JPS6216566A - 固体撮像装置 - 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〉 本発明はプルーミング抑圧機能を備えた固体撮像装置に
関するものである。

〈従来の技術〉 一般に固体撮像素子では、受光画素部及び電荷転送部そ
れぞれに最大許容電荷量が存在する。従って受光領域内
の一箇所に強い光が入射し、所定の光積分期間中に発生
する光励起電荷の量がこれら許容量の小さい方を越える
と、入射箇所以外にも電荷があふれ出していわゆるプル
ーミング現象を起こす。このプルーミング現象を抑圧す
るためのアンチプルーミング構造としては従来より種々
のものが考案されている。なお、以下ではインターライ
ン転送型ＣＣＤ撮像素子の場合を例に取って説明するが
、他のタイプの固体撮像素子でも同様に議論することが
可能である０また受光部と転送部の間にトランスファψ
°ゲートを用いないトランスファ・ゲートレス構造が周
知であシ、以下ではこの構造の場合を例に取って説明す
るが、ここで展開される議論はこの構造に限定されるも
のではない。さらに、信号電荷としては電子の場合を例
に取るが正孔の場合も極性をすべて反対にすることによ
り同様に議論することができる。

第１０図及び１１図は、従来より知られたアンチプルー
ミング構造の一例を示す図であシ、第１０図は従来の固
体撮像装置の受光部周辺を転送レジスタφの転送方向と
直角に切った状態を示す断面図であり、第１１図は第１
０図に対応して各点での最小ポテンシャルを示した図で
ある。

なお転送部はｎ一層が形成された埋込みチャネルＣＯＤ
　（ＢＣＣＤ）とするがこの構造は必然的なものではな
い。以下で述べる他の例の場合も同様である。

第１０図において、１０１はｐ基板、１０２はフォトダ
イオード部ｎ層、１０３はトランスファ領域、１０４は
埋め込みチャネルＣＯＤ　（ＢＣＣＤ）を構成するため
のｎ一層、１０５はオーバフロードレイン用ｎ＋層、１
０６はシフトレジスタ用電極、１０７はオーバフロード
レイン用ゲート電極（ｖｏ６）、１０８はオーバ７０−
ドレイン用ドレイン電極（ｖｏＤ）、１０９．１１０は
画素間を分離するチャネルストップである。

今、第１１図に示すようにＶ。０ゲート下のポテンシャ
ルψ。ヲトランスファ部１０３のポテンシャルの中レベ
ル値ψ１より低い値とすると、強い光によりフォトダイ
オード部ｎ層１０２に発生した過剰な電荷は隣接のドレ
イン領域１０５へ排出され、プルーミングは抑圧される
。

第１２図乃至１４図は従来より知られたアンチプルーミ
ング構造の他の例を説明するための図であり、第１２図
は受光部周辺を転送レジスタφの転送方向と直角に切っ
た断面図であり、第１３図は第１２図に対応して各点で
の最小ポテンシャルを示した図、第１４図は第１２図の
Ｄ−Ｄ’断面におけるポテンシャル分布を示した図であ
る。

第１２図において、１１１はｎ基板、１１２はこのｎ基
板１１１上に形成されたｐウェル、１１３はフォトダイ
オード部ｎ層、１１４はトランスファ領域、１１５は埋
め込みチャネルＣ０Ｄ（ＢＣＣＤ）を構成するためのｎ
一層、１１６は転送レジスタ用電極、１１７及び１１８
は画素間を分離するチャネルストップである。

この第１２図に示す構造では、第１０図におけるｐ基板
１０１がｎ基板１１１上ｐウエル１１２となっている０
従って第１４図に示すように基板側にバリヤを生じる。

したがってバリヤの最大値ψ。ヲトランス７７部ポテン
シャルの中レベル値ψ１より低い値に設定すれば、強い
光によりフオドダイオード部ｎ層１１３に発生した過剰
な電荷は基板１１１側へ排出され、プルーミングは抑圧
される。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記第１θ図に示すアンチプルーミング構造では、オー
バブロードレインとして作用するＶ。６領域及びＶ。Ｄ
領域を余分に設けなければならないから、受光面積が小
さくなり、その結果感度の低下及び最大電荷量の低下を
もたらす。

これに対して、第１２図に示すアンチプルーミング構成
では、第１０図に示した場合のように受光面積の低下を
もたらすことはない。しかしながら、第１４図において
表面からの距離がｄＢより深い所で発生する光励起電荷
は基板１１１側へ逃げてしまい、特に長波長光で感度が
低下する。さらに基板が信号電荷と同じタイプのものと
なり周辺回路等に対してもすべてウェルを形成しなけれ
ばならず、製作工程が複雑となる。

このように、従来のアンチブルーミング構造には常に短
所が付随し完全なものは存在しないのが現状である。本
発明は以上のような問題点に鑑みて創案されたもので、
何ら特性の犠牲を伴なうことのないほぼ完全なアンチブ
ルーミング構造を備えた固体撮像装置を提供することを
目的としたものである。

〈問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、
単一の半導体基板と、この単一の半導体基板上に形成さ
れたこの基板と逆の導電型の第１の層と、この第１の層
の表面部分に形成された上記の基板と同一導電型の第２
の層と、この第２の層における少数キャリヤに対するポ
テンシャルが基板より低くなるように上記第２の層に電
位を印加する手段とを備えるように構成している。

く作　用〉 上記のような構成により、上記の第２の層の表面より光
が入射することにより上記の第１の層に光電変換された
電荷が蓄積され、また第２の層における少数キャリヤに
対するポテンシャルが基板より低くなるように第２の層
に電位が印加されているため、強い光により発生した過
剰な電荷は第２の層側へ排出されて、プルーミングが抑
圧されることになる。

〈実施例〉 次に、本発明を図面を参照して以下の実施例により説明
するが、これらの実施例は本発明を何ら制限するもので
はない。

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を説明するための
図であり、第１図は受光部周辺を転送レジスタφの転送
方向と直角に切った固体撮像装置の要部断面図であり、
第２図は第１図に対応して各点での最小ポテンシャルを
示した図、第３図は第１図のＡ−Ａ’断面におけるポテ
ンシャル分布を示した図である。

第１図において、１はｐ基板、２はｐ基板１上に形成さ
れたフォトダイオード部ｎ層、３はトランスファ領域、
４は埋め込みチャネルＣ０Ｄ（ＢＣＣＤ）を構成するた
めのｎ一層、５はフォトダイオード部ｎ層２の表面部分
に形成されたｐ＋層、６は転送レジスタ用電極、７はｐ
＋層５に所定の電位を印加するための電極、８及び９は
画素間を分離するチャネルストップである。

本発明の特徴はｐ基板１上に形成されたフォトダイオー
ド部ｎ層２の表面に、高濃度のｐ＋層５を設け、かつこ
のｐ＋層５に基板に対して正の電位ｖＰを外部よりミ極
７を介して印加することにある。

これにより、第３図に示すように３層２のポテンシャル
は完全に空乏化した時の最小値ψ。から電荷が蓄積する
に従いψＣ″！で上昇するが、ポテンシャルがψＣを越
えようとすると３層２とｐ＋層５の間が順方向となり、
ｐ＋層５側へ電子が注入されて（同時に正孔はｐ＋層５
側よ、９ｎ層２側へ流入する）、ポテンシャルの上昇は
阻止される。従ってψ。ヲトランス７１部３のポテンシ
ャルの中レベル値ψ１より若千低く設定しておくことに
より、強い光により発生した過剰な電荷はｐ＋層５側へ
排出され、ブルーミングは抑圧される。またψ。をトラ
ンスファ部３のポテンシャルの低レベル値ψ。

より若干高く設定すれば、フォトダイオ−下の電荷は常
に完全転送モードで転送レジスタ部へ移されるから、電
荷の取残しによる残像を生じることがない。さらに第１
図に宗した構成では、ｐ基板１の空乏層端の表面からの
距離ｄＡは十分大きくすることが可能であるから、長波
長光に対しても感度の低下を招くことがない。なお、表
面ｐ＋層５は過剰電荷読出しのドレインに相当するから
高濃度とするが、このことは少数キャリヤ拡散長を短か
くすると考えられるから、短波長光の感度を高く保持す
るため厚さは薄く（例えば０．２μｍ程度）することが
必要である。

第４図乃至第７図は本発明における受光部間の構成例を
説明するための図であシ、第４図は複数のフォトダイオ
ードを含む領域の平面図、第５図は第４図のＢ−Ｂ’断
面を示した図、第６図は第５図に対応して各点の最／Ｊ
Ｎポテンシャル分示した図であり、第７図は第５図のｐ
＋領領域おける少数キャリヤ分布を示した図である。な
お、第４図のＣ−Ｃ′断面が第１図に相当する。但し、
第４図ではゲート６（φ）が省略しである。

ここでフォトダイオードｎ層２１，２２．２３゜・・・
は島状に孤立しており各画素のポテンシャルが分離され
ている。また２層５は−続きとなってフォトダイオード
ｎ層２１．２２，２３．・・・の表面に形成されており
、終端部でｐ基板１に対してＶ。

なる正電位が印加されている。ｐ＋層５とｐ基板１とが
接する境界には絶縁膜１１，１２．１３．・・・が形成
され、ｐ＋層５とｐ基板１とは電気的には１層２１，２
２，２３．・・・を介してのみ接続している。

各フォトダイオードｎ層２１，２２，２３．・・・の間
はｐ領域となっているから、第６図に示すようにポテン
シャルバリヤが形成され、画素分離がなされる。このバ
リヤの高さはｐ領域の濃度、絶縁膜厚等に依存するから
これらの値を適宜調節する。

この第４図〜第６図に示した構成の場合、一箇所に強い
光が入射し過剰電子がｐ＋＋域５へ注入されると、少数
キャリヤの拡散現象によりこれら電子はｐ＋＋域５を通
って周辺へ広がる。この関係を第７図に示す。しかしな
がらｐ＋＋域５の不純物濃度を十分高くしておけば少数
キャリヤの拡散長りは画素ピッチより十分小さくするこ
とができ、従って拡散した電子が周辺画素へ流入する確
率は十分小さくできる。

第８図は第４図及び第５図の場合とは異なった、本発明
における受光部間の他の構成例を示す図であシ、受光部
を転送レジスタ転送方向で切断した断面図により示す。

ここではｐ＋＋域５は転送方向にも分断され、１層２１
，２２，２３．・・・の各領域内の島状に５１．５２，
５３．・・・とじて孤立している。従って、各ｐ＋領領
域１，５２，５３．　・・・は別の電極線７０によって
接続され、基板ｌに対してＶ、なる正電位が外部より印
加される。この第８図に示した場合も各ｎ層２１．２２
．２３．・・・領域間はｐ領域となっているから、各点
における最小ポテンシャルの分布は第６図と同様になる
。

本発明の構造においては、ｐ＋層５とｐ基板１がフロー
ティングのｎ層２を介して接していることから、ｐ＋層
５とｐ基板１との間のパンチスルーを防止するための考
慮が必要となる。即ち第９図においてくｎ層の濃度及び
厚さが適当ならば曲ｉ１Ａに示すように正常の電荷蓄積
モードとなるが、ｎ層濃度が低すぎる場合あるいはｎ層
厚さが薄すぎる場合には曲線Ｂに示すように、ｐ＋＋域
５とｐ基板１は単調増加のポテンシャル分布曲線で結ば
れ、ｐ＋層層側側シル基板ｌ側へ大量の正孔電流が流れ
てしまう。即ちパンチスルー現象を生じる。例えば基板
１の不純物濃度ｌＸｌ０　　ｃｍ　　、２層５の不純物
濃度ｌＸｌ０　　ｔｙｎ　　　とした場合、ｎ層２の不
純物濃度ｌＸｌ０　　ｃｍ　　、厚さ１１１ｍの時ｖＰ
＝８５Ｖでパンチスルーするのに対し、ｎ層２の不純物
濃度、厚さともに１／２とするとＶ、　＝　５．９　Ｖ
でパンチスルーを生じる。現実にはｎ層２内において表
面から垂直方向よりも側壁方向がパンチスルー電圧は低
い。このため第５図に示すように絶縁膜１１゜１２．１
３．１４．・・・を若干ｎ層２１，２２゜２３、・・・
内へ侵入させ、また第８図の場合、ｎ層５１．５２．５
３．・・・が９層５１，５２．５３゜・・・の側壁方向
を覆う幅Ｗを厚くする。

なお、上記のように本発明の詳細な説明においては２次
元固体撮像素子について説明したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、１次元の固体撮像素子にも適用
可能であることは、第４図に示す例からも容易に判断さ
れる。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明によれば、アンチブルーミング機
能を単一の基板上に形成しているにもかかわらず、受光
部の面積を圧迫することがなく、また受光部は表面から
十分深い所まで電荷を集めることかできるから、長波長
の光に対しても十分高い感度を持つ。また、受光部は完
全転送モードとすることができるから、電荷取残しによ
る残像を生じることがない。さらに基板は信号電荷と逆
タイプのものが使えるから、周辺回路部分も含めた素子
構成がきわめて容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を受光部から転送
シフトレジスタへの関係において説明するための図であ
シ、第１図は本発明の一実施例装置の要部断面図、第２
図は第１図に対応したポテンシャル分布図、第３図は第
１図のＡ−Ａ’断面におけるポテンシャル分布図、第４
図乃至第７図は本発明の一実施例を受光部間の関係にお
いて説明するための図であり、第４図は平面図、第５図
は第４図のＢ−Ｂ’断面図、第６図は第５図に対応した
ポテンシャル分布図、第７図は第５図のｐ＋領領域おけ
る少数キャリヤ分布を示した図、第８図は本発明の他の
実施例を受光部の並びの方向における断面で示した図、
第９図は本発明におけるｎ層の望ましい濃度及び厚さを
説明するための図、第１０図及び第１１図は従来のアン
チプルーミング構造の一例を説明する図であシ、第１０
図は受光部から転送シフトレジスタにわたる領域の断面
図、第１１図は第１０図に対応したポテンシャル分布図
、第１２図乃至第１４図は従来のアンチプルーミング構
造の他の例を説明する図であシ、第１２図は受光部から
転送シフトレジスタにわたる領域の断面図、第１３図は
第１２図に対応したポテンシャル分布図、第１４図は第
１２図のＤ−Ｄ’断面におけるポテンシャル分布を表わ
す図である。 １・・・ｐ基板、２・・・フォトダイオード部ｎ層、３
・・・トランスファ領域、４・・・埋め込みチャネルＣ
０Ｄ（ＢＣＣＤ）を構成するためのｎ一層、５　・ｐ＋
層、７・・・ｐ＋層に所定の電位を印加するための電極
。 代理人　弁理士　福　士　愛　彦（他２名）第２図 第６ｒ：！Ｊ 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単一の半導体基板と、 該単一の半導体基板上に形成された該基板と逆の導電型
   の第１の層と、 該第１の層の表面部分に形成された上記基板と同一導電
   型の第２の層と、 該第２の層における少数キャリヤに対するポテンシャル
   が基板より低くなるように上記第２の層に電位を印加す
   る電位印加手段と を備え、上記第２の層の表面より光が入射することによ
   り上記第１の層に光電変換された電荷が蓄積するように
   構成してなることを特徴とする固体撮像装置。 ２、前記第２の層は全領域が前記第１の層を介して前記
   基板と境を接するように構成されてなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ３、前記第２の層はその一部分が前記第１の層を介して
   前記基板と境を接し、残余の部分が絶縁膜を介して前記
   基板と境を接するように構成されてなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ４、前記第１の層の不純物濃度は該層のいずれの部分に
   おいても前記第２の層と前記基板間でパンチスルーしな
   いだけの値に設定されてなることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項または第３項記載の固体撮像装置。 ５、前記第１の層を前記基板上に島状に孤立させて受光
   画素領域を形成し、該領域の表面上でさらに前記第２の
   層を孤立させて形成し、該島状の第２の層領域全体を電
   気的に接続することにより共通の電位が与え得るように
   されてなることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の固体撮像装置。 ６、前記第１の層を前記基板上に島状に孤立させて受光
   画素領域を形成し、該領域の間隙部分の表面を絶縁膜で
   覆い、前記第１の層領域及び絶縁膜領域上に前記第２の
   層領域を分断されることなく形成し、該第２の層領域に
   共通の電位を与え得るようされてなることを特徴とする
   特許請求の範囲第３項記載の固体撮像装置。