JPS59108457A - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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JPS59108457A
JPS59108457A JP57217719A JP21771982A JPS59108457A JP S59108457 A JPS59108457 A JP S59108457A JP 57217719 A JP57217719 A JP 57217719A JP 21771982 A JP21771982 A JP 21771982A JP S59108457 A JPS59108457 A JP S59108457A
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drain
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Hidetoshi Yamada
秀俊 山田
Atsushi Yusa
遊佐 厚
Takashi Mizusaki
水崎 隆司
Junichi Nishizawa
潤一 西澤
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10Integrated devices
    • H10F39/12Image sensors
    • H10F39/196Junction field effect transistor [JFET] image sensors; Static induction transistor [SIT] image sensors
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10Integrated devices
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    • H10F39/191Photoconductor image sensors

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

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】 本発明は、光導電膜を光電変換素子として用い、その領
域下に読出しの為の素子と光電変換素子をリセットする
為の素子とを具えた固体撮像素子、特に読出し素子とし
て静電誘導トランジスタ(以・下SITという)、ジャ
ンクショントランジスタ(以下、J−FETという)又
はMOS )ランジスタ(以下、MOS−FETという
)を利用することにより、従来のものに比べてはるかに
高感度とした固体撮像素子に関するものである。
固体撮像素子は、信号読出しスイッチ又は読出し手段の
種類によってMO8型撮像素子及び電荷転送型撮像素子
があり、近年の固体イメージセンサの商品化に伴い、高
密度大規模アレイの点で急激な発展をとげつつある。固
体撮像素子の高密度J−・化に伴い単位撮像素子におけ
る光電変換部の面積比率:開口率は次第に低下し、それ
によって信号検出がよりむつかしくなってきている。
この開口率を大きくとれる固体撮像素子として最近光電
変換部を信号読出しスイッチ又は信号読−□・出し転送
部の上に積み重ねた構造の積層型固体撮1像素子が提案
され、除々に研究が盛んになってきている。これらは、
例えばテレビジョン学会技術報告第3巻83号(198
0年1月)の41〜46ページに記載されているが、そ
の−例を第1−・図に示す。
この固体撮像素子は、P型基板]上に信号読出し用MO
Sスイッチ(Nチャネル)2を具え、そのソース拡散層
8が光導電膜舎の底部電極5に接続されている。透明電
極6を通して入射した光 ;・・(矢印で示す)が、光
導電膜領域4で電子−正孔対を発生させ、そのうちの電
子は透明電極6に吸収され、正孔は底F!Am極5に達
してその電位を上昇させる。これは、初めにこの底部電
極5の電位が低く(例えばOV)セットされていた状態
と比1−”べろと、セット時に底部電極に蓄えられてい
た電子が正孔の流入によって消滅したものとみなすこと
ができる。従って読出しとしては、MOSスイッチ2の
オンによってドレイン電極7及びドレイン拡散層8を介
してその消滅した電子が補充され、゛その電流がその光
電変換部の信号となる。    1この構造における最
大の特長は、底部電filii5を隣接素子との境界ぎ
りぎりまで延ばすことができ、そのため開口率を1&こ
近づけることができるという点である。
他の特長として次のようなものがある。
(])光導電膜の種類により分光感度特性が巣なるため
、撮像目的に応じて光導電膜を選ぶことが可能である。
(2)強い光の入射の場合でも、光導電膜の底部電極1
・□電位は透明電極電位を越えることがないためブルー
ミングが抑制される。
(3) a 常のフォトダイオード等の光電変換素子で
は検知不可能な入射光の短波長成分も透明電極近傍の光
導電膜で電気信号成分に変換されるため、j゛光電変換
効率が向上する。
上述したように、積層型固体撮像素子は、従来型に比べ
て製造技術上の問題を除けば数多くの利点を有している
。しかしながら、今後高密度化が進み単位セルが小さく
なった場合、微小信号をS/N ”″(3) 比を小さくすることなく検出することはますます1困難
となる。また、倶れまでは低照度入射光の場合や動画の
高速シャッタ読出しの場合のように光量の少ない場合の
撮像においてはSハ此の点で良質の画像が得られなかっ
た。これは、これまでの1様に光電変換によって得られ
た信号電荷の補充電流法(MOS型の場合)や信号電荷
の直接転送読出し法(電荷転送型の場合)では、どうし
ても避けられない問題である。
本発明の目的は、こうした微小撮像信号の場合1・・で
も、高感度信号読取りの可能な固体撮像素子を提供する
ことにある。
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
第2a図は本発明の第1実施例を示す断面構造図、第2
b図はその等価回路図である。本実施例1)ハ、読出し
用トランジスタにNチャネル型SIT又はJ−FETを
用いた場合を示す。
P型基板11上に読出し用トランジスタ12のドレイン
となるN十型埋込層18を選択的拡散によって形成する
。その上にN′″型かN型のエピタ 、!1)(4) キシャル層]4(トランジスタ12をSITでJI81
収する場合にはこの層の濃度は10 〜10 /確8で
ありN−型となる)を成長させる。N″型埋込層18内
に示す破線は、基板11とエピタキシャル層14との境
界を示す。拡散により、トランジスタ12のゲートP+
型拡散層15、ソースN+型拡散層16及びリセット用
PチャネルMO8)ランジスタ17のドレインP+型拡
散層18をそれぞれ形成する。この場合、ゲート拡散層
15の形状は、ソース拡散層16を閉ループで取り囲む
1・・ように配置することがトランジスタ12の特性上
望ましい。
ここでP十型拡散N18の深さは、リセット用トランジ
スタ17へのドレイン電圧供給のための配線層19を不
要にするためN十型埋込層13形j・成時にP+型埋込
層を形成し、エピタキシャル成長時の埋込層の持上がり
効果と、ドレインP+型拡散層18を他のP+型拡散層
15とは!Aなる工程により拡散層をより深く形成する
こととで、ドレイン拡散層18と基板11とを20で示
すよう−・・に接続して構造を変形することもできる。
    1ソ一ス電極層21は、 (イ)絶縁膜22を挾み電極23との間にキャパシタン
スを形成する。
(ロ)ソース拡散層16からの配線抵抗を小さくする。
ことの目的でソース拡散層16の上にこれとオーム接触
をとって形成する。このソース電極21は、不純物をド
ープした多結晶シリコン又はタングステンやモリブデン
等の高融点金属で構成する。リセット用トランジスタ1
7のゲート電極24及び−ドレイン配線層19も同様の
材料で構成する。電極28は、遮光性の配線層(例えば
At膜)から収り、光導電膜25の底部電極を構成する
。光導電膜25は、Zn0ciTe xどの光導電膜、
カルコゲナイド非晶質膜又は水緊化非晶質シリコンを用
いても1・よい。透明電極26は、酸化錫(SnO□)
や酸化インジウム錫(ITQ)等で構成する。
第2b図は、第2a図に示す固体撮像素子の等価回路を
示す。コンデンサ27は、透明電極26と光導電層25
と底部電極28とから成る光導電パ膜ヲ示し、トランジ
スタ28は、P 型拡散層151をゲート、N+型型数
散層16ソース、N++埋込層18をドレインとし、N
−型(又はN型)エピタキシャルN14をチャネル部と
した読出し用Nチャネル5IT(又はJ−F’ET )
を示す。フンデ。
ンサ29は、ゲート電極28とソース電極21との間に
形成されるキャパシタンス(Og )を示す。
トランジスタ80は、光の入射によって電位が変動シた
トランジスタ28のゲート電位を一定値■Sにリセット
するためのリセット・トランジスタ −(本実施例の場
合は、PチャンネルMO8)ランジスタ17より成る)
である。ソース電極配線ラインを81で、ドレイン拡散
層配線ラインを32で、リセットゲート電極配線ライン
を88で示す。
また、ソース電極配線ライン81につけた負荷損1′・
抗を84で示す。
なお、前述したようにリセット・トランジスタ80のド
レイン電極を設ける場合には、リセットドレイン電極配
線ラインが必要となるが、ドレインをP十型拡散層20
を介して基板11に直接に !□・接続し、基板よりド
レインに電圧を供給する場合。
には、リセット電極配線ラインは不要となる(第2b図
の場合)。
次に、第2b図の等価回路を用いて第1実施例の動作に
ついて説明する。光導電膜27の両端に。
透明電極側が底部電極側に対し高くなるようにバイアス
をかけておく。光が入射して光導電膜中で電子−正孔対
が発生すると、電子はより高電圧の透明電極側に吸収さ
れ、他方、正孔は光導電膜中の電界で加速されて底部電
極側に達し、ゲート点I・・35の電位Vgを上昇させ
る。この場合、電位上昇ノ傾きはソース電極との間にあ
るキャパシタンスCgの大きさによって決められ、Gg
が大きければ電位上昇の傾きはゆるやかに、Cgが小さ
ければ電位上昇の傾きは急峻になり、所望の読取し特性
に1・応じてその値を設定する。このGgは、主として
ソース電極21とゲート電極28との間の絶縁容量から
構成されるので、ゲート点85の電位に関係しないほぼ
一定値であるが、実際にはゲート拡散層15とチャネル
部】4及びソース拡散層16と゛□の間の空乏層容量が
加わり空乏層容量の印加電圧1非線形状から完全な一定
値とは言えない。ただし、チャンネル部14の濃度が低
いSITの場合などは特にこの空乏層容量の寄与分は無
視することができ、従ってゲート点85の電位は光導電
膜中で−。
発生した電子−正孔対の量にほぼ比例して高くなる。例
えばゲート電位の初期設定値は一5■に対し一1■まで
上昇する。
次に信号読出し動作について述べる。信号読出し時には
、ドレイン電極配線ライン32が選ばれ1喝)て高電圧
(例えば+12V)にバイアスされ更にソース電極配線
ライン81も選ばれて例えば負荷抵抗84を介してOv
に接地される。このとき読出しトランジスタ28に流れ
た電流の値を負荷抵抗84で電圧に変換して出力電圧と
して読出す。 l’1ドレイン電流Idは、ゲート点8
5の電位vgとドレイン電圧Vdとによって定まる。ド
レイン電流工dは、次式によって与えられる。
η:係数(〈1) μ:電圧増幅率(〉]) rS+ソースから固有ゲートまでの直列抵抗刊行物「半
導体研究」第15巻第159ページ等によれば、S工T
の場合ドレイン電流が大きいと一□ころではゲート電圧
は実効的に逆方向に深くなり、ドレイン電流の増加は次
第にゲート電圧に比例するようになる。即ち、Idが大
きい場合となる。
この読出し特性については、工dの大きい線形領域で読
出すか又は7gに対する非線形な領域で読出して、後に
何んらかの方法で線形関係に変換するなど様々な方式が
考えられる。
読出しトランジスタ28がJ−FETの場合、■d〈φ
B −Vg (φ8はゲート接合拡散電位)なる非飽和
動作では、 cTo:係数 d :ゲート間隔 となり、ゲート電圧■gのドレイン電流Idに対する関
係は平方根の関係となる。こうした読出し特性は階調を
1で読出そうとする場合には、線形な関係にもどしてや
る必要があるが、ダイナミックレンジの広い撮像光の場
合には平方根で圧縮した読出し特性は有効となる。
次に、本発明固体撮像素子の第2実施例を説明する。第
8a図はその断面構造図、第8b図は−1・・部を変形
した断面構造図、第8c図は等価回路図、第8d図は動
作を説明するためのリセット・タイミング図である。本
実施例は、読出しトランジスタ40をNチャネルJ−F
ETとした場合である。
N型基板41上にP+型埋込み拡散層42を形成・・し
、トランジスタ40の底部ゲート拡散層とする。
この上にN型エピタキシャル層48を堆積する。
次に、表面のP型ゲート拡散Ji 44と底部ゲート4
2とを接続するためのP十型拡散層45及び撮像素子間
のアイソレーションのための絶縁層又はP+・・・型拡
散層46を形成する。更に、読出しトランジスタ40の
ソース及びドレインとなるN+型型数散層47形成し、
ソース電極配線層48及びドレイン電極配線層48′を
不純物をドープした多結晶シリコン層又はモリブデンや
タングステン等の高・融点金属で形成する。ゲート拡散
層44上に絶縁層49を挾んで多結晶シリコン層などに
よる電極層50を形成し、この電極層の上に絶縁層51
を挾んで光導電膜52の底部電極層58を遮光性のある
金属(例えばAl)で形成する。その際、読1・・取し
トランジスタ40の活性領域全面を−うようにし、同時
に底部ゲート拡散層42とのオーム接触をとる。底部電
極層58の上に光導電膜52及び透明電極54を形成す
る。
撮像素子間のアイソレーションを確実にするたl−′め
には、アイソレーション層46をP+型拡散層で形成し
た場合に、この拡散層の電位がフローティングしてしま
うのを避けるために第8b図に示すように変形するのが
有効である。即ち、基板41をP型基板として拡散層4
6とオーム接触を2Iとり、ゲート拡散層42を基板4
1に対してアイ1ソレートするためには、この拡散層4
2を形成する前に、いったんN+型型数散層55形成し
た後に新ためてゲート拡散層42を形成する。この方法
は、特開昭56−98857号公報に開示されている。
次に、第8C図に示す等価回路に基づいて動作を説明す
る0リセット機構を除けば、はぼ第1実施例と同じであ
るから相違点についてのみ説明する。入射光量−読出し
電流の関係式の傾きを定めI・・るフローティング・ゲ
ート点56のキャパシタンスは、リセット電極5oに対
する絶縁層51を介したゲート電極58の容量及びリセ
ット電極50に対する絶縁層49を介したゲート拡散層
44の容量(この2つの容量を合わせてORとする)及
 1−・びソース拡散層47に対するゲート拡散層42
゜45の容量(これら容量を合わせてCgとする)から
構成される。この等価回路では、光導電膜57、読出し
トランジスタ58、キャパシタ(459、キャパシタO
R60、ソース電極配線ライ ゛。
ン61.  ドレイン電極配線ライン62、リセット1
電極配線ライン68、を示し、リセット電極68への印
加パルスをφR,ゲート電位をVgとする。
光導電膜57で光電変換された正孔がゲート電極58に
次第に蓄積され(第8d図に65で示す。
成分)ゲー)i位vgが上昇する。そしてドレイン電極
及びソース電極が選ばれて、ゲート電位Vgに応じたド
レイン電流が流れ(詳しくは第1実施例と同じ)、ソー
ス配線ライン61に接続した負荷抵抗64によって電圧
に変換され出方電圧とし1・・て続出される。
次にゲー)[位のリセットについて第8d図のタイミン
グ図を参照しながら説明する。タイミング上工でリセッ
トパルスφRは立上がり、振幅vRが、となるように設
定すれば、ゲート電位■gはソース電位(OVとする)
に対しV にクランプされる。
E 次の軸の立下がりt2でゲー)[1位はの負の電位にリ
セットされ撮像可能な状態になる。
入射光によるゲートへの正孔蓄積によって第8d・図に
65で示すように電位は次第に上昇し続け、読出し後再
び一定値ニリセットされる。ゲートに蓄積された過剰な
正孔は、φRの立上がり時にゲート・ソース接合を通し
てはきtOk3される。
次に、本発明の第8実施例を説明する。第4a1・・図
はその断面構造図、第4b図は第4a図のA−A′断面
図、第4C図は動作説明のための等価回路図である。本
実施例は、読出しトランジスタ70が、NチャネルMO
8FETの場合である。
P型基板71上にP+型チャネルストップ拡散 1′7
87!!及びM択[EI[l[層7 B (a称LOO
OF3@造)を形成後、ゲート醗化膜74を成長させる
次に、不純物をドープした多結晶シリコン又はモリブデ
ンやタングステン等の高融点金属によってゲート電極7
5とリセット・トランジスタ76のh′(15) ゲート電極77を形成し、そして読出しトラフジ1スタ
フ0のソース電極78、ドレイン電極79及びリセット
・トランジスタ76のドレイン電極86をそれぞれ形成
する。同時に、読取もトランジスタ〜70のN+型ソー
ス拡散層80.  ドレイン−に散Pils】、そして
リセット・トランジスタ76のN+型ソース拡散層82
、ドレイン拡散層88をそれぞれ形成する。
ゲート電極上に絶縁N87を介して遮光性電極88(例
えばAl膜)をほぼ全面に堆積させ、そしl・・て光導
電膜84、透明電極85を、前記実施例の場合と同じ材
料を用いてそれぞれ形成する。
(16) 以下、第40図の等価回路を参照して、特に前1記実施
例と相違する点を中心に説明する。
光導電膜90で発生した正孔が読出しトランジスタ91
のゲートに蓄積され、ゲート電極75の基板71に対す
る容fit Odと絶縁膜87を介して 。
成るソース電極78との容Mcgとにより定まる傾きに
よりゲート電位は次第に上昇する。読出し時はドレイン
電極配線ライン92が選ばれて、ドレインに高い電圧が
印加され、同時にソース電極配線ライン98が選択され
て、負荷抵抗94を介1.。
して接地(Ov)される。その選択時のドレイン電圧v
dとゲート電位vgの可変範囲を読出しトランジスタ9
1が非飽和領域でのみ動作するようにOg+ Cd等を
調整しておけば、この選択時のドレイン電流Idはゲー
ト電位Vgに対し Id−β((V、−VT)Vd+va”)で表わされ、
ゲート電位に比例したドレイン電流が得られる。従って
、読出し期間内の入射光緻に比例した読出し電圧が負荷
抵抗端で得られる。
ゲート電位vgの初期値は、入射装置が零の場 ・・合
にドレイン電流が零か微小な値になるように 1vT又
はvTよりやや大きい飴に設定する。即ちリセット・ト
ランジスタ95によって読出し後適当なタイミング図ゲ
ート電極配線ライン96を選択してゲートを励起し、上
述した設定MV6に設定 。
する。この設定値■ を供給するドレイン電極配線ライ
ン92をわざわざ設けるのが大変であれば、隣のソース
電極配線ライン97に点線98で示すように接続し、隣
の撮像素子の読取り前か読出し後に上記設定値に設定す
る方法も配線を減らす上1.・で効果的である。
以上実施例で示してきたように積層型固体撮像素子の持
つ大きな開口率、短波長、検出可能にする光電変換効率
の向上、ブルーミングが起らないなどの特長に加え、光
電変換で得られたキャリア1゜をSIT 、J−FET
又はMOS−FE’l’等のゲートに蓄積することによ
りトランジスタの有する増ll1i機構を利用して増幅
された電流を検出感度良く読出すことができ、特に低照
度撮像や高速シャッタ読出し又は高密度化に作う単位撮
像面積の低・・下に対してパラメータによる増+11’
tii 率の加減をしな。
がら効果的に対応することかできる。
特に読出しトランジスタにSITを用いた場合には電位
上昇に伴ってゲート電位−ドレイン電流が線型に近づき
撮像素子に適した読出し特性か得られ、又低照度域−高
照度域にわたりやや圧縮がかけられた特性となり広い照
度域の撮像には特に好適であるし、更にチャネル抵抗が
小さいため高速読出しが可能となる。ゲート電位のリセ
ットには一般にリセット・トランジスタが必要となるが
〜・リセットゲート電極のみ昏こよる電荷はき出し法は
リセットゲート電極を重ねる形で設けるため高密度化の
点で非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の固体撮像素子の断面構造図、 1第2a
図は不発明の第1実施例の断面構造図、第2b図は第2
a図に示す固体撮像素子の等価回路図、 第3a図は本発明の第2実施例の断面構造図、第8b図
は第8a図の構造を一部変形した固体□・、撮l#累子
の断面構造図、 第3G図は等価回路図、 第8d図は動作説明のためのリセット・タイミング図、 第4a図は本発明の第8実施例の断面構造図、第4b図
は第4a図のA−AI線断面構造図、第40図は等価回
路図である0 11.41.71・・・基板 12.40.70・・・読出しトランジスタ14.43
・・・エピタキシャル層 15.44・・・ゲート拡散層 16.82・・・ソース拡散層 17.78・・・リセット・トランジスタ18.81・
・・ドレイン拡散層 25.52.84・・・光導電膜 26.54.85・・・透明電極 !’l、58.88・・・遮光性電極 62.92・・・ドレイン電極配線ライン81.61.
93・・・ソース電極配線ライン88.68・・・リセ
ット電極配線ライン第1図 第2a図 第3a図 第2b図 手続補正書 昭和59年3 月8 日 1、事件の表示 昭和57年 特 許 願第217719号Z発明の名称 固体撮像素子 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 (08’7)オリンパス光学工業株式会社5゜ 6、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄1
明細書第7頁第17行のr(ITQ)jをr(ITo)
」に訂正する。 2同第8頁第14行の「リセット」の後に1トランジス
タの」を加入する。 8同第9頁第5行の「27」を125」に訂正し、同頁
第15行の「読取し」を「読出し」に訂正する。 4同第10頁第8行の「】4の」の後に1不純物」を加
入する。 5、同第14頁第4行の「新ためて」を「改ためて」に
訂正し、 同頁第17行の[(これら容量を合わせてOgとする〕
」を[(この容置をOgとする)」に訂正する。 6、同第19頁第18行の「短波長、」を「短波長を」
に訂正する。 代理人弁理士   杉  村  暁  秀外1名

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 半導体基板と、光検知領域としてこの半導体基板の
    上側に形成され表面を透明電極で底面を遮光性膜で形成
    した光導電層又は非晶質半導体層と、この光導電層又は
    非晶質半導体層の下側に形成され、前記遮光性膜に対し
    ゲート電極をオーム接融した読出しトランジスタと、前
    記ゲート電極の電位をリセットするためのリセットゲー
    ト電極又はリセット・トランジスタとを具えることを特
    徴とする固体撮像素子。
JP57217719A 1982-12-14 1982-12-14 固体撮像素子 Granted JPS59108457A (ja)

Priority Applications (3)

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