JPH06334163A - 積層型固体撮像装置 - Google Patents
積層型固体撮像装置Info
- Publication number
- JPH06334163A JPH06334163A JP5145475A JP14547593A JPH06334163A JP H06334163 A JPH06334163 A JP H06334163A JP 5145475 A JP5145475 A JP 5145475A JP 14547593 A JP14547593 A JP 14547593A JP H06334163 A JPH06334163 A JP H06334163A
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- JP
- Japan
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- bias light
- light
- bias
- photoconductive film
- imaging device
- Prior art date
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- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 広ダイナミックレンジ特性及び高Ｓ／Ｎを有
する表面入射バイアスライト方式の積層型固体撮像装置
を提供する。 【構成】 ｐ型シリコン基板21表面にｎ+ 拡散層22を設
け、ｐ型シリコン基板21とｎ+ 拡散層22の接合からなる
信号蓄積用ダイオードを有する固体撮像素子上に、画素
電極25とａ−Siからなる光導電膜27を設けると共に、画
素電極25の間隙部25ａの下部にバイアスライトの透過可
能な開口部32を形成して積層型固体撮像装置を構成し、
光導電膜27の上部より、光導電膜27のバンドギャップで
決まるエネルギーより小さく、且つｐ型シリコン基板21
のバンドギャップで決まるエネルギーより大きいエネル
ギーをもバイアスライトを照射する。
する表面入射バイアスライト方式の積層型固体撮像装置
を提供する。 【構成】 ｐ型シリコン基板21表面にｎ+ 拡散層22を設
け、ｐ型シリコン基板21とｎ+ 拡散層22の接合からなる
信号蓄積用ダイオードを有する固体撮像素子上に、画素
電極25とａ−Siからなる光導電膜27を設けると共に、画
素電極25の間隙部25ａの下部にバイアスライトの透過可
能な開口部32を形成して積層型固体撮像装置を構成し、
光導電膜27の上部より、光導電膜27のバンドギャップで
決まるエネルギーより小さく、且つｐ型シリコン基板21
のバンドギャップで決まるエネルギーより大きいエネル
ギーをもバイアスライトを照射する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、高感度特性を有する
積層型固体撮像装置に関する。
積層型固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、撮像装置としては種々の構成のも
のが知られているが、撮像管の分野においては、1987年
に、アバランシェ増倍現象を利用し、高感度特性を達成
したＨＡＲＰ（High-gain Avalache Rushing amorphous
Photoconductor ）管が、1987年ＴＶ学会全国大会予稿
集（pp33〜36）で報告されている。
のが知られているが、撮像管の分野においては、1987年
に、アバランシェ増倍現象を利用し、高感度特性を達成
したＨＡＲＰ（High-gain Avalache Rushing amorphous
Photoconductor ）管が、1987年ＴＶ学会全国大会予稿
集（pp33〜36）で報告されている。
【０００３】図３は、前記予稿集に開示されているＨＡ
ＲＰ管の受光膜の断面構造を示す図である。図３におい
て、１はフェースプレート、２はネサ膜よりなる信号電
極、３はブロッキング補助層、４は受光部となるアモル
ファスセレン（以下ａ−Seと略称する）層、５はSb2 Ｓ
3 よりなる薄膜である。そして、ａ−Se層４の厚さは、
前記予稿集では２μｍとなっており、該ａ−Se層４に24
0 Ｖの電位を印加し、量子効率約10を達成している。す
なわち、該ａ−Se層４中で発生したホトキャリアが、ア
バランシェ増倍によりａ−Se層４中で個数が増加し、結
果として１photonあたり10個のホトキャリアが発生して
いることを示している。
ＲＰ管の受光膜の断面構造を示す図である。図３におい
て、１はフェースプレート、２はネサ膜よりなる信号電
極、３はブロッキング補助層、４は受光部となるアモル
ファスセレン（以下ａ−Seと略称する）層、５はSb2 Ｓ
3 よりなる薄膜である。そして、ａ−Se層４の厚さは、
前記予稿集では２μｍとなっており、該ａ−Se層４に24
0 Ｖの電位を印加し、量子効率約10を達成している。す
なわち、該ａ−Se層４中で発生したホトキャリアが、ア
バランシェ増倍によりａ−Se層４中で個数が増加し、結
果として１photonあたり10個のホトキャリアが発生して
いることを示している。
【０００４】ところで、撮像管の欠点の１つにサイズが
大きいということがあり、そのため、最近は、アバラン
シェ増倍特性を有するSe等からなる光導電膜を、ＣＣＤ
（Charge Coupled Device ）型イメージセンサあるいは
増幅型ＭＯＳイメージャ（Amplified MOS Imager：以下
ＡＭＩと略称する）等の固体撮像素子に積層した、高感
度積層型固体撮像素子が検討されている。例えば、1989
年ＴＶ学会全国大会予稿集（pp41〜42）には、光導電膜
（光電変換膜）としてａ−Se膜を使用したＡＭＩが報告
されている。
大きいということがあり、そのため、最近は、アバラン
シェ増倍特性を有するSe等からなる光導電膜を、ＣＣＤ
（Charge Coupled Device ）型イメージセンサあるいは
増幅型ＭＯＳイメージャ（Amplified MOS Imager：以下
ＡＭＩと略称する）等の固体撮像素子に積層した、高感
度積層型固体撮像素子が検討されている。例えば、1989
年ＴＶ学会全国大会予稿集（pp41〜42）には、光導電膜
（光電変換膜）としてａ−Se膜を使用したＡＭＩが報告
されている。
【０００５】図４は、かかる積層型ＡＭＩの画素断面構
造を示す図である。図４において、21はｐ型シリコン基
板、22はｎ+ 拡散層であり、ｎ+ 拡散層22とｐ型シリコ
ン基板21の接合によるｎ+ −ｐダイオードが信号電荷蓄
積用ダイオードとなっている。ｎ+ 拡散層22は、第１ア
ルミニウム配線電極23，第２アルミニウム配線電極24を
介して、画素電極25に電気的に結合している。画素電極
25はアルミニウム等の導電性を有する金属材料よりな
り、一画素毎に互いに孤立する形で形成されている。画
素電極25の上部には、受光部全面に順次As2 Se3 膜26，
ａ−Seからなる光導電膜（光電変換膜）27，CeＯ2 膜2
8，上部電極となるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）電極29
が積層形成されている。
造を示す図である。図４において、21はｐ型シリコン基
板、22はｎ+ 拡散層であり、ｎ+ 拡散層22とｐ型シリコ
ン基板21の接合によるｎ+ −ｐダイオードが信号電荷蓄
積用ダイオードとなっている。ｎ+ 拡散層22は、第１ア
ルミニウム配線電極23，第２アルミニウム配線電極24を
介して、画素電極25に電気的に結合している。画素電極
25はアルミニウム等の導電性を有する金属材料よりな
り、一画素毎に互いに孤立する形で形成されている。画
素電極25の上部には、受光部全面に順次As2 Se3 膜26，
ａ−Seからなる光導電膜（光電変換膜）27，CeＯ2 膜2
8，上部電極となるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）電極29
が積層形成されている。
【０００６】次に、このように構成されている積層型Ａ
ＭＩの動作について説明する。画素上部より入射光30が
ａ−Seからなる光導電膜27に入ると、このａ−Seからな
る光導電膜27中でホトキャリアが発生する。高電界が印
加された光導電膜27中で発生したホトキャリアは、アバ
ランシェ増倍作用によりキャリア数が増加する。増倍さ
れたホトキャリアが、ｎ+ −ｐ信号蓄積用ダイオード
に、信号蓄積期間中に蓄積される。ＡＭＩの場合、ｎ+
−ｐ信号蓄積用ダイオードを構成するｎ+ 拡散層22は、
図示されていない増幅用ＭＯＳＦＥＴのゲートに電気的
に結合されており、増倍蓄積されたホトキャリア数に応
じて変化するゲート電位に比例した電流が増幅用ＭＯＳ
ＦＥＴから流れる。そして、この電流を検出することに
より、光信号が得られるようになっている。
ＭＩの動作について説明する。画素上部より入射光30が
ａ−Seからなる光導電膜27に入ると、このａ−Seからな
る光導電膜27中でホトキャリアが発生する。高電界が印
加された光導電膜27中で発生したホトキャリアは、アバ
ランシェ増倍作用によりキャリア数が増加する。増倍さ
れたホトキャリアが、ｎ+ −ｐ信号蓄積用ダイオード
に、信号蓄積期間中に蓄積される。ＡＭＩの場合、ｎ+
−ｐ信号蓄積用ダイオードを構成するｎ+ 拡散層22は、
図示されていない増幅用ＭＯＳＦＥＴのゲートに電気的
に結合されており、増倍蓄積されたホトキャリア数に応
じて変化するゲート電位に比例した電流が増幅用ＭＯＳ
ＦＥＴから流れる。そして、この電流を検出することに
より、光信号が得られるようになっている。
【０００７】なお、同様に積層型ＣＣＤ型イメージセン
サの増合は、ｎ+ −ｐ信号蓄積用ダイオードに増倍蓄積
されたホトキャリアは、垂直及び水平ＣＣＤにより転送
され、ＦＤＡ（Floating Diffusion Amplifier）等の出
力部で電荷−電圧変換され、信号として出力される。
サの増合は、ｎ+ −ｐ信号蓄積用ダイオードに増倍蓄積
されたホトキャリアは、垂直及び水平ＣＣＤにより転送
され、ＦＤＡ（Floating Diffusion Amplifier）等の出
力部で電荷−電圧変換され、信号として出力される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＨＡＲＰ管
においては、容量性残像低減のためにバイアスライトの
適用が検討されている（1992年ＴＶ学会年次大会予稿
集、pp421 〜422 参照）。バイアスライトとは、残像の
低減を図るため、受光面全面に均一に加える光（飽和光
量の約１／10程度の強度を有する）のことを言い、この
バイアスライトが照射された場合は、低照度物体の撮像
時、受光面全面に亘り均一な残像となるので、より低照
度までの撮像が可能となる。なお、ライトでバイアスチ
ャージを加える以外にも、電気的にバイアスチャージを
与える方法もあり、ＣＣＤ型イメージセンサでは“Fat
Zero”と呼ばれている。要するにバイアスチャージと
は、光発生電荷以外にホトダイオードに与えられる上底
的な電荷のことを称している。
においては、容量性残像低減のためにバイアスライトの
適用が検討されている（1992年ＴＶ学会年次大会予稿
集、pp421 〜422 参照）。バイアスライトとは、残像の
低減を図るため、受光面全面に均一に加える光（飽和光
量の約１／10程度の強度を有する）のことを言い、この
バイアスライトが照射された場合は、低照度物体の撮像
時、受光面全面に亘り均一な残像となるので、より低照
度までの撮像が可能となる。なお、ライトでバイアスチ
ャージを加える以外にも、電気的にバイアスチャージを
与える方法もあり、ＣＣＤ型イメージセンサでは“Fat
Zero”と呼ばれている。要するにバイアスチャージと
は、光発生電荷以外にホトダイオードに与えられる上底
的な電荷のことを称している。
【０００９】図５は、ＨＡＲＰ管にバイアスライトを適
用した場合の態様を示す図である。なお、この場合、信
号電極２には正電位が印加されており、Sb2 Ｓ3 膜５に
は負電位が印加されている。図において、６はフェース
プレート１側から入射する入射光であり、この入射光６
により、ａ−Se層４のフェースプレート側で発生したホ
トキャリアの中、正孔はａ−Se層４中で負電位が印加さ
れているSb2 Ｓ3 膜５側に走行しながら増倍作用を受け
る。入射光６と同じ方向からバイアスライト７を照射し
た場合、入射光６と同じくアバランシェ増倍を受ける。
したがって、例えばＨＡＲＰ管の増倍率をｇとし、最適
なバイアスチャージ数をｎとすると、ｎ／ｇの光量のバ
イアスライトで充分であることがわかる。
用した場合の態様を示す図である。なお、この場合、信
号電極２には正電位が印加されており、Sb2 Ｓ3 膜５に
は負電位が印加されている。図において、６はフェース
プレート１側から入射する入射光であり、この入射光６
により、ａ−Se層４のフェースプレート側で発生したホ
トキャリアの中、正孔はａ−Se層４中で負電位が印加さ
れているSb2 Ｓ3 膜５側に走行しながら増倍作用を受け
る。入射光６と同じ方向からバイアスライト７を照射し
た場合、入射光６と同じくアバランシェ増倍を受ける。
したがって、例えばＨＡＲＰ管の増倍率をｇとし、最適
なバイアスチャージ数をｎとすると、ｎ／ｇの光量のバ
イアスライトで充分であることがわかる。
【００１０】一方、ＨＡＲＰ管の裏面からバイアスライ
ト８を入射した場合は、裏面入射バイアスライト８によ
り発生したホトキャリアの中、主に電子がフェースプレ
ート１側に走行する。ａ−Se層４中における正孔のアバ
ランシェ増倍係数は電子のそれよりもはるかに大きく、
電子は殆ど増倍されない。したがって裏面よりバイアス
ライトを入射させた場合は、最適バイアスチャージ数ｎ
の光量のバイアスライトが必要となる。
ト８を入射した場合は、裏面入射バイアスライト８によ
り発生したホトキャリアの中、主に電子がフェースプレ
ート１側に走行する。ａ−Se層４中における正孔のアバ
ランシェ増倍係数は電子のそれよりもはるかに大きく、
電子は殆ど増倍されない。したがって裏面よりバイアス
ライトを入射させた場合は、最適バイアスチャージ数ｎ
の光量のバイアスライトが必要となる。
【００１１】バイアスライトを照射する場合において重
要な事項は、その照射面内における均一性、更には時間
的な均一性が良いということである。バイアスライトの
原理的な均一性は、バイアスライトのショットノイズで
決まる。Ｎ個のホトンの入射時、そのゆらぎはポアンン
分布を仮定すると√Ｎ個となる。これにより、√Ｎ／Ｎ
＝１／√Ｎが小さい方がゆらぎが少ない。すなわち、Ｎ
が大きい程、ゆらぎが少なくなる。
要な事項は、その照射面内における均一性、更には時間
的な均一性が良いということである。バイアスライトの
原理的な均一性は、バイアスライトのショットノイズで
決まる。Ｎ個のホトンの入射時、そのゆらぎはポアンン
分布を仮定すると√Ｎ個となる。これにより、√Ｎ／Ｎ
＝１／√Ｎが小さい方がゆらぎが少ない。すなわち、Ｎ
が大きい程、ゆらぎが少なくなる。
【００１２】先に述べたように、表面入射時のバイアス
ライトの光量はｎ／ｇであり、一方裏面入射時の光量は
ｎであることから、ａ−Se層自身に増倍作用がある場合
（ｇ＞１）は、ｎ＞ｎ／ｇとなり、裏面入射バイアスラ
イト方式の方が、バイアスチャージのゆらぎが少なくな
り、すなわち均一なバイアスチャージが得られることに
なる。
ライトの光量はｎ／ｇであり、一方裏面入射時の光量は
ｎであることから、ａ−Se層自身に増倍作用がある場合
（ｇ＞１）は、ｎ＞ｎ／ｇとなり、裏面入射バイアスラ
イト方式の方が、バイアスチャージのゆらぎが少なくな
り、すなわち均一なバイアスチャージが得られることに
なる。
【００１３】撮像管においては、図５に示すように、裏
面からのバイアスライトの照射が可能であるが、図４に
示すような積層型固体撮像装置においては、ａ−Se層下
にシリコン基板が存在するため、裏面からのバイアスラ
イト照射は不可能である。表面側から単にバイアスライ
トを照射した場合は、バイアスチャージの均一性が、Ｈ
ＡＲＰ管の場合の裏面入射バイアスライト方式に比べて
低下し、その結果、ダイナミックレンジが小さくなり、
Ｓ／Ｎが劣化するという問題点がある。
面からのバイアスライトの照射が可能であるが、図４に
示すような積層型固体撮像装置においては、ａ−Se層下
にシリコン基板が存在するため、裏面からのバイアスラ
イト照射は不可能である。表面側から単にバイアスライ
トを照射した場合は、バイアスチャージの均一性が、Ｈ
ＡＲＰ管の場合の裏面入射バイアスライト方式に比べて
低下し、その結果、ダイナミックレンジが小さくなり、
Ｓ／Ｎが劣化するという問題点がある。
【００１４】本発明は、バイアスライトを適用した積層
型固体撮像装置における上記問題点を解消するためにな
されたもので、ダイナミックレンジの低下並びにＳ／Ｎ
の劣化を阻止できるようにした表面入射バイアスライト
方式の積層型固体撮像装置を提供することを目的とす
る。
型固体撮像装置における上記問題点を解消するためにな
されたもので、ダイナミックレンジの低下並びにＳ／Ｎ
の劣化を阻止できるようにした表面入射バイアスライト
方式の積層型固体撮像装置を提供することを目的とす
る。
【００１５】
【課題を解決するための手段及び作用】上記問題点を解
決するため、本発明は、半導体基板表面部に各画素の信
号蓄積用ダイオードを有する固体撮像素子上に、光電変
換作用あるいは更にアバランシェ増倍作用を有する光導
電膜を積層して形成し、該光導電膜上部よりバイアスラ
イトを照射するバイアスライト照射手段を備えた積層型
固体撮像装置において、前記光導電膜上部より照射され
るバイアスライトが前記半導体基板に入射可能に開口部
を設けると共に、バイアスライトのエネルギーを、光導
電膜のバンドギャップで決まるエネルギーより小さく、
且つ半導体基板のバンドギャップで決まるエネルギーよ
り大きく設定するものである。
決するため、本発明は、半導体基板表面部に各画素の信
号蓄積用ダイオードを有する固体撮像素子上に、光電変
換作用あるいは更にアバランシェ増倍作用を有する光導
電膜を積層して形成し、該光導電膜上部よりバイアスラ
イトを照射するバイアスライト照射手段を備えた積層型
固体撮像装置において、前記光導電膜上部より照射され
るバイアスライトが前記半導体基板に入射可能に開口部
を設けると共に、バイアスライトのエネルギーを、光導
電膜のバンドギャップで決まるエネルギーより小さく、
且つ半導体基板のバンドギャップで決まるエネルギーよ
り大きく設定するものである。
【００１６】可視光用の積層型固体撮像装置では、入射
光波長λが400 〜800 ｎｍに感度を有する光導電膜（光
電変換膜）を使用している。λ＝800 ｎｍの光の場合の
ホトンエネルギーＥは、Ｅ＝1240／800 ＝1.55ｅＶであ
る。光導電膜のバンドギャップが約1.６ｅＶであれば、
λ≒800 ｎｍまでの入射光を効率よく変換する。例え
ば、光導電膜の代表であるａ−Si（アモルファスシリコ
ン）膜のバンドギャップは1.７〜1.８ｅＶであり、ａ−
Se膜のバンドギャップは2.０〜2.１ｅＶである。これを
光波長に直すと、ａ−Siは700 ｎｍ以上の長波長の光を
吸収せずよく通し、ａ−Seは600 ｎｍ以上の長波長の光
をよく通すことになる。一方、信号蓄積用ダイオードを
形成している単結晶シリコンからなる半導体基板のバン
ドギャップは1.１ｅＶであり、1100ｎｍより短い光をよ
く吸収する。
光波長λが400 〜800 ｎｍに感度を有する光導電膜（光
電変換膜）を使用している。λ＝800 ｎｍの光の場合の
ホトンエネルギーＥは、Ｅ＝1240／800 ＝1.55ｅＶであ
る。光導電膜のバンドギャップが約1.６ｅＶであれば、
λ≒800 ｎｍまでの入射光を効率よく変換する。例え
ば、光導電膜の代表であるａ−Si（アモルファスシリコ
ン）膜のバンドギャップは1.７〜1.８ｅＶであり、ａ−
Se膜のバンドギャップは2.０〜2.１ｅＶである。これを
光波長に直すと、ａ−Siは700 ｎｍ以上の長波長の光を
吸収せずよく通し、ａ−Seは600 ｎｍ以上の長波長の光
をよく通すことになる。一方、信号蓄積用ダイオードを
形成している単結晶シリコンからなる半導体基板のバン
ドギャップは1.１ｅＶであり、1100ｎｍより短い光をよ
く吸収する。
【００１７】したがって、本発明において、上記のよう
にバイアスライトのエネルギーを、光導電膜のバンドギ
ャップより決まるエネルギーより小さく、且つ半導体基
板のバンドギャップより決まるエネルギーより大きく設
定する、すなわち光導電膜のバンドギャップより決まる
光の波長よりも長い波長を有し、且つ半導体基板のバン
ドギャップより決まる光の波長よりも短い波長の光（光
導電膜としてａ−Siを用いる場合は、700 ｎｍ≦λ≦11
00ｎｍ、ａ−Seを用いる場合は、600 ｎｍ≦λ≦1100ｎ
ｍ）をバイアスライトに使用し、そのように設定したバ
イアスライトを表面より照射すると、バイアスライトは
光導電膜を素通りし、開口部を通って半導体基板に到達
し、半導体基板の表面に形成されている信号蓄積用ダイ
オード近傍で光生成キャリアを発生し、信号蓄積用ダイ
オードにバイアス電荷を与えることとなる。
にバイアスライトのエネルギーを、光導電膜のバンドギ
ャップより決まるエネルギーより小さく、且つ半導体基
板のバンドギャップより決まるエネルギーより大きく設
定する、すなわち光導電膜のバンドギャップより決まる
光の波長よりも長い波長を有し、且つ半導体基板のバン
ドギャップより決まる光の波長よりも短い波長の光（光
導電膜としてａ−Siを用いる場合は、700 ｎｍ≦λ≦11
00ｎｍ、ａ−Seを用いる場合は、600 ｎｍ≦λ≦1100ｎ
ｍ）をバイアスライトに使用し、そのように設定したバ
イアスライトを表面より照射すると、バイアスライトは
光導電膜を素通りし、開口部を通って半導体基板に到達
し、半導体基板の表面に形成されている信号蓄積用ダイ
オード近傍で光生成キャリアを発生し、信号蓄積用ダイ
オードにバイアス電荷を与えることとなる。
【００１８】その結果、バイアスライトにより発生した
ホトキャリアは増倍作用を受けず、したがってバイアス
ライトのショットノイズの低下が可能となり、低残像で
広ダイナミックレンジを有し且つ高Ｓ／Ｎを有する積層
型固体撮像装置が実現可能となる。
ホトキャリアは増倍作用を受けず、したがってバイアス
ライトのショットノイズの低下が可能となり、低残像で
広ダイナミックレンジを有し且つ高Ｓ／Ｎを有する積層
型固体撮像装置が実現可能となる。
【００１９】
【実施例】次に実施例について説明する。図１は、本発
明に係る積層型固体撮像装置の第１実施例の一画素中の
受光部の断面を示す図であり、図４に示した従来の積層
型固体撮像装置と同一又は対応する構成要素には同一符
号を付して示している。この実施例においては、各画素
電極25の間隙部25ａの下部に第１及び第２アルミニウム
配線電極23，24が存在しないようにして、ａ−Si又はａ
−Seからなる光導電膜27の上部より照射されるバイアス
ライト31に対する開口部32を形成する。そして、図示し
ないバイアスライト照射手段より、光導電膜27のバンド
ギャップにより決まるエネルギー（ａ−Siの場合、1.７
〜1.８ｅＶ、ａ−Seの場合、2.０〜2.１ｅＶ）より小さ
く、ｐ型シリコン基板21のバンドギャップにより決まる
エネルギー（1.１ｅＶ）より大きいエネルギーを有する
バイアスライトを、光導電膜27の上部より照射する。こ
のエネルギーをもつバイアスライトを波長λで表すと、
光導電膜27をａ−Siで形成した場合は、700 ｎｍ≦λ≦
1100ｎｍで、ａ−Seで形成した場合は、600 ｎｍ≦λ≦
1100ｎｍとなる。
明に係る積層型固体撮像装置の第１実施例の一画素中の
受光部の断面を示す図であり、図４に示した従来の積層
型固体撮像装置と同一又は対応する構成要素には同一符
号を付して示している。この実施例においては、各画素
電極25の間隙部25ａの下部に第１及び第２アルミニウム
配線電極23，24が存在しないようにして、ａ−Si又はａ
−Seからなる光導電膜27の上部より照射されるバイアス
ライト31に対する開口部32を形成する。そして、図示し
ないバイアスライト照射手段より、光導電膜27のバンド
ギャップにより決まるエネルギー（ａ−Siの場合、1.７
〜1.８ｅＶ、ａ−Seの場合、2.０〜2.１ｅＶ）より小さ
く、ｐ型シリコン基板21のバンドギャップにより決まる
エネルギー（1.１ｅＶ）より大きいエネルギーを有する
バイアスライトを、光導電膜27の上部より照射する。こ
のエネルギーをもつバイアスライトを波長λで表すと、
光導電膜27をａ−Siで形成した場合は、700 ｎｍ≦λ≦
1100ｎｍで、ａ−Seで形成した場合は、600 ｎｍ≦λ≦
1100ｎｍとなる。
【００２０】このように構成した積層型固体撮像装置に
おいて、バイアスライト照射手段より上記のように設定
されたバイアスライト31を光導電膜27の上部から照射す
ると、入射光路下に画素電極25が存在する領域に照射さ
れたバイアスライト31ａは、光導電膜27を透過し画素電
極25で反射され、入射方向とは逆方向へと去っていく。
一方、入射光路下に画素電極25並びに第１及び第２アル
ミニウム配線電極23，24の存在しない開口部32に照射さ
れたバイアスライト31ｂは、光導電膜27を透過しｐ型シ
リコン基板21に入射する。ｐ型シリコン基板21に入射し
たバイアスライト31ｂはホトキャリアを生成し、ホトキ
ャリアの中の電子の一部が拡散機構により、ｎ+ 拡散層
22に流入し、バイアスチャージとなる。
おいて、バイアスライト照射手段より上記のように設定
されたバイアスライト31を光導電膜27の上部から照射す
ると、入射光路下に画素電極25が存在する領域に照射さ
れたバイアスライト31ａは、光導電膜27を透過し画素電
極25で反射され、入射方向とは逆方向へと去っていく。
一方、入射光路下に画素電極25並びに第１及び第２アル
ミニウム配線電極23，24の存在しない開口部32に照射さ
れたバイアスライト31ｂは、光導電膜27を透過しｐ型シ
リコン基板21に入射する。ｐ型シリコン基板21に入射し
たバイアスライト31ｂはホトキャリアを生成し、ホトキ
ャリアの中の電子の一部が拡散機構により、ｎ+ 拡散層
22に流入し、バイアスチャージとなる。
【００２１】以上の説明からわかるように、バイアスラ
イト31ｂは光導電膜27では光電変換されず、ｐ型シリコ
ン基板21中でホトキャリアを生成するから、バイアスラ
イトによるホトキャリアが増倍されるために生じるショ
ットノイズの増加は生じない。
イト31ｂは光導電膜27では光電変換されず、ｐ型シリコ
ン基板21中でホトキャリアを生成するから、バイアスラ
イトによるホトキャリアが増倍されるために生じるショ
ットノイズの増加は生じない。
【００２２】図２は、第２実施例の一画素中の受光部を
表面側から見た平面図である。図２において、22はｎ+
拡散層、25は画素電極、25ｂは画素電極25中に形成され
ている開口部で、ｎ+ 拡散層22上に対応した部分に形成
されている。そして、前記開口部25ｂの下部には、ｎ+
拡散層22の表面に到るまで、第１及び第２アルミニウム
配線電極23，24などの光の反射もしくは吸収膜が存在し
ないように構成されている。
表面側から見た平面図である。図２において、22はｎ+
拡散層、25は画素電極、25ｂは画素電極25中に形成され
ている開口部で、ｎ+ 拡散層22上に対応した部分に形成
されている。そして、前記開口部25ｂの下部には、ｎ+
拡散層22の表面に到るまで、第１及び第２アルミニウム
配線電極23，24などの光の反射もしくは吸収膜が存在し
ないように構成されている。
【００２３】このように構成した第２実施例において、
光導電膜27の上部よりバイアスライト31を照射すると、
画素電極25の開口部25ｂを通してバイアスライトは入射
し、ｎ+ 拡散層22の直下でホトキャリアを生成し、した
がって効率よくバイアスチャージを生成することが可能
となる。
光導電膜27の上部よりバイアスライト31を照射すると、
画素電極25の開口部25ｂを通してバイアスライトは入射
し、ｎ+ 拡散層22の直下でホトキャリアを生成し、した
がって効率よくバイアスチャージを生成することが可能
となる。
【００２４】上記第２実施例において、更に画素電極25
の間隙部25ａの下部に、第１アルミニウム配線電極23又
は第２アルミニウム配線電極24を形成するような平面構
成とすることにより、積層型固体撮像装置の受光部で、
バイアスライトが入射可能な部分は、図２に示した第２
実施例における開口部25ｂのみとなり、ｐ型シリコン基
板21とｎ+ 拡散層22との接合により形成されるｎ+ −ｐ
ダイオード部以外のｐ型シリコン基板21へのバイアスラ
イトの入射は不可能となる。ｎ+ −ｐダイオード部以外
のｐ型シリコン基板21の表面へのバイアスライトの入射
は、等価的には、熱作用等で発生する暗電流の増加とみ
なせる。そして、この暗電流の増加は、イメージセンサ
においては、Ｓ／Ｎの低下を引き起こし画質の劣化の原
因となる。したがって、上記のように、バイアスライト
を効果的にｎ+ −ｐダイオード部に入射させることによ
り、バイアスライトの悪影響を防止することが可能とな
る。
の間隙部25ａの下部に、第１アルミニウム配線電極23又
は第２アルミニウム配線電極24を形成するような平面構
成とすることにより、積層型固体撮像装置の受光部で、
バイアスライトが入射可能な部分は、図２に示した第２
実施例における開口部25ｂのみとなり、ｐ型シリコン基
板21とｎ+ 拡散層22との接合により形成されるｎ+ −ｐ
ダイオード部以外のｐ型シリコン基板21へのバイアスラ
イトの入射は不可能となる。ｎ+ −ｐダイオード部以外
のｐ型シリコン基板21の表面へのバイアスライトの入射
は、等価的には、熱作用等で発生する暗電流の増加とみ
なせる。そして、この暗電流の増加は、イメージセンサ
においては、Ｓ／Ｎの低下を引き起こし画質の劣化の原
因となる。したがって、上記のように、バイアスライト
を効果的にｎ+ −ｐダイオード部に入射させることによ
り、バイアスライトの悪影響を防止することが可能とな
る。
【００２５】なお、図１に示した第１実施例において
は、画素電極25の間隙部25ａを開口部としたものを示し
たが、この場合も画素電極間隙部の一部を開口部とし、
開口部となる間隙部以外の画素電極間隙部下には、第１
又は第２アルミニウム配線電極を形成して遮光した方が
望ましい。
は、画素電極25の間隙部25ａを開口部としたものを示し
たが、この場合も画素電極間隙部の一部を開口部とし、
開口部となる間隙部以外の画素電極間隙部下には、第１
又は第２アルミニウム配線電極を形成して遮光した方が
望ましい。
【００２６】本発明においては、バイアスライトのエネ
ルギーは、光導電膜のバンドギャップで決まるエネルギ
ーより小さく、ｐ型シリコン基板のバンドギャップで決
まるエネルギーより大きく設定するものであるが、エネ
ルギーが小さくなる程、半導体の基板深部までホトキャ
リアの生成が続き、基板深部で発生したホトキャリアは
ｎ+ −ｐダイオード以外に漏れ込む可能性が大きくな
り、その結果、悪影響を及ぼす確率が高くなるため、光
導電膜で吸収されない範囲において、バイアスライトの
エネルギーは高い方が望ましい。
ルギーは、光導電膜のバンドギャップで決まるエネルギ
ーより小さく、ｐ型シリコン基板のバンドギャップで決
まるエネルギーより大きく設定するものであるが、エネ
ルギーが小さくなる程、半導体の基板深部までホトキャ
リアの生成が続き、基板深部で発生したホトキャリアは
ｎ+ −ｐダイオード以外に漏れ込む可能性が大きくな
り、その結果、悪影響を及ぼす確率が高くなるため、光
導電膜で吸収されない範囲において、バイアスライトの
エネルギーは高い方が望ましい。
【００２７】また、上記第２実施例では、第１及び第２
アルミニウム配線電極23，24を単層のアルミニウムで形
成したものを示したが、画素電極25の下面、更には第１
及び第２アルミニウム配線電極23，24の上，下面に、Ti
あるいはTiＮ等の、画素電極25あるいは第１及び第２ア
ルミニウム配線電極23，24の形成材料とは異なる導電性
薄膜を追加形成し、画素電極の下面並びに配線電極上面
及び下面でのバイアスライトの反射を低減するような構
成とすることも可能である。これにより、バイアスライ
トが画素電極の下面並びに配線電極の上面及び下面で多
重反射して伝搬され、ｎ+ −ｐダイオード以外の半導体
基板に進入することにより生じる悪影響を防止すること
ができる。
アルミニウム配線電極23，24を単層のアルミニウムで形
成したものを示したが、画素電極25の下面、更には第１
及び第２アルミニウム配線電極23，24の上，下面に、Ti
あるいはTiＮ等の、画素電極25あるいは第１及び第２ア
ルミニウム配線電極23，24の形成材料とは異なる導電性
薄膜を追加形成し、画素電極の下面並びに配線電極上面
及び下面でのバイアスライトの反射を低減するような構
成とすることも可能である。これにより、バイアスライ
トが画素電極の下面並びに配線電極の上面及び下面で多
重反射して伝搬され、ｎ+ −ｐダイオード以外の半導体
基板に進入することにより生じる悪影響を防止すること
ができる。
【００２８】上記各実施例では、信号蓄積用ダイオード
をｎ+ −ｐ型で構成したものを示したが、勿論該信号蓄
積用ダイオードをｐ+ −ｎ型で構成したものを用いるこ
とも可能である。
をｎ+ −ｐ型で構成したものを示したが、勿論該信号蓄
積用ダイオードをｐ+ −ｎ型で構成したものを用いるこ
とも可能である。
【００２９】また上記各実施例では、信号蓄積用ダイオ
ードを有する固体撮像素子として、ＡＭＩ又はＣＣＤ型
イメージセンサを想定して示したが、本発明は、その他
の型の固体撮像素子、例えばＭＯＳイメージャを用いた
積層型固体撮像装置にも適用することができる。
ードを有する固体撮像素子として、ＡＭＩ又はＣＣＤ型
イメージセンサを想定して示したが、本発明は、その他
の型の固体撮像素子、例えばＭＯＳイメージャを用いた
積層型固体撮像装置にも適用することができる。
【００３０】本発明は、アバランシェ増倍作用を有する
積層型固体撮像装置のバイアスライト照射手段として、
一層有意義なものであるが、本発明は勿論アバランシェ
増倍作用を有しない通常の積層型固体撮像装置にも適用
可能である。
積層型固体撮像装置のバイアスライト照射手段として、
一層有意義なものであるが、本発明は勿論アバランシェ
増倍作用を有しない通常の積層型固体撮像装置にも適用
可能である。
【００３１】また、本発明は、裏面入射型ＣＣＤイメー
ジセンサ等の各種裏面入射型固体撮像装置においてバイ
アスライト照射手段をもつものに対しても、適用するこ
とができ、有効なものである。
ジセンサ等の各種裏面入射型固体撮像装置においてバイ
アスライト照射手段をもつものに対しても、適用するこ
とができ、有効なものである。
【００３２】なお、バイアスライトは、動画対応の場
合、常時均一な照度が固体撮像素子に与えられるが、静
止画対応の場合は、ＡＣ的なバイアスライト照射方式も
可能となる。例えば、信号蓄積時間中はバイアスライト
をオフしておき、信号蓄積動作終了後、順次各画素の信
号読み出し動作を行い、この信号読み出し動作が終わっ
たのちに、バイアスライトをオンし、バイアスライト照
射終了後、順次各画素のリセット動作を行う。そして次
フィールド（あるいはフレーム）の信号蓄積動作に移
る。このようなＡＣ的なバイアスライト照射方式では、
バイアスライトの光量の制限はなくなり、飽和光量以上
でも可能となる。このような各種のバイアスライト照射
方式が、本発明の積層型固体撮像装置に適用することが
できる。
合、常時均一な照度が固体撮像素子に与えられるが、静
止画対応の場合は、ＡＣ的なバイアスライト照射方式も
可能となる。例えば、信号蓄積時間中はバイアスライト
をオフしておき、信号蓄積動作終了後、順次各画素の信
号読み出し動作を行い、この信号読み出し動作が終わっ
たのちに、バイアスライトをオンし、バイアスライト照
射終了後、順次各画素のリセット動作を行う。そして次
フィールド（あるいはフレーム）の信号蓄積動作に移
る。このようなＡＣ的なバイアスライト照射方式では、
バイアスライトの光量の制限はなくなり、飽和光量以上
でも可能となる。このような各種のバイアスライト照射
方式が、本発明の積層型固体撮像装置に適用することが
できる。
【００３３】
【発明の効果】以上実施例に基づいて説明したように、
本発明によれば、簡便なバイアスライトの照射構成で受
光面全面に亘り均一なバイアスチャージが与えられ、良
好な残像抑圧特性、広ダイナミックレンジ特性並びに高
Ｓ／Ｎを有する積層型固体撮像装置を提供することがで
きる。
本発明によれば、簡便なバイアスライトの照射構成で受
光面全面に亘り均一なバイアスチャージが与えられ、良
好な残像抑圧特性、広ダイナミックレンジ特性並びに高
Ｓ／Ｎを有する積層型固体撮像装置を提供することがで
きる。
【図１】本発明に係る積層型固体撮像装置の第１実施例
の一画素中の受光部の断面を示す図である。
の一画素中の受光部の断面を示す図である。
【図２】本発明の第２実施例の一画素中の受光部を表面
側から見た平面図である。
側から見た平面図である。
【図３】従来のＨＡＲＰ管の受光膜の断面構造を示す図
である。
である。
【図４】従来の積層型ＡＭＩの画素断面構造を示す図で
ある。
ある。
【図５】従来のバイアスライト照射方式のＨＡＲＰ管を
説明するための図である。
説明するための図である。
21 ｐ型シリコン基板 22 ｎ+ 拡散層 23 第１アルミニウム配線電極 24 第２アルミニウム配線電極 25 画素電極 25ａ 画素電極間隙部 25ｂ 開口部 26 As2 Se3 膜 27 光導電膜 28 CeＯ2 膜 29 ＩＴＯ電極 30 入射光 31 バイアスライト 32 開口部
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体基板表面部に各画素の信号蓄積用
ダイオードを有する固体撮像素子上に、光電変換作用あ
るいは更にアバランシェ増倍作用を有する光導電膜を積
層して形成し、該光導電膜上部よりバイアスライトを照
射するバイアスライト照射手段を備えた積層型固体撮像
装置において、前記光導電膜上部より照射されるバイア
スライトが前記半導体基板に入射可能に開口部を設ける
と共に、バイアスライトのエネルギーを、光導電膜のバ
ンドギャップで決まるエネルギーより小さく、且つ半導
体基板のバンドギャップで決まるエネルギーより大きく
設定したことを特徴とする積層型固体撮像装置。 - 【請求項２】 前記光導電膜は、アモルファスセレン又
はアモルファスシリコンにより形成されていることを特
徴とする請求項１記載の積層型固体撮像装置。 - 【請求項３】 前記開口部は、前記半導体基板表面部に
形成されている各画素の信号蓄積用ダイオードの上部の
少なくとも一部に形成されており、それ以外の半導体基
板の画素領域は遮光されていることを特徴とする請求項
１又は２記載の積層型固体撮像装置。 - 【請求項４】 前記固体撮像素子は、増幅型ＭＯＳイメ
ージャあるいはＣＣＤ型イメージセンサであることを特
徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層型固
体撮像装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5145475A JPH06334163A (ja) | 1993-05-26 | 1993-05-26 | 積層型固体撮像装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5145475A JPH06334163A (ja) | 1993-05-26 | 1993-05-26 | 積層型固体撮像装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06334163A true JPH06334163A (ja) | 1994-12-02 |
Family
ID=15386115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5145475A Withdrawn JPH06334163A (ja) | 1993-05-26 | 1993-05-26 | 積層型固体撮像装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06334163A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013084789A (ja) * | 2011-10-11 | 2013-05-09 | Fujifilm Corp | 有機撮像素子 |
-
1993
- 1993-05-26 JP JP5145475A patent/JPH06334163A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013084789A (ja) * | 2011-10-11 | 2013-05-09 | Fujifilm Corp | 有機撮像素子 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20000801 |