JPH0240956A - 固体撮像装置及びその駆動方法 - 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〕 本発明は信号電荷の掃き捨でか基板へ行われる固体撮像
装置に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、受光部がｐｎｐｎ構造の如き異なる導電型の
半導体領域が交互に積層された構造となる固体撮像装置
において、最も底部の半導体領域（基板）を低濃度半導
体領域とその底部に設けられる高濃度半導体領域から構
成することにより、さらには、その高濃度半導体領域の
深さをシャッター電圧印加時の空乏層の領域内にするこ
とにより、シャッター電圧の低電圧化やニー（ｋｎｅｅ
）特性の改善等を実現するものである。

〔従来の技術〕

ＣＯＤ等の固体撮像装置の受光部として、ｎ型半導体基
板にｐ型のウェル領域を形成し、そのＰ型のウェル領域
に受光部表面の発生電流を抑えるためのｐ型の表面半導
体領域と、ダイオードを構成するｎ°型の半導体領域を
形成した構造のものが知られており、このような構造の
固体撮像装置は、例えば「日経マイクロデバイスＪ、１
９８７年１０月号、第６０頁〜第６７頁、（日経マグロ
ウヒル社発行）にも紹介されている。

また、受光部の過剰電荷を掃き捨てる技術としては、ラ
テラル（横）にオーバーフロードレインを設ける技術が
あり、特開昭６１−１８１７２号公報に記載されるよう
に、その受光部の深さ方向のポテンシャルを工夫した関
連技術もある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、受光部を表面から順にｐｎｐｎ構造とするも
のでは、３値レヘルでの制御やプルーミングのマージン
をとるために、ｎ型の半導体基板の不純物濃度をｌ　Ｘ
　１０１′（Ｃ１３）程度にしなくてばならない。

しかしながら、ｎ型半導体基板とｐ型のウェル領域の間
の接合が逆バイアスとされていることから、上述の半導
体基板の不純物濃度では、空乏層が約３０μｍ程度も拡
がって、そのシャッター電圧が５０Ｖ（ＤＣ値）程度に
大きくなってしまう。

そして、その結果、信顛性の劣化や、シャッター段差の
発生等の弊害が問題となっている。また、飽和する光の
照度以上では蓄積電荷量が増加しないことが望ましいが
、上述の構造の受光部では、それが十分なものとは言え
ず、ニー（ｋｎｅｅ）特性の改善が求められている。

そこで、本発明は上述の課題に鑑み、シャッター電圧の
低電圧化やニー特性の改善等を実現する固体撮像装置の
提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は
、受光部の表面から深さ方向への構造が、順に第２導電
型の表面半導体領域、第１導電型の第１の半導体領域、
第２導電型の半導体領域、第１導電型の第２の半導体領
域からなる構造とされ、上記第２の半導体領域は上記第
２導電型の半導体領域の底部に設けられた第１導電型の
低濃度半導体領域と、その低濃度半導体領域の底部に設
けられた第１導電型の高濃度半導体領域からなることを
特徴とする。ここで、上記第１導電型の第２の半導体領
域は半導体基板であっても良く、第１導電型をｎ型とし
た場合では、上記第２の半導体領域はｎ”型半導体基板
上にｎ型半導体領域が設けられる構造になる。

また、本発明の固体撮像装置は、上述の受光部の表面か
ら深さ方向への構造を有し、且つ第１導電型の第２の半
導体領域に所要の電圧を印加して電子シャッター動作を
行うものであって、シャッター電圧印加時の第２導電型
の半導体領域と第１導電型の低濃度半導体領域の接合の
空乏層の領域内に第１導電型の高濃度半導体領域が設け
られることを特徴とする。

〔作用］ 逆バイアスとされる第２導電型の半導体領域と第１導電
型の低濃度半導体領域の接合の空乏層を第１導電型の高
濃度半導体領域によってその拡がりを抑えることで、よ
り小さい電位差での縦方向の電荷の排除が可能となる。

これを第１図を参照しながら、そのポテンシャルの１次
元モデルによって考えてみる。

いま、第１図の１次元モデルは、表面からＸｊ。

の距離までｐ°型の表面半導体領域（ＮＡ　”　）であ
り、ＸｊｌからＸ１□まではｎ゛型の第１の半導体領域
（Ｎ１１　”　）であり、Ｘｊ２からＸｊ３まではｐ型
の半導体領域（Ｎａ）である。そしてそのＸｊ、から深
さＷまではｎ型の低濃度半導体領域（Ｎｏ）であり、こ
の深さＷより深い部分はｎ”型の高濃度半導体領域（Ｎ
ゎ９９）となっている。そして、濃度の関係は、ＮＡ　
”　）Ｎｏ　　、ＮＯ”＞ＮＯであるとする。また、ｎ
゛型の第１の半導体領域のポテンシャルの底部の電位を
Ｖイ、深さをＸ２とし、ｐ型の半導体領域のポテンシャ
ルのピークの電位をＶｓ、深さをＸ、とする。さらに、
ｎ”型の高濃度半導体領域には基板電圧Ｖ　ｔｕｂが印
加され、ｐ゛型の表面半導体領域は接地レベルに固定さ
れているものとする。

ここで、各境界条件より、 ０式より となる。

第０式を変形して、 次に、ｖ８を算出する。まず、簡単のためにλ。

と設定する。第０式を第０式に代入して、λ（Ｘ　；ｚ
　　Ｘ　Ｊ＋）−ｆｆ＝　　（Ｘ　（Ｖｓ　　Ｖ　ｇ　
）　・’・＠が得られる。この第０式をＶｆ；の２次方
程式として解くと、 ２　ε。

ｌ　−α この第０式で、ｖＭが存在するためには、復号中の一符
号を採る。そして、第０式を辺々自乗して、 となる。

ところで、シャッター電圧印加時には、ｖＭ＝ｖ８とな
ると仮定すると、第０式を変形して、Ｖ、＝λ”（Ｘ　
７ｚ−Ｘｊｌ）”　　＝’■この第０式を第０式に代入
して、 Ｖ　ｔｕｂ　（ｓｈｕＬｔａｒ＋　＝λ”（Ｘ　ｊｚ−
Ｘｊｌ）”この第０式より、高濃度半導体領域の深さＷ
を小さくすることにより、シャッター電圧■。１゜Ｕ□
、、を小さくできることが判る。

また、ｐ型の半導体領域のポテンシャルのピークの電位
ｖ１１の値は、第０式からも判るように、蓄積電荷量に
依存せずに一定となる。従って、ラテラルオーバーフロ
ードレイン構造の固体撮像装置と同様にニー特性が改善
されることになる。

ここで、シャッター電圧Ｖ　５ｕｂ（□□、。。の−例
について計算してみると、Ｎｏ　”　＝５ｘｌ　Ｏ”（
ｃｍ−’）　　、　　Ｎａ　　＝　　Ｉ　　Ｘ　　１　
０”　　（ｃｍ−″）　　、　　　Ｘ７３＝３゜５μｍ
、ｘ　ｊｚ＝２．５μｍ、Ｗ＝６μｍ、ｘ；Ｉ＝０゜３
μｍの各値を第０式に代入して、 Ｖ　ｔｕｂ　＋Ｉｈｕｔｔ＊ｒｌ　”ｉ　ｌ　Ｂ　（Ｖ
　）が得られることになる。

以上の考察は、深さＷで空乏層が強制的に終端すること
を条件としているが、少なくともシャッター電圧印加時
に拡がる空乏層の領域内に第１導電型の高濃度半導体領
域を設けることで、実質的に、シャッター電圧Ｖ　ｔｕ
ｂ　（ｓｈｕｔＬ＊ｒ＋を小さくできる傾向が得られ、
低いシャッター電圧での電子シャッター動作が可能とな
る。

〔実施例〕

本発明の好適な実施例を図面を参照しながら説明する。

本実施例の固体撮像装置は、インターライン型のＣＣＤ
の例であり、基板がｎ型の低濃度半導体領域とｎ”型の
高濃度半導体領域とからなるために、そのシャッター電
圧の低電圧化等、を実現するものである。

まず、その構造は、第２図に示すように、第１導電型の
第２の半導体領域であるｎ型の半導体基板が、ｎ型の低
濃度半導体領域２とその底部に設けられたｎ”型の高濃
度半導体基板ｌとからなる構成とされている。このｎ型
の低濃度半導体領域２上には第２導電型の半導体領域で
あるＰ型のウェル領域３が形成されている。

受光部６は、そのｐ型のウェル領域３に囲まれてなり、
表面には、第２導電型の表面半導体領域であるｐ゛型の
正孔蓄積層５が形成され、その正孔蓄積層５の底部にｎ
゛型の半導体領域４が形成されている。従って、受光部
６の構造は、表面から順に、ｐ０型の正孔蓄積１ｉ５．
ｎ”型の半導体領域４．Ｐ型のウェル領域３．ｎ型の低
濃度半導体領域２．ｎ”型の高濃度半導体基板１からな
る構造になっている。−例として、ｎ型の低濃度半導体
領域２の不純物濃度は、１０　”　（ｃｍ−３）程度で
あり、ｎ”型の高濃度半導体基板１は、その約１００倍
の１０　”　（ｃｍ−’）程度の不純物濃度にされる。

また、ｎ”型の高濃度半導体基板Ｉとｎ型の低濃度半導
体領域２の界面の深さＷは、約７μｍ程度、ｐ型のウェ
ル領域３とｎ型の低濃度半導体領域２の接合深さＸｊ３
は３μｍ程度である。上記低濃度半導体領域と高濃度半
導体領域からなる基板構造は、ｎ型若しくはｐ型の高濃
度若しくは補償のイオン注入から形成することもでき、
或いはｎ”型の高濃度半導体基板１上にｎ型のエビクキ
シャル層を積層させても良い。

上記Ｐ型のウェル領域３には、上記ｎ゛型の半導体領域
４と表面上離間してｎ゛型の電荷転送部１１が形成され
ており、その底部には第２のｐ型のウェル１２が形成さ
れている。これらｎ“型の電荷転送部１１とｎ゛型の半
導体領域４の間の領域は、読み出し部１３となり、絶縁
膜１４を介して積層されたポリシリコン１１５の電圧に
よって該読み出し部Ｉ３にチャンネルが形成される。上
記受光部６上には、転送電極となる上記ポリシリコン層
に５は形成されず、遮光層としてのＡｌｌ’ｉＩ６も形
成されずに、被写体からの光が入射することになる。ま
た、ｎ゛型の電荷転送部１１や受光部６の表面側部には
、チャンネルストッパー領域１７．ＩＴも形成されてい
る。

ここで、受光部の構造についてさらに説明すると、表面
のｐ゛型の正孔蓄積Ｎ５には接地電圧Ｖｓｓが供給され
て、最も底部のｎ”型の高濃度半導体基板１には可変な
基板電圧Ｖ　ｌｕｂが供給される。

そして、これらｐ゛型の正孔蓄積層５〜ｎ”型の高濃度
半導体基板ｌの間のポテンシャルの曲線は、第１図に示
す如き曲線を示し、上記ｐ型のウェル領域３にポテンシ
ャルバリアｖきが形成されることから、そのポテンシャ
ルバリアｖ１の深すより浅い領域のポテンシャルの底部
Ｖ、ｌのところへ信号電荷が蓄積されて行く。そして、
電子シャッター動作時には、より高い電圧が上記ｎ＋″
型の高濃度半導体基板１に印加されて、信号電荷が基板
へ掃き捨てられることになる。この時、本実施例の固体
撮像装置におしζでは、上記ｎ”型の高濃度半導体基板
１によって、ｐ型のウェル頒ｙｉ３とｎ型の低濃度半導
体領域２間の接合の空乏層の拡がりが抑えられるため、
低電圧でのシャッター動作が可能となる。

第３図はシャッター電圧の特性を示す図であり、横軸は
基板電圧Ｖ　ｔ　ｕ　＆であり、縦軸はシャッター動作
を行うのに必要な電圧ΔＶ　ｔｕｂである。従来のｐｎ
ｐｎ構造の固体撮像装置では、破線Ｂのように基板電圧
Ｖ　ｌｕｂの増加に従って、ΔＶ　ｓｏｂ　も増加し、
高い電圧でなければ十分なシャ・ンター動作ができない
でいた。しかし、本実施例の固体撮像装置（ｐｎｐｎｎ
”構造）では、実線Ａのように、基板電圧Ｖ工、が増加
しても、高い電圧は必要とならず、低い電圧でのシャッ
ター動作が行なえることが判る。

また、ニー特性についても、第４図に示すように、従来
の固体撮像装置では、破線りのように光四が飽和値を超
えたところで蓄積電荷量が増大して行く。しかし、本実
施例の固体撮像装置では、実線Ｃのように蓄積電荷量の
増大が抑えられ、ブルーミングの抑制に有効となる。

なお、本発明の固体撮像装置は、上記実施例に限定され
ず、その要旨を逸脱しない範囲での種々の変更が可能で
ある。

方向のポテンシャル分布図、第２図は本発明の固体撮像
装置の一例の要部断面図、第３図はシャッター電圧の変
化について従来の固体撮像装置と本発明の固体撮像装置
の一例を比較した特性図、第４図はニー特性について従
来の固体撮像装置と本発明の固体撮像装置の一例を比較
した特性図である。

〔発明の効果〕

本発明の固体撮像装２は、その第２の半導体領域は、第
１導電型の低濃度半導体領域と、その低濃度半導体領域
の底部に設けられた第１導電型の高濃度半導体領域から
なる構成とされるため、その第１導電型の高濃度半導体
領域には、接合の空乏層が拡がらず、従って、シャッタ
ー電圧の低電圧化を図ることができる。また、ニー特性
も改善される。

・・・ｎ”型の高濃度半導体基板 ・・・ｎ型の低濃度半導体領域 ・・・ｐ型のウェル領域 ・・・ｎ°型の半導体領域 ・・・正孔蓄積層 ・・・受光部 特許出願人　　　ソニー株式会社 代理人弁理士　小部　晃（他２名）

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮像装置の受光部の深さＶｓｕｂ
呻 第３図 第４図 手続ネ甫正占（自発） 平成１年１月１８日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）受光部の表面から深さ方向への構造が、順に第２
   導電型の表面半導体領域、第１導電型の第１の半導体領
   域、第２導電型の半導体領域、第１導電型の第２の半導
   体領域からなる構造とされ、上記第２の半導体領域は、
   上記第２導電型の半導体領域の底部に設けられた第１導
   電型の低濃度半導体領域と、その低濃度半導体領域の底
   部に設けられた第１導電型の高濃度半導体領域からなる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. （２）第１導電型の第２の半導体領域に所要の電圧が印
   加されて電子シャッター動作を行う請求項（１）記載の
   固体撮像装置において、 シャッター電圧印加時の第２導電型の半導体領域と第１
   導電型の低濃度半導体領域の接合の空乏層の領域内に第
   １導電型の高濃度半導体領域が設けられることを特徴と
   する固体撮像装置。