JPS63318155A - 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】 〔概要〕 本発明は蓄積ゲート領域に縦型オーバーフロードレイン
を設け、蓄積ゲートに印加する電圧を変化させてオン、
オフすることにより電荷の蓄積り間を制限する固体搬像
素子において、 蓄積ゲート領域の基板表面のウェルと異なる導電形の層
を、入力ゲート領域と蓄積ゲート領域の境界又は更に入
力ブート領域側まで延在形成づることにより、 素子パターンの微細化、又は単位画素面積の拡大化を図
ることなく、ブルーミングを抑制することができるよう
にしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は固体撮像素子に係り、特に蓄積ゲート領域にウ
ェルを用いた縦型オーバーフロードレインを設けた固体
面像素子に関する。

固体撮像素子において、強い入射光が受光面の一部に当
たり、最大蓄積電荷吊を越える電荷量が発生すると、こ
れらの過剰な信号電荷が画素からあふれ出して周囲の画
素に混入する。この現象が生ずる・と、画面ではハイラ
イト部の像の広がりとして見え、画質を著しく劣化させ
る（これをブルーミングという）、。

このため、固体撮像素子では上記ブルーミングの防止の
ため、オーバーフロードレインを各画素毎に配置し、過
剰な信号電荷を撞き出させることが行なわれる。このオ
ーバーフロードレインの配置には横型と縦型とがあるが
、画素の平面内にドレインを配置することが不要な縦型
は画素の有効面積の減少がない等の特長がある。

〔従来の技術〕

第４図は従来の固体Ｈ１ｔ素子の一画本分の一例の構造
断面図を示す。同図中、１は光起電力形の光電変換素子
である赤外光受光用フォトダイオードで、ｎ−形のシリ
コン（Ｓｉ）ｙＪ半導体基板２とは別の半導体基板に形
成されており、ハイブリッド型固体園像素子を構成して
いる。

また、半導体基板２上にはｐウェル３が形成されており
、入力ゲート（ＩＧ）電極４の直下では接合の深いｐウ
ェル領域３ａが形成され、蓄積ゲート（ＳＧ）電極５の
直下では接合の浅いｐウェル領域３ｂが形成され、更に
トランスファゲート（ＴＧ）電極６及び転送ゲート電極
７の各々の直下では接合の深いｐウェル領域３Ｃが形成
されている。

更に、ｐウェル領域３ａに隣接して、基板表面にｎ＋領
域８が形成されており、このｎ＋領域８とｐウェル領域
３ａとにより、入力ダイオード（１０）が構成されてい
る。

かかる構造の固体撮像素子において、７４１〜ダイオー
ド１により受光された赤外光は、ここで光電変換される
。フォトダイオード１は第５図にその構造断面を模式的
に示す如く、ｐ形基板１０上にｎ＋領域１１が形成され
ており、赤外光を受光すると、ｎ＋領域１１の周囲に光
電子１２を発生する。この光電子１２は第４図に示した
ｎ＋領域８及びｐウェル領域３ａよりなる入力ダイオー
ドと、入力ゲート電極４及びｐウェル領域３ａよりなる
入力ゲート領域とを順次に通して、蓄積ゲート電極５直
下の基板表面に形成されたｎ影領域９に供給され、ここ
で信＠電荷として蓄積される。

この信号電荷はトランスファゲート電極６直下のｐウェ
ル領域３Ｃを通して、半導体基板２上に形成された垂直
レジスタを構成するチャージ・カップルド・デバイス（
Ｃｈａｒａｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ
）へ移送され、転送ゲート電極７に印加されるり【］ツ
クパルスφにＪ、す、垂直方向（第４図中、紙面と直交
する方向）へ転送され、水平レジスタ（図示せず）に到
る。

ここで、蓄積ゲート領域に蓄積される信号電荷【ｆｌは
、フォトダイオード１の入射光が強いほど多くなり、入
射光量がある値以上になるとポテンシャルの井戸からあ
ふれ出す。しかし、このあふれ出た過剰信号電荷は、ｎ
影領域９と浅い接合深さのｐウェル領域３ｂとｎ−形半
導体基板２とで構成される縦型バンチスルートランジス
タからなるオーバーフロードレインの機能によって、ｎ
−形半導体基板２に掃き出される。これにより、入射光
量が強い場合のブルーミングの発生を抑えることができ
る。

ところで、フォトダイオード１には赤外光が入射され、
この固体搬像素子は赤外センサ等として使用されるが、
その出力信号は梶像すべぎ高温の想定目標物の温度変動
分に対応する信号より、背景光などによる直流成分の方
が極めて人であることが多い。従って、前記蓄積ゲート
に常時、入射光に応じた信号電荷を蓄積するようにした
場合は、背景光などの電荷によってポテンシャルの井戸
が飽和してしまい、想定目標物による信日電荷の検知感
度が低下してしまう。

そこで、従来は各画素で受は入れられる電向缶に制限が
あるので、蓄積ゲート電極５を交互にオン、オフさせ（
その周期は例えば１フレーム）、オンの期間のみ電荷を
蓄積ゲート領域に蓄積させ、オフの期間は電荷の蓄ｈ１
を阻止することにより、正常な入射光量の想定目標物に
よる信号電荷が飽和しないようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに、上記の従来の固体撮像素子においては、蓄積
ゲート電極５をオフとしている非蓄積時間においてもフ
ォトダイオード１は赤外光を受光しており、入射赤外光
の強度によってはこの非蓄積時間に第６図に示ず如く、
゛重荷１２がフォトダイオード１のポテンシャルの井戸
１３からあふれ出てしまうことがある。

この場合は、蓄積ゲート電極５がオフであり、前記縦型
オーハーフ１コードレインによる過剰電荷の流出ができ
ず、１画素内で成る聞以上の電荷が発生すると、あふれ
出た過剰電荷が隣接する画素へ流入し、ブルーミングが
発生してしまうという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みて耐性されたもので、蓄積ゲー
ト電極がオフの期間のブルーミングの発生を抑えること
ができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の固体撮像素子は、菩梢ゲート電極直下の基板表
面から深さ方向へ順次に形成された第１の導電形の層、
接合深さが周囲より浅い第２の導電形のつ１ル、及び第
１の導電形の半導体基板よりなる縦型オーバーフロード
レインを設けると共に、ｒｉ積ゲート領域への電荷の蓄
積と蓄積の阻止とを蓄積ゲート電極に印加する電圧の変
化によって交互に行なう固体撮像素子において、上記第
１の導電形の層を蓄積ゲート電極と入力ゲート電極との
境界又は入力ゲート電極の直下イ１近まで延在形成した
ものである。

（作用） 前記第１の導電形の層が存在しない領域は、蓄積ゲート
がオフとされた非蓄積時間内においてオフ状態となり、
電荷の移送が阻止されるが、第１の′４電形の層が存在
す′る領域はオフ状態にならない（すなわち、第１の導
電形の層のポテンシャルは成る程度深い状態となる。）
。

従って、第１図に模式的に示す如く、光電変換素子のポ
テンシャルの井戸１５内に蓄積されている電荷１６は、
入力ゲート電極直下付近まで延在する上記第１の導電形
の層のポテンシャルが、蓄積ゲートがオフの期間でも１
７で示す如き成る深さをもつので、矢印で示すように第
１の導電形の層の方へ流出し、更に既存の縦型オーバー
フロードレインに流出されることとなる。このため、電
荷１６があふれ出て隣接する画素に混入することを防止
することができる。

〔実施例〕

第２図は本発明の一実施例の構造断面図を示す。

同図中、第４図と同一構成部分には同一符号を付し、そ
の説明を省略する。第２図において、２０は半導体基板
２と同じｎ形の層で、蓄積ゲート電極５の直下付近から
蓄積ゲート電極５と入力ゲート導電ｗＡ４との境界付近
まで、基板表面に浅く、かつ、延在形成されている。寸
なわら、ｎ形の層２０は従来の第４図に示す層（領［）
９に比べ、入力ゲート電極４側に拡大して形成されてい
る。

かかる構造の本実施例の動作につぎ次に説明するに、蓄
積ゲート電極５にはハイレベルとローレベルの電圧が交
互に、例えば１フレ一ム周期で印加される。この蓄積ゲ
ート電極５にハイレベルの電圧が印加される期間は、ｆ
ｆ１２０のボテフシ１？ルは第３図に工で示す如く、か
なり深くなる。このため、蓄積ゲート領域はオン状態と
なり、入力ゲート領域を通過した信号電荷が益積ゲー］
・領域に蓄積される。この蓄積信号電荷が過剰な場合は
、前記したように縦型オーバーフロードレインにより、
半導体基板２に撞き出される。なお、第３図中、２１は
蓄積ゲート電極５とｎ形の層２０との間に形成されてい
る絶縁体層を示ｔ（第２図、第４、図では図示せず）。

これに対し、蓄積ゲート電極５にローレベルの電圧が印
加される期間は、蓄積ゲート電極直゛Ｆの領域のうち、
層２０が存在しない領域はオフ状態となり、ポテンシャ
ルは最も浅くなる。しかし、層２０が存在する領域のポ
テンシャルの深さは、第３図に■で示す如く若干深い状
態となり、完全なオフ状態にならない。また、入力ゲー
ト電極４には常に一定電圧が印加されており、入力ゲー
ト領域は常時オン状態となっている。

従って、フォトダイオード１のポテンシャルの開戸から
あふれ出るような過剰電荷は、この蓄積ゲート領域オフ
状態においても、入力ダイオード。

人力ゲート領域９層２０に流れ出し、更に居２０゜浅い
ｐウェル領域３ｂを通して半導体基板２に揺ぎ出される
。

このように、本実施例によれば、集蓄ｆｉ！ｉ時間内に
発生した電荷を、既存の縦型オーバーフロードレインを
利用し、そこに流出させる３次元的な流出経路を設けた
ので、２次元的に流出経路を設けるようにした場合のよ
うな、素子パターンの微細化、単位画素面積の拡大化は
一切不要であり、素子の歩留りを向上でき、しかも高密
度化が１１能にできる。

なお、本発明は可視光領域の固体撮像素子にも適用する
ことができる。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、１１蓄積時間においても
、光電変換素子からあふれ出た信号電荷を既存の縦型Ａ
−バー７０−ドレインを利用して流出させるようにした
ので、素子パターンを微細化したり、単位画素面積を拡
大することなくブルーミングの発生を抑制することがで
き、また過剰電荷の流出経路を２次元的に設ＧＪる場合
に比べ素子の歩留りの向上や高密度化を実現できる香の
特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図は本発明の一実施例の構造断面図、第３図は本発
明の一実施例の動作説明用ポテンシャル図、 第４図は従来の一例の構造断面図、 第５図はフォトダイオードの光電変換の説明用模式図、 第６図は第４図の要部の一例のポテンシャル図である。 １・・・フォトダイオード、２・・・半導体基板、３・
・・ｐウェル、３ａ、３ｃ・・・接合の深いｐウェル領
域、３ｂ・・・接合の浅いｐウェル領域、４・・・入力
ゲート電極、５・・・蓄積ゲート電極、１５・・・ポテ
ンシャルの井戸、１６・・・電荷、１７・・・第１の導
電形の層のポテンシャル、２０・・・ｎ形の層。 第１図 ＠２１！１ 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 蓄積ゲート電極直下の半導体基板表面から深さ方向へ形
   成された、第１の導電形の層と、接合深さが周囲より浅
   い第２の導電形のウェルと、該第１の導電形の半導体基
   板とよりなる縦型オーバーフロードレインを設けると共
   に、該蓄積ゲート電極直下の蓄積ゲート領域への電荷の
   蓄積と該電荷の蓄積の阻止とを該蓄積ゲート電極に印加
   する電圧の変化によって交互に行なう固体撮像素子にお
   いて、 前記縦型オーバーフロードレインを形成する前記第１の
   導電形の層（２０）を、該蓄積ゲート電極（５）と入力
   ゲート電極（４）との境界又は該入力ゲート電極（４）
   の直下付近まで延在形成したことを特徴とする固体撮像
   素子。