JPH07112055B2

JPH07112055B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH07112055B2
Application number: JP63097299A
Authority: JP
Inventors: 哲生山田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-04-20
Filing date: 1988-04-20
Publication date: 1995-11-29
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPH01268164A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、固体撮像装置に関し、特に、感光素子に関連
する部分に改良を加えた固体撮像装置に関する。

（従来の技術）第６図に、従来のインターライン転送形固体撮像装置の
単位構成要素（ユニットセル）の断面構造図を示す。同
図からわかるように、ｎ形半導体基板１上にｐウェルと
してのｐ形不純物層２が形成されている。そのｐ形不純
物層２内に感光素子の一部をなすｎ形不純物層３が形成
されている。このｎ形不純物層３は信号電荷を蓄積する
機能を有する。そのｎ形不純物層３は素子分離層として
の高濃度ｐ形不純物層４で挟まれている。それらの不純
物層４内にｎ形の電荷転送チャンネル不純物層５が形成
されている。このようなｐ形不純物層２上には、内部に
電荷転送電極６を含む絶縁層７が形成されている。さら
に、この絶縁層７中には、開口8aを有する光遮閉層８が
形成されている。

上記構成のユニットセルにおいて、開口8aから光が入射
すると、その光は主としてｐ形及びｎ形不純物層2,3に
よって構成されるpn接合形感光素子で光電変換され、信
号電子としてｎ形不純物層３に蓄積される。所定の蓄積
時間を経た後、電極６にハイレベル電圧を印加すると、
信号電子は不純物層５に移送される。この不純物層５に
移送された信号電子は、紙面に垂直方向に転送され、最
終的に外部に出力される。

第７図は、第６図のX₁−X₂線に沿った電位分布図であ
る。その第７図において、９は信号電荷がｎ形不純物層
３に充満した状態の伝導帯の電位を示し、10は信号電荷
がｎ形不純物層５に移送された状態の伝導体の電位を示
し、11は同状態の価電子帯の電位を示す。ｎ形不純物層
３からｎ形不純物層５への電荷移送時にｎ形不純物層３
内に電荷が残留すると、その電荷が熱拡散過程によって
非常にゆっくりとした速度でｎ形不純物層５に移動し、
周知の残像形象をもたらす。これを防ぐため、ｎ形不純
物層３を、ほぼ完全に電子がなくなる状態にする必要が
ある。

しかしながら、ｎ形不純物層３に電子がほとんど存在し
ない完全空乏状態では、熱的電子の発生が大量に行わ
れ、暗電流雑音として信号をじょう乱する。即ち、半導
体表面は、その結晶性が乱されることから、いわゆる表
面準位13が禁制帯内に多量に存在し、その表面準位を介
して電子の熱励起が盛んに起こる。この現象は、伝導体
内に多量の電子が存在する場合あるいは価電子帯に正孔
が充満している場合には、大幅に軽減される。従って、
前述の如く、ｎ形不純物層３の完全空乏状態には、熱的
電子の発生が大量に行われ、暗電流雑音として信号をじ
ょう乱する。

また、電荷移送時に印加されるハイレベル電圧は、素子
の耐電圧上あるいは動作の簡易化上、できるだけ小さい
方が望ましい。そのため、ｎ形不純物層３をできるだけ
小さな電位で空乏化できるように、その不純物濃度を低
くする必要がある。このようにすることにより、ｎ形不
純物層３に蓄積できる最大信号電荷量が小さくなり、装
置全体としてのダイナミックレンジが損われることにな
る。

上記した第６図及び第７図のものは、ｎ形半導体基板１
を過剰電子排出ドレインとして作用させる一般的な構造
のものである。このような構造のものにおいては、ｐ形
不純物層２の濃度も非常に低い。それにより、基板１と
不純物層２との接合容量が非常に小さく、前記ダイナミ
ックレンジはこれによってより一層顕著に低下する。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来の半導体装置には、熱的キャリア（暗
電流）が発生し、残像が生じ、且つ電荷蓄積容量が小さ
いという難点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的は、
暗電流が発生せず、残像が生じることもなく且つ電荷蓄
積容量の大きな半導体装置を得ることにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明の半導体装置は、第１導電型の半導体層の表面近
傍に第２導電型の不純物層を埋め込み状態に形成するこ
とにより感光素子を構成し、光の照射に伴ってその感光
素子に蓄積される信号電荷を読み出すようにした固体撮
像装置において、前記感光素子を被う透明な絶縁層と、
その絶縁層中に形成され、前記不純物層の表面近傍に、
反転層を形成して暗電流のもとになる第２導電型の電荷
を排除し、代わりに第１導電型の電荷を蓄積させる、第
２導電型の透明な電荷層と、を備えることを特徴とする
ものとして構成される。

（作用）第１導電型の半導体層と第２導電型の不純物層とにより
感光素子が構成されている。その不純物層の表面に、透
明な絶縁膜中の第２導電型の透明電荷層によって、第１
導電型の電荷が蓄積される。これにより、感光素子に対
する光のロスが生じることのない状態において暗電流の
発生が極力抑制される。さらに、不純物層の不純物濃度
を高くして電荷蓄積容量を大きなものとしても、電荷層
により不純物層の完全空乏電位が低くなって、残像の発
生が極力抑えられる。

（実施例）第４図は、本発明の原理を説明するための原理構造図で
ある。同図において、第６図及び第７図と同一の符号を
付した部分は同一のものを示す。さらに、その第４図に
おいて、21は導電性電極14に接続された負電圧供給電
源、22は表面反転層に注入された正孔、23はｎ形半導体
基板１をドレインとして動作させるための正電圧電源で
ある。

今、導電性電極14に十分大きな負の電圧を印加すると、
ｎ形不純物層３の表面に空乏層が形成される。この空乏
層に、ｐ形不純物層（素子分離層）４から正孔22が注入
され、いわゆる反転層が形成される。

この状態におけるX₃−X₄線に沿った電位分布を、第５図
に示す。この第５図において、15は伝導体の電位、16は
価電子帯の電位を示す。ｎ形不純物層３の表面に反転層
が形成されており、正孔22が充満している。従って、そ
の表面部分には、表面暗電流となるべき電子がほとんど
存在しないこととなる。このため、暗電流の発生は飛躍
的に抑えられる。

また、第５図中の電位24は、ｎ形不純物層３から電子が
完全に取り払われるのに必要ないわゆる完全空乏電位を
表わしている。この完全空乏電位が低いことが前記残像
のない動作を容易とする。しかるに、導電性電極14を大
きな負電位とすることにより、ｎ形不純物層３の不純物
濃度を高くしてそこにおける電荷蓄積容量を大きくしつ
つも、前記完全空乏層電位を所定値以下に保持すること
ができる。

以上述べたような利点を有する第４図の原理構造を固体
撮像装置の感光素子に適用することにより、多大な素子
性能改善が達成される。ただし、この場合、第４図の電
極14を通して映像光を入射させる必要がある。そのた
め、その電極14は、光透過率の高い導電材料によって構
成しなければならない。しかるに、一般に、固体撮像装
置の電極材料としては、多結晶シリコンが使用されてい
る。この材料は周知のごとく、青色に相当する光波長40
0〜450nmの光についての光吸収係数が大きい。そのた
め、青色光についての透過率が著しく低いという欠点が
ある。このような点に着目し、本発明は、上記電極14を
設けることなく、前記原理に基づく作用効果が実現でき
る構造の装置を提供するようにしている。以下に本発明
の各種の実施例を説明する。

第１図〜第３図は、本発明の第１〜第１実施例を示す。
それらの各実施例において、第４図及び第６図と同一符
号を付した部分は同等の部材を示す。

第１実施例を示す第１図において、17,18は絶縁層であ
る。それらの絶縁層17,18の界面に負の固定電価19を形
成している。その固定電荷19は、第４図における負電圧
を印加した電極14に相当するものである。従って、固定
電荷に代えて、イオンを用いることもできる。この負の
固定電荷19によって、第７図と同様の原理で、ｐ形不純
物層３の表面に反転層が形成され、正孔22が充満する。
即ち、固定電荷（イオン）の電荷密度は、ｐ形不純物層
３の表面にｎ形の電荷担体（キャリア）を蓄積するのに
十分なものである必要がある。第１図のX₅−X₆線に沿っ
た電位分布は、第５図と同一となる。

第１図の装置においては、第４図の電極14のような不透
明のものが存在しない。そのため、映像入射光は、透明
な絶縁層18,17のみを通過して半導体内に入射し、効率
良く光電変換される。

よって、第１図の装置によれば、表面暗電流が飛躍的に
低減し、電荷蓄積容量が大きく、且つ残像のない感光素
子を、光吸収損失の極力小さなものとすることができ
る。

第２図に示す第２実施例が、第１図の第１実施例と異な
る点は、２層に構成された絶縁層17,18を絶縁層17によ
る１層構造とし、その絶縁層17中にその絶縁層17とは異
なる材質の層20を設け、その層20中に前記固定電荷19を
極在させるようにした点にある。その他の点は、第１図
のものと同様である。

第３図に示す第３実施例が、第２図に示す第２実施例と
異なる点は、第２図の絶縁層17を電極６の下側のゲート
絶縁膜25と上側の絶縁層26とに分割して構成し、その絶
縁層26を負の固定電極が分布形成されたものとして構成
した点にある。

上記第２及び第３実施例は、前記第１実施例と同様の作
用、効果を奏する。

上記各実施例において、不純物層2,3の極性が上記した
場合とは逆のものにおいては、固定電荷の極性も各実施
例の場合とは逆に正のものとすればよい。また、上記各
実施例の作用、効果を得るに際し、半導体基板１は必ず
しも必要としない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、感光素子に対する光のロスを生じさせ
ることなく、電荷蓄積容量を大きなものとしつつ残像の
発生を極力抑えることができ、且つ暗電流の発生を極力
抑えることのできる固体撮像装置を得ることができる。
即ち、本発明においては、従来は、外部の電源に接続し
て使用される、構造物としての電極体でなければならな
いと思われていた、感光素子上の電極を、電極体に代え
て単なる電荷層として構成するようにしたので、従来用
いられていた固体撮像装置における（透明）電極材料と
しての多結晶シリコンとは異なり、感光素子に対して光
のロスが生じることを防ぐことができる。また、外部電
源に接続される電極体に代えて、電荷層を用いつつも、
その電荷層の電荷量を調節することにより、第２導電型
の不純物層の不純物濃度を高くして電荷蓄積容量を大き
くしても、その表面部分に暗電流のもとになる第２導電
型の電荷が極力存在しないようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の第１〜第３実施例の要部断面
図、第４図は本発明の原理構造図、第５図はそのX₃−X₄
線に沿った電位図、第６図は従来例の要部断面図、第７
図はそのX₁−X₂線に沿った電位図である。２…ｐ形不純物層（第１導電型の半導体層）、３…ｎ形
不純物層（第２導電型の不純物層）、17…絶縁層、18…
絶縁層、19…固定電荷、26…絶縁層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体層の表面近傍に第２導
電型の不純物層を埋め込み状態に形成することにより感
光素子を構成し、光の照射に伴ってその感光素子に蓄積
される信号電荷を読み出すようにした固体撮像装置にお
いて、前記感光素子を被う透明な絶縁層と、その絶縁層中に形成され、前記不純物層の表面近傍に、
反転層を成形して第２導電型の電荷を排除し、代わりに
第１導電型の電荷を蓄積させる、第２導電型の透明な電
荷層と、を備えることを特徴とする固体撮像装置。