JP2848435B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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JP2848435B2 JP7087091A JP8709195A JP2848435B2 JP 2848435 B2 JP2848435 B2 JP 2848435B2 JP 7087091 A JP7087091 A JP 7087091A JP 8709195 A JP8709195 A JP 8709195A JP 2848435 B2 JP2848435 B2 JP 2848435B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子に関し、
特に縦型オーバーフロードレインを備えた固体撮像素子
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】固体撮像素子の信号電荷転送部にCCD
(電荷結合素子)を用いたCCD型固体撮像素子におい
ては、ブルーミングを抑制するために、過剰電荷を掃き
出すための機構が各画素に設けられるのが一般的であ
る。縦型オーバーフロードレインは、過剰電荷を基板に
掃き出す機構である。縦型オーバーフロードレインを有
する従来の固体撮像素子の単位画素の断面構造を、図4
にインターライン転送型、図5にフレーム転送型につい
て示す。以下信号電荷が電子の場合について述べるが、
信号電荷が正孔の場合も、極性を反転させることにより
同様の議論が可能である。
【0003】図4において、N型半導体基板40上にP
型半導体層41があり、その上にN型光電変換部42と
N型信号電荷転送部43が設けられている。N型光電変
換部42は、高濃度P型半導体領域44により定電位に
固定されている。高濃度P型半導体領域47は、N型信
号電荷転送部43とN型半導体基板40のパンチスルー
を防ぎ、かつ、拡散によるスミアを抑制する。N型信号
電荷転送部43の上には電極45があり、その上には、
遮光膜46が設けられている。図5において、N型半導
体基板50上にP型半導体層51があり、その上にN型
信号電荷転送部兼光電変換部52が設けられている。高
濃度P型半導体領域54は、N型信号電荷転送部兼光電
変換部52とN型半導体基板50のパンチスルーを防
ぐ。N型信号電荷転送部兼光電変換部52の上には電極
55がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】図6に、前記した従来
の固体撮像素子の光電変換特性を示す。入射光量が小さ
いときは、出力は入射光量に比例して増加する。ある程
度入射光量が大きくなってI61に達し、N型光電変換層
の容量以上の電荷が発生すると、その過剰電荷はN型半
導体基板に掃き出され、それ以上の光量の増加に対する
出力の増加は抑えられる。この状態を飽和状態と呼ぶ。
飽和状態の出力も情報信号として利用する場合、飽和状
態での光量の変化に対する出力の増加量をある程度大き
くしなければならないが、そうすると小さな光量でブル
ーミングが起こる。
【0005】本発明は、飽和状態での光量の変化に対す
る出力の増加量を大きくし、しかも、ブルーミングが起
こる光量を大きくすることを図るものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、N型半導体基
板にP型半導体層が設けられ、その上にN型光電変換部
とN型信号電荷転送部(電荷結合素子を用いる)が設け
られ、前記N型光電変換部に発生した過剰電荷はN型半
導体基板に掃き出される機構を備えた固体撮像素子にお
いて、各々のN型光電変換部の下のP型半導体層は、不
純物濃度が小さく層厚が厚いP型半導体層1と不純物濃
度が大きく層厚が薄いP型半導体層2とに分けてあるこ
とを特徴とする。また、N型半導体基板にP型半導体層
が設けられ、その上に光電変換部を兼ねたN型信号電荷
転送部(電荷結合素子を用いる)が設けられ、前記N型
光電変換部に発生した過剰電荷はN型半導体基板に掃き
出される機構を備えた固体撮像素子において、各々のN
型光電変換部の下のP型半導体層は、不純物濃度が小さ
く層厚が厚いP型半導体層1と不純物濃度が大きく層厚
が薄いP型半導体層2とに分けてあることを特徴とす
る。
【0007】
【作用】飽和状態において、出力の大きさで光の強弱を
判断するためには、光量の増加に対する出力の増加の割
合をある程度大きくする必要がある。しかし、そのよう
にすると、比較的少ない光量でブルーミングが起こって
しまう。
【0008】図3(a)の様に、光電変換の光量に対す
る出力の増加の割合が2段階に変わるような特性をもた
せると、光量の増加に対する出力の増加を大きくし、し
かも、ブルーミングの起こる光量を大きくすることがで
きる。
【0009】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【0010】図1(a)に、請求項1記載の発明の一実
施例の単位画素の断面図、(b)に同じく平面図を示
す。N型半導体基板40に第1のP型半導体層11と第
2のP型半導体層12が設けられ、その上にN型光電変
換部42とN型信号電荷転送部43が設けられている。
48は出力アンプ、49は水平電荷転送部である。図2
(a)に、請求項2記載の発明の一実施例の単位画素の
断面図、(b)に同じく平面図を示す。N型半導体基板
50に第1のP型半導体層21と第2のP型半導体層2
2が設けられ、その上にN型信号電荷転送部兼光電変換
部52が設けられている。58は出力アンプ、59は水
平電荷転送部である。図1、図2の実施例とも、第1の
P型半導体層と第2のP型半導体層は、一方が不純物濃
度が小さく層厚が厚く、他方は不純物濃度が大きく層厚
が薄い。その境界は、N型光電変換部の下にある。光電
変換特性は、出力が入射光量の増加にともなって2回傾
きの変わるような特性をもつようになる。その理由は、
次のように説明される。
【0011】強力な光が入射したとき、N型光電変換部
に蓄積しきれなくなった過剰電荷は、N型光電変換部の
下のP型半導体層に形成される電位障壁を越えてN型半
導体基板に掃き出される。飽和状態に達する光量、およ
び、飽和状態での光量に対する出力の増加の傾きは、不
純物濃度分布に依存する。つまり、不純物濃度分布が変
わると、飽和に達する光量も、飽和状態における光量に
対する出力の増加の場合も変わる。
【0012】そこで、N型光電変換層の下に不純物濃度
と層厚の異なる2つのP型半導体層を設けることによ
り、図3(a)の実線で示したように、光電変換特性の
光量に対する出力の傾きを光量に応じて2段階に変える
ことができる。P型半導体層は、不純物濃度が小さく層
厚が厚いと飽和に達する光量は小さく飽和状態における
出力の傾きは大きくなり、不純物濃度が大きく層厚が薄
いと飽和に達する光量は大きく飽和状態での出力の傾き
は小さくなる。
【0013】図3(b)、(c)に1つのP型半導体層
しかない固体撮像素子の光電変換特性を示す。図(b)
はP型半導体層の不純物濃度が小さく層厚が厚い場合、
図(c)はP型半導体層の不純物濃度が大きく層厚が薄
い場合である。(b)の方が(c)に比べ、飽和状態に
達する光量は小さく、飽和状態での光量の増加に対する
出力の増加の割合は大きい。このような2つの不純物濃
度分布のP型半導体層をN型光電変換領域の下に設けた
場合、光量がI31に達すると、過剰電荷はP型半導体層
1を通ってN型半導体基板に掃き出される。更に光量が
増え光量がI33に達すると、過剰電荷はP型半導体層2
を通ってN型半導体基板に掃き出されるようになる。
【0014】この場合の光電変換特性は、(a)のよう
になる。すなわち、光量に対する出力増加の割合が2段
階に変わる。
【0015】たとえば、P型半導体層を、不純物濃度
8.0×1014個/cm3 層厚2.6μmの領域1と不
純物濃度1.4×1015個/cm3 層厚1.8μmの領
域2との二つに分けると、7.0×1011電子/cm2
の電荷が蓄積されると、過剰電荷は領域1を通って掃き
出され、更に光量が増え1.0×1015電子/cm2
電荷が蓄積されると、過剰電荷は領域2を通って掃き出
される。このとき、P型半導体層が層厚1.8μm不純
物濃度1.4×1015個/cm3 の1つの領域しかない
場合に比べ、ブルーミングが起こる最小光量は、約1.
5倍になる。
【0016】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、飽和状態での光量の増加に対する出力の増加
を大きくし、しかも、ブルーミングの起こる光量を大き
くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1記載の発明の一実施例の固体撮像素子
を示し、(a)は断面図、(b)は平面図である。
【図2】請求項2記載の発明の一実施例の固体撮像素子
を示し、(a)は断面図、(b)は平面図である。
【図3】本発明による固体撮像素子の種々の光電変換特
性を表す図である。
【図4】従来のインターライン転送型の固体撮像素子の
断面図である。
【図5】従来のフレーム転送型の固体撮像素子の断面図
である。
【図6】従来の固体撮像素子の光電変換特性を表す図で
ある。
【符号の説明】
11 第1のP型半導体層 12 第2のP型半導体層 21 第1のP型半導体層 22 第2のP型半導体層 40 N型半導体基板 41 P型半導体層 42 N型光電変換部 43 N型信号電荷転送部 44 高濃度P型半導体領域 45 電極 46 遮光膜 47 高濃度P型半導体領域 48 出力アンプ 49 水平電荷転送部 50 N型半導体基板 51 P型半導体層 52 N型信号電荷転送部兼光電変換部 54 高濃度P型半導体領域 55 電極 58 出力アンプ 59 水平電荷転送部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 27/148 H04N 5/335

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 信号電荷転送部に電荷結合素子を用いた
    CCD型固体撮像素子で、第1導伝型半導体基板に第2
    導伝型半導体層が設けられ、その上に第1導伝型光電変
    換部と第1導伝型信号電荷転送部が設けられ、前記第1
    導伝型光電変換部に発生した過剰電荷は第1導伝型半導
    体基板に掃き出される機構を備えた固体撮像素子におい
    て、各々光電変換部の下の第2導伝型半導体層は、不純
    物濃度が小さく層厚が厚い第2導伝型半導体層1と不純
    物濃度が大きく層厚が薄い第2導伝型半導体層2とに分
    けてあることを特徴とする固体撮像素子。
  2. 【請求項2】 信号電荷転送部に電荷結合素子を用いた
    CCD型固体撮像素子で、第1導伝型半導体基板に第2
    導伝型半導体層が設けられ、その上に信号電荷転送部を
    兼ねた第1導伝型光電変換部が設けられ、前記第1導伝
    型光電変換部に発生した過剰電荷は第1導伝型半導体基
    板に掃き出される機構を備えた固体撮像素子において、
    各々の光電変換部の下の第2導伝型半導体層は、不純物
    濃度が小さく層厚が厚い第2導伝型半導体層1と不純物
    濃度が大きく層厚が薄い第2導伝型半導体層2とに分け
    てあることを特徴とする固体撮像素子。
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