JP2000156491A - Infrared solid state image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ショットキー接合
もしくはへテロ接合からなる赤外線検出器を備えている
モノリシック型赤外線固体撮像素子に関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a monolithic infrared solid-state imaging device having an infrared detector composed of a Schottky junction or a hetero junction.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年のシリコン(Si)LSI技術の進
歩に伴い、光を電荷信号に変換するアレイ状に配置され
た多数の光検出器、変換された電荷信号を読み出す読出
し回路、及び電荷信号を出力する出力アンプを同一基板
上に形成する固体撮像素子が多数開発されている。これ
らのなかで、光検出器として赤外線検出器を用いる赤外
線固体撮像装置は、赤外線レンズ、駆動回路、信号処理
回路、素子冷却器等と組み合わせて赤外線カメラとして
実用化されており、防犯、報道、計測、リモートセンシ
ング等の様々な分野で利用されている。赤外線固体撮像
では、大気による赤外線吸収の少ない3〜5μm帯と1
0μm帯の2つの波長帯がよく利用され、素子開発もこ
の2つの波長帯を中心に進められている。2. Description of the Related Art Along with recent advances in silicon (Si) LSI technology, a large number of photodetectors arranged in an array for converting light into a charge signal, a readout circuit for reading the converted charge signal, and a charge signal Many solid-state imaging devices have been developed in which an output amplifier for outputting a signal is formed on the same substrate. Among these, an infrared solid-state imaging device using an infrared detector as a light detector has been put into practical use as an infrared camera in combination with an infrared lens, a drive circuit, a signal processing circuit, an element cooler, etc. It is used in various fields such as measurement and remote sensing. In infrared solid-state imaging, the 3-5 μm band where infrared absorption
Two wavelength bands of the 0 μm band are often used, and element development is also being promoted centering on these two wavelength bands.
【0003】これらの波長帯に感度を有する赤外線検出
器としては、Siと金属の接合(ショットキー接合)、
又はSiと他の半導体の接合(ヘテロ接合)を利用する
Si系検出器と、バンド間遷移を利用する化合物半導体
系の検出器がある。このうちSi系の赤外線検出器を用
いる赤外線固体撮像素子は、赤外線検出器と読出回路と
を同一基板上にモノリシックに形成できるため、感度の
均一性に優れ、かつ高集積化に適しているなどの長所が
ある。Si系の赤外線検出器としては、3〜5μm帯に
感度を有するPtSi(白金シリサイド)/Siショッ
トキー型検出器、10μm帯に感度を有するGeSi
(ゲルマニウムシリコン)/Siヘテロ接合型検出器等
が用いられる。また、信号電荷の読出し回路としては、
CCD(電荷結合素子)、複数の選択用MOSトランジ
スタを用いたXYアドレス方式等が挙げられる。As infrared detectors having sensitivity in these wavelength bands, there are a junction between Si and a metal (Schottky junction),
Alternatively, there are a Si-based detector using a junction (heterojunction) of Si and another semiconductor, and a compound semiconductor-based detector using interband transition. Among them, an infrared solid-state imaging device using a Si-based infrared detector has excellent sensitivity uniformity and is suitable for high integration because an infrared detector and a readout circuit can be monolithically formed on the same substrate. There are advantages. As a Si-based infrared detector, a PtSi (platinum silicide) / Si Schottky type detector having a sensitivity in the 3 to 5 μm band and a GeSi having a sensitivity in the 10 μm band are used.
A (germanium silicon) / Si heterojunction detector or the like is used. In addition, as a circuit for reading signal charges,
An XY address system using a CCD (charge coupled device), a plurality of selecting MOS transistors, and the like can be given.
【0004】次に、従来の赤外線固体撮像素子について
説明する。図10は、赤外線検出器としてPtSi/S
iショットキー接合型検出器53を用い、読出し回路と
して垂直CCD60を用いる従来の赤外線固体撮像素子
70の単位画素の画素断面図である。フィールド酸化膜
55によって赤外線固体撮像素子70を構成する各画素
は、隣接する画素(図示せず)から分離される。ショッ
トキー接合型検出器53は、P型Si半導体基板51、
及び該半導体基板51とショットキー接合をなすPtS
iからなるショットキー電極52で構成される。さら
に、検出器53の直上部には例えばAlの金属膜からな
る赤外線反射膜65が配置され、ショットキー電極52
の周辺部にはリーク電流を低減するために設けられたN
型不純物領域からなるガードリング54が形成されてい
る。Next, a conventional infrared solid-state imaging device will be described. FIG. 10 shows PtSi / S as an infrared detector.
FIG. 9 is a pixel cross-sectional view of a unit pixel of a conventional infrared solid-state imaging device 70 using an i-Schottky junction detector 53 and a vertical CCD 60 as a readout circuit. Each pixel constituting the infrared solid-state imaging device 70 is separated from an adjacent pixel (not shown) by the field oxide film 55. The Schottky junction detector 53 includes a P-type Si semiconductor substrate 51,
And PtS forming a Schottky junction with the semiconductor substrate 51
It is composed of a Schottky electrode 52 made of i. Further, an infrared reflection film 65 made of, for example, an Al metal film is disposed immediately above the detector 53.
Is provided around the periphery of the semiconductor device to reduce leakage current.
A guard ring 54 made of a mold impurity region is formed.
【0005】また、垂直CCD60は、N型不純物領域
からなるCCDチャネル56、ゲート酸化膜57、ボリ
シリコンからなるCCD電極58、及びA1等の金属膜
で形成されるCCD電極用配線59でから構成される。
赤外線検出部53とCCD60との間に配置されたトラ
ンスファーゲート62は、赤外線検出器53からCCD
60に信号電荷の転送を制御するMOSトランジスタで
あり、半導体基板51上にゲート酸化膜57を介して形
成したポリシリコンのゲート電極61を備えている。さ
らに、前述した電極、金属膜等は、酸化膜の層間絶縁膜
63、64によって絶縁分離されていて、素子70の表
面には窒化膜等からなる保護膜66が形成され、基板5
1の背面には反射防止膜17が形成されている。The vertical CCD 60 comprises a CCD channel 56 made of an N-type impurity region, a gate oxide film 57, a CCD electrode 58 made of polysilicon, and a CCD electrode wiring 59 made of a metal film such as A1. Is done.
A transfer gate 62 disposed between the infrared detector 53 and the CCD 60 is connected to the infrared detector 53 by a CCD.
Reference numeral 60 denotes a MOS transistor that controls the transfer of signal charges, and includes a polysilicon gate electrode 61 formed on a semiconductor substrate 51 via a gate oxide film 57. Further, the above-described electrodes, metal films, and the like are insulated and separated by interlayer insulating films 63 and 64 of oxide films, and a protective film 66 made of a nitride film or the like is formed on the surface of the element 70.
An anti-reflection film 17 is formed on the back surface of 1.
【0006】次に、図10に示した従来の赤外線固体撮
像素子70の動作について説明する。まず、トランスフ
ァゲート電極61に正電位を与えてトランスファーゲー
ト62をオンすると、ショットキー電極52はリセット
されて、半導体基板51に対して逆方向(この場合は正
電位)にバイアスされる。次に、トランスファーゲート
62をオフすると、ショットキー電極52は電気的にフ
ローティングとなり、信号電荷の蓄積が開始される。被
写体から放射された赤外線は素子70の裏面側(半導体
基板51側)から入射し、ショットキー電極52に達す
ると、ショットキー電極52中で入射光量に応じて電子
‐正孔対が生成される。生じた正孔は入射赤外線のエネ
ルギーを受けてショットキー電極52中を運動し、半導
体基板51との接合界面に達すると、ショットキー接合
のバリア高よりも大きなエネルギーを有する正孔のー部
がバリアを越えて半導体基板51に流れ込む。このと
き、ショットキー電極52に残された電子が信号電荷と
なる。Next, the operation of the conventional infrared solid-state imaging device 70 shown in FIG. 10 will be described. First, when a positive potential is applied to the transfer gate electrode 61 to turn on the transfer gate 62, the Schottky electrode 52 is reset and biased in the opposite direction (positive potential in this case) with respect to the semiconductor substrate 51. Next, when the transfer gate 62 is turned off, the Schottky electrode 52 becomes electrically floating, and accumulation of signal charges is started. Infrared light radiated from a subject enters from the back side of the element 70 (semiconductor substrate 51 side) and reaches the Schottky electrode 52, where electron-hole pairs are generated in the Schottky electrode 52 according to the amount of incident light. . The generated holes move in the Schottky electrode 52 in response to the energy of the incident infrared rays, and reach the bonding interface with the semiconductor substrate 51. When the holes reach the junction interface with the semiconductor substrate 51, the holes having the energy higher than the barrier height of the Schottky junction are removed. It flows into the semiconductor substrate 51 over the barrier. At this time, the electrons left on the Schottky electrode 52 become signal charges.
【0007】ショットキー電極52で発生した信号電荷
は、ショットキー電極52及びこれと同電位であるガー
ドリング内54に蓄積される。一定の蓄積時間後にトラ
ンスファーゲート62がオンされると、蓄積された信号
電荷はCCDチャネル56に転送され、同時にショット
キー電極52がリセットされる。CCDチャンネル56
に転送された信号電荷は、垂直CCD60の転送動作に
よって、アレイの垂直方向へ転送され、次に垂直CCD
端に接続された水平CCD(図示せず)によりアレイの
水平方向に転送され、最後に水平CCD端に接続された
FDA(フローティング・ディフュージョン・アンプ)
を通して画素外部へと出力される。The signal charge generated in the Schottky electrode 52 is accumulated in the Schottky electrode 52 and the guard ring 54 having the same potential as the Schottky electrode 52. When the transfer gate 62 is turned on after a certain storage time, the stored signal charges are transferred to the CCD channel 56, and at the same time, the Schottky electrode 52 is reset. CCD channel 56
The signal charge transferred to the vertical CCD 60 is transferred in the vertical direction of the array by the transfer operation of the vertical CCD
A horizontal CCD (not shown) connected to the end transfers the data in the horizontal direction of the array, and finally an FDA (floating diffusion amplifier) connected to the horizontal CCD end.
Is output to the outside of the pixel.
【0008】赤外線撮像は、物体の温度差による輻射光
強度の差を検知するものである。実際に撮像を行う際、
目標物体からの信号に比較して、背景光線成分が極めて
大きいため、赤外線撮像素子及び赤外線カメラの性能を
向上させるために、素子で取り扱える取扱電荷量を増大
させることが要求される。蓄積型の赤外線固体撮像素子
での取扱電荷量は、検出器に蓄積できる信号電荷量の最
大値(以下、飽和電荷量と記す)とCCD等の読出回路
で取り扱える最大値との小さい方に依存する。通常、赤
外線固体撮像素子は、検出器側の飽和電荷量に対し、読
出回路側の取扱電荷量が大きくなるように設計されてい
るので、検出器の飽和電荷量を増大させることが要求さ
れていた。[0008] Infrared imaging is for detecting a difference in radiation light intensity due to a temperature difference of an object. When actually taking an image,
Since the background ray component is extremely large as compared with the signal from the target object, it is required to increase the amount of charge that can be handled by the element in order to improve the performance of the infrared imaging element and the infrared camera. The amount of charge handled by the storage-type infrared solid-state imaging device depends on the smaller of the maximum value of the signal charge that can be stored in the detector (hereinafter referred to as the saturated charge amount) and the maximum value that can be handled by a readout circuit such as a CCD. I do. Normally, since the infrared solid-state imaging device is designed so that the amount of charge handled on the readout circuit side is larger than the amount of saturation charge on the detector side, it is required to increase the amount of saturation charge of the detector. Was.
【0009】図10で示した赤外線撮像素子70で利用
されている赤外線検出器53の飽和電荷量Qsat[C]
は、以下の式(1)に示される。The saturation charge Q sat [C] of the infrared detector 53 used in the infrared imaging device 70 shown in FIG.
Is shown in the following equation (1).
【0010】[0010]
【数1】 (Equation 1)
【0011】上記式(1)において、Cdは検出器静電
容量[F]、Vrは検出器リセット電圧[V]を示す。
検出器容量Cdは、ショットキー電極52と半導体基板
51との間のショットキー接合静電容量、ガードリング
54と半導体基板51との間のPN接合静電容量、ショ
ットキー電極52と赤外線反射膜55との間の平行平板
の静電容量等の総和で与えられる。素子の多画素化に伴
い、単位画素のサイズが縮小されるにつれ、検出器容量
Cdを増加させることは困難になりつつある。このた
め、検出器リセット電圧Vrを上げることで、飽和電荷
量を増加させる方法が検討されてきた。In the above equation (1), Cd represents a detector capacitance [F], and Vr represents a detector reset voltage [V].
The detector capacitance Cd is the Schottky junction capacitance between the Schottky electrode 52 and the semiconductor substrate 51, the PN junction capacitance between the guard ring 54 and the semiconductor substrate 51, the Schottky electrode 52 and the infrared reflection film. It is given by the sum of the capacitances of the parallel plates between 55 and 55. With the increase in the number of pixels in the element, it is becoming difficult to increase the detector capacitance Cd as the size of the unit pixel is reduced. For this reason, a method of increasing the saturation charge amount by increasing the detector reset voltage Vr has been studied.
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
赤外線固体撮像素子において、検出器リセット電圧Vr
を上げて飽和電荷量を増加させるには、以下に説明する
ような問題点がある。However, in the conventional infrared solid-state imaging device, the detector reset voltage Vr
In order to increase the saturation charge amount by increasing the value, there is a problem as described below.
【0013】一般に、ショットキー接合やへテロ接合を
用いた赤外線検出器において、検出できる赤外線波長の
上限(カットオフ波長入c[μm])は、接合部の光学
的バリア高φbp[eV]に依存し、以下に示す式(2)
で決定される。 入c=1.24/φbp…式(2) また、赤外線検出器の量子効率ηは、以下の式(3)で
決定される。 η=C1・(hν―φbp)2/hν…式(3) 上記式(3)において、C1は、量子効率係数[/e
V]、hνは入射赤外線のエネルギー[eV]を示す。In general, in an infrared detector using a Schottky junction or a hetero junction, the upper limit of the infrared wavelength that can be detected (cutoff wavelength input c [μm]) is determined by the optical barrier height φ bp [eV] of the junction. And the following equation (2)
Is determined. Input c = 1.24 / φ bp Equation (2) Further, the quantum efficiency η of the infrared detector is determined by the following equation (3). η = C 1 · (hν−φ bp ) 2 / hν Equation (3) In Equation (3) above, C 1 is a quantum efficiency coefficient [/ e
V] and hν indicate the energy [eV] of the incident infrared ray.
【0014】量子効率ηは、特にカットオフ波長近傍の
赤外線においては、光字的バリア高φbpが増加するにつ
れて、即ち、カットオフ波長入cが短くなるにつれて、
急数に減少する.この光学的バリア高φbpは、接合決定
する金属材料や半導体材料の組み合わせ、及び接合部に
印加される逆方向バイアスに依存するものであり、逆方
向バイアスを印加した場合のφbpは、以下の式(4)に
示される。 φbp=φb0―Δφ…式(4) 上記式(4)は、ショットキー効果と呼ばれる関係を示
すもので、φb0は界面電界がない場合のバリア高[eV]
を示し、Δφは逆方向バイアスを印加したときのバリア
の低下分[eV]を示す。このΔφは、近似的に、バイア
ス電圧の1/4乗に比例して増大する。The quantum efficiency η, especially in the infrared near the cutoff wavelength, increases as the optical barrier height φ bp increases, that is, as the cutoff wavelength input c decreases,
It decreases sharply. The optical barrier height φ bp depends on the combination of the metal material or semiconductor material that determines the junction, and the reverse bias applied to the junction.φ bp when the reverse bias is applied is as follows: Equation (4) is shown. φ bp = φ b0 −Δφ Equation (4) The above equation (4) shows the relationship called the Schottky effect, where φ b0 is the barrier height [eV] when there is no interface electric field.
And Δφ indicates a reduction [eV] of the barrier when a reverse bias is applied. This Δφ increases approximately in proportion to the 乗 power of the bias voltage.
【0015】図10に示した赤外線撮像素子のショット
キー電極52は、検出器リセット電圧Vrでリセットさ
れた後、蓄積期間中は電気的にフローティングとなって
いるので、ショットキー電極52の電位は、信号電荷の
蓄積に応じて初期値Vrから徐々に低下し、その結果、
蓄積動作中に光学的バリア高が徐々に増加し、カットオ
フ波長が低下するので、検出感度が低下する。このよう
な検出器の光学特性のシフトは撮像素子として好ましい
ものではないが、従来の赤外線撮像素子の検出器リセッ
ト電圧Vrが比較的小さいため、近似的に光学特性シフ
トはないものと見なされていたが、検出リセット電圧V
rを大きくすると、その影響を無視することはできなく
なるという不具合があった。The Schottky electrode 52 of the infrared imaging device shown in FIG. 10 is electrically floating during the accumulation period after being reset by the detector reset voltage Vr. , Gradually decreases from the initial value Vr in accordance with the accumulation of signal charges, and as a result,
During the accumulation operation, the optical barrier height gradually increases and the cutoff wavelength decreases, so that the detection sensitivity decreases. Such a shift in the optical characteristics of the detector is not preferable for an image sensor, but since the detector reset voltage Vr of the conventional infrared image sensor is relatively small, it is considered that there is no optical characteristic shift approximately. However, the detection reset voltage V
When r is increased, there is a problem that the influence cannot be ignored.
【0016】さらに、ショットキー接合やへテロ接合を
用いた赤外線検出器に逆方向バイアスを印加すると、以
下に示す式(5)で与えられる逆方向暗電流Jd[A/c
m2]が生じる。 Jd=A**exp(―qφbe/kT)…式(5) 上記式(5)において、A**はリチャードソン定数[A
/cm2K2]、kはボルツマン定数、Tは検出器温
[K]、qは電気素量、φbeは電気的バリア高[eV]を
示す。Further, when a reverse bias is applied to an infrared detector using a Schottky junction or a hetero junction, a reverse dark current J d [A / c given by the following equation (5) is obtained.
m 2 ]. J d = A ** exp (−qφ be / kT) Expression (5) In the above expression (5), A ** is a Richardson constant [A
/ Cm 2 K 2 ], k is Boltzmann's constant, and T is the detector temperature
[K], q is the elementary charge, phi BE denotes an electrical barrier height [eV].
【0017】暗電流はノイズ要因となるため、赤外線固
体撮像素子において、電荷信号の光電流に比較して、暗
電流が十分に小さくなるレベルまで素子を低温に冷却し
て使用する必要がある。Since the dark current is a noise factor, it is necessary to use the infrared solid-state imaging device by cooling the device to a low temperature to a level where the dark current is sufficiently smaller than the photocurrent of the charge signal.
【0018】また、暗電流は電気的バリア高にも依存
し、電気的バリア高が小さくなるにつれて指数関数的に
増加する。この電気的バリア高は、光字的バリア高と同
様に印加された逆方向バイアスに依存する。逆方向バイ
アスと電気的バリア高の関係は、上記式(4)で与えら
れる。同じ値の逆方向バイアスを印加した場合、一般的
には電気的バリア高のバリア低下Δφが、光学的バリア
高のバリア低下Δφよりも大きい。そのため、従来の赤
外線固体撮像素子において検出器リセット電圧Vrを高
くすると、急激に暗電流が増加し、ノイズ増大を招く。
これを防止するには、素子をさらに低温に冷却する必要
があり、これに伴って、素子冷却器の冷却能力を向上さ
せる必要があり、装置が大型化し、消費電力が増大する
という不都合が生じていた。The dark current also depends on the electrical barrier height, and increases exponentially as the electrical barrier height decreases. The electrical barrier height depends on the applied reverse bias as well as the optical barrier height. The relationship between the reverse bias and the electrical barrier height is given by the above equation (4). When a reverse bias having the same value is applied, the barrier reduction Δφ of the electrical barrier height is generally larger than the barrier reduction Δφ of the optical barrier height. Therefore, when the detector reset voltage Vr is increased in the conventional infrared solid-state imaging device, the dark current sharply increases, causing an increase in noise.
In order to prevent this, it is necessary to cool the element to a lower temperature, and accordingly, it is necessary to improve the cooling capacity of the element cooler, resulting in an increase in the size of the device and an increase in power consumption. I was
【0019】さらに、赤外線検出器に蓄積された信号電
荷を垂直CCDへ完全に転送するためには、信号電荷を
読み出す際の垂直CCDのチャンネルポテンシャルを、
検出器リセット電圧Vrよりも十分に深くする必要があ
る。これに伴って、水平CCDのチャンネルポテンシャ
ルやFDAのフローティング・ディフュージョン部のリ
セット電位を深くする必要がある。つまり、検出器リセ
ット電圧Vrを大きくすると、CCD等のチャンネルポ
テンシャルの設定にも重大な影響を与える。Furthermore, in order to completely transfer the signal charges accumulated in the infrared detector to the vertical CCD, the channel potential of the vertical CCD when reading out the signal charges must be
It must be sufficiently deeper than the detector reset voltage Vr. Accordingly, it is necessary to increase the channel potential of the horizontal CCD and the reset potential of the floating diffusion portion of the FDA. That is, if the detector reset voltage Vr is increased, the setting of the channel potential of the CCD or the like is significantly affected.
【0020】特に低温での動作を要求される赤外線固体
撮像装置において、チャンネルポテンシャルを深くする
と、以下に説明する問題が生じる。Particularly, in the case of an infrared solid-state imaging device required to operate at a low temperature, if the channel potential is deepened, the following problem occurs.
【0021】CCDチャンネル領域の不純物濃度を高く
することで、チャンネルポテンシャルを深くする場合、
チャンネル領域に導入された不純物が電荷トラップとし
て作用するので、低温でのキャリアのフリーズアウト現
象によって、信号電荷の転送効率が劣化する。また、C
CDの電極部に印加するクロック電圧を高くしてチャン
ネルポテンシャルを深くする場合、素子の消費電力の増
大を招き、素子冷却上での問題が生じる。When the channel potential is increased by increasing the impurity concentration of the CCD channel region,
Since the impurities introduced into the channel region act as charge traps, the carrier freeze-out phenomenon at a low temperature deteriorates the signal charge transfer efficiency. Also, C
If the channel potential is increased by increasing the clock voltage applied to the electrode portion of the CD, the power consumption of the element increases, which causes a problem in cooling the element.
【0022】検出リセット電圧Vrを高くすることで飽
和電荷量を増加させると、先に検討したような不具合が
生じ、赤外線固体撮像素子全体の性能を劣化させるとい
う問題点があった。従って、検出器リセット電圧Vrを
高くすることで、素子の飽和電荷量を増加させ、素子の
赤外線検出効率を向上させることは不可能であった。If the saturation charge amount is increased by increasing the detection reset voltage Vr, the above-described problem occurs, and the performance of the entire infrared solid-state imaging device is deteriorated. Therefore, it is impossible to increase the saturation charge amount of the element and increase the infrared detection efficiency of the element by increasing the detector reset voltage Vr.
【0023】本願発明は上記課題を鑑みてされたもので
あり、検出器リセット電圧が、従来よりも低く、取扱電
荷量が増大され、かつ、信号電荷の蓄積動作に伴う検出
器電位の低下が低減され、蓄積動作中にカットオフ波長
等の検出器の光学特性に変化を与えない赤外線固体撮像
素子を提供する。The present invention has been made in view of the above problems, and has a detector reset voltage lower than that of the prior art, an increased amount of handled electric charges, and a decrease in the detector electric potential due to the accumulation operation of signal charges. Provided is an infrared solid-state imaging device which is reduced and does not change optical characteristics of a detector such as a cutoff wavelength during an accumulation operation.
【0024】[0024]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願発明の赤外線固体撮像素子は、赤外線を信号電
荷に変換する赤外線検出部と信号電荷を読み出す読出し
回路部との間に、一時的に大きな量の信号電荷を蓄積す
ることができる信号蓄積部を設けたことを特徴とするも
のである。具体的には、本願発明の赤外線固体撮像素子
は、赤外線を信号電荷に変換するショットキー接合又は
ヘテロ接合を備えている赤外線検出部及び該信号電荷を
読み出す読出し回路部が同一の半導体基板に形成されて
いる赤外線撮像素子において、上記同一の半導体基板の
上記赤外線検出部に隣接するバイアスコントロール領域
に形成され、上記赤外線検出部の電位を制御するバイア
スコントロール部と、赤外線検出部上に配置され該赤外
線検出部を透過した赤外線を該赤外線検出部に反射する
第1の金属電極、該第1の金属基板上に配置された絶縁
膜層、及び該絶縁膜層上に配置された第2の金属電極か
らなり、上記バイアスコントロール部に電気的に接続さ
れた電荷蓄積部と、上記同一の半導体基板の上記読出し
回路部に隣接するトランスファーゲート領域の電位を制
御し、上記読出し回路部に電気的に接続されたトランス
ファーゲートとを含んでいて、上記赤外線検出部で変換
された信号電荷が、上記バイアスコントロール部によっ
て上記電荷蓄積部に転送制御され、該電荷蓄積部に蓄積
され、該電荷蓄積部に蓄積された信号電荷が、上記トラ
ンスファーゲートによって所定のタイミングで上記読出
し回路部に転送制御されることを特徴とするものであ
る。In order to solve the above-mentioned problems, an infrared solid-state imaging device according to the present invention is provided with a method in which an infrared detecting section for converting infrared rays into signal charges and a reading circuit section for reading out signal charges are temporarily connected. And a signal storage unit capable of storing a large amount of signal charge. Specifically, the infrared solid-state imaging device according to the present invention has an infrared detector having a Schottky junction or a heterojunction for converting infrared rays into signal charges and a readout circuit section for reading out the signal charges are formed on the same semiconductor substrate. In the infrared imaging device, a bias control unit formed in the same semiconductor substrate in a bias control region adjacent to the infrared detection unit to control a potential of the infrared detection unit; and a bias control unit disposed on the infrared detection unit. A first metal electrode that reflects infrared light transmitted through the infrared detection unit to the infrared detection unit, an insulating film layer disposed on the first metal substrate, and a second metal disposed on the insulating film layer A charge accumulating section comprising electrodes and electrically connected to the bias control section; and a transfer section adjacent to the readout circuit section on the same semiconductor substrate. And a transfer gate electrically controlling the potential of the gate region and electrically connected to the readout circuit unit. The signal charge converted by the infrared detection unit is transferred to the charge storage unit by the bias control unit. The transfer gate is controlled and stored in the charge storage unit, and the signal charge stored in the charge storage unit is transfer-controlled to the readout circuit unit at a predetermined timing by the transfer gate.
【0025】本願発明の赤外線固体撮像素子は、読出し
回路部の少なくとも一部を、電荷掃き寄せ素子とするこ
とで、電荷蓄積部に蓄積された極めて大きな信号電荷量
に対応することができる。The infrared solid-state imaging device according to the present invention can cope with an extremely large signal charge amount stored in the charge storage portion by using at least a part of the readout circuit portion as a charge sweeping element.
【0026】本願発明の赤外線固体撮像素子は、バイア
スコントロール部にゲート電極を設け、さらに第1の電
極がゲート電極に電気的に接続させることで、素子内の
配線数を低減することができる。In the infrared solid-state imaging device according to the present invention, the number of wirings in the device can be reduced by providing a gate electrode in the bias control section and electrically connecting the first electrode to the gate electrode.
【0027】本願発明の赤外線固体撮像素子は、バイア
スコントロール部に、上記赤外線検出部の電位を一定に
する直流電源を設けることで、赤外線検出部で生成され
た信号電荷を速やかに信号電荷蓄積部に転送し、蓄積動
作中のカットオフ波長を低下することで、検出感度の低
下を防止することができる。In the infrared solid-state imaging device according to the present invention, the bias control section is provided with a DC power supply for keeping the potential of the infrared detection section constant, so that the signal charges generated by the infrared detection section can be quickly stored in the signal charge storage section. The detection sensitivity can be prevented from lowering by reducing the cutoff wavelength during the accumulation operation.
【0028】本願発明の赤外線固体撮像素子は、第1の
周期時間毎に上記バイアスコントロール部が、上記赤外
線検出部で変換された信号電荷を上記電荷蓄積部に転送
し、上記第1の周期時間よりも長い第2の周期時間毎に
上記トランスファーゲートが、上記電荷蓄積部に蓄積さ
れた信号電荷を上記読出し回路部に転送するのが好まし
い。In the infrared solid-state imaging device according to the present invention, the bias control unit transfers the signal charge converted by the infrared detection unit to the charge storage unit at every first cycle time, and Preferably, the transfer gate transfers the signal charge stored in the charge storage unit to the readout circuit unit every second longer cycle time.
【0029】本願発明の赤外線固体撮像素子は、外部電
源によって上記バイアスコントロール部に電圧を印加す
ることで、撮像環境に応じて、上記赤外線検出部の光学
的特性を制御することができる。The infrared solid-state imaging device of the present invention can control the optical characteristics of the infrared detection unit according to the imaging environment by applying a voltage to the bias control unit from an external power supply.
【0030】[0030]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0031】実施の形態1.最初に、本願発明の実施の
形態1にかかる赤外線固体撮像素子について説明する。
図1は、上記赤外線固体撮像素子40を構成する単位画
素を示すものである。素子40の単位画素は、半導体基
板1上にアレイ状に配置されている。素子40は、赤外
線を検出し信号電荷に変換する赤外線検出部3、変換さ
れた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部23、及び信号電荷
を読み出す回路である垂直CCD部10を、同一のP型
Si半導体基板1に備えるモノリシック構造である。各
単位画素はフィールド酸化膜5によって分離されてい
る。Embodiment 1 First, an infrared solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 shows unit pixels constituting the infrared solid-state imaging device 40. The unit pixels of the element 40 are arranged on the semiconductor substrate 1 in an array. The element 40 includes the same P-type Si as the infrared detector 3, which detects infrared rays and converts them into signal charges, the charge storage section 23, which stores the converted signal charges, and the vertical CCD section 10, which is a circuit for reading out signal charges. It has a monolithic structure provided on the semiconductor substrate 1. Each unit pixel is separated by a field oxide film 5.
【0032】赤外線検出部3と電荷蓄積部23とはバイ
アスコントロール部20を介して電気的に接続され、電
荷蓄積部23と垂直CCD部10とはトランスファーゲ
ート部12を介して電気的に接続されている。バイアス
コントロール部20及びトランスファーゲート部12
は、いずれも同一の半導体基板1に形成されている。The infrared detecting section 3 and the charge accumulating section 23 are electrically connected via a bias control section 20, and the charge accumulating section 23 and the vertical CCD section 10 are electrically connected via the transfer gate section 12. ing. Bias control section 20 and transfer gate section 12
Are formed on the same semiconductor substrate 1.
【0033】赤外線検出部3は、P型Si半導体基板1
の所定の位置にPtSiからなるショットキー電極2を
ショットキー接合させて形成したものであり、ショット
キー電極2の周辺には、半導体基板1にN型不純物を注
入してなるガードリング4が、リーク電流を低減させる
ために形成されている。The infrared detector 3 is a P-type Si semiconductor substrate 1
A Schottky electrode 2 made of PtSi is formed at a predetermined position by Schottky junction. Around the Schottky electrode 2, a guard ring 4 formed by injecting an N-type impurity into the semiconductor substrate 1 is provided. It is formed to reduce leakage current.
【0034】上記実施の形態では、P型Si半導体基板
1上に金属電極をショットキー接合することで形成した
ショットキー型検出器を赤外線検出部3に利用したが、
本願発明はこれに制限されるものではなく、Si半導体
基板上に別の半導体層、例えばGeSi(ゲルマニウム
シリコン)等を形成してなるヘテロ接合型検出器を赤外
線検出部3に用いてもよい。In the above embodiment, the Schottky detector formed by Schottky bonding metal electrodes on the P-type Si semiconductor substrate 1 is used for the infrared detector 3.
The present invention is not limited to this, and a heterojunction detector formed by forming another semiconductor layer, for example, GeSi (germanium silicon) on a Si semiconductor substrate may be used for the infrared detector 3.
【0035】垂直CCD部10は、赤外線検出部3から
所定の距離を隔てて配置されたものであり、半導体基板
1の所定の位置にN型不純物領域を注入してなるCCD
チャンネル領域6、CCDチャンネル領域を覆うゲート
酸化膜7、該ゲート酸化膜を覆うポリシリコンからなる
CCD電極8及びCCD電極8と外部素子とを接続する
CCD配線9から構成される。CCD配線9は、Al等
の金属から形成されるものであり、CCD電極8上に積
層された酸化膜からなる層間絶縁膜13に配置されてい
て、層間絶縁膜13を貫通してCCD電極8に接触して
いる。The vertical CCD section 10 is arranged at a predetermined distance from the infrared detecting section 3 and is formed by implanting an N-type impurity region at a predetermined position of the semiconductor substrate 1.
It comprises a channel region 6, a gate oxide film 7 covering the CCD channel region, a CCD electrode 8 made of polysilicon covering the gate oxide film, and a CCD wiring 9 connecting the CCD electrode 8 and an external element. The CCD wiring 9 is formed of a metal such as Al, and is disposed on an interlayer insulating film 13 made of an oxide film laminated on the CCD electrode 8. Is in contact with
【0036】電荷蓄積部23は、赤外線を反射するAl
の第1電極21と、酸化膜の層間絶縁膜14を介して第
1の電極21と対向するAlの第2の電極22から構成
される平行平板コンデンサである。第1の電極21は、
ショットキー電極2上に積層された層間絶縁膜13に形
成され、ショットキー電極2の直上部に位置し、所定の
電位を与えることができるように配線されている。さら
に、赤外線検出部3と垂直CCD部10とに挟まれる部
分にN型不純物領域18が形成されていて、第2の電極
22の一端は、層間絶縁膜13、14を貫通してN型不
純物領域18に電気的に接触している。The charge accumulating section 23 is made of Al which reflects infrared rays.
This is a parallel plate capacitor composed of a first electrode 21 and an Al second electrode 22 opposed to the first electrode 21 via the interlayer insulating film 14 of an oxide film. The first electrode 21
It is formed on the interlayer insulating film 13 laminated on the Schottky electrode 2, is located immediately above the Schottky electrode 2, and is wired so that a predetermined potential can be given. Further, an N-type impurity region 18 is formed in a portion sandwiched between the infrared detection unit 3 and the vertical CCD unit 10, and one end of the second electrode 22 penetrates the interlayer insulating films 13 and 14 and has an N-type impurity region. It is in electrical contact with region 18.
【0037】バイアスコントロール部20は、赤外線検
出部3をソース領域、N型不純物領域18をドレイン領
域とする半導体基板1に形成されたMOSトランジスタ
のゲート部であり、ショットキー電極2とN型不純物領
域18とに挟まれる領域にゲート酸化膜7を介して形成
されたポリシリコンからなるゲート電極19を備えてい
る。The bias control section 20 is a gate section of a MOS transistor formed on the semiconductor substrate 1 having the infrared detection section 3 as a source region and the N-type impurity region 18 as a drain region. A gate electrode 19 made of polysilicon is formed in a region sandwiched between the region 18 and the gate oxide film 7.
【0038】トランスファーゲート部12は、N型不純
物領域18をソース領域、垂直CCDチャンネル6をド
レイン領域とする半導体基板1に形成されたMOSトラ
ンジスタのゲート部であり、半導体基板1の垂直CCD
部10とN型不純物領域18とに挟まれる領域にゲート
酸化膜7を介して形成されたポリシリコンからなるゲー
ト電極11を備えている。The transfer gate section 12 is a gate section of a MOS transistor formed on the semiconductor substrate 1 having the N-type impurity region 18 as a source region and the vertical CCD channel 6 as a drain region.
A gate electrode 11 made of polysilicon is formed in a region sandwiched between the portion 10 and the N-type impurity region 18 via the gate oxide film 7.
【0039】さらに、素子40の表面には窒化膜等から
なる保護膜16が形成され、基板1の背面には反射防止
膜17が形成されている。Further, a protective film 16 made of a nitride film or the like is formed on the surface of the element 40, and an antireflection film 17 is formed on the back surface of the substrate 1.
【0040】次に、素子40の動作ついて説明する。被
写体から放射された赤外線は、反射防止膜17を介して
素子40の裏面側(半導体基板1側)から入射する。赤
外線がショットキー電極2に達すると、従来技術と同様
の方法で、ショットキー電極2中で信号電荷に変換され
る。反射防止膜17は、赤外線の入射効率を向上させる
ものであり、光電変換効率を増大させるものである。Next, the operation of the element 40 will be described. Infrared light emitted from the subject enters from the back side of the element 40 (semiconductor substrate 1 side) via the anti-reflection film 17. When the infrared rays reach the Schottky electrode 2, they are converted into signal charges in the Schottky electrode 2 in the same manner as in the prior art. The antireflection film 17 improves the incident efficiency of infrared rays, and increases the photoelectric conversion efficiency.
【0041】この際、半導体基板1側から入射した赤外
線はショットキー電極2に吸収される一方、一部の赤外
線はショットキー電極2を透過し、さらに層間絶縁膜1
3も透過する。第1の電極21は、この透過赤外線を反
射してショットキー電極2に再入射させるものであり、
層間絶縁膜13の屈折率に応じて膜厚を最適化し、光学
的共振構造をとることにより、光電変換効率が増加す
る。また、層間絶縁膜13上に配置されているので、上
述したように最適化された層間絶縁膜13の光学的共振
構造に影響を与えるものではない。At this time, the infrared light incident from the semiconductor substrate 1 is absorbed by the Schottky electrode 2, while a part of the infrared light is transmitted through the Schottky electrode 2,
3 is also transmitted. The first electrode 21 reflects the transmitted infrared ray and causes the reflected infrared ray to re-enter the Schottky electrode 2.
By optimizing the film thickness in accordance with the refractive index of the interlayer insulating film 13 and forming an optical resonance structure, the photoelectric conversion efficiency increases. In addition, since it is arranged on the interlayer insulating film 13, the optical resonance structure of the optimized interlayer insulating film 13 is not affected as described above.
【0042】ショットキー電極2で変換された信号電荷
は、バイアスコントロール部20を経由して、電荷蓄積
部23に転送される。この際、バイアスコントロールゲ
ート12は、信号電荷の転送を制御する。電荷蓄積部2
3に蓄積された信号電荷は、トランスファーゲート12
を経由して所定のタイミングで垂直CCD10に転送さ
れる。この転送タイミングは、トランスファーゲート1
2によって制御される。さらに、信号電荷は、垂直CC
D10の転送動作によってアレイの垂直方向に転送さ
れ、次に垂直CCD部10の端部に接続された水平CC
D部(図示せず)によりアレイの水平方向に転送され、
最後に水平CCD部の端部に接続されたFDA(フロー
ティング・ディフュージョン・アンプ)を通して外部へ
と出力される。アレイ状に配置された各単位素子から、
このように出力された信号電荷を時系列的に読み出すこ
とで、赤外線固体撮像素子は画像情報を得る。The signal charge converted by the Schottky electrode 2 is transferred to the charge storage unit 23 via the bias control unit 20. At this time, the bias control gate 12 controls the transfer of the signal charge. Charge storage unit 2
3 is transferred to the transfer gate 12
Is transferred to the vertical CCD 10 at a predetermined timing via the. This transfer timing is determined by the transfer gate 1
2 is controlled. Furthermore, the signal charge is
The data is transferred in the vertical direction of the array by the transfer operation of D10, and then the horizontal CC connected to the end of the vertical CCD unit 10 is transferred.
D part (not shown) is transferred in the horizontal direction of the array,
Finally, the signal is output to the outside through an FDA (floating diffusion amplifier) connected to the end of the horizontal CCD section. From each unit element arranged in an array,
The infrared solid-state imaging device obtains image information by reading out the signal charges output in this manner in a time-series manner.
【0043】次に、素子40の撮像動作時のポテンシャ
ルについて説明する。以下のポテンシャル図において、
矢印3で示す領域は赤外線検出部3に、矢印23で示す
領域は電荷蓄積部23に、矢印6で示す領域は垂直CC
D部の転送チャンネル6に、矢印20で示す領域はバイ
アスコントロールゲート部20に、矢印12で示す領域
はトランスファーゲート部12に対応するものである。Next, the potential of the element 40 during the imaging operation will be described. In the following potential diagram,
The area indicated by the arrow 3 corresponds to the infrared detecting unit 3, the area indicated by the arrow 23 corresponds to the charge storage unit 23, and the area indicated by the arrow 6 corresponds to the vertical CC.
In the transfer channel 6 of the D section, the area indicated by the arrow 20 corresponds to the bias control gate section 20, and the area indicated by the arrow 12 corresponds to the transfer gate section 12.
【0044】最初に、図2(a)を参照して、信号電荷
29が電荷蓄積部23に蓄積される電荷蓄積期間のポテ
ンシャルについて説明する。電荷蓄積期間中、トランス
ファーゲート部12はオフされている。つまり、トラン
スファーゲート部12のゲート電極11に印加されるク
ロックφTの”L”レベルであり、トランスファーゲー
ト部12のチャンネルポテンシャル28は電位0であ
る。赤外線検出部3がリセットされ、バイアスコントロ
ール部のゲート電極19に電位Vbが印加されると、赤
外線検出部3のポテンシャル井戸24の電位がVbに保
持される。First, with reference to FIG. 2A, the potential during the charge accumulation period in which the signal charges 29 are accumulated in the charge accumulation section 23 will be described. During the charge accumulation period, the transfer gate unit 12 is off. That is, the clock φT applied to the gate electrode 11 of the transfer gate unit 12 is at the “L” level, and the channel potential 28 of the transfer gate unit 12 is at the potential 0. When the infrared detection unit 3 is reset and the potential Vb is applied to the gate electrode 19 of the bias control unit, the potential of the potential well 24 of the infrared detection unit 3 is maintained at Vb.
【0045】被写体から放射された赤外線は赤外線検出
部3で光電変換され、その光量に応じて信号電荷29が
発生する。発生した信号電荷29は、赤外線検出部3の
ポテンシャル井戸24中を移動し、バイアスコントロー
ルチャネル27を通過して電荷蓄積部23のポテンシャ
ル井戸25に移動し、ここに蓄積され、信号電荷の集ま
り30を形成する。電荷蓄積部23のポテンシャル井戸
25の電位Vtは、赤外線検出部3のポテンシャル井戸
24の電位Vdよりも高いので、信号電荷29は電荷発
生後、ただちに移動する。従って、赤外線検出部3のポ
テンシャル井戸24中には信号電荷29が残らないた
め、ポテンシャル井戸24の電位は、常にバイアスコン
トロールゲートのチャネルポテンシャルの電位と同じV
dに保たれる。The infrared radiation emitted from the subject is photoelectrically converted by the infrared detector 3, and a signal charge 29 is generated in accordance with the amount of light. The generated signal charges 29 move in the potential well 24 of the infrared detection unit 3, pass through the bias control channel 27, move to the potential well 25 of the charge storage unit 23, are accumulated therein, and are accumulated in the signal charge 30. To form Since the potential Vt of the potential well 25 of the charge storage unit 23 is higher than the potential Vd of the potential well 24 of the infrared detection unit 3, the signal charge 29 moves immediately after the charge is generated. Therefore, since no signal charge 29 remains in the potential well 24 of the infrared detecting unit 3, the potential of the potential well 24 is always V, which is the same as the channel potential of the bias control gate.
d is kept.
【0046】次に、電荷蓄積期間が終了すると、トラン
スファーゲート部12がオンされる。このとき、図2
(b)に示すように、トランスファゲート電極11に印
加されるクロックφTは、”H”となり、トランスファ
ーゲート部12のチャネルポテンシャルが28から2
8’に切り替わる。このことによって、電荷蓄積部23
のポテンシャル井戸25に蓄積された信号電荷29´
は、トランスファゲートチャネル28’を通過して、垂
直CCD部6のポテンシャル井戸26に転送され、ここ
に蓄積され、信号電荷の集まり30´を形成する。この
とき、電荷蓄積部23はリセットされて、電荷蓄積部2
3の電位はトランスファゲート部12をオンしたときの
チャンネルポテンシャル電位Vtとなる。トランスファ
ーゲート部12は、所定の周期でオンされ、電荷蓄積部
23に蓄積された信号電荷が垂直CCD部6のポテンシ
ャル井戸26に転送される。本明細書では、この所定の
一周期を単位蓄積期間と呼ぶ。Next, when the charge accumulation period ends, the transfer gate section 12 is turned on. At this time, FIG.
As shown in (b), the clock φT applied to the transfer gate electrode 11 becomes “H”, and the channel potential of the transfer gate unit 12 is changed from 28 to 2
Switch to 8 '. As a result, the charge storage unit 23
Signal charges 29 ′ accumulated in the potential well 25
Are transferred to the potential well 26 of the vertical CCD section 6 through the transfer gate channel 28 'and are accumulated there to form a collection 30' of signal charges. At this time, the charge storage unit 23 is reset and the charge storage unit 2 is reset.
The potential of 3 becomes the channel potential Vt when the transfer gate unit 12 is turned on. The transfer gate unit 12 is turned on at a predetermined cycle, and the signal charges stored in the charge storage unit 23 are transferred to the potential well 26 of the vertical CCD unit 6. In this specification, this predetermined cycle is referred to as a unit accumulation period.
【0047】このような電荷転送動作が終了した後、前
述したように、信号電荷の集まり30’は垂直CCDお
よび水平CCDによって転送され、FDAと通じて素子
外部へと出力される。After the completion of such a charge transfer operation, as described above, the collection of signal charges 30 'is transferred by the vertical CCD and the horizontal CCD, and is output to the outside of the device through the FDA.
【0048】また、本願発明の赤外線固体撮像装置は、
単位蓄積期間中に赤外線検出部が変換した信号電荷を蓄
積するものであるので、単位蓄積期間に変換される信号
電荷と比較して、電荷蓄積部23の容量Csが小さい場
合、図3(a)に示すように、赤外線検出部3で発生し
た信号電荷30は、電荷蓄積部23のポテンシャル井戸
25のみならず、赤外線検出部3のポテンシャル井戸2
3にも蓄積される。このような場合、赤外線検出部3の
電位に影響を与える場合があるので、図3(b)で示す
ように、電荷蓄積部23の容量Csを、単位蓄積期間に
変換される信号電荷と比較して大きく設定し、信号電荷
を全て電荷蓄積部23のポテンシャル井戸25に蓄積で
きるように設定するのが好ましい。定量的には、以下の
式(6)を満たすようにCsを設定するのが好ましい。Further, the infrared solid-state imaging device of the present invention comprises:
Since the signal charges converted by the infrared detection unit are stored during the unit storage period, when the capacitance Cs of the charge storage unit 23 is smaller than the signal charges converted during the unit storage period, FIG. As shown in FIG. 3), the signal charges 30 generated in the infrared detection unit 3 not only have the potential well 25 of the charge storage unit 23 but also have the potential well 2 of the infrared detection unit 3.
3 is also accumulated. In such a case, the potential of the infrared detection unit 3 may be affected. Therefore, as shown in FIG. 3B, the capacitance Cs of the charge storage unit 23 is compared with the signal charge converted into the unit storage period. It is preferable to set such that the signal charges can be entirely stored in the potential well 25 of the charge storage unit 23. Quantitatively, it is preferable to set Cs so as to satisfy the following expression (6).
【0049】[0049]
【数2】 (Equation 2)
【0050】上記式(6)において、Qは、赤外線検出
器3が単位蓄積時間に変換する信号電荷量[C]を示すも
のである。Csは、2枚の電極21、22の面積、層間
絶縁膜14の厚さ及び層間絶縁膜14の誘電率によって
決定される。従って、Csを大きく設定するために、層
間絶縁膜14の膜厚を薄くし、層間絶縁膜を誘電率の大
きな窒化膜で形成するのが好ましい。In the above equation (6), Q represents the signal charge [C] converted by the infrared detector 3 into the unit accumulation time. Cs is determined by the area of the two electrodes 21 and 22, the thickness of the interlayer insulating film 14, and the dielectric constant of the interlayer insulating film 14. Therefore, in order to set Cs to be large, it is preferable to reduce the thickness of the interlayer insulating film 14 and to form the interlayer insulating film from a nitride film having a large dielectric constant.
【0051】図1に示す赤外線固体撮像素子40は、電
荷蓄積部23を赤外線検出部3の上方に備えているの
で、関口率(画素面積に対する赤外線検出部の面積の割
合)が低下することはない。従って、電荷蓄積部を形成
することによって、素子の赤外線の検出効率が低下する
ことがない。また、電荷蓄積部23の構造は、平行平板
容量であるから、その製造プロセスは、マスクを変更す
る等の複雑な工程を必要とせず、さらに、層間絶縁膜1
4の膜厚を調整することで、静電容量Csの調整を容易
に行うことができる。In the infrared solid-state imaging device 40 shown in FIG. 1, since the charge storage unit 23 is provided above the infrared detection unit 3, the gateway ratio (the ratio of the area of the infrared detection unit to the pixel area) may not decrease. Absent. Therefore, by forming the charge storage portion, the detection efficiency of infrared rays of the element does not decrease. Further, since the structure of the charge storage section 23 is a parallel plate capacitor, the manufacturing process thereof does not require a complicated step such as changing a mask.
The capacitance Cs can be easily adjusted by adjusting the film thickness of No. 4.
【0052】さらに、静電容量Csを大きくすること
で、信号電荷に影響されることなく、赤外線検出部3の
電位Vdを低く維持することが可能となる。こうするこ
とによって、上記式(4)で示すように、ショットキー
接合による電気的バリア高のバリア低下Δφが小さくな
り、これに伴って上記式(5)で示す赤外線検出部3に
発生する暗電流が小さくなる。即ち、静電容量Csを大
きくすることで、暗電流ノイズを低減することができ、
暗電流ノイズを抑えることによって、従来より高温での
赤外線固体撮像素子の使用が可能となり、素子を冷却す
る冷却装置の小型化や消費電力の低減が可能になる。Further, by increasing the capacitance Cs, the potential Vd of the infrared detector 3 can be kept low without being affected by the signal charge. By doing so, as shown in the above equation (4), the barrier reduction Δφ of the electrical barrier height due to the Schottky junction is reduced, and accordingly, the darkness generated in the infrared detector 3 shown in the above equation (5) is reduced. The current decreases. That is, by increasing the capacitance Cs, dark current noise can be reduced,
By suppressing the dark current noise, it is possible to use the infrared solid-state imaging device at a higher temperature than before, and it is possible to reduce the size of a cooling device for cooling the device and reduce power consumption.
【0053】実施の形態2.次に、図4を参照して、本
発明の実施の形態2にかかる赤外線固体撮像素子41に
ついて説明する。本実施の形態の素子41は、CCDと
比較して電荷転送能力が格段に優れている電荷掃き寄せ
素子である垂直CSD33を信号電荷読み出し回路に用
いることを特徴とするものであり、赤外線検出部3、電
荷蓄積部23、バイアスコントロール部20、及び垂直
CSD部33が、同一のP型Si半導体基板1上に形成
されたモノリシック構造である。バイアスコントロール
部20、電荷蓄積部23及びN型不純物領域18の構造
は、上記素子40と同様である。Embodiment 2 Next, an infrared solid-state imaging device 41 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The element 41 of the present embodiment is characterized by using a vertical CSD 33, which is a charge sweeping element having a much better charge transfer capability than a CCD, in a signal charge readout circuit, 3. The charge storage unit 23, the bias control unit 20, and the vertical CSD unit 33 have a monolithic structure formed on the same P-type Si semiconductor substrate 1. The structures of the bias control unit 20, the charge storage unit 23, and the N-type impurity region 18 are the same as those of the element 40.
【0054】垂直CSD部33は、半導体基板1に形成
されたN型不純物領域からなるCSDチャネル31、C
SDチャンネル31を覆うゲート酸化膜7、ゲート酸化
膜7上に積層されたポリシリコンからなるCSD電極3
2及びCSD電極32に電気的接続された金属配線9か
ら形成される。また、トランスファーゲート部12´
は、N型不純物領域18をソース領域、CSDチャンネ
ル31をドレイン領域とするMOSトランジスタのゲー
ト部であり、半導体基板1の高濃度P型不純物領域34
上にゲート酸化膜7を介して形成したポリシリコンのゲ
ート電極11を備えている。トランスファーゲート部1
2´のゲート電極11とCSD電極32は、連続してい
るから、ゲート電極11とCSD電極32の電位は等し
い。The vertical CSD section 33 has CSD channels 31 and C formed of an N-type impurity region formed in the semiconductor substrate 1.
A gate oxide film 7 covering the SD channel 31 and a CSD electrode 3 made of polysilicon laminated on the gate oxide film 7
2 and the metal wiring 9 electrically connected to the CSD electrode 32. Also, the transfer gate unit 12 '
Is a gate portion of a MOS transistor having the N-type impurity region 18 as a source region and the CSD channel 31 as a drain region.
A gate electrode 11 made of polysilicon is formed thereon with a gate oxide film 7 interposed therebetween. Transfer gate part 1
Since the gate electrode 11 and the CSD electrode 32 of 2 ′ are continuous, the potentials of the gate electrode 11 and the CSD electrode 32 are equal.
【0055】また、ゲート電極11及びCSD電極32
に印加するクロック電圧は、”L”、”H”、”HH”
の3値であり、トランスファーゲート部12´は、高濃
度P型不純物領域34をチャンネルに用いるものである
から、印加されたクロック電圧が”HH”の場合のみ、
トランスファーゲート部12´はオンされる。Further, the gate electrode 11 and the CSD electrode 32
, The clock voltages to be applied are “L”, “H”, “HH”.
Since the transfer gate section 12 ′ uses the high-concentration P-type impurity region 34 as a channel, only when the applied clock voltage is “HH”,
The transfer gate unit 12 'is turned on.
【0056】次に、素子41の赤外線固体撮像動作につ
いて説明する。素子41において、赤外線検出部3に入
射した赤外線を信号電荷に変換し、電荷蓄積部23に転
送するまでの動作は、上記素子40と同様である。電荷
蓄積部23に信号電荷が蓄積された後、ゲート電極11
にクロック電圧が”HH”が印加されると、トランスフ
ァゲート部12’がオンされ、電荷蓄積部23及びN型
不純物領域18に蓄積された信号電荷は、トランスファ
ゲートのチャンネルである高濃度P型不純物領域34を
通過して、CSDチャンネル31に転送される。Next, the infrared solid-state imaging operation of the element 41 will be described. The operation of the element 41 from the conversion of the infrared light incident on the infrared detection section 3 into signal charges to the transfer of the signal charges to the charge storage section 23 is the same as that of the element 40 described above. After the signal charge is stored in the charge storage unit 23, the gate electrode 11
When the clock voltage “HH” is applied to the transfer gate section 12, the transfer gate section 12 ′ is turned on, and the signal charges stored in the charge storage section 23 and the N-type impurity region 18 are transferred to the high-concentration P-type After passing through impurity region 34, it is transferred to CSD channel 31.
【0057】このような電荷転送が完了した後、CSD
の転送動作によって信号電荷がアレイ垂直方向へと転送
される。このCSDの転送期間中に、CSD電極32及
びゲート電極11に印加されるクロック電圧は、”H”
又は”L”であるから、CSDの転送中にトランスファ
ゲート12’がオンすることはない.信号電荷が素子外
部へと出力されるまでの読出動作は、上記素子40と同
様である。After the completion of such charge transfer, CSD
The signal charge is transferred in the vertical direction of the array by the transfer operation of (1). During the transfer period of the CSD, the clock voltage applied to the CSD electrode 32 and the gate electrode 11 is “H”.
Or "L", the transfer gate 12 'does not turn on during the transfer of the CSD. The read operation until the signal charge is output to the outside of the element is the same as that of the element 40 described above.
【0058】垂直CSD部33は、転送方向に延びるチ
ャネル全体で形成されるーつのポテンシャル井戸を備え
ていて、CCDと比較して電荷転送能力が格段に大きい
ので、電荷蓄積部23から転送される極めて大きな量の
信号電荷に対処することができる。即ち、電荷読出し回
路をCSDとすることによって、素子41の開口率が向
上し、取扱電荷量及びダイナミックレンジが向上する。The vertical CSD section 33 has one potential well formed by the entire channel extending in the transfer direction, and has a much higher charge transfer capability than the CCD. A large amount of signal charge can be dealt with. That is, by using the CSD as the charge readout circuit, the aperture ratio of the element 41 is improved, and the amount of handled charges and the dynamic range are improved.
【0059】実施の形態3.図5に、本願発明の実施の
形態3にかかる赤外線固体撮像素子42を示す。電荷蓄
積部23を構成する第1の電極21が、バイアスコント
ロール部20のゲート電極19に電気的に接続されてい
ることを除いて、本実施の形態の素子42は上記素子4
0と同様である。Embodiment 3 FIG. 5 shows an infrared solid-state imaging device 42 according to the third embodiment of the present invention. The element 42 of the present embodiment is the same as the element 4 except that the first electrode 21 forming the charge storage section 23 is electrically connected to the gate electrode 19 of the bias control section 20.
Same as 0.
【0060】素子42は、第1の電極21の端部をゲー
ト電極19への配線として利用し、素子42に配置され
ている配線数を低減させるものである。従って、素子4
2により面積の広い赤外線検出部3を形成することが可
能となり、素子の赤外線検出感度が向上する。The element 42 uses the end of the first electrode 21 as a wiring to the gate electrode 19 and reduces the number of wirings arranged in the element 42. Therefore, element 4
2, the infrared detecting section 3 having a large area can be formed, and the infrared detecting sensitivity of the element is improved.
【0061】電荷蓄積部23を構成する第1の電極21
を、バイアスコントロール部20のゲート電極19に電
気的に接続する構造を、図4に示された上記実施形態2
にかかる赤外線固体撮像素子41に用いてもよい。First electrode 21 constituting charge storage unit 23
Is electrically connected to the gate electrode 19 of the bias control unit 20 according to the second embodiment shown in FIG.
May be used for the infrared solid-state imaging device 41 according to the first embodiment.
【0062】実施の形態4.次に、本願発明の実施の形
態4にかかる赤外線固体撮像素子について説明する。図
6で示すように、本実施の形態の素子は、撮像動作中、
DC電源35によってバイアスコントロールゲート部1
9に印加されるバイアス電圧を一定に維持することを特
徴とするものであり、それ以外の構成は、上記実施の形
態1にかかる素子40と同様である。実施の形態4にか
かる素子では、DC電源35によって赤外線検出部3の
ポテンシャル井戸24及びバイアスコントロール部20
のチャンネルポテンシャル27がVdに維持されている
ので、赤外線検出部3で発生した信号電荷29は、発生
後ただちに電荷蓄積部23のポテンシャル井戸25に移
動する。そのため、素子動作中のカットオフ波長の低下
及び検出感度の低下を防止し、光学特性に優れた赤外線
固体撮像素子を得ることができる。Embodiment 4 Next, an infrared solid-state imaging device according to a fourth embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 6, the device according to the present embodiment performs
Bias control gate unit 1 by DC power supply 35
9 is characterized in that the bias voltage applied to the element 9 is kept constant, and other configurations are the same as those of the element 40 according to the first embodiment. In the device according to the fourth embodiment, the potential well 24 and the bias control unit 20 of the infrared detection unit 3 are
Since the channel potential 27 is maintained at Vd, the signal charges 29 generated by the infrared detection unit 3 move to the potential well 25 of the charge storage unit 23 immediately after generation. Therefore, it is possible to prevent a decrease in the cutoff wavelength and a decrease in the detection sensitivity during operation of the device, and to obtain an infrared solid-state imaging device having excellent optical characteristics.
【0063】上記実施の形態2又は3の赤外線固体撮像
素子に、DC電源によってバイアスコントロールゲート
に印加されるバイアス電圧を一定にする構成を利用して
もよい。In the infrared solid-state imaging device according to the second or third embodiment, a configuration may be used in which the bias voltage applied to the bias control gate by the DC power supply is constant.
【0064】実施の形態5.以下、本発明の実施の形態
5にかかる赤外線固体撮像素子について説明する。図7
で示すように、本実施の形態の素子は、パルス電源36
によってバイアスコントロールゲート19に印加するバ
イアス電圧をパルス電圧とするものである。バイアス電
圧をパルス電圧としたことを除いて、実施の形態5にか
かる赤外線固体撮像素子は上記実施の形態1の赤外線固
体撮像素子と同様である。Embodiment 5 Hereinafter, the infrared solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention will be described. FIG.
As shown in the figure, the device of the present embodiment is
The bias voltage applied to the bias control gate 19 is changed to a pulse voltage. The infrared solid-state imaging device according to the fifth embodiment is the same as the infrared solid-state imaging device according to the first embodiment, except that the bias voltage is a pulse voltage.
【0065】詳細には、本実施の形態の素子は、バイア
スコントロール部に印加する電圧を単位蓄移期間中に複
数回“H”電圧にするものである。パルス電圧36の一
パルス周期時間は、トランスファーゲート11に印加さ
れるクロック周期時間よりも短い。More specifically, in the device of this embodiment, the voltage applied to the bias control unit is set to the "H" voltage a plurality of times during the unit transfer period. One pulse cycle time of the pulse voltage 36 is shorter than a clock cycle time applied to the transfer gate 11.
【0066】次に、図7、図8を用いて、実施の形態5
の素子の動作について説明する。図7(a)はバイアス
コントロールゲート19に与えるバイアス電圧VBが
“L”である場合を示す。このとき、バイアスコントロ
ール部20のチャンネルポテンシャル27´の電位は0
であるから、発生した信号電荷は検出器3のポテンシャ
ル井戸24に予備蓄積され、信号電荷の予備集合30a
が形成される。一方、電荷蓄積部23のポテンシャル井
戸25には、予め信号電荷の集合30bが蓄積されてい
る。Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIGS.
The operation of the element will be described. FIG. 7A shows a case where the bias voltage VB applied to the bias control gate 19 is "L". At this time, the potential of the channel potential 27 'of the bias control unit 20 is 0.
Therefore, the generated signal charges are pre-stored in the potential well 24 of the detector 3 and the signal charges are stored in a preliminary set 30a.
Is formed. On the other hand, in the potential well 25 of the charge storage unit 23, a set 30b of signal charges is stored in advance.
【0067】次に、図7(b)に示すように、バイアス
コントロールゲート19に与えるバイアス電圧を“H”
とすると、チャンネルポテンシャルの電位27は、Vd
となり、赤外線検出部3のポテンシャル井戸24に蓄積
されていた信号電荷の予備集合30aは、電荷蓄積部2
3のポテンシャル井戸25に転送されて、蓄積される。
このようにパルス電圧をコントロールゲート部20に印
加し、単位蓄積期間中にチャンネルポテンシャルの電位
を複数回数”L”にすると、図7(a)及び図7(b)
で示した動作が繰り返され、赤外線検出部3で発生した
信号電荷は複数回数に分けて、電荷蓄積部23に転送さ
れ、ここで信号電荷の集合30が形成される。この後、
図8で示すように、単位蓄積期間毎にトランスファーゲ
ート11がオンされると、トランスゲート部12のチャ
ンネルポテンシャル28´の電位がVtとなるので、電
荷蓄積部23に蓄積された信号電荷の集合30が、垂直
CCD部6のポテンシャル井戸26に転送される。Next, as shown in FIG. 7B, the bias voltage applied to the bias control gate 19 is set to "H".
Then, the potential 27 of the channel potential becomes Vd
The preliminary set 30a of signal charges stored in the potential well 24 of the infrared detection unit 3
3 is transferred to the potential well 25 and stored.
When the pulse voltage is applied to the control gate section 20 and the potential of the channel potential is set to “L” a plurality of times during the unit accumulation period, the pulse voltage is controlled as shown in FIGS. 7A and 7B.
Are repeated, and the signal charges generated by the infrared detecting section 3 are transferred to the charge accumulating section 23 a plurality of times, where a set 30 of signal charges is formed. After this,
As shown in FIG. 8, when the transfer gate 11 is turned on for each unit accumulation period, the potential of the channel potential 28 ′ of the transfer gate unit 12 becomes Vt. 30 is transferred to the potential well 26 of the vertical CCD section 6.
【0068】以上の信号電荷転送において、バイアスコ
ントロールゲート19をオンするタイミングをCCDが
停止している間(例えば水平フランキング期間)などに
設定すれば、赤外線検出部のリセット電圧は、垂直CC
D部6に印加されるクロックが引き起こすクロックノイ
ズの影響を受けることがない。In the above-described signal charge transfer, if the timing for turning on the bias control gate 19 is set while the CCD is stopped (for example, during a horizontal flanking period), the reset voltage of the infrared detection unit becomes vertical CC
There is no influence of clock noise caused by the clock applied to the D section 6.
【0069】また、赤外線検出部から電荷蓄積部への分
割転送の回数を単位蓄積期間当たりの分割回数を十分に
大きくすることにより、単位予備蓄積期間における赤外
線検出部のバイアスの低下を無視できる程度まで抑制す
ることができる。Further, by making the number of times of division transfer from the infrared detection section to the charge accumulation section sufficiently large for the number of divisions per unit accumulation period, a decrease in bias of the infrared detection section during the unit preliminary accumulation period can be ignored. It can be suppressed up to.
【0070】パルス電源によってバイアスコントロール
ゲートに与えるバイアス電圧をパルス電圧する構成を、
上記実施の形態2又は3の赤外線固体撮像素子に採用し
てもよい。A configuration in which a bias voltage applied to a bias control gate by a pulse power supply is pulsed is as follows.
The infrared solid-state imaging device according to the second or third embodiment may be employed.
【0071】実施の形態6.次に、図9を参照して、本
発明の実施6にかかる赤外線固体撮像素子を説明する。
本実施の形態の素子は、素子外部に設けられた可変DC
電圧37によってバイアスコントロールゲート部19に
印加する電圧を制御することを特徴とするものである。
可変DC電圧37によって印加される電圧は、撮像時の
背景温度又は被写体の温度に応じて可変する。印加電圧
を本実施の形態の素子は、バイアス電源を外部に設けた
ことを除いて、上記実施の形態1の素子と同様である。Embodiment 6 FIG. Next, an infrared solid-state imaging device according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The element according to the present embodiment is a variable DC provided outside the element.
The voltage applied to the bias control gate unit 19 is controlled by the voltage 37.
The voltage applied by the variable DC voltage 37 varies depending on the background temperature at the time of imaging or the temperature of the subject. The applied voltage of the device of the present embodiment is the same as that of the device of the first embodiment except that a bias power supply is provided outside.
【0072】信号電荷蓄積期間中の赤外線検出部3の電
位は、バイアスコントロールゲート部20のチャンネル
ポテンシャル27によって与えられる。即ち、赤外線検
出部3の電位は、バイアスコントロールゲート電極19
に印加される電圧VBによって制御される。赤外線検出
部3の電位が変化すると、ショットキー効果によって光
学的バリアφbpが変化し、それに伴って、カットオフ波
長や赤外線検出感度が変化する。つまり、バイアスコン
トロール電極19に印加する電圧VBを調整することで
赤外線検出部3の電位を調整して、赤外線検出部3の光
学的特性を制御することができる。The potential of the infrared detector 3 during the signal charge accumulation period is given by the channel potential 27 of the bias control gate 20. That is, the potential of the infrared detecting unit 3 is set to the bias control gate electrode 19.
Is controlled by the voltage VB applied to. When the potential of the infrared detector 3 changes, the optical barrier φ bp changes due to the Schottky effect, and accordingly, the cutoff wavelength and the infrared detection sensitivity change. That is, by adjusting the voltage VB applied to the bias control electrode 19, the potential of the infrared detection unit 3 can be adjusted, and the optical characteristics of the infrared detection unit 3 can be controlled.
【0073】本実施の形態の素子は、可変DC電源37
を利用することで、素子に設けられた別の駆動電圧や駆
動クロックとは独立して、バイアスコントロール電極1
9に印加される電圧を制御することができる。上述した
ように、可変DC電圧37は、撮像時の背景温度又は被
写体の温度に応じて印加電圧を変化させるものであるか
ら、本実施の形態の素子は、撮像環境を素子にフィード
バックさせ、バイアスコントロール電極に印加する電圧
を調整することで、撮像環境に応じて素子の光学的特性
を調整することができる。The device of the present embodiment has a variable DC power supply 37
Of the bias control electrode 1 independently of another drive voltage or drive clock provided to the element.
9 can be controlled. As described above, since the variable DC voltage 37 changes the applied voltage in accordance with the background temperature or the temperature of the subject at the time of imaging, the element of the present embodiment feeds back the imaging environment to the By adjusting the voltage applied to the control electrode, the optical characteristics of the element can be adjusted according to the imaging environment.
【0074】[0074]
【発明の効果】本願発明の赤外線固体撮像素子は、静電
容量の大きな電荷蓄積部を赤外線検出部の上方に配置す
ることにより、素子の開口率を高くして、さらに、赤外
線検出部のバイアス電圧を低く維持しつつ、かつ素子の
取扱電荷量を増大させることができる。According to the infrared solid-state imaging device of the present invention, the aperture ratio of the device is increased by arranging a charge storage portion having a large capacitance above the infrared detection portion. It is possible to increase the amount of electric charges handled by the element while keeping the voltage low.
【0075】本願発明の赤外線固体撮像素子は、信号電
荷の読出し回路をCSDとし、電荷蓄積部から転送され
る極めて大きな量の信号電荷をCSDで読み出すこと
で、素子のダイナミックレンジを向上させることができ
る。In the infrared solid-state imaging device of the present invention, the signal charge readout circuit is CSD, and an extremely large amount of signal charge transferred from the charge storage section is read out by CSD, thereby improving the dynamic range of the device. it can.
【0076】本願発明の赤外線固体撮像素子は、電荷蓄
積部を構成する電極をバイアスコントロールゲートのゲ
ート電極に接続し、素子の配線数を低減させ、素子の開
口率を増大させることで、素子の赤外線検出効率を向上
させることができる。In the infrared solid-state imaging device of the present invention, the electrode constituting the charge storage section is connected to the gate electrode of the bias control gate, the number of wirings of the device is reduced, and the aperture ratio of the device is increased. Infrared ray detection efficiency can be improved.
【0077】本願発明の赤外線固体撮像素子は、直流電
源によってバイアス電圧を一定に保持することで、赤外
線検出部における電位降下を防止し、カットオフ波長の
低下や赤外線検出効率の降下を防止する。The infrared solid-state imaging device of the present invention prevents a potential drop in the infrared detection unit by holding a bias voltage constant by a DC power supply, thereby preventing a cut-off wavelength from lowering and a reduction in infrared detection efficiency.
【0078】本願発明の赤外線固体撮像素子は、バイア
スコントロール部に印加する電圧をパルス電圧にするこ
とで、赤外線検出部における電位降下を防止し、カット
オフ波長の低下や赤外線検出効率の降下を防止する。In the infrared solid-state imaging device of the present invention, the voltage applied to the bias control unit is set to a pulse voltage to prevent a potential drop in the infrared detection unit, thereby preventing a cut-off wavelength from decreasing and a reduction in infrared detection efficiency. I do.
【0079】本願発明の赤外線固体撮像素子は、外部電
源によってバイアスコントロール部に電圧を印加するこ
とで、撮像環境に応じて素子の光学的特性を変化させる
ことができる。The infrared solid-state imaging device of the present invention can change the optical characteristics of the device according to the imaging environment by applying a voltage to the bias control unit by an external power supply.
【図1】 本発明の実施の形態1にかかる赤外線固体撮
像素子の単位画素の断面図を示す。FIG. 1 is a sectional view of a unit pixel of an infrared solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention;
【図2】 本発明の実施の形態1にかかる赤外線固体撮
像素子の動作を示すポテンシャル図であり、(a)は、
赤外線検出部から電荷蓄積部に信号電荷が転送される状
態を、(b)は、電荷蓄積部からCCD部に信号電荷が
転送される状態を示す。FIG. 2 is a potential diagram showing an operation of the infrared solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention;
(B) shows a state in which signal charges are transferred from the infrared detection section to the charge storage section, and (b) shows a state in which signal charges are transferred from the charge storage section to the CCD section.
【図3】 本発明の実施の形態1にかかる赤外線固体撮
像素子の動作を示すポテンシャル図であり、(a)は電
荷蓄積部の静電容量Csが小さい場合を、(b)は電荷
蓄積部の静電容量Csが大きい場合を示す。FIGS. 3A and 3B are potential diagrams illustrating the operation of the infrared solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 3A illustrates a case where the capacitance Cs of the charge storage unit is small, and FIG. Shows a case where the capacitance Cs is large.
【図4】 本発明の実施の形態2にかかる赤外線固体撮
像素子の単位画素の断面図を示す。FIG. 4 is a sectional view of a unit pixel of the infrared solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention;
【図5】 本発明の実施の形態3にかかる赤外線固体撮
像素子の単位画素の断面図を示す。FIG. 5 is a sectional view of a unit pixel of the infrared solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention;
【図6】 本発明の実施の形態4にかかる赤外線固体撮
像素子の動作を示すポテンシャル図である。FIG. 6 is a potential diagram illustrating an operation of the infrared solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention;
【図7】 本発明の実施の形態5にかかる赤外線固体撮
像素子の動作を示すポテンシャル図であり、(a)は赤
外線検出部に信号電荷を蓄積される状態を、(b)は赤
外線検出部から電荷蓄積部に信号電荷が転送される状態
を示す。FIGS. 7A and 7B are potential diagrams showing the operation of the infrared solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention, in which FIG. 7A shows a state in which signal charges are accumulated in an infrared detection unit, and FIG. 5 shows a state in which signal charges are transferred from the device to the charge storage unit.
【図8】 本発明の実施の形態5にかかる赤外線固体撮
像素子の動作を示すポテンシャル図であり、電荷蓄積部
からCCD部に信号電荷が転送される状態を示す。FIG. 8 is a potential diagram showing an operation of the infrared solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention, showing a state where signal charges are transferred from a charge storage unit to a CCD unit.
【図9】 本発明の実施の形態6にかかる赤外線固体撮
像素子の動作を示すポテンシャル図である。FIG. 9 is a potential diagram illustrating an operation of the infrared solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention;
【図10】 従来の赤外線固体撮像素子の単位画素の断
面図を示す。FIG. 10 is a sectional view of a unit pixel of a conventional infrared solid-state imaging device.
1 半導体基板、 2 ショットキー電極、 3 赤外
線検出部、 6 CCDチャンネル、 7 ゲート酸化
膜、 8 CCD電極、 9 CCD電極用配線、 1
0 垂直CCD部、 11 トランスファーゲート電
極、 12 トランスファーゲート部、 14 層間絶
縁膜、19 バイアスコントロール電極、21 第1の
電極、 22 第2の電極、31 CSDチャンネル、
32CSD電極、 33 垂直CSD部、 35 D
C電源、 36 パルス電源、37 外部可変DC電
源。Reference Signs List 1 semiconductor substrate, 2 Schottky electrode, 3 infrared detector, 6 CCD channel, 7 gate oxide film, 8 CCD electrode, 9 CCD electrode wiring, 1
0 vertical CCD section, 11 transfer gate electrode, 12 transfer gate section, 14 interlayer insulating film, 19 bias control electrode, 21 first electrode, 22 second electrode, 31 CSD channel,
32 CSD electrode, 33 vertical CSD section, 35 D
C power supply, 36 pulse power supply, 37 external variable DC power supply.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4M118 AA01 AA02 AA05 AB01 BA10 BA14 CA06 DA03 DB04 FA06 FA33 FA39 GA02 GA10 GD15 5C024 AA06 CA00 CA12 CA15 FA01 GA06 GA13 GA22 GA27 GA53 JA28 5F049 MA03 MA05 MB03 NB05 QA11 RA06 SS03 WA01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4M118 AA01 AA02 AA05 AB01 BA10 BA14 CA06 DA03 DB04 FA06 FA33 FA39 GA02 GA10 GD15 5C024 AA06 CA00 CA12 CA15 FA01 GA06 GA13 GA22 GA27 GA53 JA28 5F049 MA03 MA05 MB03 NB05 QA11 RA06 SS03 WA01
Claims (6)
ー接合又はヘテロ接合を備えている赤外線検出部及び該
信号電荷を読み出す読出し回路部が同一の半導体基板に
形成されている赤外線撮像素子において、 上記同一の半導体基板の上記赤外線検出部に隣接するバ
イアスコントロール領域に形成され、上記赤外線検出部
の電位を制御するバイアスコントロール部と、赤外線検
出部上に配置され該赤外線検出部を透過した赤外線を該
赤外線検出部に反射する第1の金属電極、該第1の金属
電極上に配置された絶縁膜層、及び該絶縁膜層上に配置
された第2の金属電極からなり、上記バイアスコントロ
ール部に電気的に接続された電荷蓄積部と、 上記同一の半導体基板の上記読出し回路部に隣接するト
ランスファーゲート領域の電位を制御し、上記読出し回
路部に電気的に接続されたトランスファーゲートとを含
んでいて、 上記赤外線検出部で変換された信号電荷が、上記バイア
スコントロール部によって上記電荷蓄積部に転送され、
該電荷蓄積部に蓄積され、 該電荷蓄積部に蓄積された信号電荷が、上記トランスフ
ァーゲートによって所定のタイミングで上記読出し回路
部に転送されることを特徴とする赤外線固体撮像素子。1. An infrared imaging device in which an infrared detector having a Schottky junction or a heterojunction for converting infrared to signal charge and a readout circuit for reading out the signal charge are formed on the same semiconductor substrate. A bias control section formed in the same semiconductor substrate in a bias control region adjacent to the infrared detection section, for controlling a potential of the infrared detection section, and an infrared ray disposed on the infrared detection section and transmitted through the infrared detection section; A first metal electrode reflecting on the infrared detection unit, an insulating film layer disposed on the first metal electrode, and a second metal electrode disposed on the insulating film layer; Controlling the potentials of the electrically connected charge storage portion and a transfer gate region adjacent to the readout circuit portion of the same semiconductor substrate; Serial to readout circuit comprise electrically connected transfer gates, converted signal charges in the infrared detector is transferred to the charge storage portion by the biasing control unit,
An infrared solid-state imaging device, wherein the signal charge stored in the charge storage unit is transferred to the readout circuit unit at a predetermined timing by the transfer gate.
電荷掃き寄せ素子であることを特徴とする請求項1記載
の赤外線固体撮像素子。2. The method according to claim 1, wherein at least a part of the readout circuit section includes:
2. The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein the device is a charge sweeping device.
極を備えていて、 上記第1の電極が上記ゲート電極に電気的に接続されて
いることを特徴とする請求項1又は2記載の赤外線固体
撮像素子。3. The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein the bias control unit includes a gate electrode, and the first electrode is electrically connected to the gate electrode. .
外線検出部の電位を一定にする直流電源を含んでいるこ
とを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の赤
外線固体撮像素子。4. The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein the bias control unit includes a DC power supply for making the potential of the infrared detection unit constant.
ロール部が、上記赤外線検出部で変換された信号電荷を
上記電荷蓄積部に転送し、 上記第1の周期時間よりも長い第2の周期時間毎に上記
トランスファーゲートが、上記電荷蓄積部に蓄積された
信号電荷を上記読出し回路部に転送することを特徴とす
る請求項1〜3のいずれか一つに記載の赤外線固体撮像
素子。5. The method according to claim 1, wherein the bias control unit transfers the signal charges converted by the infrared detection unit to the charge storage unit every first cycle time, and a second cycle longer than the first cycle time. The infrared solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3, wherein the transfer gate transfers the signal charge stored in the charge storage unit to the readout circuit unit every time.
ール部に電圧を印加することで、上記赤外線検出部の光
学的特性を制御することを特徴とする請求項1〜5のい
ずれか一つに記載の赤外線固体撮像素子。6. The infrared light according to claim 1, wherein a voltage is applied to the bias control unit by an external power supply to control an optical characteristic of the infrared light detection unit. Solid-state imaging device.
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