの問題を
有している。

まず第１は、光によって発生する信号電荷量が小さく、
かつｎ＋拡散層１２の電荷容量すなわち接合容量１８も
小さいことである。特に解像力を改善するためには画素
を小さくする必要があり、必然的にｎ＋拡散層１２の面
積が小さくなり、画素当りの信号電荷量はますます小さ
くなる。さらに第１図における信号ｓ１６に接続される
ｎ　拡散１＠１４の数は画素数の増加と共に増し、各ｎ
　拡散層１４が接合容量１９を有し、信号ｓ６および７
の有する寄生容量と加わった大きな容量になる０したが
って、出力端８に現われる゛電気信号は著しく小さく、
電気雑音に埋まり、検出が困難となっている。特願昭５
１−１４４８００で示したごと（、ｎ　　拡散層１２の
接合容量のみを増す事により信号対雑音比は改善するこ
とができたが、弱い光感度は改善することができない。

第２の大きな問題は、素子の１部に強い光が入射した場
合に関するものである。それは、ｎ＋拡散層１２に流入
、蓄積されるべき電子がｎ　拡散／６１４に流出し、こ
の結果、信号線６を共有する他の画素を読み取っている
時に、その信号に混入し、貴生画面に明るい縦、１ｌｉ
ｌｆＪｊ現わｎるもので、ブルーミング現象と呼ばれて
いるものである。原因には２通りある。１つは接合容量
１８が飽和し。

光起電力により更にｎ　拡散／１１２が負電位になる結
果、ｎ　拡散層１２よりｐ型の８１基板１１へ電子の注
入が起こり、その結果ゲート電極１３に正の走査パルス
が印加されていないにもか力）ねらず、動作条件上特に
ポテンシャルの低い表面１こ沿って（電子２２で示すご
とく）電子が効率良くｎ＋拡散層１４に流出するもので
ここではブルーミング■と呼ぶ。これを押えるためには
ゲート電＠１３に負のバイアスを印加して特にゲート電
極１３下のポテンシャルを高めることが必要であるが、
素子の駆動に正負両極の電圧を要し、非常に困難となる
。もう１つは吸収係数の小さい赤、赤外光などにより、
Ｓｉ基板１１の奥採くで生成した光電子２１がｎ＋拡散
層１２だけでなくｎ＋拡散層１４にも流入するため、読
み出しのタイミングに関係の無い擬似信号を住み出して
しまうものである。これをベルーミング■と呼ぶ。

他にも多くの問題点を有しているが１以上の感度不足と
ブルーミング現象は基本的構成の固体撮像素子にとって
致命的とも言える大きな問題である。

こわに対し、轡に感度改善を主眼としで、ベッカ−（Ｐ
、Ｗｅｃｋｌｅｒ　）より、回路構成としては第３図に
、断面構造としては第４図に示すような画素の素子つＳ
提案さｎている（％公開４５−３１８０７）。これは第
１図における光ダイオード１を光トランジスタ２６に変
え、この光トランジスタ２６のエミッタ２４をＭＯＳ型
トランジスタ２のソースに接続したものである。光はベ
ース２３とコレクタ２５の接合、すなわち第４図におけ
るｎ型層３２とｐ型Ｓ５基板３１の間で光電変換される
。そして、読み出す時にこの光電変換された信号がトラ
ンジスタ２６により増巾さｎるので、信号線６には大き
な信号を得ることができる。

すなわちトランジスタ２６の増巾率次第で桁違いに大き
な信号を得、感度を増すことを目的としてｔ・　　　　
　　°゛６・Ｌ力゛し以下０主な問題点０ため実用化さ
れでいない。

第１は、容性チャネル対策である。この構造においては
ｐ型Ｓｉ基板３１の表面４１、ｎ型層３２の表面４２に
それぞｎの逆の極性の反転層による容性チャネルを生じ
易い。この寄生チャネル防止のため、表面４１にはｐ型
の不純物濃度を高く、表面４２にはｎ型の不測物港度を
高くしたチャネル防止を施すことが不可欠であるが、こ
の様に両極性が必要な領域で隣り合っていては困難であ
る。またｐ　拡散層３８とｎ　拡散層３４．３９という
両極の導電性の充分高い層を要し、且つ各画素で結ａ４
０が要ることから、基本構成の素子が単チャネルＭＯＳ
集積回路技術で加工できたのに比べ、高度な相補型ＭＯ
Ｓ集積回路技術を要する。こｎは、工程を多くし、不良
率が高くなり、特に集積度の高い集積回路である固体撮
像素子実現の大きな障害となっている。同時に同技術に
より、たとえばｎ型層の周囲を全てｎ　拡散層化するな
どの手段により、畜生チャネル防止がで公 きたとしても１画素寸法が著しく大きくねってしまい、
高解像力化が困難である。さらにブルーミング現象に対
しでは第２図に示す構造のものと同様である。すなわち
、ｎ　拡散Ｉｆ！Ｉ３９よりｐ型のＳｉ基板３１への電
子の注入が起こり、その結果ケート電極３３に正の走査
パルスが印加されていないにもかかわらず、動作条件上
ポテンシャルの低い表面に沿って電子がｎ　拡散＃３４
に流出するブルーミング■が起こり、史に、Ｓｉ基板３
１の奥深くで生成した光電子がｎ　拡散層３４に流入す
るブルーミング■も起こる。

なお、Ｗ、３図と第４図の極性は逆になっているが、こ
ｎｔｔ−１第４図の導電型を逆にすればよい（即ち、ｐ
をｎに、ｎをｐに）。才だ信号は基板側から取り出す形
となっているが、この場合は信号系の寄性容量が著しく
大きくなり、信号対雑音比が上記説明の場合よりはるか
に劣化し不利である。

〔発明の目的〕

本発明は以上の従来技術の雑煮を除き、高感度でブルー
ミング現象を押えた実用的な固体撮像装置を得る手段を
提供するものである。

（発明の概要〕 大発明の第１は、面体無像装置の画素部を構成する光ト
ランジスタのエミッタと〜１Ｏ８型トランジスタのソー
ス及びドレインとを共に同一導電型の牛専体領域で構成
したものである。

本発明の第２は、固体撮像装置の画素部を構成する光ト
ランジスタのベースとＭＯ３型トランジスタノケートと
の間を容量結合したものである。

〔発明の実施例〕

第５図は本考案の１実施例を示す。第４図の従来技術と
比べ、光トランジスタ２６のエミッタ型 ５８、ＭＯＳｍトランジスタ２のソース５９およびドレ
イン５４を共に同−導電形（ｎ　　）の拡散層としたこ
とに大きな特徴がある。以下の実施例に於ても同様であ
る。ＭＯＳトランジスタは全面素に共通したｐ型のウェ
ル６１上に設け、このウェル６１は画素領域の外側でｎ
型のＳｉ基板に対し逆バイアスとなる。ベース５２とウ
ェル６１の間はｎ＋拡散層６２で分離する。

加工技術上は、低不純物濃度のｐ型のベース５２、ウェ
ル６１を形成した後、最も扁集積化に適したｎチャネル
防止　ｏ　ｓ集積回路技術で良い。寄生チャネル防止も
ｐ型に対してのみ行えば良く。

これも通常のｎチャネルＭＯＳ集積回路技術と同じであ
り、非常に容易となる０ 動作Ｉこ於いては、ウェル６１を従来技術のｐ型８ｉ基
板の代りにして用いる。従来技術と最も異なる点は、こ
のｐ型Ｓｉ基板代りのウェル６１に対し、ゲート５３に
は特に負のバイアスを印加することを要しない。すなわ
ち、ゲート５３下はウェル６１と同電位にある点である
。光５５ｂＳベース５２に入射すると、ベース５２、従
ってソース５９は正方向に電位が変る。すなわち従来技
術とは逆に光によりソース５９とウェル６１の間ｂ１逆
バイアスに印加された形となる。この結果、いくら強い
光が入射してもソース５９から電子がドレイン５４に注
入されることは無く、ブルーミング■は生じない。また
Ｓｉ基板５１内部で生成する光電子は、ここでは多数キ
ャリアであり、逆バイｆ　　　　　アスされたウェル６
１に侵入できず、ブルーミング■も全く生じない。光電
変換信号の増巾については、従来技術の原理通りである
０従って、光感度が高くブルーミング現象のない固体撮
像素子を。

通常のｎチャネルＭＯＳ集積回路技術で得ることができ
る。

さらに従来の素子と異なり１Ｍ（Ｊ８　トランジスタの
動作条件は常に基板バイアス（対ウェル６１）が無くな
る方向であり、基板効果による閾電圧の増加が無く、駆
動パルス電圧を小さくすることが可能であり、低雑音、
低消費電力化が可能である。

以下の実施例においても同様である。

第６図に本発明の他の実施例を示す。これは第５図の実
施例に於けるｎ型Ｓｉ基板５１を、全画素に共通する薄
いｎ型のウェル８１に代え、ｐ型ウェル６１をｐ型のＳ
ｉ基板７１に代え、このＳｉ基板７１上にＭ（ＪＳｉト
ランジスタ２を形成したものである。このようにｐ型の
Ｓｉ基板７１を用いても第５図のものと同様な効果を得
る〇第６図の本実施例は、分光感度特性の仕様が重要な
意味を持つ０たとえば、カラーカメラ用向体撮偉素子な
どに適している。ｎ型のウェル８１を薄くすることによ
り、長波長光どＳｉ基板７１内部で生成する光電子、正
孔がベース７２に流入しない様にし、不要な赤、赤外感
度を押えることが可能であり、この点での効果は発明者
らによる特願昭５２−５９５３と同じである０ ゛ブルーミング現象に対する効果も第５図の実施例と同
様である０即ち、ブルーミング■はＭ５図の実施例と全
く同様であり、ブルーミング■については、Ｓｉ基板７
１内で生成した光電子はドレイン７４に到達し得るが、
パイアスカＳ印加されていないために流入できない。さ
らに、この到達の確率自体が、周囲の逆バイアスされた
ソース７９、ウェル８１に光電子ｈ５吸引されるため、
はとんど無に等しくなる０加工技術上も、当初ｎ形のウ
ェル８１？！ｌ−形成する事が加わるが、実質的に通常
のｎチャネルＭＯＳ集積回路技術と同じで良い０第７図
に本発明の更に他の実施例を示す０これは第１の実施例
（第５図）に、２つの構造的改善を付加したもので、Ｋ
２の実施例（第６図）−ζも全く同様に適用できる。

改善の第１は、ベース周辺のｎ　拡散層６２を同図６３
のごとく、ベースの表面に延在させるものである。特願
昭５２−８３７で詳述したごとく、この浅く不純物濃度
の高いｎ　拡散層６３の存在により、短波長光感度が向
上し、かつ、ベース５２と８ｉ基板５１（コレクター）
の間の接合容量が増加し、信号容量を大きくすることが
可能である０ 改善の第２は、ベース上のＳｉｎ、膜などの絶縁膜を介
して電極６４を設け、これをゲート電極５３と接続する
ことにより、ベース５２と容量結合なさＬむるものであ
る。この画素を回路要素で示すと第８図に示すようにな
り、容量８６が当該容量である。

バイポーラトランジスタの増巾動作の基本となるエミッ
タ、ベース間の順方向電流、すなわちダイオードの順方
向電流Ｊ２は Ｊ、　〜Ｊ、ｅｘｐ（−ｑＶ／ｋＴ）　　　（１）で与
えらｎる。Ｊ、は飽和電流、ｑは電荷素置、■は順バイ
アス電圧、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。

光量が微弱になると、このＶが小さくなる。この結果、
信号電荷量の増巾は行われるが、電流が著しく小さくな
り、読み取りに必要な時間が長くなってしまう。この結
果、硯み取り時間が有限であるため、光量が微弱な場合
には光分読み取れず。

ゲート電極５３を閉じた後もソース５９．エミッタ５８
の有する寄生容量に応じた電流がＳｉ基板５１へ流れ続
け、実質的には低照度感度が無くなる０ 本発明の素子においては、読み取り時には容量８６によ
りベースに一定の小さな正のオフセット電圧が与えられ
てＶを大きくして読み取りを高速化し、読み取り後は逆
の動作によりエミッタ、ベース間に残る微小な残留電圧
を解消あるいは逆バイアス化し、後続の電流を断つ。接
合の順方向の電流電圧特性は（１）式で示したごとく、
■が小さな領域でＶにより大きく変化する非線型の抵抗
１こ相〆　　　　　当するため、一定時間の読み取り後
の上記残留電圧は、■の初期値にはほとんど依存しない
一定値となる。この結果、微弱光の信号も読み取る事が
可能となり、低照度感度を得る。

なお、容［８６により与えるオフセット電圧は、エミッ
タ５８の面積ないしはベースへの充電能力と読み取り時
間の兼ね合いであるが、０．２Ｖ以上あわば大むね充分
であり、容−！８６は比較的小さなもの、例えば容′１
Ｉｆｔ８５の１／１０以上でも充分な効果を見違できる
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高感度でブルーミングｆＡｔの無い固
体撮像素子を実現することりＳ可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体撮像素子の構成を示す略回路図。 第２図は固体撮像素子の画素構造を示す断面図、第３図
はホトトランジスタを用いた従来の固体撮像素子の画素
部の略回路図、第４図は第３図に対応する画素構造を示
す−ｊ面図、第５図、第６図、ｆａＴ図は本発明の固体
撮像素子の実施例に係わる画素構造を示す断面図、第８
図は第７図に示す画素の等価回路を示す図である。 ５１　・ｎ型８ｉａｉ板、７１　・ｐ型Ｓｉ基板、５２
．７２・・・ｐ型ベース領域（光トランジスタのベース
）。 ５３％７３・・・ゲート電極（ＭＯＴ２のゲート、ポリ
８ｉ等）、５４．７４−ｎ　　型ドレイン領域（ＭＯＳ
Ｔ２のドレイン）、５５　・・・光、５６．７６−・・
絶縁膜、５７．７７−・・信号線（垂直信号線６、！’
１等）、５８．７８　・ｎ　　型工；ツタ領域（光トラ
ンジスタのエミッタ）、５９，７９・・・ｎ＋＋ソース
領域（ＭＯＳＴ２のソース）、６０゜８０・・・配置（
ＡＩ！等）、６１・・・ｐ型ウェル領域。 ６２．６３．８２・・・ｎ＋型領領域８１・・・ｎ型領
域。 蔦　　１　　団 ロコ 高　３　図 Ｚ６ 活　４　図 第　　５　　図 第　に　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＭＯＳ型トランジスタと、該ＭＯＳ型トランジスタ
   のソース及びドレインのいずれか一方にエミッタ側が接
   続された光トランジスタとからなる画素を有する面体撮
   像装置において、上記ＭＯＳ型トランジスタのソース及
   びドレインを第１導電型の半導体領域内に設けられた第
   ２導電型の半導体領域で構成し、上記光トランジスタを
   第２導電型の半導体領域からなるコレクタと、該コレク
   タ内に設けられた第１導電型の半導体領域からなるベー
   スと、該ベース内に設けられた第２導電型の半導体領域
   からなるエミッタとで構成したことを特徴とする固体撮
   像装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記コレクタを基
   板とし、該基板表面に設けた第１導電型の半導体領域内
   に前記ＭＯＳ型トランジスタを設けたことを特徴とする
   固体撮像装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記ＭＯＳトラン
   ジスタのソース及びドレインが設けられた第１導電型の
   半導体領域を基板とし、該基板内に前記光トランジスタ
   を設けたことを特徴とする固体撮像装置。 ４、ＭＯＳ型トランジスタと、該ＭＯＳ型トランジスタ
   のソース及びドレインのいずれか一方にエミッタ側が接
   続された光トランジスタとからなる画素を有する固体撮
   像装置において、上記ＭＯＳ型トランジスタのゲートと
   上記光トランジスタのベースとの間を容量結合する手段
   を設けたことを特徴とする固体撮像装置。