JPH0354858A - 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１ 本発明は固体撮像素子に関し、特に電荷転送路も感光領
域として利用するＩ　Ｔ　（　Ｉｎｔｅｒ　　Ｌｉｎｅ
Ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式のＣＣＤからなる固体撮像素子
について、ブルーミングの低減を図る際に好適なデバイ
ス構造に関する。

［従来の技術］ 第５図は、本発明に先立って検討されたＩＴ形固体撮像
素子の平面構造を示す一部切り欠き平面図である。

以下、基本的構造と作用を説明すると、フォトダイオー
ドＰｄｌ、Ｐｄ２・・・等で構成された受光エレメント
がマトリクス状に配列され、各フォトダイオードＰｄ間
には信号電荷を垂直方向に転送するための複数の電荷転
送チャネルＬＬ，Ｌ２、Ｌ３・・・が形成され、更に各
フォトダイオードＰｄと電荷転送チャネルＬ１、Ｌ２、
Ｌ３・・・を除く部分（図中に点線で囲った斜線部分）
はチャネルストップ領域となっている。

一方、電荷転送チャネルＬ１、Ｌ２、Ｌ３・・・の上面
には、水平方向に延びるポリシリコン層からなる複数の
転送電極Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３・・・が併設され、４木の転
送電極を１組として４相駆動方式に基づくクロツク信号
φｌ、φ２、φ３、φ４が印加されるようになっている
。即ち、フォトダイオードＰｄｌが並ぶ行に対して２本
の転送電極Ｇ１、Ｇ２が対応して形成されるとともに、
フォトダイオードＰｄ２が並ぶ行に対して２本の転送電
極Ｇ３、Ｇ４が対応して形成され、図示を省略した他の
フォトダイオード及び電荷転送チャネルについても同様
に構成されている。

フォトダイオードＰｄｌ、Ｐｄ２・・・と電荷転送チャ
ネルＬ１、Ｌ２、Ｌ３・・・は、トランスファーゲート
Ｔｇｌ、Ｔｇ２・・・により電荷転送可能に接続され、
フォトダイオードＰｄｌ、Ｐｄ２・・・で発生した信号
電荷が電荷転送チャネルＬ１、ｌ２、Ｌ３・・・・に伝
達される。そして、電荷転送チャネルＬ１、Ｌ２、Ｌ３
・・・について、クロック信号φ１、φ２、φ３、φ４
の電圧変化に応してポテンシャル井戸を形成し、信号電
荷を矢印Ｙ方向に順次転送するようになっている。

前記構造のＩＴ形撮像素子は、一般に電荷転送チャネル
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・の上部を光遮閉板にて覆い、前
記のように専ら電荷転送に用いていた。しかし、電荷転
送チャネルＬの形戒に必要な面積に応してフォトダイオ
ードを形成し得る面積が小になり、従って受光面積が小
になる。そこで、電荷転送チャネルＬも受光部として利
用し得るように構或した撮像素子が開発されている。該
構造によれば、受光面が拡大されたようになり、集積度
を向上させた場合と同様の効果が得られる。

しかし、本発明者の検討によると、電荷転送チャネルＬ
により受光することに付随し、下記のような独特の問題
が発生することが判明した。

［発明が解決しようとする諜Ｂ］ 即ち、電荷転送チャネル上の或る位置に例えばスポット
状の過剰な光入射があると、その人射光量に対応して過
剰電荷が発生する。該過剰電荷によって、画像上にブル
ーミングが発生するが、これと同時に過剰電荷が電荷転
送チャネルにあふれるようになり、あたかも帯状に受光
したようになって画像上に白いすしが表れてしまう。

本発明は、前記問題点を解消すべくなされたものであり
、その目的は電荷転送チャネルを受光面として利用し、
かつ白すしとなるプルーミングを防止し得るように構或
した固体撮像素子を提供することにある。

Ｅ課題を解決するための手段］ 本発明に係る前記目的は、受光に対応して信号電荷を発
生する電荷転送チャネルと、受光に対応した信号電荷を
発生するとともに過剰電荷を基板の深さ方向に流すＶ　
Ｏ　Ｄ　（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｏｖｅｒ　ｆｌｏｗＤｒ
ａｉｎ）構造即ち、基板とその上に積層するウエルと更
にその上に積層されたフォトダイオード用の不純物層に
よる構戒で該基板側へ電荷を流すＶＯＤ構造を有する受
光エレメントとの間に、電荷転送チャネルから発生した
過剰電荷を受光エレメントに流すためのポテンシャルバ
リアを形戒することにより達威される。

［作用］ 即ち、電荷転送チャネルに過剰な光入射があり、これに
応じて電荷転送チャネルに過剰電荷が発生すると、受光
エレメントとの間に形成されたポテンシャルバリアが電
荷転送チャネル間の分離バリアより低く形成しておくと
、前記過剰電荷を受光エレメントに流れ、更に、受光エ
レメントは■ＯＤ構造により過剰電荷を基板の深さ方向
に流すので、電荷転送チャネルに発生した過剰電荷が電
荷転送チャネルに溢れることがなく、画像上に白すしが
生じない。

［実施例］ 以下、第１図〜第４図を参照して本発明を適用した固体
撮像素子の一実施例を説明する。尚、第１図は本発明の
基本概念を示す説明図、第２図は固体撮像素子の構造を
示す断面図、第３図は電位分布図、第４図は光フィルタ
の配置図である。

先ず、第Ｉ図はを参照して本発明の基本概念を説明する
。第１図は、電荷転送チャネルＬと受光エレメントＰｄ
とを模式的に示したものであり、電荷転送チャネルＬの
一部に例えばスポット状の過剰な光ｈνが入射すると、
その光量に応じて過剰電荷Ｃが発生する。

過剰電荷Ｃが発生すると、これに同期して電荷転送チャ
ネルＬと受光エレメントＰｄとの間のポテンシャルハリ
アを第１図に点線で示すように低下させ、過剰電荷Ｃを
電荷転送チャネルＬから受光エレメントＰｄに流すよう
にする。この結果、あふれた過剰電荷Ｃが電荷転送チャ
ネルＬに沿って転送されることがなく、スポット状の光
に対応した白い輝点が画面上に表れるものの、白すしは
表れない。

以上のように、受光エレメントＰｄに過剰電荷Ｃが流入
すると、受光エレメンｌ−Ｐｄが過剰電荷Ｃであふれる
ようになる。これと同時に、スポット状の光ｈνの一部
が、隣接する受光エレメントＰｄにかかったりすると、
受光エレメントＰｄ自体が信号電荷を発生することもあ
る。

この際、入射光が過剰であれば受光エレメントＰｄ自体
も過剰電荷を発生する。そこで、この過剰電荷を基板の
深さ方向に流し、プルーミングを防止するため受光エレ
メンｌ−Ｐｄに、換言すればフォトダイオードに関連し
てＶＯＤ　（ｆｆｌ形オーバーフロー構造）構造が設け
られている。

ＶＯＤ構造を端的に示すと、受光エレメントＰｄに過剰
電荷が発生したとき、これに対応して第１図に示すよう
にトランジスタＱ１を形成し、過剰電荷を基板の深さ方
向に流す経路を形戒するものである。このようなＶＯＤ
構造によって、電荷転送チャネルＬから受光エレメント
Ｐｄに転送された過剰電荷Ｃ、更に受光エレメントＰｄ
自体から発生した過剰電荷は、基板の深さ方向に流され
るようになる。

次ぎに、第２図及び第３図を参照して固体撮像素子のデ
バイス構造等について説明する。

第２図は固体撮像素子の要部の断面図であり、１はｎサ
ブストレート、２はｐウェル層を示している。そして、
ｐウエル層２内に電荷転送チャネルを構或するＮ層３、
フォトダイオードＰｄ（受光エレメント）を構戒するＮ
＋ｌｌｉ４が形成され、これらＮ層３、Ｎ゛層４の上面
はシリコン酸化膜（ＳｉＯｚ）５によって被覆されてい
る。

又、シリコン酸化膜５の表面でＮ層３の上部には、転送
電極を構戒するポリシリコン層６が積層され、該ポリシ
リコン層６の上部とＮ゛層４の上部には後述する光フィ
ルタ７、８が形成されている。そして、前記ポリシリコ
ン層６、光フィルタ７、８はシリコン酸化膜９によって
被覆されている。尚、前記ポリシリコン層６には、図示
を省略したメタル配線が接続され、クロック信号による
電荷転送制御を行い得るように構成されている。

次ぎに、過剰電荷Ｃを基板（ｎサブストレート）に流す
作用を説明する。

過剰電荷Ｃの発生及びｎサブストレート１への流し込み
は、以下のように行われる。即ち、固体撮像素子の受光
制御は一般に機械的構造のシャ・ノターにより制御され
る。シャッターの開動作によって、光ｈνが電荷転送チ
ャネルＬを構戒するＮ層３、フォトダイオードＰｄを構
或するＮ゜層４に入射すると、Ｎ層３に発生した過剰電
荷ＣがＮ層３とＮ゛層４との間に形成されたフィールド
シフト用トランジスタＱ２を介してＮ゜層４に流れる。

この過剰電荷Ｃは、Ｎ゛層４とｎサブストレート１との
間に形成されたＶＯＤ構造（トランジスタＱ１を形成す
る構造）を介してｎサブストレート１に流される。

前記フィールドシフト用トランジスタＱ２は、ＮＪｉ３
に過剰電荷Ｃが発生したとき、これに対応した電位分布
の変化により形成され、過剰電荷ＣをＮＮ３からＮ゛層
４に流すように動作する。

一方、Ｎ″層４は不純物濃度が低く、接合が浅いｐウエ
ル層に形成されるが、Ｎ層３は不純物濃度が高く接合の
深いｐウエル層に形成され、ｐウエルＮ２とｎサブスト
レート１との間には接合の浅いｐウエル層が空乏化する
ようにＶｓｕｂが印加されている。そして、Ｎ層３に過
剰電荷Ｃが発生しても、Ｎ層３とｎサプストレートｌ゛
との間に電荷の経路となるトランジスタは形成されない
。

しかし、Ｎ層３に発生した過剰電荷ＣがＮ゛層４に流し
込まれた場合、更にＮ゛層４に過剰電荷が発生した場合
、ＶＯＤ構造により過剰電荷がｎサブストレートｌに流
れるようになる。

即ち、Ｎ゛層４の電荷蓄積が高くなると電位が低下し、
接合の浅いｐウェルＮ２との間が順方向バイアスになり
、図示のようにトランジスタＱｌが形成されたようにな
り、前記過剰電荷ＣがトランジスタＱ１を介してｎサブ
ストレート１に流れる。この結果、過剰電荷Ｃが電荷転
送チャネルＬに沿ってあふれることがなく、前記白すし
の発生防止がなされる。

次ぎに、過剰電荷Ｃの流し込みを第３図に示した電位分
布について説明する。

Ｎ層３に過剰電荷Ｃがあふれる状態のとき、フィールド
シフト用トランジスタＱ２が動作してフォトダイオード
Ｐｄとの間のバリアーが低く制御されたようになる。こ
の結果、あふれた過剰電荷ＣがＮ゛層４に流れ、更にＶ
ＯＤ動作によって電位分布の低いｐウエルＮ２、ｎサブ
ストレート１に流れる。従って、過剰電荷Ｃは基板の深
さ方向に流し込まれることになり、映し出される画像に
自すしが表れない。

ちなみに、前記構造の固体撮像素子は、カラー映像の撮
影に使用されることが多い。このため、第２図に示すよ
うに光フィルタ（色フィルタ）７、８が設けられている
。光フィルタ７、８の配列は多種にわたるが、例えば第
４図に示すように各電荷転送チャネルＬＩ　Ｌ２、Ｌ３
・・・上に赤（Ｒ）の光フィルタ７を配置し、各フォト
ダイオードＰｄ上に緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光フィルタ８
を配置する。転送電極となるポリシリコン層６は短波長
の光を吸収する性質を有しているが、赤色は長波長であ
るからポリシリコン層６の光透過が良好になり、電荷転
送チャネル、換言すればＮ層３による受光感度を良好に
なすことができる。

尚、前記フィールドシフト用トランジスタＱ２の特性、
換言すれば過剰電荷Ｃ発生時のポテンシャルバリアに関
しては、不純物打ち込み量によって調整することができ
る。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明に係る固体撮像素子は、
受光に対応した信号電荷を発生する電荷転送チャネルと
、受光に対応した信号電荷を発生するとともに過剰電荷
を基板の深さ方向に流すＶＯＤ構造を有する受光エレメ
ントとの間に、前記電荷転送チャネルから過剰電荷が発
生したとき、該過剰電荷を前記受光エレメントに流すた
めのポテンシャルバリアをＳｔしたものである。

依って、前記固体撮像素子によれば、電荷転送チャネル
に過剰電荷が発生しても、該過剰電荷が電荷転送チャネ
ルに沿ってあふれることがない。

この結果、この固体撮像素子によって撮影された画像に
過剰電荷による白すしが表れず、ブルーミングも低減さ
れ、良好な画像撮影を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図乃至第４図は本発明を適用した固体撮像素子の一
実施例を示すものであって、 第１図は過剰電荷の流し込みを説明する模式的説明図、 第２図は固体撮像素子のデバイス構造を示す要部の断面
図、 第３図は過剰電荷の流し込みを説明する電位分布図、 第４図は光フィルタの配置図、 第５図は従来の固体撮像素子の一例を示す一部平面図で
ある。 図中の符号 １：ｎサブストレート ２：Ｐウエル層 ３：電荷転送チャネルを構戒するＮ層 ４：フォトダイオードを構成するＮ′層５、９：シリコ
ン酸化膜 ６：ボリシリコン層 ７、８：光フィルタ Ｌ：電荷転送チャネル Ｐｄ：フォトダイオード Ｑ１：ＶＯＤ動作をなすトランジスタ Ｑ２ ：フィールドシフト用トランジスタ ｈ　ν 二入射光。 第 １ 図 ｈｖ 第 ２ 図 １ ３ 巳 第 ４ 図 Ｐｄ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　マトリクス状に配列された複数の受光エレメントと、
   前記複数の受光エレメントの所定方向の配列に沿って設
   けられ、前記複数の受光エレメントから発生した電荷を
   順次転送するとともに、受光に対応した電荷を自ら発生
   し、かつ転送する電荷転チャネルと、前記複数の受光エ
   レメントから発生した過剰電荷を基板の深さ方向に流す
   ためのＶＯＤ構造とを有する固体撮像素子において、前
   記電荷転送チャネル内の画素間分離のためのポテンシャ
   ルバリアよりも隣接する前記受光エレメントと前記電荷
   転送チャネル間分離のポテンシャルバリアが低くなるよ
   うに各バリアを形成し、前記電荷転送チャネルから過剰
   電荷が発生したとき、前記過剰電荷を前記電荷転送チャ
   ネルから前記受光エレメントに流し、かつ前記ＶＯＤ構
   造により基板の深さ方向に流すように構成した固体撮像
   素子。