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JPH1027896A - Solid-state image sensing device - Google Patents

Solid-state image sensing device

Info

Publication number
JPH1027896A
JPH1027896A JP8197132A JP19713296A JPH1027896A JP H1027896 A JPH1027896 A JP H1027896A JP 8197132 A JP8197132 A JP 8197132A JP 19713296 A JP19713296 A JP 19713296A JP H1027896 A JPH1027896 A JP H1027896A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solid
insulating film
imaging device
electrode layer
state imaging
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP8197132A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akitoshi Nishimura
明俊 西村
Ichiro Fujii
一郎 藤井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Texas Instruments Japan Ltd
Original Assignee
Texas Instruments Japan Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Texas Instruments Japan Ltd filed Critical Texas Instruments Japan Ltd
Priority to JP8197132A priority Critical patent/JPH1027896A/en
Publication of JPH1027896A publication Critical patent/JPH1027896A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Landscapes

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

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a solid-state image sensing device which is simple in structure, capable of effectively restraining blooming from occurring, and markedly improved in resolution. SOLUTION: P-type diffusion layers 14 (N) are formed in stripes on the primary surface of an N-type silicon substrate 10 through the intermediary of an element isolating film 12, a light transmitting insulating film 16 which is thin enough to induce a direct tunnel phenomenon is formed on the P-type diffusion layers 14 respectively, and light transmitting electrode layers 18 (M) are formed in stripes at a prescribed interval on the oxide films 16 and the element isolating film 12 so as to cross the P-type diffusion layers 14 at right angles. A negative drive voltage is applied to the diffusion layers 14. A depletion region 30 is formed in the diffusion layers 14 at their intersections with the electrode layers 18 or at their parts which confronts the electrode layers 18 respectively. When light rays enters the depletion region 30 through the electrode layer 18 and the oxide film 16, a certain number of charges (electron-hole) are induced in the depletion region 30 corresponding to the brightness of an incident light on the region 30. Electrons induced in the depletion region 30 are moved to the electrode layer 18 passing through the insulating film 16 due to a direct tunnel phenomenon and taken in as a sensed current.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0010】[0010]

【産業上の利用分野】本発明は、光学像を映像信号に変
換するための固体撮像素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state imaging device for converting an optical image into a video signal.

【0020】[0020]

【従来の技術】従来の代表的な固体撮像素子として、C
CD撮像素子とMOS型撮像素子がよく知られている。
2. Description of the Related Art As a conventional representative solid-state imaging device, C
CD imaging devices and MOS imaging devices are well known.

【0030】図12に示すように、CCD撮像素子は、
P型シリコン基板100の表面に絶縁酸化膜(SiO2
)102を設け、その酸化膜102の上に多数の電極
104を配置し、シリコン基板100の表面(撮像面)
にマトリクス状に設けられた各画素の光電変換部で生成
された電荷e- をバケツリレーのように順次各電極10
4の下部から隣の電極104の下部へ転送することによ
り、撮像面に結像されている光学像を映像信号として取
り出すようにしている。
As shown in FIG. 12, the CCD image pickup device
An insulating oxide film (SiO2) is formed on the surface of the P-type silicon substrate 100.
) 102, a number of electrodes 104 are arranged on the oxide film 102, and the surface (imaging surface) of the silicon substrate 100 is formed.
The charges e generated in the photoelectric conversion units of the respective pixels provided in a matrix are sequentially applied to the respective electrodes 10 like a bucket brigade.
The optical image formed on the imaging surface is taken out as a video signal by transferring the light from the lower part of 4 to the lower part of the adjacent electrode 104.

【0040】MOS型撮像素子では、図13に示すよう
に、各画素106が、感光素子(フォトダイオード)1
08とMOSスイッチング素子110とからなる。MO
Sスイッチング素子110は、互いに直交するX(水
平),Y(垂直)の2つの選択線(金属配線)に接続さ
れている。水平走査回路および垂直走査回路(図示せ
ず)によって当該X選択線およびY選択線が選択(活性
化)されると、感光素子108で入射光により誘起され
た電荷がMOSトランジスタ110を介してX選択線上
に取り出されるようになっている。
In the MOS type image pickup device, as shown in FIG. 13, each pixel 106 includes a photosensitive element (photodiode) 1
08 and a MOS switching element 110. MO
The S switching element 110 is connected to two selection lines (metal wiring) of X (horizontal) and Y (vertical) orthogonal to each other. When the X-selection line and the Y-selection line are selected (activated) by a horizontal scanning circuit and a vertical scanning circuit (not shown), the electric charge induced by the incident light in the photosensitive element 108 is transmitted through the MOS transistor 110 to the X line. It is taken out on the selection line.

【0050】[0050]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、CCD
撮像素子は、信号電荷を転送するための複数の相のパル
スを必要とすること、高い精度のタイミング制御が要求
されること、走査部の構成が複雑であること、ブルーミ
ングが発生しやすい等の問題がある。また、MOS型撮
像素子は、各画素106に感光素子108と一緒にMO
Sスイッチング素子110を設けるため、そのぶん製造
工程が増えるだけでなく、画素面積が大きくなり、解像
度が制限される等の欠点がある。
However, CCDs
The image sensor requires a plurality of phases of pulses for transferring signal charges, high-precision timing control is required, the configuration of the scanning unit is complicated, and blooming is likely to occur. There's a problem. In addition, the MOS type image pickup device includes an MO
The provision of the S switching element 110 not only increases the number of manufacturing steps but also increases the pixel area and limits the resolution.

【0060】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、構成が簡単で、ブルーミングを効果的に抑制
し、解像度を大幅に向上できる新しい方式の固体撮像素
子を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a new type of solid-state imaging device which has a simple structure, can effectively suppress blooming, and can greatly improve resolution. I do.

【0070】[0070]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の第1の固体撮像素子は、第1導電型の半導
体基板と、前記半導体基板の主面に所定の配列パターン
で離散的に設けられた複数の第2導電型の半導体領域
と、前記半導体領域上に設けられた膜厚の薄い光透過性
の絶縁膜と、前記半導体領域とマトリクス状に交差する
ように所定の配列パターンで前記絶縁膜上に離散的に設
けられた複数の光透過性の電極層と、所定の走査手順で
各々の前記半導体領域に所定の駆動電圧を印加する駆動
手段と、所定の走査手順で各々の前記電極層を活性化
し、各々の前記半導体領域で入射光により誘起され、か
つトンネル効果で前記絶縁膜を通って各対応する前記電
極層に導かれた電荷を収集して映像信号を生成する出力
手段とを有する構成とした。
In order to achieve the above object, a first solid-state imaging device according to the present invention comprises a semiconductor substrate of a first conductivity type and discretely arranged in a predetermined arrangement pattern on a main surface of the semiconductor substrate. A plurality of second conductivity type semiconductor regions provided on the semiconductor region, a light-transmitting insulating film having a small thickness provided on the semiconductor region, and a predetermined arrangement so as to intersect the semiconductor region in a matrix. A plurality of light-transmissive electrode layers discretely provided on the insulating film in a pattern; a driving unit for applying a predetermined driving voltage to each of the semiconductor regions in a predetermined scanning procedure; Activating each of the electrode layers, collecting charges induced by incident light in each of the semiconductor regions and guided to each of the corresponding electrode layers through the insulating film by a tunnel effect to generate a video signal. And output means for performing It was.

【0080】また、本発明の第2の固体撮像素子は、上
記第1の固体撮像素子において、前記半導体基板の主面
上に、前記半導体領域同士を電気的に分離するための絶
縁酸化膜を設けてなる構成とした。
Further, in the second solid-state imaging device according to the present invention, in the first solid-state imaging device, an insulating oxide film for electrically isolating the semiconductor regions from each other is formed on the main surface of the semiconductor substrate. It was configured to be provided.

【0090】また、本発明の第3の固体撮像素子は、上
記第1または第2の固体撮像素子において、各々の前記
電極層と電気的に並列接続される金属線が前記電極層の
上に層間絶縁膜を介して設けられる構成とした。
Further, according to the third solid-state image pickup device of the present invention, in the first or second solid-state image pickup device, a metal wire electrically connected in parallel with each of the electrode layers is provided on the electrode layer. The configuration is such that it is provided via an interlayer insulating film.

【0100】また、本発明の第4の固体撮像素子は、上
記第1または第2の固体撮像素子において、前記半導体
領域が画素毎に独立して設けられ、所定の組毎に複数の
前記半導体領域と電気的に共通接続される金属線が前記
電極層の上に層間絶縁膜を介して設けられる構成とし
た。
The fourth solid-state imaging device according to the present invention, in the first or second solid-state imaging device, wherein the semiconductor region is provided independently for each pixel, and a plurality of the semiconductor regions are provided for each predetermined set. A metal line electrically connected in common with the region is provided on the electrode layer via an interlayer insulating film.

【0110】[0110]

【発明の実施の形態】以下、図1〜図11を参照して本
発明の実施例を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0120】図1および図2に、本発明の一実施例によ
る固体撮像素子の構成を示す。図1はこの固体撮像素子
の要部を模式的に示す平面図であり、図2は図1中の枠
Aの部分の構造を示す一部断面斜視図である。
FIGS. 1 and 2 show the structure of a solid-state image sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a plan view schematically showing a main part of the solid-state imaging device, and FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view showing the structure of a frame A in FIG.

【0130】この固体撮像素子では、n型シリコン基板
10の表面(主面)に素子分離膜12を介してストライ
プ状に複数(N個)のp型拡散層14が形成され、各p
型拡散層14上に極薄の光透過性の絶縁膜16が設けら
れ、さらにp型拡散層12と直交するように酸化膜16
および素子分離膜12の上に所定の間隔でストライプ状
に複数(M個)の光透過性の電極層18が設けられる。
In this solid-state imaging device, a plurality (N) of p-type diffusion layers 14 are formed in a stripe shape on the surface (main surface) of an n-type silicon substrate 10 with an element isolation film 12 interposed therebetween.
An ultra-thin light-transmitting insulating film 16 is provided on the p-type diffusion layer 14, and an oxide film 16
In addition, a plurality (M) of light-transmitting electrode layers 18 are provided in stripes at predetermined intervals on the element isolation film 12.

【0140】素子分離膜12は、たとえばLOCOS法
により形成されるフィールド酸化膜でよい。絶縁膜16
は、たとえば熱酸化またはCVDにより形成されるシリ
コン酸化膜(SiO2 )でよい。電極層18は、たとえ
ばCVDにより形成されるn型ポリシリコンでよい。
The element isolation film 12 may be, for example, a field oxide film formed by the LOCOS method. Insulating film 16
May be, for example, a silicon oxide film (SiO2) formed by thermal oxidation or CVD. Electrode layer 18 may be, for example, n-type polysilicon formed by CVD.

【0150】各拡散層14には、垂直走査回路20の制
御の下で駆動回路22より負のバイアス電圧または駆動
電圧VG が印加される。本実施例では、垂直走査回路2
0および駆動回路22が駆動手段を構成する。
A negative bias voltage or drive voltage VG is applied to each diffusion layer 14 from the drive circuit 22 under the control of the vertical scanning circuit 20. In this embodiment, the vertical scanning circuit 2
0 and the driving circuit 22 constitute driving means.

【0160】拡散層14において、各電極層18と交差
または対向する箇所には点線で示すように空乏(デプレ
ーション)領域30が形成される。各空乏領域30に電
極層18および酸化膜16を通って光が入射すると、そ
こで入射光の明暗に応じた数の電荷(電子−正孔)が誘
起される。
In the diffusion layer 14, a depletion (depletion) region 30 is formed at a location that intersects or faces each electrode layer 18, as shown by a dotted line. When light enters each depletion region 30 through the electrode layer 18 and the oxide film 16, a number of charges (electrons-holes) corresponding to the brightness of the incident light are induced there.

【0170】絶縁膜16は、拡散層14と電極層18と
の間で量子力学的なダイレクトトンネル現象を起こすほ
どに薄い膜厚で形成される。たとえば熱酸化膜(SiO
2 )で絶縁膜16を形成した場合は、約50Å以下の膜
厚でダイレクトトンネル効果が得られ、約30Å以下の
膜厚で実用上十分なダイレクトトンネル効果が得られ
る。
The insulating film 16 is formed thin enough to cause a quantum mechanical direct tunnel phenomenon between the diffusion layer 14 and the electrode layer 18. For example, a thermal oxide film (SiO
When the insulating film 16 is formed in 2), a direct tunnel effect is obtained at a thickness of about 50 ° or less, and a practically sufficient direct tunnel effect is obtained at a thickness of about 30 ° or less.

【0180】絶縁膜16におけるダイレクトトンネル効
果によって拡散層14の空乏領域30から電極層18に
移動した電子は、所定の走査制御により増幅回路24を
介して感知電流として水平走査回路26に取り込まれ、
水平走査回路26から映像信号VSとして出力されるよ
うになっている。本実施例では、水平走査回路26が出
力手段を構成する。
The electrons that have moved from the depletion region 30 of the diffusion layer 14 to the electrode layer 18 by the direct tunnel effect in the insulating film 16 are taken into the horizontal scanning circuit 26 as a sensing current via the amplifier circuit 24 by a predetermined scanning control.
The horizontal scanning circuit 26 outputs the video signal VS. In this embodiment, the horizontal scanning circuit 26 constitutes an output unit.

【0190】このように、本実施例の固体撮像素子で
は、拡散層14と電極層18との各交差位置に画素Qが
形成される。ここで、図3〜図5につき、各画素Qにお
ける光電変換および光電荷取出しの原理を説明する。
As described above, in the solid-state imaging device of this embodiment, the pixel Q is formed at each intersection of the diffusion layer 14 and the electrode layer 18. Here, the principle of photoelectric conversion and photocharge extraction in each pixel Q will be described with reference to FIGS.

【0200】図3および図4において、拡散層14の空
乏領域30に光が入射すると、光のエネルギーによって
電子(e- )−正孔(h+ )対が発生する。これらのキ
ャリアのうち、電子(e- )は極薄の酸化膜16をダイ
レクトトンネル効果で通り抜けて電極層18側へ移動す
る。正孔(h+ )は拡散層14側に吸い取られる。
3 and 4, when light enters the depletion region 30 of the diffusion layer 14, an electron (e ) -hole (h + ) pair is generated by the energy of the light. Among these carriers, electrons (e ) pass through the ultra-thin oxide film 16 by the direct tunnel effect and move to the electrode layer 18 side. The holes (h + ) are sucked into the diffusion layer 14 side.

【0210】たとえば、1つのモデルとして、酸化膜1
6の膜厚を30Å、電極層18の寸法を2mm、拡散層
14のシート抵抗を10〜15Ωcmとし、十分に強い
(10000 arbitary unit (アーヒ゛タリ ユニット))以上)光を入
射すると、図5に示すような駆動電圧V−感知電流Iの
特性が得られる。
For example, as one model, oxide film 1
6, the thickness of the electrode layer 18 is 2 mm, the sheet resistance of the diffusion layer 14 is 10 to 15 Ωcm, and sufficiently strong (more than 10,000 arbitary units) light is incident, as shown in FIG. Such a characteristic of the driving voltage V-the sensing current I is obtained.

【0220】この特性で注目すべきことは、駆動電圧V
が零でも、つまり拡散層14と電極層18との間にバイ
アス電圧が掛からなくても、わずかながら(約1×10
-8アンペアの)ダイレクトトンネル効果による感知電流
Iが流れることである。もっとも、この程度の電流は、
通常の駆動電圧V(たとえば2ボルト)を印加したとき
に得られる実用上十分な感知電流I(約1×10-5アン
ペア)に比較すれば格段に小さい。
It should be noted that the driving voltage V
Is zero, that is, even if a bias voltage is not applied between the diffusion layer 14 and the electrode layer 18, slightly (about 1 × 10
The sensing current I due to the direct tunneling effect ( -8 amps). However, this level of current is
Compared to a practically sufficient sensing current I (approximately 1 × 10 −5 amperes) obtained when a normal driving voltage V (for example, 2 volts) is applied, it is much smaller.

【0230】因に、上記モデルの諸条件のうち酸化膜1
6の膜厚を厚くし、たとえば65Åにすると、図6に示
すような駆動電圧V−感知電流Iの特性が得られる。こ
の場合の感知電流IはFowler−Nordheimトンネル現象に
因るものである。これは、本実施例で利用するトンネル
現象ではない。
[0230] Among the various conditions of the above model, the oxide film 1
When the thickness of the film 6 is increased, for example, to 65 °, a characteristic of the driving voltage V-the sensing current I as shown in FIG. 6 is obtained. The sensing current I in this case is due to the Fowler-Nordheim tunnel phenomenon. This is not the tunnel phenomenon used in this embodiment.

【0240】次に、本実施例の固体撮像素子における動
作を説明する。
Next, the operation of the solid-state imaging device of this embodiment will be described.

【0250】この固体撮像素子では、垂直走査回路20
の制御の下で1水平ライン周期で順次各拡散層14に駆
動回路22よりたとえば−2ボルトの駆動電圧VG が印
加される。そして、各拡散層14に駆動電圧VG が印加
される間に、水平走査回路26が増幅回路24を介して
各電極層18を順次(または一度に)選択する。
In this solid-state imaging device, the vertical scanning circuit 20
, A drive voltage VG of, for example, -2 volts is applied from the drive circuit 22 to each diffusion layer 14 in one horizontal line cycle. Then, while the driving voltage VG is applied to each diffusion layer 14, the horizontal scanning circuit 26 sequentially (or at once) selects each electrode layer 18 via the amplifier circuit 24.

【0260】つまり、最初に第1行の拡散層14に駆動
電圧VG が所定時間だけ印加され、この印加期間中に第
1列から第M列までの電極層18が順次(または一度
に)選択(活性化)されることで、1水平ライン(第1
行分)の感知電流または映像信号が水平走査回路26に
取り込まれる。次に、第2行の拡散層14に駆動電圧V
G が所定時間だけ印加され、この印加期間中に第1列か
ら第M列までの電極層18が順次(または一度に)活性
化されることで、1水平ライン(第2行分)の感知電流
または映像信号が水平走査回路26に取り込まれる。こ
の動作が第3行〜第N行の電極層18についても順次繰
り返されることで、1フレームのラスタ走査が行われ
る。
That is, first, the drive voltage VG is applied to the diffusion layer 14 in the first row for a predetermined time, and during this application period, the electrode layers 18 from the first column to the M-th column are sequentially (or simultaneously) selected. (Activation), one horizontal line (first
The horizontal scanning circuit 26 receives the sensing current or the video signal for the row). Next, the driving voltage V is applied to the diffusion layer 14 in the second row.
G is applied for a predetermined time, and during this application period, the electrode layers 18 from the first column to the M-th column are sequentially (or at once) activated to sense one horizontal line (for the second row). The current or the video signal is taken into the horizontal scanning circuit 26. This operation is sequentially repeated for the electrode layers 18 in the third to Nth rows, thereby performing one frame of raster scanning.

【0270】駆動電圧VG を印加された拡散層14にお
いて、水平走査回路26により選択された電極層18と
の交差点に位置する空乏領域30では、入射光の光量に
応じて電荷(電子−正孔対)が誘起され、電子がダイレ
クトトンネル現象により極薄の絶縁膜14を通り抜けて
電極層18側へ移動し、そこから1画素分の感知電流と
して増幅回路24を介して水平走査回路26に取り込ま
れる。
In the diffusion layer 14 to which the driving voltage VG is applied, in the depletion region 30 located at the intersection with the electrode layer 18 selected by the horizontal scanning circuit 26, the charge (electron-hole) depends on the amount of incident light. Pair) is induced, and electrons move through the ultra-thin insulating film 14 by the direct tunnel phenomenon to the electrode layer 18 side, and are taken into the horizontal scanning circuit 26 via the amplifier circuit 24 as a sensing current for one pixel therefrom. It is.

【0280】この際、該空乏領域30と該電極層18と
の間では、電子の移動につれて、電位差が駆動電圧(2
ボルト)よりも幾らか低くなる。また、該選択されてい
る電極層18には他の(駆動電圧VG を印加されていな
い)拡散層14内の空乏領域30からもダイレクトトン
ネル現象に因る電子が幾らか漏れてくる。しかし、図5
につき上記したように、この漏れ電流は正規の感知電流
と比較して無視できるほど小さい。
At this time, as the electrons move between the depletion region 30 and the electrode layer 18, the potential difference increases by the drive voltage (2
Bolt). In addition, some electrons caused by the direct tunnel phenomenon leak from the depletion region 30 in the other diffusion layer 14 (to which the driving voltage VG is not applied) to the selected electrode layer 18. However, FIG.
As described above, this leakage current is negligibly small compared to the normal sensing current.

【0290】本実施例の固体撮像素子では、上記のよう
に拡散層14と電極層18とが交差する各画素Qにおい
て、拡散層14内の空乏領域30内で入射光により励起
された電子がダイレクトトンネル現象により絶縁膜14
を通り抜けて電極層18に直接取り込まれる点に特徴が
ある。CCD撮像素子と異なり、バケツリレーで電荷を
転送する必要はない。したがって、転送用電極、転送用
クロック、転送制御は不要であり、走査部の構成が簡単
になる。また、MOS型撮像素子と異なり、各画素にス
イッチング素子を設ける必要もない。したがって、画素
面積が小さくなり、解像度を大幅に向上できる。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, in each pixel Q where the diffusion layer 14 and the electrode layer 18 intersect as described above, electrons excited by incident light in the depletion region 30 in the diffusion layer 14 Insulation film 14 due to direct tunnel phenomenon
And is directly taken into the electrode layer 18 by passing through. Unlike a CCD image sensor, there is no need to transfer charges by a bucket brigade. Therefore, the transfer electrode, the transfer clock, and the transfer control are unnecessary, and the configuration of the scanning unit is simplified. Further, unlike the MOS type image sensor, it is not necessary to provide a switching element for each pixel. Therefore, the pixel area is reduced, and the resolution can be greatly improved.

【0300】さらに、本実施例の固体撮像素子では、感
知電流がダイレクトトンネル現象に基づいているため、
ブルーミングが効果的に抑制されるという利点もある。
Further, in the solid-state imaging device of this embodiment, since the sense current is based on the direct tunnel phenomenon,
There is also an advantage that blooming is effectively suppressed.

【0310】図7〜図9につき、このブルーミング抑制
効果の仕組みを説明する。
The mechanism of the blooming suppressing effect will be described with reference to FIGS.

【0320】図7に、本実施例の固体撮像素子の各画素
Qにおける入射光の光量−感知電流の特性の一例を示
す。入射光の光量がそれほど多くないときは(10アーヒ゛
タリユニット以下では)、光量と感知電流とはほぼ比例関係を
保っている。この場合は、図8に示すように、拡散層1
4側で空乏領域30が拡がり、境界面には反転層が発生
しておらず、空乏領域30内で発生した電子は速やかに
ダイレクトトンネル現象で絶縁膜14を通り抜けて電極
層18へ移動する。
FIG. 7 shows an example of the relationship between the amount of incident light and the sensing current in each pixel Q of the solid-state imaging device of this embodiment. When the amount of incident light is not so large (10 arc
(Tari unit and below), the light quantity and the sensing current maintain a substantially proportional relationship. In this case, as shown in FIG.
The depletion region 30 expands on the fourth side, no inversion layer is generated at the boundary surface, and electrons generated in the depletion region 30 quickly move through the insulating film 14 to the electrode layer 18 by the direct tunnel phenomenon.

【0330】ところが、入射光の光量が或る値(10アー
ヒ゛タリ ユニット)よりも多くなると、感知電流は飽和する。
この状態では、図9に示すように、拡散層14の表面で
価電子帯に電子(e- )が溜り、反転層が形成される。
この反転層は、ダイレクトトンネル現象を抑制するよう
に作用する。このように、非常に強い入射光に対しては
感度が下がり、ブルーミングが抑制される。
However, when the amount of incident light exceeds a certain value (10 arc units), the sensing current saturates.
In this state, as shown in FIG. 9, electrons (e ) accumulate in the valence band on the surface of the diffusion layer 14, and an inversion layer is formed.
This inversion layer acts to suppress the direct tunnel phenomenon. As described above, the sensitivity to extremely strong incident light is reduced, and blooming is suppressed.

【0340】なお、画素Qに光が入射しなくても空乏領
域30では幾らかの電子−正孔対が発生し、微小な暗電
流が流れる。このような暗電流は、周知の技術で、たと
えばエピタキシャル形成したウエハを用いることで、十
分に低くすることができる。
Even if light does not enter the pixel Q, some electron-hole pairs are generated in the depletion region 30 and a minute dark current flows. Such a dark current can be sufficiently reduced by a known technique, for example, by using an epitaxially formed wafer.

【0350】上記した実施例による固体撮像素子の構成
および作用は本発明の一例であり、種々の変形が可能で
ある。
The structure and operation of the solid-state imaging device according to the above-described embodiment are examples of the present invention, and various modifications are possible.

【0360】たとえば、図10の変形例では、各電極層
18にたとえばアルミニウムからなる金属線(膜)32
が電気的に並列接続されている。各金属線32は、電極
層18の上に層間絶縁膜を介して各電極層18と平行に
設けられ、画素Qの領域から外れた箇所でスルーホール
34を通じて各電極層18と電気的に接続される。この
ように、導電率の高い金属線32が各電極層18に並列
接続されることで、各電極層18の抵抗が大幅に下げら
れ、走査時間の短縮化がはかれる。
For example, in the modification of FIG. 10, a metal wire (film) 32 made of, for example, aluminum is formed on each electrode layer 18.
Are electrically connected in parallel. Each metal line 32 is provided on the electrode layer 18 in parallel with each electrode layer 18 with an interlayer insulating film interposed therebetween, and is electrically connected to each electrode layer 18 through a through hole 34 at a position outside the region of the pixel Q. Is done. As described above, by connecting the metal lines 32 having a high conductivity to each of the electrode layers 18 in parallel, the resistance of each of the electrode layers 18 is greatly reduced, and the scanning time is reduced.

【0370】図11の変形例では、各画素毎に独立(分
離)した拡散層14’が設けられるとともに、電極層1
8と直交する各列(組)の拡散層14’,14’,…に
共通の金属線(膜)36に電気的に接続されている。各
金属線36は、電極層18の上に層間絶縁膜を介して電
極層18と直交する方向に設けられ、スルーホール38
を通じて各列の拡散層14’,14’,…に電気的に接
続される。駆動回路からの駆動電圧は、各金属線36を
介して各列の拡散層14’,14’,…に印加される。
この構成によると、各画素Qの拡散層14’が分離して
いるため、各画素Qから周囲の画素Qへの電荷の漏れが
少なく、ブルーミングを一層効果的に防止することがで
きる。また、金属線36は、各画素Qより正孔を効率よ
く引き込む作用があり、各列の画素間での電荷(正孔)
の漏れを防止するため、ブルーミングを抑制する作用も
ある。
In the modification shown in FIG. 11, an independent (separated) diffusion layer 14 'is provided for each pixel, and the electrode layer 1
Are electrically connected to a metal line (film) 36 common to the diffusion layers 14 ′, 14 ′,. Each metal wire 36 is provided on the electrode layer 18 in a direction orthogonal to the electrode layer 18 with an interlayer insulating film interposed therebetween.
Are electrically connected to the diffusion layers 14 ', 14',. The drive voltage from the drive circuit is applied to the diffusion layers 14 ′, 14 ′,.
According to this configuration, since the diffusion layer 14 'of each pixel Q is separated, leakage of charges from each pixel Q to surrounding pixels Q is small, and blooming can be more effectively prevented. In addition, the metal line 36 has a function of efficiently drawing holes from each pixel Q, and charges (holes) between pixels in each column.
It also has the effect of suppressing blooming in order to prevent leakage of water.

【0380】また、上記実施例では、各画素Qの光電変
換部を構成する空乏領域30をp型拡散層14内に形成
するようにしたが、n型拡散層でも可能である。ただ
し、その場合は、バイアス電圧または駆動電圧を逆方向
に、つまり電極層18に対して拡散層14が正の電位と
なるように印加することとなる。上記実施例ではn型シ
リコン基板を用いたが、p型シリコン基板を用いてもよ
い。また、電極層18の材質もポリシリコンに限るもの
ではなく、たとえばITO(インシ゛ウム・チタン・オキサイト゛)のよう
な透明電極を用いてもよい。絶縁膜16に、SiO2 膜
以外の材質たとえばSiNx 膜を用いることも可能であ
る。走査部の構成、特に駆動手段および出力手段の構成
も上記実施例のものに限定されず、種々の回路構成が可
能である。
Further, in the above embodiment, the depletion region 30 constituting the photoelectric conversion unit of each pixel Q is formed in the p-type diffusion layer 14, but it is also possible to use an n-type diffusion layer. However, in this case, a bias voltage or a driving voltage is applied in the reverse direction, that is, so that the diffusion layer 14 has a positive potential with respect to the electrode layer 18. Although the n-type silicon substrate is used in the above embodiment, a p-type silicon substrate may be used. Further, the material of the electrode layer 18 is not limited to polysilicon, and a transparent electrode such as ITO (indium / titanium / oxide) may be used. The insulating film 16 may be made of a material other than the SiO2 film, for example, a SiNx film. The configuration of the scanning unit, in particular, the configuration of the driving unit and the output unit is not limited to that of the above-described embodiment, and various circuit configurations are possible.

【0390】[0390]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体撮像
素子によれば、半導体基板の主面に離散的に設けられた
半導体領域と、この半導体領域の上に設けられた膜厚の
薄い絶縁膜と、この絶縁膜の上に設けられた電極層とで
画素を構成し、半導体領域に形成される空乏領域内で入
射光により励起された電荷をトンネル現象により絶縁膜
を通して電極層に移し、所定の走査手順で電極層上の電
荷を収集して映像信号を得るようにしたので、構成の簡
易化、ブルーミングの防止、解像度の向上等を容易に実
現することができる。
As described above, according to the solid-state imaging device of the present invention, the semiconductor region discretely provided on the main surface of the semiconductor substrate and the thin film provided on the semiconductor region are provided. A pixel is composed of an insulating film and an electrode layer provided on the insulating film, and charges excited by incident light in a depletion region formed in the semiconductor region are transferred to the electrode layer through the insulating film by a tunnel phenomenon. Since the charge on the electrode layer is collected by a predetermined scanning procedure to obtain a video signal, simplification of the configuration, prevention of blooming, improvement of resolution, and the like can be easily realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例による固体撮像素子の構成を
模式的に示す平面図である。
FIG. 1 is a plan view schematically showing a configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1中の枠Aの部分の構造を示す一部断面斜視
図である。
FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view showing the structure of a frame A in FIG.

【図3】実施例による固体撮像素子の各画素における光
電変換および光電荷取出しの原理を説明するための模式
的な部分断面図である。
FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view for explaining the principle of photoelectric conversion and photocharge extraction in each pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment.

【図4】実施例による固体撮像素子の各画素における光
電変換および光電荷取出しの原理を説明するためのエネ
ルギーバンド図である。
FIG. 4 is an energy band diagram for explaining the principle of photoelectric conversion and photocharge extraction in each pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment.

【図5】実施例による固体撮像素子の各画素における光
電変換および光電荷取出しの原理を説明するための駆動
電圧−感知電流特性の一例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a drive voltage-sense current characteristic for explaining the principle of photoelectric conversion and photocharge extraction in each pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment.

【図6】実施例による固体撮像素子の各画素における絶
縁膜の膜厚を所定値以上厚くした場合に得られる参考例
としての駆動電圧−感知電流特性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a drive voltage-sense current characteristic as a reference example obtained when the thickness of the insulating film in each pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment is increased by a predetermined value or more.

【図7】実施例の固体撮像素子の各画素における入射光
の光量−感知電流の特性の一例を示す図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a characteristic of a light quantity of incident light-a sensing current in each pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment.

【図8】図7の特性曲線の比例領域における作用を説明
するためのエネルギーバンド図である。
8 is an energy band diagram for explaining an operation in a proportional region of the characteristic curve of FIG. 7;

【図9】図7の特性曲線の飽和領域における作用を説明
するためのエネルギーバンド図である。
9 is an energy band diagram for explaining the operation of the characteristic curve of FIG. 7 in a saturation region.

【図10】一変形例による要部の構成を示す部分平面図
である。
FIG. 10 is a partial plan view showing a configuration of a main part according to a modification.

【図11】別の変形例による要部の構成を示す部分平面
図である。
FIG. 11 is a partial plan view showing a configuration of a main part according to another modification.

【図12】CCD撮像素子の構成を模式的に示す図であ
る。
FIG. 12 is a diagram schematically showing a configuration of a CCD image sensor.

【図13】MOS撮像素子の画素の構成を模式的に示す
図である。
FIG. 13 is a diagram schematically illustrating a configuration of a pixel of a MOS imaging device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 n型シリコン基板 12 素子分離膜 14 p型拡散領域 16 絶縁膜 18 電極層 20 垂直走査回路 22 駆動回路 24 増幅回路 26 水平走査回路 30 空乏領域 32 金属線 34 スルーホール 36 金属線 38 スルーホール REFERENCE SIGNS LIST 10 n-type silicon substrate 12 element isolation film 14 p-type diffusion region 16 insulating film 18 electrode layer 20 vertical scanning circuit 22 drive circuit 24 amplifier circuit 26 horizontal scanning circuit 30 depletion region 32 metal line 34 through hole 36 metal line 38 through hole

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1導電型の半導体基板と、 前記半導体基板の主面に所定の配列パターンで離散的に
設けられた複数の第2導電型の半導体領域と、 前記半導体領域上に設けられた膜厚の薄い光透過性の絶
縁膜と、 前記半導体領域とマトリクス状に交差するように所定の
配列パターンで前記絶縁膜上に離散的に設けられた複数
の光透過性の電極層と、 所定の走査手順で各々の前記半導体領域に所定の駆動電
圧を印加する駆動手段と、 所定の走査手順で各々の前記電極層を活性化し、各々の
前記半導体領域で入射光により誘起され、かつトンネル
効果で前記絶縁膜を通って各対応する前記電極層に導か
れた電荷を収集して映像信号を生成する出力手段とを有
する固体撮像素子。
A first conductive type semiconductor substrate; a plurality of second conductive type semiconductor regions discretely provided in a predetermined arrangement pattern on a main surface of the semiconductor substrate; and a plurality of second conductive type semiconductor regions provided on the semiconductor region. A light-transmitting insulating film having a small thickness, a plurality of light-transmitting electrode layers discretely provided on the insulating film in a predetermined arrangement pattern so as to intersect the semiconductor region in a matrix, Driving means for applying a predetermined driving voltage to each of the semiconductor regions in a predetermined scanning procedure; and activating each of the electrode layers in a predetermined scanning procedure, and being induced by incident light in each of the semiconductor areas, and being tunneled. Output means for collecting charges guided to each corresponding electrode layer through the insulating film by an effect to generate a video signal.
【請求項2】 前記半導体基板の主面上に相隣接する前
記半導体領域同士を電気的に分離するための絶縁酸化膜
が設けられることを特徴とする請求項1に記載の固体撮
像素子。
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an insulating oxide film for electrically separating the adjacent semiconductor regions from each other is provided on a main surface of the semiconductor substrate.
【請求項3】 各々の前記電極層と電気的に並列接続さ
れる金属線が前記電極層の上に層間絶縁膜を介して設け
られることを特徴とする請求項1または2に記載の固体
撮像素子。
3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a metal line electrically connected in parallel with each of said electrode layers is provided on said electrode layers via an interlayer insulating film. element.
【請求項4】 前記半導体領域が画素毎に独立して設け
られ、所定の組毎に複数の前記半導体領域と電気的に共
通接続される金属線が前記電極層の上に層間絶縁膜を介
して設けられることを特徴とする請求項1または2に記
載の固体撮像素子。
4. The semiconductor region is provided independently for each pixel, and a metal line electrically connected in common to a plurality of the semiconductor regions for each predetermined set is provided on the electrode layer via an interlayer insulating film. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is provided.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6534808B2 (en) 2000-01-19 2003-03-18 Texas Instruments Incorporated Metal-insulator-semiconductor photocell and imager

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