JPS6170874A

JPS6170874A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPS6170874A
Application number: JP59192871A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Okubo; 大久保　祥雄; Hiroyuki Mizuno; 博之水野
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1984-09-14
Filing date: 1984-09-14
Publication date: 1986-04-11
Anticipated expiration: 2009-07-27
Also published as: JPH0657056B2

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をはじめ広義の視覚センナに使用
される固体撮像素子に関するものである。

従来例の構成とその問題点近年、半導体集積回路技術の進展にともない、従来ビデ
オカメラ等において使用されてきた撮像管に対して、光
電変換機能、蓄積機能、読み出し機能を単一半導体基板
上に集積した半導体固体撮像素子が実用化されるに到り
前記ビデオカメラ用としてはもとより、その信頼性、安
定性の特長を生かし、工業計測等における画信号入力装
置、ないし、視覚センサーとして急速な応用分野の拡大
がおこなわれつつある。

固体撮像素子には光電変換部と水平、垂直の読み出し方
式に関係して、現在までに数種の構成法が開発されてい
る。すなわち、光電変換部には、ＰＮ接合によるフォト
ダイオードか、ＭＯＳダイオード、もしくはそれらの複
合的構成が可能である。また、水平シフトレジスタには
ＣＯＤシフトレジスタか、ＭＯＳダイナミックシフトレ
ジスタがあり、垂直読み出しには、垂直ＣＯＤシフトレ
ジスタか、垂直信号伝送線とダイナ、ミックシフトレジ
スタ、スイッチ素子の組合わせによるいわゆるＭＯ８Ｏ
８型読直読し構成が組合わせられる。

ただし、水平シフトレジスタがＭＯＳシフトレジスタの
場合は、前記ＭＯ８型読み出し構成が適用されている例
のみが知られている。

かかる従来の固体撮像素子ではいずれの場合にも、垂直
スミア信号という異常信号の発生が広く知られている。

この垂直スミア信号は非読み出し期間において強大な光
入力により電荷蓄積部以外ないしは、絵素開領域で励起
されたいわゆる迷電術が、垂直読み出し機構に洩れるこ
とにより、映像面において高輝度画像の上下垂直方向に
偽信号が現われる現象である。

すなわち、固体撮像素子における垂直スミアの現象は、
多数の光電変換要素間の内部電界の存在しない領域で、
光学的に励起された信号電荷の好ましくない拡散による
ものによる。とくに、長波長光の励起に対しては、それ
が吸収されるに必要な半導体の厚さは、短波長光に対し
て著しく大きくなり、そのため、前記光電変換要素の間
隔に比し無視し得ない深さでの基板深部での励起成分が
支配的となり、それらの信号電荷は、最近接の光電変換
要素の蓄積部のみに、収容されず、近傍の前記光電変換
要素にも到達し、前記スミア信号のみならず解像特性の
低下の原因ともなる。

したがって、この現象は、電荷蓄積部が、未飽和の信号
レベル状態においても発生する。光電変換要素間の内部
電界の存在しない領域を少なくし、かつ、その領域への
光入力が極力抑制される素子の光学的表面遮光構造が採
られるべきである＠一般的には、前記の光電変換２次元
面内での電界のない領域、および、半導体基板の厚さ方
向の深部領域は、後述する光電変換の信号電荷蓄積部の
過大光入力に対する、いわゆる、プルーミング現象によ
る溢れ出し、ないし、溢れ出し電荷の排出機構−オーバ
フロードレインが設けられ、通常は極力少なくされてい
る。そのような“排出機構″によって、前記スミアの現
象を起す、信号電荷も減少することは勿論である。しか
し、一般的には、電界のない光電変換要素間で発生した
信号電荷を切り棄てることと等価で、スミアの現象を根
本的に抑制するものではない。

第１図は、前記の固体撮像素子構成例において、水平シ
フトレジスタ１がＣ０Ｄ（電荷結合素子）で構成され、
垂直シフトレジスタ２が、ダイナミックシフトレジスタ
で構成され光電変換要素がフォトダイオード４と対応す
るスイッチ用トランジスタ６で形成され、水平選択線６
により、選択された光電変換要素４の信号電荷は、垂直
伝送線７に引き出され、垂直変換部３を経て、水平〇Ｃ
Ｄ１に転送され、電荷検出器８により出力される構成例
を示している。

前記光電変換要素のフォトダイオード４には、その蓄積
容量を超える信号電荷が、強い光励起により加わるとき
は、対応する読み出し用トランジスタＳの読み出しレベ
ルの切レベルを超える前に溢れ出す信号電荷弁を、前記
読み出し側の切レベルより高いレベルで溢れ出さしめて
、排出すべきトランジスタ９構造が、第２図に示すよう
に付設され、溢れた電荷を排出線１０を通じ排出する構
造が、撮像の２次元面内に構成されることがある。

また、それらを、前記２次元面に垂直な方向、すなわち
、撮像要部表面を半導体基板の導電極性と逆にし、いわ
ゆる１床上げ構造”による立体的構成で、溢れ出し電荷
を排出する構成も周知のとおりである。

第３図は、固体撮像素子の光電変換要部が、前記の、い
わゆるＭＯＳ型と称せられる構成での、光電変換要部の
断面を示すものである。しかし、前記の過大光入力によ
る、いわゆる、溢れ出し信号電荷の排出機構はない。未
飽和光入力レベルでのスミアの現象を、全励起信号電荷
を切りすてることなく、抑制するものではないからであ
る。

従来例による、光電変換要部では、第２図読み出しトラ
ンジスタ５のドレインに相当する第３図のドレイン扱散
層１４は、光電変換用フォトダイオードの拡散層１３と
は非読み出し期間中はゲート１７が１切１の状態で電気
的に遮断された状態である。しかし、非読み出し期間、
拡散層電位はハイレベルにあるので、半導体基板１１の
深部で励起された信号電荷や受光域帯１８を素子表面に
関し斜めに入射した入力光１９により発生した信号電荷
２０で、拡散層１３に収容される確率はハィレペルにあ
るドレイン拡散層１４に吸収され、スミア信号を形成す
るにいたる確率と同程度になってしまう。これを防止す
るには、遮光域１５を大きくし、開口窓部１８を小さく
するのが有効であるが、撮像素子としての感度の維持と
両立するものではない。

発明の目的本発明は、上記欠点に鑑みスミア信号を、感度における
犠牲を伴なうことのない固体撮像素子を提供するもので
ある。

発明の構成本発明の固体撮像素子は、光電変換要部にある信号電荷
蓄積部に少なくとも一領域に形成される基板と反対導電
型の拡散領域と、読み出し部を構成するチャンネルまた
は拡散領域をそなえ、前記信号電荷蓄積部の拡散領域が
、前記読み出し部のゲート部とドレイン拡散域を半導体
基板内部に関して半導体基板と同じ導電型の領域を隔て
て、少くとも一部を包囲した形状を特徴として有してい
る。

実施例の説明第４図に本発明の実施例を示す。第３図に示すような従
来例での半導体基板深部での光励起による信号電荷２ｏ
が、非続み出し時に、読み出しトランジスタのドレイン
１４に吸収されて、いわゆる垂直スミア信号となるのを
防止するため本発明では、読み出し部トランジスタに対
する基板部２２と、基板１１との間に蓄積部１３と一端
が接続するとともに信号電荷蓄積部１３と等電位もしく
は基板より高い電位領域２１を設ける。この電位領域２
１は、信号電荷蓄積部の信号電荷が読み出しを終了した
時刻においては空乏化するような、担体濃度であればよ
い。また、読み出し部を包む領域２１は、基板１１に関
して、読み出し部ドレイン１４を完全に、包む必要は必
ずしもなく、読み出し部トランジスタの基板部２２が基
板１１と一部で接続するが、第６図に示すように、チャ
ンネル化阻止領域１２と接続していても同じ目的は達せ
られる。さらに、一般的には、基板１１と２２の領域２
１は、それらと反対導電型である必要は必ずしもなく、
励起による信号電荷２ｏが電子の場合、基板２２より高
いポテンシフルを与え、信号電荷蓄積部１３に導く導電
型と不純物濃度であればよく、たとえば基板１１がｐ＋
　ｔたはＰで基板２２がＰで、２１がＰ−や直性領域で
あってもよい。領域２１の不純物濃度は、信号電荷の読
み出し後において、基板部２２より高く、かつ、信号電
荷蓄積部１３と同じか、低いボテンシアル状態をもえる
という条件のみが必要である。

半導体基板１１は通常６〜１ｏΩ・副のＰ型（１００）
結晶面を表面とするものが使用される。

しかし、これは、結晶の表面の５〜１５μｍの厚さの部
分がこの特性を有すればよく、半導体基板本体としては
、高濃度の戸、または反対導電型　　４であってもよい
。その場合には、適当なバイアス電圧が印加されること
が多い。読み出し部トランジスタの基板２２の厚さは、
平均担体濃度を１０Ω・ｍ程度にするときは、信号電荷
蓄積部の光電変換動作を最大１２ボルト程度が必要とす
れば１２ミクロン程度に調整することが望ましい。

発明の効果本発明によれば、固体撮像素子の光電変換要部において
、光電変換部間、光電変換部に隣接する読み出し部近傍
、基板深部において発生した電荷が、直接読み出し部に
入り偽信号を形成することを著しく防止する効果がある
。斜め入射光により読み出し部の下部で発生した電荷で
も、また、光電変換要素間で発生したものであっても、
いずれかの、信号電荷蓄積部に収容されるため、直接読
み出し部に吸収される効果は著しく減少する。

したがって、本発明は、固体撮像素子の最大の欠点であ
る垂直スミア現象を根本的に解決する構造を提供するも
ので極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体撮像素子の代表的構成例を示す回路図、第
２図は光電変換要素の等価回路図、第３図は従来例にお
ける光電変換要部の構成断面図、第４図は本発明になる
光電変換要部構成図、第５図は本発明になる別の光電変
換要部構成図である。２１・・・・・・読み出しトランジスタ包絡拡散域、２
２・・・・・・読み出しトランジスタ基板部。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

　半導体基板の表面に信号電荷蓄積部がＰＮ接合、もし
くは、金属−酸化物−半導体構造、もしくは、それらの
組合わせにより構成された光電変換部と前記信号電荷蓄
積部と隣接したスイッチ部を形成するゲート構造とドレ
イン拡散域の対からなる信号電荷の読み出し部との撮像
要素の２次元配列を有する固体撮像素子において、前記
スイッチ部と半導体基板の間に信号電荷に対し前記、読
み出し部より高いポテンシアルを与え、その一端が前記
信号電荷蓄積部に接続する領域を有することを特徴とす
る固体撮像素子。