JP3238160B2 - 積層形固体撮像装置 - Google Patents
積層形固体撮像装置Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
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- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
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- H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は積層型固体撮像装置に関
するものである。
するものである。
【０００２】
【従来の技術】ホームビデオ等の普及に伴い、固体撮像
装置に対して高解像度で且つ高感度であることの要求が
高まっている。このうち、高解像度を達成するためには
画像の構成単位である画素を高集積化しなければなら
ず、このことは画素サイズの縮小化を必然的に招く。し
かし、画素サイズが小さくなると、これに伴って１つの
画素に入射する光量は減少することになるため、感度の
低下を招くことになる。このように、高解像度化と高感
度化は相反する関係にある。このような観点から、各画
素はその許される占有領域の限界まで受光領域を広くと
ることが要望され、その有効な解決方法の一つとして光
電変換層と電荷転送層を立体的に配置した積層形固体撮
像装置が提案されている。
装置に対して高解像度で且つ高感度であることの要求が
高まっている。このうち、高解像度を達成するためには
画像の構成単位である画素を高集積化しなければなら
ず、このことは画素サイズの縮小化を必然的に招く。し
かし、画素サイズが小さくなると、これに伴って１つの
画素に入射する光量は減少することになるため、感度の
低下を招くことになる。このように、高解像度化と高感
度化は相反する関係にある。このような観点から、各画
素はその許される占有領域の限界まで受光領域を広くと
ることが要望され、その有効な解決方法の一つとして光
電変換層と電荷転送層を立体的に配置した積層形固体撮
像装置が提案されている。
【０００３】図６に従来提案されている積層形固体撮像
装置の主要部分の断面構造を示す。この積層形固体撮像
装置では、ｐ型半導体基板１の表面の素子分離層８で列
ごとに分離された領域内に、光電変換電荷を蓄積するｎ
＋型電荷蓄積層５および電荷転送装置のｎ型チャネル不
純物層６が間隙部を隔てて設けられ、この間隙部はｎ＋
型電荷蓄積層５からｎ型チャネル不純物層６へ信号電荷
を移送する際の移送路となる表面移送チャネル部１０を
形成している。ｎ型チャネル不純物層６および表面移送
チャネル部１０の上方には絶縁層９を介して電荷転送電
極７が設けられている。電荷転送電極７の上には絶縁層
９がさらに設けられ、その上には遮光膜を兼ねる金属電
極４が形成されている。さらにこの金属電極の上にはア
モルファスシリコン等の非晶質物質からなる積層された
光電変換膜２が形成されている。電荷蓄積層５は不純物
を高濃度に含んでいるため、金属とオーミック接続が可
能であり、電荷蓄積層５には電極４が直接接触するよう
になっていることから、電極４と電荷蓄積層５は電気的
に接続される。また、光電変換膜２の表面には透明電極
３が形成され、この透明電極３は接地され、光電変換膜
２の表面電位を固定する機能を果たす。
装置の主要部分の断面構造を示す。この積層形固体撮像
装置では、ｐ型半導体基板１の表面の素子分離層８で列
ごとに分離された領域内に、光電変換電荷を蓄積するｎ
＋型電荷蓄積層５および電荷転送装置のｎ型チャネル不
純物層６が間隙部を隔てて設けられ、この間隙部はｎ＋
型電荷蓄積層５からｎ型チャネル不純物層６へ信号電荷
を移送する際の移送路となる表面移送チャネル部１０を
形成している。ｎ型チャネル不純物層６および表面移送
チャネル部１０の上方には絶縁層９を介して電荷転送電
極７が設けられている。電荷転送電極７の上には絶縁層
９がさらに設けられ、その上には遮光膜を兼ねる金属電
極４が形成されている。さらにこの金属電極の上にはア
モルファスシリコン等の非晶質物質からなる積層された
光電変換膜２が形成されている。電荷蓄積層５は不純物
を高濃度に含んでいるため、金属とオーミック接続が可
能であり、電荷蓄積層５には電極４が直接接触するよう
になっていることから、電極４と電荷蓄積層５は電気的
に接続される。また、光電変換膜２の表面には透明電極
３が形成され、この透明電極３は接地され、光電変換膜
２の表面電位を固定する機能を果たす。
【０００４】次にこのような従来の積層形固体撮像装置
の動作を説明する。光電変換膜２に光が入射すると、電
子−正孔対が発生し、電子は信号としてｎ形電荷蓄積層
５に移動して蓄積される。他方、正孔は透明電極３に移
動してこれを通じて外部に掃き出される。図７はｎ＋型
電荷蓄積層５、表面移送チャネル部１０、ｎ型チャネル
不純物層６の各部分の電位分布を示す電位分布図であ
る。図７(a) は電荷蓄積状態を示しており、移送チャネ
ル１０の電位は基板１の電位とほぼ同じ１３の電位とな
っており、ｎ型電荷蓄積層５下には電荷１２に加えて信
号電荷１１が閉じ込められ、蓄積される。図７(b) は蓄
積された信号電荷をｎ＋型電荷蓄積層５からｎ型チャネ
ル不純物層６へ転送する様子を示しており、転送電極７
に高電圧が印加されることにより移送チャネル１０の表
面電位が１５の高さとなるとともに転送チャネル電位１
４が上昇することにより、蓄積された信号電荷１１は電
位１５の障壁を越えて転送チャネル層６に移動すること
になる。しかし電荷蓄積層５に蓄積された電荷がすべて
移送されるわけではなく、電位１５に応じた残留電荷１
２が残ることになる。
の動作を説明する。光電変換膜２に光が入射すると、電
子−正孔対が発生し、電子は信号としてｎ形電荷蓄積層
５に移動して蓄積される。他方、正孔は透明電極３に移
動してこれを通じて外部に掃き出される。図７はｎ＋型
電荷蓄積層５、表面移送チャネル部１０、ｎ型チャネル
不純物層６の各部分の電位分布を示す電位分布図であ
る。図７(a) は電荷蓄積状態を示しており、移送チャネ
ル１０の電位は基板１の電位とほぼ同じ１３の電位とな
っており、ｎ型電荷蓄積層５下には電荷１２に加えて信
号電荷１１が閉じ込められ、蓄積される。図７(b) は蓄
積された信号電荷をｎ＋型電荷蓄積層５からｎ型チャネ
ル不純物層６へ転送する様子を示しており、転送電極７
に高電圧が印加されることにより移送チャネル１０の表
面電位が１５の高さとなるとともに転送チャネル電位１
４が上昇することにより、蓄積された信号電荷１１は電
位１５の障壁を越えて転送チャネル層６に移動すること
になる。しかし電荷蓄積層５に蓄積された電荷がすべて
移送されるわけではなく、電位１５に応じた残留電荷１
２が残ることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の積
層型固体撮像装置においては、ｎ＋型電荷蓄積層５は転
送電極７に通常の実用的な電圧範囲内の電圧が印加され
る限り、必ず残留電荷１２が発生する。また、金属電極
４は空乏化することはないため、図７(b) の状態では金
属電極内電荷を含む残留電荷の熱的拡散電流が障壁レベ
ル１５を越えて、信号電荷に混入してしまう。この現象
は信号電荷がゼロの状態でも起こり、いわゆる残像を発
生させるという問題がある。また、従来の構造において
は、障壁レベル１５は熱的、電気的じょう乱により変動
するため、移送電荷量の変動を避けられず、この変動が
雑音成分となって信号電荷を乱すという問題もある。さ
らに、ｎ＋型電荷蓄積層５と素子分離層８が絶縁層９と
接する空乏化部分においては、周知の界面準位の存在に
より熱的発生電流が流れ、いわゆる暗電流となって信号
の雑音成分となるという問題がある。
層型固体撮像装置においては、ｎ＋型電荷蓄積層５は転
送電極７に通常の実用的な電圧範囲内の電圧が印加され
る限り、必ず残留電荷１２が発生する。また、金属電極
４は空乏化することはないため、図７(b) の状態では金
属電極内電荷を含む残留電荷の熱的拡散電流が障壁レベ
ル１５を越えて、信号電荷に混入してしまう。この現象
は信号電荷がゼロの状態でも起こり、いわゆる残像を発
生させるという問題がある。また、従来の構造において
は、障壁レベル１５は熱的、電気的じょう乱により変動
するため、移送電荷量の変動を避けられず、この変動が
雑音成分となって信号電荷を乱すという問題もある。さ
らに、ｎ＋型電荷蓄積層５と素子分離層８が絶縁層９と
接する空乏化部分においては、周知の界面準位の存在に
より熱的発生電流が流れ、いわゆる暗電流となって信号
の雑音成分となるという問題がある。
【０００６】本発明はこのような従来の積層形固体撮像
装置の諸問題を解決するためになされたもので、低残像
および低雑音の積層形固体撮像装置を提供することを目
的とする。
装置の諸問題を解決するためになされたもので、低残像
および低雑音の積層形固体撮像装置を提供することを目
的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる積層型固
体撮像装置の第１の態様によれば、第１導電型の第１の
半導体層と、この第１の半導体層を素子列ごとに分離す
る第１導電型の第１の分離層と、前記第１の半導体層の
表面部の前記第１の分離層により分離された領域に形成
され、入射光によって光電変換電荷を発生しかつ蓄積す
る、前記第１導電型とは逆の第２導電型の第１の光電変
換層が選択的に形成された電荷蓄積素子列と、この電荷
蓄積素子列と所定の移送距離を有する移送チャネル部だ
け離隔して平行に配設され、前記電荷蓄積列に蓄積され
た電荷を移送する第２導電型の第１の不純物層と、前記
移送チャネル部と前記第１の不純物層の上方に形成され
た電荷転送電極と、この電荷転送電極の少なくとも上方
および側方を覆う遮光膜と、これらの電荷転送電極とこ
れを取り囲む遮光膜とをその中に埋設し、前記電荷蓄積
素子列に対応する開口部を形成してなる絶縁膜と、前記
第１の光電変換層と電気的に接続されるとともに、前記
絶縁膜の上に形成された第２導電型の表面光電変換層
と、この表面光電変換層の上に形成された、表面分離用
の第１導電型の第２の不純物層と、前記第２の不純物層
と電気的に接続されて前記絶縁膜に達し、前記表面光電
変換層を前記第１の光電変換層に対応して分離する第１
導電型の第３の不純物層とを備えたことを特徴とする。
本発明にかかる積層型固体撮像装置の第２の態様によれ
ば、第１導電型の第１の半導体層と、この第１の半導体
層を素子列ごとに分離する第１導電型の第１の分離層
と、前記第１の半導体層１の表面部の前記第１の分離層
により分離された領域に形成され、入射光によって光電
変換電荷を発生しかつ蓄積する、前記第１導電型とは逆
の第２導電型の第１の光電変換層が選択的に形成された
電荷蓄積素子列と、この電荷蓄積素子列と所定の移送距
離を有する移送チャネル部だけ離隔して平行に配設さ
れ、前記電荷蓄積素子列に蓄積された電荷を移送する第
２導電型の第１の不純物層と、前記移送チャネル部と前
記第１の不純物層の上方に形成された電荷転送電極と、
この電荷転送電極の少なくとも上方を覆う遮光膜と、こ
れらの電荷転送電極と遮光膜をその中に埋設し、前記電
荷蓄積素子列に対応する開口部を形成してなる絶縁膜
と、前記絶縁膜の側面および上面に形成された分離用の
第１導電型の第２の不純物層と、前記電荷蓄積素子列に
電気的に接続されるとともに、前記第２の不純物層の上
に形成された第２導電型の表面光電変換層と、この表面
光電変換層の上に形成された表面分離用の第１導電型の
第３の不純物層と、前記第３の不純物層と前記第２の不
純物層を電気的に接続するとともに、前記表面光電変換
層を前記第１の光電変換層に対応して分離する第１導電
型の第４の不純物層とを備えたことを特徴とする。これ
らの両態様において、前記第２の光電変換層はシリコン
単結晶の成長層であることが好ましい。第１の態様にお
いて、前記遮光膜は、前記絶縁膜に接する前記第２導電
型の第２の光電変換層の少くとも一部に第１導電型キャ
リアの蓄積による表面反転層が形成されるような電位に
設定されていると良い。両態様において、前記第１の光
電変換層および前記第２の光電変換層で発生した信号キ
ャリアの全てを前記電荷転送装置に移送させた状態にお
いて、前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換
層の第２導電型不純物は、共にほぼ完全な空乏状態とな
るように、前記第１の光電変換層の空乏電位が前記第２
の光電変換層の空乏電位に対して大きな絶対値が与えら
れたことが好ましい。第２の態様において、第１導電型
の第５の不純物層が、前記第１の光電変換層が前記絶縁
膜に接する部分に形成されていると良い。
体撮像装置の第１の態様によれば、第１導電型の第１の
半導体層と、この第１の半導体層を素子列ごとに分離す
る第１導電型の第１の分離層と、前記第１の半導体層の
表面部の前記第１の分離層により分離された領域に形成
され、入射光によって光電変換電荷を発生しかつ蓄積す
る、前記第１導電型とは逆の第２導電型の第１の光電変
換層が選択的に形成された電荷蓄積素子列と、この電荷
蓄積素子列と所定の移送距離を有する移送チャネル部だ
け離隔して平行に配設され、前記電荷蓄積列に蓄積され
た電荷を移送する第２導電型の第１の不純物層と、前記
移送チャネル部と前記第１の不純物層の上方に形成され
た電荷転送電極と、この電荷転送電極の少なくとも上方
および側方を覆う遮光膜と、これらの電荷転送電極とこ
れを取り囲む遮光膜とをその中に埋設し、前記電荷蓄積
素子列に対応する開口部を形成してなる絶縁膜と、前記
第１の光電変換層と電気的に接続されるとともに、前記
絶縁膜の上に形成された第２導電型の表面光電変換層
と、この表面光電変換層の上に形成された、表面分離用
の第１導電型の第２の不純物層と、前記第２の不純物層
と電気的に接続されて前記絶縁膜に達し、前記表面光電
変換層を前記第１の光電変換層に対応して分離する第１
導電型の第３の不純物層とを備えたことを特徴とする。
本発明にかかる積層型固体撮像装置の第２の態様によれ
ば、第１導電型の第１の半導体層と、この第１の半導体
層を素子列ごとに分離する第１導電型の第１の分離層
と、前記第１の半導体層１の表面部の前記第１の分離層
により分離された領域に形成され、入射光によって光電
変換電荷を発生しかつ蓄積する、前記第１導電型とは逆
の第２導電型の第１の光電変換層が選択的に形成された
電荷蓄積素子列と、この電荷蓄積素子列と所定の移送距
離を有する移送チャネル部だけ離隔して平行に配設さ
れ、前記電荷蓄積素子列に蓄積された電荷を移送する第
２導電型の第１の不純物層と、前記移送チャネル部と前
記第１の不純物層の上方に形成された電荷転送電極と、
この電荷転送電極の少なくとも上方を覆う遮光膜と、こ
れらの電荷転送電極と遮光膜をその中に埋設し、前記電
荷蓄積素子列に対応する開口部を形成してなる絶縁膜
と、前記絶縁膜の側面および上面に形成された分離用の
第１導電型の第２の不純物層と、前記電荷蓄積素子列に
電気的に接続されるとともに、前記第２の不純物層の上
に形成された第２導電型の表面光電変換層と、この表面
光電変換層の上に形成された表面分離用の第１導電型の
第３の不純物層と、前記第３の不純物層と前記第２の不
純物層を電気的に接続するとともに、前記表面光電変換
層を前記第１の光電変換層に対応して分離する第１導電
型の第４の不純物層とを備えたことを特徴とする。これ
らの両態様において、前記第２の光電変換層はシリコン
単結晶の成長層であることが好ましい。第１の態様にお
いて、前記遮光膜は、前記絶縁膜に接する前記第２導電
型の第２の光電変換層の少くとも一部に第１導電型キャ
リアの蓄積による表面反転層が形成されるような電位に
設定されていると良い。両態様において、前記第１の光
電変換層および前記第２の光電変換層で発生した信号キ
ャリアの全てを前記電荷転送装置に移送させた状態にお
いて、前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換
層の第２導電型不純物は、共にほぼ完全な空乏状態とな
るように、前記第１の光電変換層の空乏電位が前記第２
の光電変換層の空乏電位に対して大きな絶対値が与えら
れたことが好ましい。第２の態様において、第１導電型
の第５の不純物層が、前記第１の光電変換層が前記絶縁
膜に接する部分に形成されていると良い。
【０００８】第２の光電変換層は第１の光電変換層に対
応して第２の分離層によって電気的に分離されており、
第２の分離層は第２の不純物層と電気的に接続された第
１導電型の第３の不純物層であると良く、また、この第
３の不純物層が絶縁膜の側壁および前記絶縁膜の上面の
少なくとも一部を覆うものであることが好ましい。
応して第２の分離層によって電気的に分離されており、
第２の分離層は第２の不純物層と電気的に接続された第
１導電型の第３の不純物層であると良く、また、この第
３の不純物層が絶縁膜の側壁および前記絶縁膜の上面の
少なくとも一部を覆うものであることが好ましい。
【０００９】第２の光電変換層はシリコン単結晶の成長
層であると良い。
層であると良い。
【００１０】遮光膜は、絶縁膜に接する第２導電型の第
２の光電変換層の少くとも一部に第１導電型キャリアの
蓄積による表面反転層が形成されるような電位に設定さ
れていると良い。
２の光電変換層の少くとも一部に第１導電型キャリアの
蓄積による表面反転層が形成されるような電位に設定さ
れていると良い。
【００１１】第１の光電変換層および第２の光電変換層
で発生した信号キャリアの全てを電荷転送装置に移送さ
せた状態において、第１の光電変換層および第２の光電
変換層の第２導電型不純物は、共にほぼ完全な空乏状態
となるように、第１の光電変換層の空乏電位が第２の光
電変換層の空乏電位に対して大きな絶対値が与えられる
と良い。
で発生した信号キャリアの全てを電荷転送装置に移送さ
せた状態において、第１の光電変換層および第２の光電
変換層の第２導電型不純物は、共にほぼ完全な空乏状態
となるように、第１の光電変換層の空乏電位が第２の光
電変換層の空乏電位に対して大きな絶対値が与えられる
と良い。
【００１２】
【００１３】第１導電型の第４の不純物層が、前記第１
の光電変換層が前記絶縁膜に接する部分に形成されてい
ると良い。
の光電変換層が前記絶縁膜に接する部分に形成されてい
ると良い。
【００１４】
【作用】本発明にかかる積層型固体撮像装置において
は、絶縁層上に積層される第２の光電変換層を基板表面
の第１の光電変換層と同一導電型不純物層で形成し、か
つその表面を逆導電型不純物層で覆うとともに画素間分
離を行い、さらに、絶縁膜中に形成された金属電極電位
を第２の光電変換層と絶縁膜界面に信号電荷とは逆の極
性のキャリアが導入されるように設定しているため、光
電変換蓄積素子に蓄積された信号電荷を完全に取り出す
完全転送モードが可能となり、残像、雑音が飛躍的に減
少する。この場合、不純物層は単結晶半導体であれば、
結晶性が良好なｐｎ接合あるいは界面反転層を容易に形
成でき、従ってその表面部分あるいは絶縁膜との界面部
分を空乏化させることなく、光電変換、蓄積、完全転送
による電荷の移送が可能になり、従来の積層形固体撮像
装置で問題になる暗電流の増加及び、残像をほぼ完全に
抑制することができる。
は、絶縁層上に積層される第２の光電変換層を基板表面
の第１の光電変換層と同一導電型不純物層で形成し、か
つその表面を逆導電型不純物層で覆うとともに画素間分
離を行い、さらに、絶縁膜中に形成された金属電極電位
を第２の光電変換層と絶縁膜界面に信号電荷とは逆の極
性のキャリアが導入されるように設定しているため、光
電変換蓄積素子に蓄積された信号電荷を完全に取り出す
完全転送モードが可能となり、残像、雑音が飛躍的に減
少する。この場合、不純物層は単結晶半導体であれば、
結晶性が良好なｐｎ接合あるいは界面反転層を容易に形
成でき、従ってその表面部分あるいは絶縁膜との界面部
分を空乏化させることなく、光電変換、蓄積、完全転送
による電荷の移送が可能になり、従来の積層形固体撮像
装置で問題になる暗電流の増加及び、残像をほぼ完全に
抑制することができる。
【００１５】
【実施例】以下、図面を参照して本願発明の実施例を詳
述する。図１は本発明の第１の実施例の断面構造を示す
断面図である。ｐ型半導体基板１の表面の素子分離層８
で囲まれた領域内には光電変換電荷を蓄積するｎ型電荷
蓄積層２１および電荷転送装置のｎ型チャネル不純物層
６が間隙部を隔てて設けられ、この間隙部はｎ型電荷蓄
積層２１からｎ形チャネル不純物層６へ信号電荷を移送
する際の移送路となる表面移送チャネル部１０を形成し
ている。ｎ型チャネル不純物層６および表面移送チャネ
ル部１０の上方には絶縁層２５の内部に電荷転送電極７
が埋設されており、また、電荷転送電極７の上方および
横方向を電荷転送電極７を囲むように形成された遮光膜
２４が同様に絶縁層２５内に埋設されている。ｎ型電荷
蓄積層２１にはｎ型表面光電変換層２２が接続され、こ
のｎ型表面光電変換層２２は絶縁層２５の上に形成され
ている。このｎ形表面光電変換層２２は好ましくは例え
ばシリコン単結晶を成長させて形成したものである。そ
してｎ形表面光電変換層２２は絶縁膜２５上の一部に形
成されたｐ＋型表面分離層２７により画素ごとに分離さ
れ、このｐ＋型表面分離層２７は全面を覆っている高濃
度ｐ＋型不純物層２３と連結され、さらに全体は表面保
護膜２８により覆われている。
述する。図１は本発明の第１の実施例の断面構造を示す
断面図である。ｐ型半導体基板１の表面の素子分離層８
で囲まれた領域内には光電変換電荷を蓄積するｎ型電荷
蓄積層２１および電荷転送装置のｎ型チャネル不純物層
６が間隙部を隔てて設けられ、この間隙部はｎ型電荷蓄
積層２１からｎ形チャネル不純物層６へ信号電荷を移送
する際の移送路となる表面移送チャネル部１０を形成し
ている。ｎ型チャネル不純物層６および表面移送チャネ
ル部１０の上方には絶縁層２５の内部に電荷転送電極７
が埋設されており、また、電荷転送電極７の上方および
横方向を電荷転送電極７を囲むように形成された遮光膜
２４が同様に絶縁層２５内に埋設されている。ｎ型電荷
蓄積層２１にはｎ型表面光電変換層２２が接続され、こ
のｎ型表面光電変換層２２は絶縁層２５の上に形成され
ている。このｎ形表面光電変換層２２は好ましくは例え
ばシリコン単結晶を成長させて形成したものである。そ
してｎ形表面光電変換層２２は絶縁膜２５上の一部に形
成されたｐ＋型表面分離層２７により画素ごとに分離さ
れ、このｐ＋型表面分離層２７は全面を覆っている高濃
度ｐ＋型不純物層２３と連結され、さらに全体は表面保
護膜２８により覆われている。
【００１６】図２は図１におけるｎ型表面光電変換層２
２、ｐ＋型表面分離層２３と、ｐ＋型表面分離層２７と
の関係を示す平面図である。ｐ＋型表面分離層２７によ
りｎ型表面光電変換層２２およびｐ＋型表面分離層２３
が画素ごとに分離されていることがわかる。
２、ｐ＋型表面分離層２３と、ｐ＋型表面分離層２７と
の関係を示す平面図である。ｐ＋型表面分離層２７によ
りｎ型表面光電変換層２２およびｐ＋型表面分離層２３
が画素ごとに分離されていることがわかる。
【００１７】次に、このような構成における動作を説明
する。ｐ型表面層は基板と同一電位に設定されており、
ｐｎ接合部分を除いて、非空乏状態（中性状態）に保持
される。そして周知のインターライン転送方式に従って
電極７に高電圧パルスが印加されると、電荷移送表面チ
ャネル１０が導通し、ｎ型電荷蓄積層２１で発生した信
号電荷はｎ型電荷蓄積層２１からｎ型チャネル不純物層
６へ移送される。この時電荷移送表面チャネル１０のチ
ャネル電位としてｎ型電荷蓄積層２１を完全空乏化させ
るに十分な高さを与えることにより、ｎ型電荷蓄積層２
１で発生した信号電荷は完全に汲み出すことができ、残
像がない完全転送が実現する。なお、前述したように、
ｎ型表面光電変換層２２は例えばシリコン単結晶を成長
させて形成したものであるから、その不純物濃度を任意
に制御することができ、電荷移送表面チャネル１０の電
荷移送電位によってｎ型電荷蓄積層２１を完全空乏化さ
せるとともに、ｎ型表面光電変換層２２の完全空乏化電
位がｎ型電荷蓄積層２１の完全空乏化電位より低いか、
あるいは等しければｎ型表面光電変換層２２も同時に完
全空乏化することができる。
する。ｐ型表面層は基板と同一電位に設定されており、
ｐｎ接合部分を除いて、非空乏状態（中性状態）に保持
される。そして周知のインターライン転送方式に従って
電極７に高電圧パルスが印加されると、電荷移送表面チ
ャネル１０が導通し、ｎ型電荷蓄積層２１で発生した信
号電荷はｎ型電荷蓄積層２１からｎ型チャネル不純物層
６へ移送される。この時電荷移送表面チャネル１０のチ
ャネル電位としてｎ型電荷蓄積層２１を完全空乏化させ
るに十分な高さを与えることにより、ｎ型電荷蓄積層２
１で発生した信号電荷は完全に汲み出すことができ、残
像がない完全転送が実現する。なお、前述したように、
ｎ型表面光電変換層２２は例えばシリコン単結晶を成長
させて形成したものであるから、その不純物濃度を任意
に制御することができ、電荷移送表面チャネル１０の電
荷移送電位によってｎ型電荷蓄積層２１を完全空乏化さ
せるとともに、ｎ型表面光電変換層２２の完全空乏化電
位がｎ型電荷蓄積層２１の完全空乏化電位より低いか、
あるいは等しければｎ型表面光電変換層２２も同時に完
全空乏化することができる。
【００１８】図３は電荷移送時におけるｎ型表面光電変
換層２２から、ｎ型電荷蓄積層２１，電荷移送表面チャ
ネル１０を経てｎ型チャネル不純物層６に至る部分での
電荷の移送の様子を示す電位分布図である。同図におい
て５１はｎ型表面光電変換層２２、５２は蓄積層２１、
５３は表面移送チャネル、５４は電荷転送装置のチャネ
ルの電位をそれぞれ示している。転送が進むにつれて各
段階で電位が高くなっているので、信号電荷は５５で示
されるように完全転送されることになる。このように完
全転送が達成される結果、従来例にあったような残留電
荷は存在せず、従って、残像はほぼなくなる。又、ｎ型
表面光電変換層２２の表面は非空乏状態の高濃度ｐ＋型
層で覆われているので、表面準位は中性を保持した熱平
衡状態の中に取り込まれ、熱的キャリアの発生と再結合
がバランスした状態に保持される。従って、熱的に発生
したキャリアによる暗電流の信号への混入は、無視でき
る量に抑制される。
換層２２から、ｎ型電荷蓄積層２１，電荷移送表面チャ
ネル１０を経てｎ型チャネル不純物層６に至る部分での
電荷の移送の様子を示す電位分布図である。同図におい
て５１はｎ型表面光電変換層２２、５２は蓄積層２１、
５３は表面移送チャネル、５４は電荷転送装置のチャネ
ルの電位をそれぞれ示している。転送が進むにつれて各
段階で電位が高くなっているので、信号電荷は５５で示
されるように完全転送されることになる。このように完
全転送が達成される結果、従来例にあったような残留電
荷は存在せず、従って、残像はほぼなくなる。又、ｎ型
表面光電変換層２２の表面は非空乏状態の高濃度ｐ＋型
層で覆われているので、表面準位は中性を保持した熱平
衡状態の中に取り込まれ、熱的キャリアの発生と再結合
がバランスした状態に保持される。従って、熱的に発生
したキャリアによる暗電流の信号への混入は、無視でき
る量に抑制される。
【００１９】図４（ｂ）はこの時のｐ＋型表面分離層２
３からｎ型表面光電変換層２２、ｎ型電荷蓄積層２１、
ｐ型半導体基板１に至る垂直方向の１次電位分布を示す
電位分布図である。図示の如く表面は正孔５８が充満し
ており、表面準位５６は電子の発生中心として非活性状
態にある。一方、絶縁膜２５と表面光電変換層２２の界
面２６は、この場合ｐ型層で覆われていないため、この
部分に存在する表面準位は電子の発生中心として活性状
態にある。しかし、遮光膜２４をアルミニウムや金属シ
リサイドなどの導電性材料で形成し、ｐ＋型表面分離層
２７を通して界面１０に正孔が注入されるに十分な負電
圧を印加することによって、界面を正孔で充満させるこ
とができる。
３からｎ型表面光電変換層２２、ｎ型電荷蓄積層２１、
ｐ型半導体基板１に至る垂直方向の１次電位分布を示す
電位分布図である。図示の如く表面は正孔５８が充満し
ており、表面準位５６は電子の発生中心として非活性状
態にある。一方、絶縁膜２５と表面光電変換層２２の界
面２６は、この場合ｐ型層で覆われていないため、この
部分に存在する表面準位は電子の発生中心として活性状
態にある。しかし、遮光膜２４をアルミニウムや金属シ
リサイドなどの導電性材料で形成し、ｐ＋型表面分離層
２７を通して界面１０に正孔が注入されるに十分な負電
圧を印加することによって、界面を正孔で充満させるこ
とができる。
【００２０】この様子を図４（ａ）を用いて説明する。
図４（ａ）は遮光膜２４上で絶縁膜２５、ｎ型表面光電
変換層２２、ｐ＋型表面分離層２３に至る垂直方向にと
った一次元電位分布を示す電位分布図である。ｎ型表面
光電変換層２２の表面は正孔５７が注入された反転層と
なり、図４（ｂ）におけるｐ＋型表面層と同等の作用に
よって電子発生中心５６は活性化されない。従って、暗
電流雑音の発生を無視できるレベルにまで低減すること
ができる。
図４（ａ）は遮光膜２４上で絶縁膜２５、ｎ型表面光電
変換層２２、ｐ＋型表面分離層２３に至る垂直方向にと
った一次元電位分布を示す電位分布図である。ｎ型表面
光電変換層２２の表面は正孔５７が注入された反転層と
なり、図４（ｂ）におけるｐ＋型表面層と同等の作用に
よって電子発生中心５６は活性化されない。従って、暗
電流雑音の発生を無視できるレベルにまで低減すること
ができる。
【００２１】図５は本発明の第２の実施例の部分断面構
造図である。この第２の実施例における第１の実施例と
の相違点は、ｎ型形表面光電変換層３２の表面及び絶縁
膜２５との界面部分を全てｐ＋形高濃度不純物層３３、
３５で覆い、且つ素子分離用ｐ型不純物層３４で３３、
３５を電気的に接続している点である。また、この実施
例においては、ｎ型電荷蓄積層３１の表面の絶縁膜２５
との境界部分も高濃度ｐ型不純物層３６で覆われてい
る。
造図である。この第２の実施例における第１の実施例と
の相違点は、ｎ型形表面光電変換層３２の表面及び絶縁
膜２５との界面部分を全てｐ＋形高濃度不純物層３３、
３５で覆い、且つ素子分離用ｐ型不純物層３４で３３、
３５を電気的に接続している点である。また、この実施
例においては、ｎ型電荷蓄積層３１の表面の絶縁膜２５
との境界部分も高濃度ｐ型不純物層３６で覆われてい
る。
【００２２】このように信号電荷が発生し、蓄積される
ほぼ全ての領域を空乏化されない、すなわち電気的中性
状態の高濃度ｐ形不純物層３３、３５で覆うことによっ
て、熱的キャリアの発生をほぼ完全に抑制することがで
き、暗電流の発生を抑えることができる。なお、この場
合光しゃへい膜３８は必ずしも負電位にバイアスされて
いる必要はなく、基板電位に設定されていても、フロー
ティング状態であっても良い。
ほぼ全ての領域を空乏化されない、すなわち電気的中性
状態の高濃度ｐ形不純物層３３、３５で覆うことによっ
て、熱的キャリアの発生をほぼ完全に抑制することがで
き、暗電流の発生を抑えることができる。なお、この場
合光しゃへい膜３８は必ずしも負電位にバイアスされて
いる必要はなく、基板電位に設定されていても、フロー
ティング状態であっても良い。
【００２３】以上の実施例では半導体基板に直接光電変
換蓄積素子が形成されたものについて述べているが、半
導体基板内または半導体基板上に形成された逆導電型半
導体層（ウェル）内に形成されたものであっても良い。
換蓄積素子が形成されたものについて述べているが、半
導体基板内または半導体基板上に形成された逆導電型半
導体層（ウェル）内に形成されたものであっても良い。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、絶縁層上に積層される
第２の光電変換層を画素ごとに分離された光電変換層と
電気的に接続された同一導電型不純物層で形成し、かつ
その表面及びその画素間分離部分を逆導電型不純物層で
形成し、さらに、絶縁膜中に形成された金属電極電位を
第２の光電変換層と絶縁膜界面に信号と逆の極性のキャ
リアが導入されるように設定しているため、光電変換蓄
積素子に蓄積された信号電荷を完全転送モードで取り出
すことが可能となり、従来の積層形固体撮像装置で問題
になる暗電流の増加や残像をほぼ完全に抑制することが
でき、低残像および低雑音の積層形固体撮像装置を提供
することができる。さらに、本発明の別の態様によれ
ば、上記の構成に加えて絶縁層の上面および側面は光電
変換層とは逆導電型の分離用の不純物層で覆われている
ため、熱的キャリアの発生をより抑制でき暗電流をさら
に抑制した積層型固体撮像装置を提供することができ
る。
第２の光電変換層を画素ごとに分離された光電変換層と
電気的に接続された同一導電型不純物層で形成し、かつ
その表面及びその画素間分離部分を逆導電型不純物層で
形成し、さらに、絶縁膜中に形成された金属電極電位を
第２の光電変換層と絶縁膜界面に信号と逆の極性のキャ
リアが導入されるように設定しているため、光電変換蓄
積素子に蓄積された信号電荷を完全転送モードで取り出
すことが可能となり、従来の積層形固体撮像装置で問題
になる暗電流の増加や残像をほぼ完全に抑制することが
でき、低残像および低雑音の積層形固体撮像装置を提供
することができる。さらに、本発明の別の態様によれ
ば、上記の構成に加えて絶縁層の上面および側面は光電
変換層とは逆導電型の分離用の不純物層で覆われている
ため、熱的キャリアの発生をより抑制でき暗電流をさら
に抑制した積層型固体撮像装置を提供することができ
る。
【００２５】また、単結晶化された同一素材半導体によ
り積層構造化された光電変換層（素子）を構成している
ため、結晶性が良好なｐｎ接合あるいは界面反転層を容
易に形成でき、その表面部分あるいは絶縁膜との界面部
分を空乏化させることなく、光電変換、蓄積、完全転送
による電荷の移送が可能になる。
り積層構造化された光電変換層（素子）を構成している
ため、結晶性が良好なｐｎ接合あるいは界面反転層を容
易に形成でき、その表面部分あるいは絶縁膜との界面部
分を空乏化させることなく、光電変換、蓄積、完全転送
による電荷の移送が可能になる。
【図１】本発明にかかる積層形固体撮像装置の第１の実
施例の部分断面構造図。
施例の部分断面構造図。
【図２】本発明にかかる積層形固体撮像装置の第１の実
施例の部分平面構造図。
施例の部分平面構造図。
【図３】本発明にかかる積層形固体撮像装置の動作原理
を示す電位分布図。
を示す電位分布図。
【図４】本発明にかかる積層形固体撮像装置の動作原理
を示す電位分布図。
を示す電位分布図。
【図５】本発明にかかる積層形固体撮像装置の第２の実
施例の部分断面構造図。
施例の部分断面構造図。
【図６】従来の積層形固体撮像装置の部分断面構造図。
【図７】従来の積層形固体撮像装置の動作を示す電位分
布図。
布図。
７ 電荷転送電極 ２１ 電荷蓄積層（第１の光電変換層） ２２，３２ ｎ形表面光電変換層（第２の光電変換層） ２３，３３ 高濃度ｐ形表面層 ２４，３８ 光遮へい膜 ２７，３４ 高濃度ｐ形層 ３５，３６，３７ 高濃度ｐ形界面不純物層 ５７，５８ 表面あるいは界面の正孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/146
Claims (6)
- 【請求項１】第１導電型の第１の半導体層と、 この第１の半導体層を素子列ごとに分離する第１導電型
の第１の分離層と、 前記第１の半導体層の表面部の前記第１の分離層により
分離された領域に形成され、入射光によって光電変換電
荷を発生しかつ蓄積する、前記第１導電型とは逆の第２
導電型の第１の光電変換層が選択的に形成された電荷蓄
積素子列と、 この電荷蓄積素子列と所定の移送距離を有する移送チャ
ネル部だけ離隔して平行に配設され、前記電荷蓄積列に
蓄積された電荷を移送する第２導電型の第１の不純物層
と、 前記移送チャネル部と前記第１の不純物層の上方に形成
された電荷転送電極と、 この電荷転送電極の少なくとも上方および側方を覆う遮
光膜と、 これらの電荷転送電極とこれを取り囲む遮光膜とをその
中に埋設し、前記電荷蓄積素子列に対応する開口部を形
成してなる絶縁膜と、 前記第１の光電変換層と電気的に接続されるとともに、
前記絶縁膜の上に形成された第２導電型の表面光電変換
層と、 この表面光電変換層の上に形成された、表面分離用の第
１導電型の第２の不純物層と、 前記第２の不純物層と電気的に接続されて前記絶縁膜に
達し、前記表面光電変換層を前記第１の光電変換層に対
応して分離する第１導電型の第３の不純物層とを備えた
積層型固体撮像装置。 - 【請求項２】第１導電型の第１の半導体層と、 この第１の半導体層を素子列ごとに分離する第１導電型
の第１の分離層と、 前記第１の半導体層１の表面部の前記第１の分離層によ
り分離された領域に形成され、入射光によって光電変換
電荷を発生しかつ蓄積する、前記第１導電型とは逆の第
２導電型の第１の光電変換層が選択的に形成された電荷
蓄積素子列と、 この電荷蓄積素子列と所定の移送距離を有する移送チャ
ネル部だけ離隔して平行に配設され、前記電荷蓄積素子
列に蓄積された電荷を移送する第２導電型の第１の不純
物層と、 前記移送チャネル部と前記第１の不純物層の上方に形成
された電荷転送電極と、 この電荷転送電極の少なくとも上方を覆う遮光膜と、 これらの電荷転送電極と遮光膜をその中に埋設し、前記
電荷蓄積素子列に対応する開口部を形成してなる絶縁膜
と、 前記絶縁膜の側面および上面に形成された分離用の第１
導電型の第２の不純物層と、 前記電荷蓄積素子列に電気的に接続されるとともに、前
記第２の不純物層の上に形成された第２導電型の表面光
電変換層と、 この表面光電変換層の上に形成された表面分離用の第１
導電型の第３の不純物層と、 前記第３の不純物層と前記第２の不純物層を電気的に接
続するとともに、前記表面光電変換層を前記第１の光電
変換層に対応して分離する第１導電型の第４の不純物層
とを備えた積層型固体撮像装置。 - 【請求項３】前記第２の光電変換層はシリコン単結晶の
成長層であることを特徴とする請求項１または２に記載
の積層形固体撮像装置。 - 【請求項４】前記遮光膜は、前記絶縁膜に接する前記第
２導電型の第２の光電変換層の少くとも一部に第１導電
型キャリアの蓄積による表面反転層が形成されるような
電位に設定されていることを特徴とする請求項１に記載
の積層形固体撮像装置。 - 【請求項５】前記第１の光電変換層および前記第２の光
電変換層で発生した信号キャリアの全てを前記電荷転送
装置に移送させた状態において、前記第１の光電変換層
および前記第２の光電変換層の第２導電型不純物は、共
にほぼ完全な空乏状態となるように、前記第１の光電変
換層の空乏電位が前記第２の光電変換層の空乏電位に対
して大きな絶対値が与えられたことを特徴とする請求項
１ないし４のいずれかに記載の積層形固体撮像装置。 - 【請求項６】第１導電型の第５の不純物層が、前記第１
の光電変換層が前記絶縁膜に接する部分に形成されてい
ることを特徴とする請求項２に記載の積層形固体撮像装
置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10022591A JP3238160B2 (ja) | 1991-05-01 | 1991-05-01 | 積層形固体撮像装置 |
| KR1019920007327A KR960007482B1 (ko) | 1991-05-01 | 1992-04-30 | 적층형 고체촬상장치 |
| US07/877,214 US5170236A (en) | 1991-05-01 | 1992-05-01 | Layer-built solid state image sensing device |
| DE69222681T DE69222681T2 (de) | 1991-05-01 | 1992-05-04 | Schichtförmig aufgebautes Festkörperbildaufnahmegerät |
| EP92107492A EP0511683B1 (en) | 1991-05-01 | 1992-05-04 | Layer-built solid state image sensing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10022591A JP3238160B2 (ja) | 1991-05-01 | 1991-05-01 | 積層形固体撮像装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04329674A JPH04329674A (ja) | 1992-11-18 |
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Family
ID=14268348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10022591A Expired - Fee Related JP3238160B2 (ja) | 1991-05-01 | 1991-05-01 | 積層形固体撮像装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5170236A (ja) |
| EP (1) | EP0511683B1 (ja) |
| JP (1) | JP3238160B2 (ja) |
| KR (1) | KR960007482B1 (ja) |
| DE (1) | DE69222681T2 (ja) |
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