JPH06181302A - Ｃｃｄ映像素子 - Google Patents

Ｃｃｄ映像素子

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JPH06181302A
JPH06181302A JP3292050A JP29205091A JPH06181302A JP H06181302 A JPH06181302 A JP H06181302A JP 3292050 A JP3292050 A JP 3292050A JP 29205091 A JP29205091 A JP 29205091A JP H06181302 A JPH06181302 A JP H06181302A
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    • H10F39/153—Two-dimensional or three-dimensional array CCD image sensors

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  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 垂直電荷結合素子の改良を目的とする。 【構成】 ＣＣＤ映像素子の垂直構造において、ｎ型基
板１３の上にＰ型ウェル１４を形成し、このＰ型ウェル
１４の表面に所定の間隔を有する状態に、ｎ型光検出領
域１５およびｎ型ＶＣＣＤ領域１６を形成し、前記ｎ型
ＶＣＣＤ領域の下方にこのｎ型ＶＣＣＤ領域を包囲する
形態のｐ型イオン層１９を形成し、このｐ型イオン層の
外郭に、ｐ型イオン層を包囲する形態のｎ型イオン層２
０を形成してスメア現象により発生した残余電荷を完全
に吸収し、光エネルギが少ない赤色系統の光電変換効率
を増大する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＣＣＤ映像素子に関
し、特に垂直電荷結合素子（ＶＣＣＤ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に固体撮像素子は、シリコンのよう
な半導体材料上に複数の光検出器と走査器とを設置した
もので、光検出器として適合なものを選択してから可視
領域から赤外線領域までの撮像を可能にしている。前記
固体素子構造は、ＭＯＳスイッチやＣＣＤ素子などを具
備している。このＣＣＤは垂直電荷結合素子（ＶＣＣ
Ｄ）領域と水平電荷結合素子（ＨＣＣＤ）領域を具備す
る。通常、ＣＣＤ映像素子は光検出器を介して光エネル
ギ信号を電気的信号に変換する。光エネルギ信号が少な
い赤色系統の波長では光電効率が低下することが知られ
ている。即ち、光検出領域から前記ＶＣＣＤ領域への赤
色系統の映像信号電荷が、完全に移動されず、このため
に完全の画面を提供するに難しさがあった。
【０００３】図１は一般的のインターライントランスフ
ァー（ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式の
ＣＣＤ映像素子の構成図を示したもので、複数のホトダ
イオード１が各複数のＶＣＣＤ２に接続して、各複数ホ
トダイオード１から出力される映像信号電荷がＶＣＣＤ
２の領域に移動する。各ホトダイオード１からＶＣＣＤ
２の領域へ移動された映像信号電荷は、あらかじめ設定
された所定のクラック信号によって同時にＨＣＣＤ３の
領域に移動するように接続される。このＨＣＣＤ３の出
力側は、センシングアンプ４に接続している。
【０００４】図２は図１のａ−ａ′線断面図で、Ｎ型基
板５の上にＰ型ウェル６を形成し、Ｐ型ウェル６の所定
の間隔をおいてｎ型ホトダイオード１とｎ型ＶＣＣＤ２
とをそれぞれ形成している。また前記ｎ型ホトダイオー
ド１とｎ型ＶＣＣＤ２との間の上方にはトランスファー
ゲート電極７を形成し、前記ｎ型ＶＣＣＤ２の上方には
ゲート電極８を形成し、前記ｎ型ＶＣＣＤ２下方にはこ
のｎ型ＶＣＣＤ２を囲うようにＰ+ 型イオン層９を形成
したものである。
【０００５】このＰ+ 型イオン層９の目的は、スメア
（ｓｍｅａｒ）現象により発生した剰余電子信号電荷
が、前記ｎ型ＶＣＣＤ２へ移動するので、これによって
発生するｂｌｏｏｍｉｎｇ現象などによる雑音発生を防
止するためのものである。また、ｎ型ホトダイオード１
の表面上に形成された薄いＰ+ 型イオン層１０は初期バ
イアスを印加するために使用される。前記トランスファ
ーゲート電極７及びゲート電極８をポリシリコンで形成
し、図示しないが、前記トランスファーゲート電極７及
びゲート電極８とＰ型ウェル６との表面の間には絶縁膜
が形成されている。このような先行技術は、ＩＥＥＥ
ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄ
ｅｖｉｃｅｓ １９８５年８月号１４４８ページ，１４
５１ページ，１４５８ページ，１４９６ページ等で開示
されている。
【０００６】図３は図２のｂ−ｂ′線上の電位分布図で
ＶＣＣＤ２に電荷ｅが入っている状態の垂直電位分布を
示したものである。即ち、映像信号電荷は、トランスフ
ァーゲート電極７に高電圧が印加される時、ホトダイオ
ード１から移動されたものである。この時、前記ｎ型Ｖ
ＣＣＤ２とＰ型ウェル６との間に形成されたＰ+ 型イオ
ン層９は、Ｐ型ウェル６が完全に空乏化されるのを防止
して電位障壁を高める。したがって、スメア現象などに
よる残余電荷が前記ｎ型ＶＣＣＤ２に流入するのを防止
することができる。
【０００７】図４は図２のｃ−ｃ′線上の電位分布図
で、Ｎ型基板５に高電圧が印加されるとＰＮ接合の物理
的特性によりＰ型ウェル６は完全空乏化状態になり、電
位障壁が低下された状態になることを示している。した
がって、たとえば前記ホトダイオード１に強い光エネル
ギが投射されて映像信号電荷ｅが多量に発生すると、過
剰映像信号電荷ｅ′はＰ型ウェル６の低下した障壁を越
えて前記Ｎ型基板５に流入する。
【０００８】ここで、ホトダイオード１とＮ型基板５と
の間に介在するＰ型ウェル６の深さが減少している理由
は、ホトダイオード１に強い光エネルギが投射されて発
生した過剰映像信号電荷ｅ′をｎ型ＶＣＣＤ２に送らな
いようにＰ型ウェル６で容易に吸収させるためのもので
ある。すなわち、この浅いＰ型ウェル６はオーバー・フ
ロー・ドレイン（ＯＦＤ）を防止する機能を有する。こ
のような効果を成就するために、ホトダイオード１に対
向するＮ型基板５の部分を他部分より隆起させて形成す
るか、あるいはホトダイオード１の領域を深く形成する
とよい。この時、図３からも明らかなように、Ｐ+ 型イ
オン層９によりｎ型ＶＣＣＤ２に対して所定の電位障壁
が形成されているので、剰余電荷ｅ′はｎ型ＶＣＣＤ２
に流入することができない。
【０００９】しかしながら、このような従来の技術は次
のような問題点がある。その第１として、図２の前記ｎ
型ＶＣＣＤ２の下方に形成されたＰ+ 型イオン層９は、
スメア現象によって発生されるｂｌｏｏｍｉｎｇ現象を
或る程度防止するとはいうものの、過剰電荷を完全にＮ
型基板５へ移動させることができないので、残余電荷は
他のセル内のｎ型ＶＣＣＤ２に移動し、ｂｌｏｏｍｉｎ
ｇ現象を惹起することである。
【００１０】第２として、剰余電荷ｅ′を容易に吸収す
るために、ホトダイオード１とＮ型基板５の間のＰ型ウ
ェル６を浅く形成したため、長い波長を有する赤色系統
の信号電荷は、ｎ型ＶＣＣＤ２に全く移動することがで
きず、基板に吸収される現象が生じることである。第３
として、上記の条件を満足するために、基板の一側を飾
刻した基板を提供しなければならない難しさがあった。
【００１１】
【本発明の目的・構成】本発明は上記の問題点を解決す
るためのもので、スメア現象の時発生されるエラー電荷
または剰余電荷によって惹起されるオーバー・フロー・
ドレイン（Ｏｖｅｒ Ｆｌｏｗ Ｄｒａｉｎ−ＯＦＤ
−）現象を完全に防止できる改善したＣＣＤ素子を提供
するものである。
【００１２】このような目的を達成するために、本発明
は、ｎ型ＶＣＣＤとｎ型光検出器及びｎ型ＨＣＣＤを備
えたＣＣＤ素子において、前記ｎ型ＶＣＣＤの領域の下
方にこのｎ型ＶＣＣＤの領域を包囲する形状のｐ型層を
形成し、前記ｐ型層の下方に、このｐ型層を包囲する形
状のｎ型層を形成すると共に、前記ｎ型層の下方に、こ
のｎ型層を包囲する形状のＰ型ウェルを形成し、このＰ
型ウェルの下方に、ｎ型基板が存在する構造とした。
【００１３】
【実施例】このような本発明の実施例を添付された図５
乃至図８を参照して詳細に説明する。図５は本発明によ
るインターライントランスファー方式のＣＣＤ素子の構
造断面図で、Ｎ型基板１３の上にＰ型ウェル１４を形成
し、このＰ型ウェル１４の表面上に、所定の間隔をおい
てｎ型ホトダイオード１５とｎ型ＶＣＣＤ１６とを形成
する。そして、前記ｎ型ホトダイオード１５とｎ型ＶＣ
ＣＤ１６との間の上方にはトランスファーゲート電極１
７を形成し、前記ｎ型ＶＣＣＤ１６の上方にはゲート電
極１８を形成すると共に、前記ｎ型ＶＣＣＤ領域１６を
包囲する形状のｐ型イオン層１９を形成し、該ｐ型イオ
ン層１９を包囲する形状のｎ型イオン層２０を形成した
ものである。
【００１４】上記ｐ型イオン層１９は、図２の説明で明
らかにしたように、スメア現象によって発生した剰余信
号電荷が、前記ｎ型ＶＣＣＤ１６へ移動することを防止
するためのものであり、またｎ型イオン層２０は前記ｐ
型イオン層１９で上記電荷移動を防止しきれない剰余信
号電荷を吸収してｎ型ＶＣＣＤ１６への電荷流入を不可
能にしてＯＦＤ現象を防止するものである。
【００１５】また、薄膜Ｐ+ 型イオン層２１は、ｎ型ホ
トダイオード１５の表面に初期バイアス印加を行うため
のものである。ここで、前記トランスファーゲート電極
１７とゲート電極１８とはポリシリコンで形成し、図示
しないが、前記トランスファーゲート電極１７およびゲ
ート電極１８とＰ型ウェル１４との表面間には絶縁膜が
形成されている。
【００１６】図６は図５のｄ−ｄ′線上の電位分布図
で、前記ｎ型ＶＣＣＤ１６に信号電荷ｅが入っている状
態を示したものである。即ち、映像信号電荷ｅは、前記
トランスファーゲート電極１７に高電圧が印加された
時、前記ｎ型ホトダイオード１５からｎ型ＶＣＣＤ領域
１６に移動され、この時スメア現象によって発生した不
必要な映像信号電荷はｎ型イオン層２０で捕獲する。
【００１７】図５の示すように、通常のシャッタ電圧Ｖ
ｓｔは、基板に印加されるが本発明によればこのｎ型イ
オン層２０にも印加できるこのシャッタ電圧Ｖｓｔの印
加時間は一般的に縮小された時間領域（１／６０−１／
２０００sec）内の時間であって、過多の光入射による
過剰信号電荷ｅ′の発生を防止するために、短く設定さ
れる。
【００１８】図７は前記図５のｆ−ｆ′線上の垂直電位
分布図で、ｎ型基板１５に高電位が印加すると、ＰＮ接
合の物理的特性に因ってＰ型ウェル６が空乏化され、電
位障壁は低下される状態を示したものである。したがっ
て、剰余電荷ｅ′はＰ型ウェル６の低下された障壁を越
えて前記ｎ型イオン層２０に完全に流出する。即ち、こ
のｎ型イオン層２０がＯＦＤ現象を防止することによっ
て、ホトダイオード１５とｎ型基板１３間のＰ型ウェル
１５の濃度および深さは制限を受けなくて、さらに
‘一’字形のｎ型基板を使用してもよい。
【００１９】図８はシャッタ電圧Ｖｓｔの印加の時、図
６のｆ−ｆ′線上の電位分布を示したもので、前記ｎ型
イオン層２０にシャッタ電圧Ｖｓｔが印加されるとＰ型
ウェル１４の電位障壁は低下されて剰余信号電荷はｎ型
基板１３側に完全に抜け出したことを示したものであ
る。即ち、このｎ型イオン層２０の一方に、シャッタ電
圧Ｖｓｔを印加するので波長λが長い赤色信号電荷がｎ
型基板１３側に抜け出すことを防止する。したがって、
赤色系統の光電変換効率を増大させることができる。さ
らに、濃度を赤色系統の光電変換効率とは無関係にＯＦ
Ｄ現象防止を行うことも可能である。
【００２０】
【発明の効果】以上の説明のように本発明によれば次の
効果がある。 （１）．前記ｎ型層が、スメア現象により発生した剰余
電子信号電荷を吸収するので剰余電子信号電荷がＰ型ウ
ェルからｎ型ＶＣＣＤの領域へ移動しないためにノイズ
発生が抑制される。 （２）．赤色系統の光電変換効率を増大させるために、
光検出器の領域に当接したＰ型ウェルの濃度および深さ
に制限されないので、素子設計が容易になる。 （３）．前記ｎ型層にシャッタ電圧を印加するので、波
長λが長い赤色系統の光電変換効率を増大させることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なインターライントランスファー方式の
ＣＣＤ映像素子の構成図。
【図２】図１のａ−ａ′線断面図。
【図３】図２のｂ−ｂ′線上の電位分布図。
【図４】図２のｃ−ｃ′線上の電位分布図。
【図５】本発明によるＣＣＤ素子の構造断面図。
【図６】図５のｄ−ｄ′線上の電位分布図。
【図７】図５のｆ−ｆ′線上の電位分布図。
【図８】シャッタ動作時のｆ−ｆ′線上の電位分布図で
ある。
【符号の説明】
１３ ホトダイオード １６ ｎ型ＶＣＣＤ領域 ３ ＨＣＣＤ領域 ４ センス増幅器 １３ ｎ型基板 １４ Ｐ型ウェル １７ トランスファーゲート電極 １８ ゲート電極 １９，２１ Ｐ+ 型イオン層 ２２ チャンネルストップ ２０ ｎ型イオン層 Ｖｓｔ シャッタ電圧端子

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ｎ型ＶＣＣＤ領域とｎ型光検出領域を備
    えたＣＣＤ素子において、前記ｎ型ＶＣＣＤ領域の下方
    にこのｎ型ＶＣＣＤ領域を包囲する形状のｐ型層が形成
    され、このｐ型層の下方にこれを包囲する形状のｎ型層
    が形成され、このｎ型層の下方にこれを包囲する形状の
    Ｐ型ウェルが形成され、このＰ型ウェルの下方にはシャ
    ッタ（ｓｈｕｔｔｅｒ）電圧が印加されるｎ型基板が形
    成されることを特徴とするＣＣＤ映像素子。
  2. 【請求項２】 前記ｎ型層には、ｎ型基板代わりにシャ
    ッタ電圧を印加するための電極を設置したことを特徴と
    する前記第１項記載のＣＣＤ映像素子。
  3. 【請求項３】 前記ｐ型層は、前記Ｐ型ウェルより高濃
    度であることを特徴とする前記第１項記載のＣＣＤ映像
    素子。
  4. 【請求項４】 前記ｎ型層は、ｎ型光検出領域およびｎ
    型ＶＣＣＤ領域より低濃度であり、かつｎ型基板より高
    濃度であることを特徴とする前記第１項記載のＣＣＤ映
    像素子。
JP3292050A 1990-10-13 1991-10-14 Ｃｃｄ映像素子 Expired - Lifetime JP2858179B2 (ja)

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