JPH02299266A - 固体撮像素子およびその駆動方法 - 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、ビデオカメラ等に使用することができる固体
撮像素子およびその駆動方法に関するものである。

従来の技術 近年、固体撮像素子は、ビデオカメラ分野への急速な普
及に伴ない、その特性の改善に著しいものがある。とり
わけ、ＣＣＤ型の固体撮像素子では、高画質化の社会的
要請をうけて、技術面では、画素数の高密度化が急速に
進んだ。

高密度化における、技術上の課題は、撮像における一定
単位セルにおける光感知部と垂直転送チャンネル、それ
らの間の読み出しゲート部、隣接光感知部に属する垂直
転送チャンネルとの間の分離部からなる撮像の単位セル
内の面積でのそれらの配分である。光感知部と垂直転送
チャンネルの面積は、前者が受光感度を直接決定する。

後者は前者に比例した一定の面積を要するため撮像動作
における光入力の上限は双方の面積の大きさに依存する
。一方、一定のセル面積に対して、光感知部を含む前記
各部の不純物濃度、および、電子的構造は、充電変換に
よる信号電荷を、最大に収容、蓄積し、効率よく、高速
に読み出し、転送するために、それらの構成条件が決定
される。

第２の技術的課題は、固体撮像素子における入力条件と
しての光入力が、最低０．０５１ｕｘから最大１０５１
ｕｘの範囲にわたるときの同被写体からの過大光入力に
対する動作である。通常の構造では光電変換でのダイナ
ミックレンチは〜１０３程度のため、過大光入力による
半導体内電荷の排出機能は、極めて大きな重要性を持っ
ている。すなわち、撮像においては、全撮像面の大部分
が明るくなく、撮像面の一部にのみ高輝度の光源による
入力像が存在するときでも、光学系を含む光電変換系は
最大感度で動作させるため、それによる過剰電荷の画面
全体への拡がりを防止するオーバーフローの構造がつく
りつけられている。その一般的な高密度の画素を有する
ＣＣＤでは、第４図の電荷蓄積部を溢れた信号電荷を基
板に排出させる構造がとられる。これは信号電荷蓄積、
読み出し、電荷転送が、ｎ型基板の一方の面に構成され
た、ｐ型頭域内、いわゆるｐウェル内でおこなわれ、過
剰電荷は第４図の電荷蓄積部より、基板１に向うボテン
シアル勾配に沿って溢れ出ることになる。

このような、光電変換で発生し電荷蓄積部で蓄積した電
荷を排出して棄てる動作は、高速運動被写体に対する電
子的シャッター動作や、それを応用した電子的自動絞り
の動作において、とりわけ重要となる。この動作は、過
剰電荷でない生成信号電荷を、定常的に入射する量のう
ち、時分割的にサンプリングすることになり、サンプリ
ング分から不要となる信号分は棄却する必要があるから
である。

第５図は従来例における構成例を示す。この従来例で、
充電変換による電荷蓄積部１は、信号電荷を電子とする
Ｎチャンネル型では、Ｎ型領域である。受光に関する半
導体の表面層２は、電荷生成による暗出力の抑制のため
、ｐ型で形成され、ｐウェル領域３に電気的に接続され
る。垂直読み出しの垂直シフトレジスタがＣＣＤである
ＣＣＤ型の撮像素子では、読み出しチャンネル部５を通
して、電荷蓄積部１の信号電荷は垂直ＣＣＤのチャンネ
ルのＮ型領域６に読出される。この読み出し動作は通常
、垂直ＣＣＤの転送ゲート電極７に１０〜１５Ｖの高い
電圧を印加することにより、実行される。この読出し時
、第４図で示す垂直ＣＣＤチャンネル電位φＶ）Ｉは、
電荷蓄積部１の被読み出し信号電荷が無いときの電位φ
ｓｏより読み出しチャンネル部電位φｔｒが太き（、さ
らに垂直ＣＣＤの最大信号電荷量を収容時のチャンネル
電位φＶ、はφｓｏより大きいことが、電荷蓄積部１の
電荷を完全に排出するための条件となる。これは、読み
出し残像をなくするための必要条件となる。

発明が解決しようとする課題 従来例の構成における問題点は、通常、半導体基板１０
に対して光感知部ｐウェル領域３は垂直ＣＣＤ部ｐウェ
ルと同様に、イオン注入を含む不純物拡散によって形成
され、それらの濃度Ｎ３＾。

Ｎ４＾はともに、半導体基板濃度ＮＤと比較して、１桁
程度またはそれ以上に大きい。したがって、第４図に示
すように、被蓄積信号電荷を完全に排出するために、基
板１０に対して印加される電圧ｌ　Ｖｓｖａ　ｌ　Ｈの
大部分は、基板１０の空間電荷領域側にかかることにな
り、信号電荷蓄積部１と基板１０との間のｐウェル領域
３でのボテンシアル障壁を解消するｌ　ＶＳＵＢ　Ｉ　
Ｈの電圧配分は、基板側よりはるかに小さくなる。この
ため、信号電荷蓄積部１から、信号電荷を完全に基板１
０側に排出するに要する電圧の波高値ｌ　Ｖｓｕａ　ｌ
　Ｅは３０〜４０Ｖと極めて高い電圧を必要としている
。

従来例における第２の問題点は、光感知部半導体表面が
、隣接する読み出し部、垂直ＣＣＤ部。

ｐ型分離領域より数ミクロン凹んだ構造となっている。

このために、入射光が最上表部で発散光となり、スミア
の原因となる受光部半導体表面での斜め入射光成分を増
大する。しかも、従来の光感知部構造では開口率を低下
することなく、それら斜光構造が十分におこなえない欠
点がある。

従来例における、被蓄積信号電荷の排出に必要な電圧の
低減を第１の目的とし、受光部表面が、撮像素子表面に
おいて凹むことを緩和することにより、スミアの低減、
カラーフィルタ形成に必要な平坦化を容易にすることを
目的とする。

課題を解決するための手段 本発明の構成は、第１図の断面図の構造に照して、光電
変換による信号電荷を電子としたとき、信号電荷を蓄積
するＮ型領域とＮ型領域上にエピタキシャル成長による
、受光表面層としてのｐ＋型領領域、前記電荷蓄積部に
隣接するｐ型領域上の酸化膜上の分り部上に、前記受光
表面層のエピタキシャル成長層上電気的に接続された導
電体条部２Ｐとからなり、光電変換による電荷蓄積期間
中は、前記受光表面層は、ｐ型ウェル３，４２分離部９
と同じ電位かそれより負側の電位とし、信号電荷の垂直
ＣＣＤへの読み出し時には、垂直転送ゲート電極７に垂
直転送時より正の大きな電圧を加えると共に表面層２に
は蓄積期間と同じか、又は負の電位とする。排出時には
、蓄積期間電位より正、と（に表面層２と信号電荷蓄積
部１に関し順バイアスとなるよう表面層の電位設定をお
こなう。

作用 この発明によると、光感知部のｐ”−ｎ−ｐ型の三領域
構造の電荷蓄積部ｎ領域（第２領域を読み出しゲート電
極と自己整合的に構成できるとともに、駆動面でも、い
わゆるシャッターモード等の動作における不要電荷の掃
き出しに要する電圧を低電圧化できる。

実施例 第１図に代表的実施例を断面図により示す。蓄積された
不要な電荷を基板１０に排出する代わりに、信号電荷蓄
積部の不純物濃度と同程度、またはそれより高いｐ型不
純物濃度の薄膜の領域ＩＥ。

２Ｅを設ける。ＩＥは電荷蓄積部１と同程度またはそれ
より低い濃度のＮ型領域で、２Ｅや、高濃度のｐ＋〜ｐ
型の領域である。これら領域は電荷蓄積部１の上部にエ
ピタキシャル成長をおこなうことによって実現される。

したがって、ＩＥのＮ型領域は、電荷蓄積部１のＮ型領
域より、エピタキシャル成長中の不純物の外方拡散によ
るものであり、ｐ十型領域２Ｅと分離部９のｐ型領域の
分離がない限り、構成上必要なものでない。また、青色
領域の光の光電変換効率を定価させないためにｐ＋型領
領域２Ｅ厚さは５０００Ａ程度に制御される。

同時に、分離部酸化膜１４上にシリコン単結晶外の他の
領域と共に成長したシリコン結晶は一般に多結晶となる
が、不要部を周知の写真食刻で除去し、外部より前記ｐ
＋型領領域Ｅの電圧を制御する導電体条２Ｐとする。こ
のため、半導体単結晶系とエピタキシャルである必要は
ない。なお、第２図に示すようにｐ＋型領領域制御ため
の導条部２Ｐは単に遮光層のアルミ膜８と分離部９の上
で接続し、遮光層に前記ｐ領域２Ｅの制御機能を兼ねさ
せることができる。

本実施例に示す構造において、ｐ型領域不純物濃度を３
’Ｘ１０１８で０．６μの厚さに形成すると不要電荷の
排出棄却時には、ｐ中領域２Ｅに５ｖ程度正電圧を印加
する。また、蓄積部電荷を、読み出し部５を経て、垂直
ＣＣＤ６に読み出すときは、負電圧の一ボルトを印加す
ることによって、読み出しの転送速度と転送効率を高め
ることに役立つ。

本発明の実施例による、固体撮像素子のデバイス構造を
第３図に示す。

発明の効果 本発明によれば、以下に列挙の効果が得られる。

（１）いわゆるシャッターモード等の動作における不要
電荷の掃き出しのに要する電圧が、基板側に排出する従
来構造での電圧よりも低くできる。

（２）光感知部の１）”Ｎｐ構造の電荷蓄積部Ｎ領域を
読み出しゲート電極と自己整合的に構成できる。

（３）光感知部ｐ”Ｎｐ構造のｐ＋＋部表面は、読み出
しゲート電極表面より低（なることが防げるために光遮
へいがより効果的となる。

（４）光感知部ｐ”　Ｎｐ構造と隣接する垂直ＣＣＤチ
ャンネルとの間の分離部は、薄膜ゲートでのチャンネル
阻止領域で構成できるので、前記関連拡散領域の規定が
容易となる。

したがって本発明によると、従来より課題であった固体
撮像素子の改善に著しい効果を発揮するものである。と
（に従来のプレーナー型構造にエピタキシャル選択成長
技術を適用することにより、高画素数、すなわち、高密
度に形成される光電変換部構造に課せられる電気的、光
学的条件を同時に満すものである。なお、本発明は受光
部構造がＭＯＳ型の固体撮像素子においても有効である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮像素子光電変換部断面明実施例
の光遮へいと、最上層酸化けい素膜を除（デバイス構成
図、第４図は固体撮像素子光電変換要部のボテンシアル
図、第５図は従来例になる固体撮像素子光電変換部断面
図である。 ■・・・・・・電荷蓄梼部、ＩＥ・・・・・・同じ（結
晶成長による領域で、ともにＮ型、２Ｅ、２Ｐ・・・・
・・ともにｐ＋型領領域、２Ｅはエピタキシャル結晶成
長による領域で、２Ｐはｐ＋型で多結晶での成長部分、
３，４．５・・・・・・ｐ型領域、６・・・・・・垂直
ＣＣＤの埋込みチャンネル用のＮ型領域、７・・・・・
・垂直ＣＣＤの転送ゲート電極、８・・・・・・光遮へ
い用アルミニウム膜、９・・・・・・分離部ｐ型領域、
１０・旧・・基板、１１〜１５・・・・・・酸化けい素
膜。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はが１名凶　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。 く　　　　　　　　　〇 厭　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
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Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）受光部を構成する光感知部の単結晶半導体の導電
   型が、受光すべき入射光の受光側表面より、ｐ＾＋型第
   １領域、ｎ型第２領域、ｐ型第３領域の順に構成され、
   この光感知部に隣接して読み出しゲート構造を有し、前
   記第１領域が、この光感知部に隣接する読み出しレジス
   タとの分離部上で導電条、または光遮へい層に接続され
   た構造を有する固体撮像素子。
2. （２）ｐ＾＋型第１領域が、ｎ型第２領域上にエピタキ
   シャル成長させた領域であることを特徴とする請求項（
   １）記載の固体撮像素子。
3. （３）ｐ＾＋−ｎ−ｐ型の三領域構造光感知部の前記ｐ
   ＾＋型第１領域の電位を、連続、定常的撮像動作におけ
   る、前記ｎ型第２領域における信号電荷の蓄積時に、前
   記ｐ型第３領域と同じまたは、負の電位で動作させるこ
   とを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
4. （４）ｐ型第３領域に正の電圧を印加することにより、
   ｎ型第２領域での被蓄積電荷を分離部上ゲート電極を介
   して排出することを特徴とする請求項（２）記載の固体
   撮像素子の駆動方法。
5. （５）ｐ＾＋型第１領域に対し、被蓄積信号電荷を垂直
   ＣＣＤに読み出す期間、ｐ型第３領域に印加する電圧を
   、蓄積期間中よりも負に偏移させることを特徴とする請
   求項２記載の固体撮像素子の駆動方法。