JPH04502236A - 固体イメージセンサ - Google Patents
固体イメージセンサInfo
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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】
固体イメージセンサ
本発明は固体イメージセンサ、特に、複数のフォトダイオード、電子シャッタ、
及び抗曇り(アンチブルーミング)構造を有し光検出器からの電荷を搬送するC
CD転送レジスタ、を含む固体イメージセンサに関する。
固体イメージセンサは、通常、ローとコラムに配列された複数の光検出器、及び
各コラム間に配置されたCCDシフトレジスタ等のシフトレジスタを含む。各コ
ラム中のシフトレジスタは、転送ゲート等によってその近接シフトレジスタへ接
続されている。これにより、光検出器内に発生及び蓄積した電荷キャリアは、シ
フトレジスタへ選択的に転送可能となる。シフトレジスタは、電荷キャリアをイ
メージセンサの読み出し部へ転送する。
この種の固体イメージセンサに発生する問題の一つに、いわゆる「曇り(ブルー
ミング)」がある。もし、各光検出器が像からの光子を受け取り各光子を電荷キ
ャリアに変換する期間であるイメージセンサの蓄積期間中に、光検出器が適量の
電荷キャリアを蓄積したならば、電荷キャリアのいくつかは光検出器から近接の
シフトレジスタ及び/または光検出器ヘオーバフローすることになる。これが゛
読み出し部へ転送されているシフトレジスタ中の電荷キャリアに対して悪影響を
及ぼし、「曇り」を生じさせる。この曇りを防ぐために従来使用されていた技術
、即ち抗曇り技術は、光検出器近傍に形成したオーバフロードレインを使用する
。
このオーバフロードレインは、電位バリヤによって光検出器から隔離されている
。
光検出器と抗曇りドレインとの間に形成された電位バリヤは、蓄積期間中に光検
出器とCCDシフトレジスタとの間に形成された転送ゲートによって与えられる
バリヤよりも低い。従って、もし光検出器中の電荷レベルが光検出器電位を光検
出器と抗曇りドレインとの間のバリヤよりも高いレベルに上昇させるに十分な量
に達したならば、余剰信号キャリアは抗曇りドレインへ掃引され、ここでドレイ
ンサプライによって除去される。このようにして統合期間中におけるシフトレジ
スタへの適量の電荷流入が阻止され、曇りを防ぐことができる。
ある種の固体イメージセンサにおいて生じていた他の聞届として、光検出器の露
光時間制御に関するものがある。スチール写真機等いくつかの適用機器では、光
検出器が対象像が露光された結果電荷キャリアを生じる時間を制御できることが
望まれる。この目的のため、種々のシャッタ技術が開発されている。しかし、露
光制御のためのシャッタリング及び及び抗曇り制御のためのゲーティング及びド
レインを実現するための構造は、イメージセンサ上での占有スペースが大きく、
この結果、イメージセンサのフィルファクタを低減してしまう。従って、露光制
御のためのシャッタと抗曇り特性双方を備えた固体イメージセンサが望ましい。
これらの特徴を実現するために必要となる素子の数は最小限に抑制され、これに
よってイメージセンサのフィルファクタが改善され、これらの特徴を得るための
電極数が減少され、これによりシステムが簡素化される。
本発明は、間隔をおいて一直線状に配置された複数の光検出器と、該光検出器の
ラインに沿って伸長したCCDシフトレジスタなどのシフトレジスタと、を含む
。各光検出器は、それ自体の近傍及び近接する光検出器間にドレインを有する。
このドレインと光検出器との間には、電位バリヤが形成されている。近接光検出
器の各対間にはシャッタ手段が形成されている。このシャッタ手段は、例えばC
CDシフトレジスタのゲートの延長部等から成り、光検出器と近接光検出器のド
レインとの間の電位バリヤを制御する。イメージセンサの作動中、ドレインはそ
の対応光検出器に対する抗曇りドレインとして機能する。更に、シャッタ手段は
各光検出器と近接光検出器のドレインとの間の電位バリヤを低減させるよう作用
し、これによって光検出器内の電荷キャリアがドレインへ流れて光検出器がリセ
ットされることとなる。このように、ドレインは抗曇りドレインとしての他、露
光時間を制御するためのシャッタの一部としても作用する。
特に、本発明は、−の導電型を持ち主表面を有する半導体物質基板を含む固体イ
メージセンサに関する。基板の主表面に複数の光検出器が間隔を隔てて直線状に
配置されている。シフトレジスタは、光検出器のラインに沿って伸長している。
各光検出器近傍の主表面において近接光検出器間にドレインが形成されている。
各光検出器とそのドレインとの間には電位バリヤが形成されており、各光検出器
と近接する光検出器のドレインとの間には選択的に電荷キャリアを各光検出器か
ら近接光検出器のドレインへ転送するための手段が設けられている。
本発明の実施例は、以下に簡単に説明した各図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明に係る固体イメージセンサの部分平面図;図2は、図1における
2−2断面図;
図3は、図1における3−3断面図:
図4は、図1に示した固体イメージセンサの統合期間中の電位図;図5は、光検
出器のリセット中の電位図である。
これら各図は、必ずしも実物大には描かれていないことが理解されなければなら
ない。
図1.2、及び3に本発明に係る固体イメージセンサ10を示す。図1は平面図
である。図1を簡略化するため金属接点は示されておらず、また誘電層は透明で
表されている。図2は、図1の2−2断面である。図3は、図1の3−3断面で
ある。イメージセンサ10は、−の導電型例えばp型の単結晶シリコン等からな
り主表面14を有する半導体物質から成る基板12を含む。基板12の主表面に
沿って、複数の光検出器16が間隔を隔てて配置されている。各光検出器16は
コラムとロー等の線状に配置されており、面アレイを構成している。各光検出器
16の各コラムに沿ってシフトレジスタ18、図示例ではCCDシフトレジスタ
が配置され、光検出器16のラインに沿って伸長している。各光検出器16近傍
で近接する光検出器間にはドレイン20が形成されている。各ドレインとその近
接光検出器との間には、抗曇りバリヤ22が形成されている。各光検出器16と
近接光検出器16のドレインとの間には、光検出器16と近接光検出器16のド
レイン20との間の電位バリヤを制御するためのシャッタゲート24が形成され
ている。図示(ま省いたが、各コラムの底部には光検出器16近傍に該検出器か
ら間隔を隔てて分離ドレイン20が形成されており、ドレイン20と最底部のフ
ォトダイオード16との間にはシャッタゲート24が形成されている。各フォト
ダイオード16とシフトレジスタ18との間には、分離転送ゲート42が形成さ
れている。
図2に示すように、各光検出器16は基板12の一部に形成されたフォトダイオ
ードから成り、基板12とは逆の導電型、図ではn導電型を持つ第1領域26と
、領域26の一部内で基板12と同じ導電型、図ではp導電型を持つ第2領域2
8とが形成されている。第2領域は、主表面14にまで伸長している。通常、第
1領域26の導電率は約1017不純物/cm3である。多くの場合、第2領域
28の導電率は約1017不純物/cm3である。第2領域28は、第1領域2
6との間でpn接合30を形成する。第1領域26は、ドレイン20及び抗曇り
)くリヤ22下方で伸長し、第2領域28は抗曇りバリヤ領域34下方で伸長し
ている。第2領域28は、フォトダイオード16に沿って伸長したチャンネルス
トップ領域21(図1にのみ示した)を介して接地されている。基板12、第1
領域26及び第2領域28は、「ピン」ダイオードを形成する。他の形態のフォ
トダイオードも使用可能であるが、分離ゲート24及び42から生じるリセット
レベルの相違を排除できることから、「ビン」ダイオードを使用することが好ま
しい。
ドレイン20は、第1領域26と同じ導電型n+であるがより高い導電率を持つ
領域32を有する。この領域32は、基板12内で主表面14に向けて伸長し、
その一部は第1領域26内に位置している。通常、ドレイン領域32の導電率は
、約1019不純物/Cm3である。抗曇りバリヤ22は実質上ゲートであり、
第2領域28と同じ導電型p+であるがより高い導電率の領域34を含む。この
領域34は、基板12内で主表面14に向けて伸長し、その一部は第1領域26
内に位置している。通常、抗曇すバリャ領域34は、約1018不純物/Cm3
の導電率を持つ。抗曇すバリャ領域34は、第2領域28とドレイン領域32と
の間の第2領域28のエツジに沿って伸長している。
図3に示すように、各CCDシフトレジスタ18は、埋設チャンネル36を含不
純物/cm3の導電率を持つ。チャンネル領域36は、光検出器16の2本のコ
ラム間をコラムの全長にわたって、且つ近接した両コラム中で光検出器16から
間隔を隔てた状態で伸長している。通常はシリコンの絶縁物質から成る薄層38
は、チャンネル領域36上方の主表面上及び各コラム中の近接光検出器16間の
主表面14の領域に形成されている。CCDゲート40の第1組は、シリコンダ
イオード層38上でチャンネル領域36に沿って間隔を隔てて配置されている。
各第1ゲート40は、転送ゲート42の内の−と接触している。この第1ゲート
は、チャンネル領域36と光検出器16の第1領域26との間のスペースを横切
って伸長しており、転送ゲートとして機能する。CCDゲート44の第2組は、
二酸化シリコン層38上に形成されている。そして、各第2ゲート44は、第1
ゲート40の対間に配置されている。各第1ゲート40は、その各近接第2ゲー
ト44の一部とオーバラップしており、且つ通常は二酸化シリコンから成る絶縁
物質46の層によって該第2ゲート44から絶縁されている。米国特許第4,6
13.402号(発明者: David L、Losee et al、;19
86年9月23日発行; 発明の名称 ”Method of Making
Edge−Aligned Implants and Electrodes
Therefor’)に記載されているように、チャンネル領域36とは逆の
導電型を持つ不図示の転送領域は、各ゲート40及び44のエツジ下方のチャン
ネル領域内に形成される。ゲート24.40,42.44及び48は、通常はド
ープされた多結晶シリコン等の導電性物質から成る。
図2に示すように、シャッタゲート24は、二酸化シリコンゲート38上に形成
された第2ゲート44の−が延長したもので、各コラムにおける近接光検出器1
6の第1領域間のスペースを伸長している。各ゲート42はシャッタゲート24
上を伸長した延長部48を有し、二酸化シリコン層46の一部によって該シャッ
タゲートから絶縁されている。通常は二酸化シリコン等の絶縁物質から成る厚層
50は、光検出器16上及びCCDシフトレジスタ18上を伸長してこれらを保
護している。金属膜等から成る導電性接点52は、絶縁層50内の開口54を通
って伸長し、各ドレイン領域32と接触している。これにより、各ドレインが電
圧源と接続されることとなる。接触層52もまた図1の近接シャッタゲート24
及びCCDCCDフトレジスタ18で伸長し、これらの領域を入射光から保護す
る作用を果たしている。
電位(POTENTIAL:VOLTS)と距離(DISTANCE:MICR
ONS)との関係を示した図4より明らかなように、イメージセンサ10の統合
期間中、抗曇りバリヤ領域34内の電位22Pは、そのドーピングレベルが高い
ため、光検出器16内の電位16P及びドレイン20内の電位20Pよりも低い
。図示は省いたが、電位22PはCCD転送ゲート42下方の電位よりも高い。
従って、もし光検出器16内に収集される電荷キャリア量が光検出器電位をバリ
ヤ電位22P以下のレベルに低減したならば、更に追加キャリアが矢印54で示
されるようにドレイン20へ掃引される。これにより、イメージセンサ10内に
於ける曇り除去作用が達成されることとなる。
イメージセンサ10の露光時間を制御するため、所望の露光時間に等しい時間で
ある転送期間に先立つ統合期間中の時刻tにおいて、光検出器16はリセットさ
れる。図5に示すように、光検出器16は、CCDシフトレジスタの第2ゲート
44を介してシャッタゲート24へ電圧を印加することによりリセットされる。
これにより、シャッタゲート24下方の電位24Pが光検出器16中の電位16
Pを越えたレベルまで上昇する。この結果、光検出器16中の電荷キャリアはシ
ャッタゲート24下方の領域を横切って、矢印56に示すようにドレイン20へ
流入する。−星光検出器16から電荷キャリアが排出されると、シャッタゲート
24へ印加される電圧が低減し、図4に示すような電位バリヤ24Pが形成され
ることとなる。
所望の露光時間を経過後、該露光時間中に光検出器16中へ収集された電荷キャ
リアはCCDシフトレジスタ18へ転送される。この作用は、各第1ゲート40
へ電位を印加して各転送ゲート42下方の電位を光検出器16の電位を越えるよ
う上昇させることによって達成される。これにより、電荷キャリアは転送ゲート
42下方のスペースを横切ってシフトレジスタチャンネル36へ流入する。第1
ゲート42は各光検出器16とその近接光検出器16のドレイン20との間の領
域をこえた延長部48を有しているが、このゲート延長部48に加わる電圧の作
用は、シャッタゲート24により遮断される。このようにして、第1ゲート42
に加わる電圧によって光検出器16中の電荷キャリアが近接光検出器16のドレ
イン20へ流入することはない。CCDシフトレジスタ18は、通常の方法で作
用して電荷キャリアをシフトレジスタ18に沿って撮像器10の読み出し部へ転
送する。シフトレジスタ18の作用中、電荷キャリアをチャンネル領域321;
沿って移動させるためにゲート40及び44へ印加される電圧は、リセット期間
及び転送期間中にゲートへ印加される電圧よりも低く設定されている。これによ
り、転送ゲート42及び露光ゲート24下方のバリヤを低減させることがなくな
る。
以上説明したように本発明に係る固体イメージセンサ10によれば、ドレイン2
0は、抗曇りドレイン及び光検出器16をリセットするためのドレイン双方とし
て機能し、これにより所望の露光制御を得ることができる。また、露光制御シャ
ッタ24はCCDシフトレジスタ18のゲートの一部であり、各コラムにおいて
互いに近接する光検出器間の必要なスペースを横切って伸長しているに過ぎない
。従って、露光制御及び抗曇り作用が最小の素子数で且つ基板12上のスペース
新たに占有することなく達成される。これにより、イメージセンサのフィルファ
クタを実質上低減させなくてすむ。固体イメージセンサ10は、pn接合型フォ
トダイオードの光検出器16として示したが、他の形態の光検出器も使用可能で
ある。また、シフトレジスタ18はCCDシフトレジスタとして示したが、シャ
ッタゲート24として使用可能なゲートを有する他の形態のシフトレジスタを使
用することもできる。
FIG、1
FIG、2
FIG、4
DISTANCE IMIcRONs)FIG、5
国際調査報告
□1□1PαMυS 90105496S^ 41157
Claims (19)
- (1)以下の各要素を含むことを特徴とする固体イメージセンサ:一の導電型の 半導体物質から成り主表面14を有する基板;該基板の主表面14にライン状に 配置された複数の光検出器16;光検出器のラインに沿って伸長したシフトレジ スタ18;ラインの互いに近接した光検出器間で各光検出器16の一側近傍に形 成されたドレイン20; 各ドレインとその近接光検出器との間に電位バリヤを供給する手段22;及び 各光検出器16から、互いに近接した光検出器間のスペースを横切って近接光検 出器のドレイン20へ、電荷を選択的に転送する手段24。
- (2)請求項1に記載の固体イメージセンサにおいて、前記各光検出器は、基板 の主表面14とは逆の導電型の第1領域26を有し、前記ドレインは第1領域内 のエッジ近傍において基板の主表面14とは逆の導電型の領域32を有すること を特徴とする。
- (3)請求項2に記載の固体イメージセンサにおいて、前記ドレインとその近接 光検出器との間にバリヤを形成するための手段は、基板の主表面において光検出 器16の第1領域26内で該第1領域を横切って伸長した一の導電型の高導電性 バリヤ領域34を含むことを特徴とする。
- (4)請求項3に記載の固体イメージセンサにおいて、各光検出器16から電荷 キャリアを近接光検出器のドレイン領域32へ転送するための手段24は、ライ ンの近接光検出器の第1領域間のスペースを横切り、前記主表面から絶縁された 導電性ゲートを含むことを特徴とする。
- (5)請求項4に記載の固体イメージセンサにおいて、各光検出器16は、更に 基板の主表面14で第1領域26内に形成された一の導電型をもつ第2領域28 を含むことを特徴とする。
- (6)請求項5に記載の固体イメージセンサにおいて、前記バリヤ領域34は、 光検出器の第2領域28よりも高い導電性を持ち、第2領域28とドレイン領域 32との間の第2領域の一のエッジに沿って伸長していることを特徴とする。
- (7)請求項6に記載の固体イメージセンサにおいて、前記シフトレジスタ18 は、光検出器16のラインに沿って且つ該ラインから間隔を隔てて伸長したチャ ンネル領域36を有するCCDシフトレジスタと、主表面14上で該主表面から 絶縁されチャンネル領域36を横切って伸長した複数の導電性ゲート40,44 と、を含むことを特徴とする。
- (8)請求項7に記載の固体イメージセンサにおいて、前記シフトレジスタ18 は、更に、チャンネル領域36に沿って間隔を隔てて配置された導電性ゲート4 0の第1組と、該第1組間のスペース内に配置されたゲート44の第2組と、を 含み、第1組内の各ゲート40は、光検出器とチャンネル領域との間のスペース を横切って伸長した転送部42を有することを特徴とする。
- (9)請求項8に記載の固体イメージセンサにおいて、互いに近接した光検出器 間で伸長した前記各ゲート24は、シフトレジスタにおける第2組中の一ゲート が延長して形成されていることを特徴とする。
- (10)以下の各要素を含むことを特徴とする固体イメージセンサ:一の導電型 を持つ半導体物質から成り主表面14を有する基板12;基板12の主表面14 にローとコラムのアレイ状に配置された複数の光検出器16; 光検出器の各コラムに沿って伸長した分離シフトレジスタ18;各光検出器16 からその近接シフトレジスタ18へ電荷を選択的に転送する手段42; 各光検出器16近傍で、各コラムの近接光検出器間に形成されたドレイン20; 各ドレインとその近接光検出器間に電位バリヤを形成する手段22;及び各光検 出器からの電荷キャリアを、コラム中の近接光検出器間のスペースを横切って、 コラム中の近接光検出器のドレインへ選択的に転送する手段24。
- (11)請求項10に記載の固体イメージセンサにおいて、前記各光検出器16 は基板12の主表面14とは逆の導電型を持つ第1領域26を含み、前記ドレイ ンは主表面14においてその近接光検出器及び第1領域のエッジ近傍の第1領域 内に一の導電型を持つ領域32を有することを特徴とする。
- (12)請求項11に記載の固体イメージセンサにおいて、前記ドレインと近接 光検出器との間にバリヤを形成する手段22は、基板の主表面において第1領域 26内で該第1領域26を横切って伸長した一の導電型を持つ高導電性バリヤ領 域34を含むことを特徴とする。
- (13)請求項12に記載の固体イメージセンサにおいて、電荷キャリアを各光 検出器16から近接光検出器のドレインへ転送するための手段24は、各コラム における近接光検出器の近接第1領域間のスペースを横切って主表面上で該主表 面から絶縁状態で配置された導電性ゲートを含むことを特徴とする。
- (14)請求項13に記載の固体イメージセンサにおいて、前記各光検出器は、 更に、基板の主表面14において第1領域26内に形成され一の導電型を持つ第 2領域28を含むことを特徴とする。
- (15)請求項14に記載の固体イメージセンサにおいて、前記バリヤ領域34 は、光検出器の第2領域よりも高い導電性を有し、第2領域28と近接ドレイン 領域32との間の第2領域エッジに沿って伸長していることを特徴とする。
- (16)請求項15に記載の固体イメージセンサにおいて、前記各シフトレジス タ18はCCDシフトレジスタから成り、該CCDシフトレジスタは、近接コラ ムにおける光検出器16に沿って且つ光検出器16から間隔をおいて伸長したチ ャンネル領域36と、 主表面14上で該主表面14から絶縁され、且つチャンネル領域36を横切って 配置された複数の導電性ゲート40,44と、を含むことを特徴とする。
- (17)請求項16に記載の固体イメージセンサにおいて、前記シフトレジスタ 18は、更に、チャンネル領域36から間隔をおいて該領域36に沿って配置さ れた導電性ゲート40の第1組と、第1組のゲート間スペース内に配列された導 電性ゲート44の第2組と、を含むことを特徴とする。
- (18)請求項17に記載の固体イメージセンサにおいて、前記光検出器からの 電荷キャリアを選択的にシフトレジスタへ転送するための手段は、光検出器16 とチャンネル領域36との間のスペースを横切って伸長した第1組のゲート40 の各々の延長部42を含むことを特徴とする。
- (19)請求項18に記載の固体イメージセンサにおいて、光検出器の各コラム 内において近接光検出器間を伸長した各ゲート24は、近接シフトレジスタ18 の第2組のゲート44の一の延長部であることを特徴とする。
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