JPS60149271A - 固体撮像装置 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体基板上に、光情報に応じた信号電荷を
蓄積する多数の光１変換素子および各素子から信号電荷
を取り出す走査回路素子を呆輌化した固体撮像装置に関
するものである〇〔発明の背景〕 固体撮像装置は空間的２次元の元情報を時系列化電気信
号に変換するもので、この装置の一形式は藁い解像度を
得るため５００×５００個程度の光電変換素子マトリッ
クスとそれら光電変換素子から信号電荷を取り出すスイ
ッチ素子及びスイッチ素子を開閉する走査パルスを出力
するＸ（水平）走査回路、Ｙ（垂直）走査回路をそなえ
ている。

固体撮像装置の一例の原理的な構成を図示すると第１図
のようになる。以下図面を用いて説明するが、同一符号
のものは同一または均等部分を示すものとする。第１図
において１は水平走査回路で、なり、走査回路を駆動す
るクロックパルスにより１水平走査期間に一定のタイミ
ング時間ずつシフトした走査パルスを単位回路の各段に
順次出力する。２は垂直走査回路で、光電変換素子マト
リックスの行数（例えば５００）に対応した段数の単位
回路からなりζ走査回路を駆動す・るクロックパルスに
より１フイールドの間に１水平走査期間に対応して一定
のタイミング時間ずつシフトした走査パルスを単位回路
の各段に順次出力する。垂直走査回路２から出力される
走査パルスにより垂直転送スイッチ素子を順次開閉し、
２次元状に配列した個々の光電変換素子からの信号を垂
直出力線５に転送し、水平走査回路ｌから出力される走
査パルスにより水平転送スイッチ素子６を順次開閉し、
垂直出力線５から信号を水平転送スイッチ素子６を通し
て水平出力線７に転送する。光電変換素子４からの信号
はその上に投影された光学像に対応するので、上記動作
？こより映像信号を取り出すことができる。

上記固体撮像装置は通常筒集積化が比較的容易で、第２
図に構造断面を示したように感光素子とスイッチング素
子が一体化構造で製作できるＭＯＳ−ＬＳＩ技術を用い
て作られる。図から分かるように垂直スイッチ３は垂直
走査パルスによって開閉するゲート８そ備えたＭＯ８電
界効果トランジスタ（以下ＭＯ８Ｔと略記する）で構成
され、光電変換素子４はそのソース接合を利用したｐｎ
（またはｎｐ）接合光ダイオード、垂直出力線５はＭＯ
８Ｔ３のドレインにつながった配線（通常Ａ／が使用さ
れる）で構成されている。水平スイッチ６は水平走査パ
ルスによって開閉するゲート９を備えたＭＯ８Ｔで構成
され、水平吊ガ線７はＭＯ８Ｔ６のドレインにつながっ
た配線（通常ＡＩ！が使用される）で構成されている。

また、１０はこれらの素子を集積化する半導体（例えば
シリコン）基板で、上記のソースおよびドレインがｐ哉
の不純物で作られる場合はｎ型（ソースおよびドレイン
がｎ型で作られる場合はｐ型）となる。

また、１１は絶縁用の酸化膜（一般にシリコン酸化膜が
使用される）である０このように構成された固体撮像装
置は光電変換素子としてＭＯ８Ｔのソース接合がオリ用
できる、韮た走査回路にもＭＯＳシフトレジスタが利用
でき前記半導体基板上に一体化構成できる等優れた利点
を有している０しかしながら、この撫固体撮像装置はそ
の構成上、以下に述べるような問題点を抱えている。

１、走査回路 走査回路はＸ方向の走査を行う水平走査回路とＹ方向の
走査を行う垂直走査回路で構成されるが、索平去査回路
は垂直走査回路の余香ノ々ルス出力期間（標準テレビ放
送方式では６４μｓ、周波数で表現すれば１５．７３ｋ
Ｈｚ）にＸ方向に並ぶ全光電変換素子を走査する必要が
あり、水平走査回路に要求される走査速度は垂直走査回
路よりＸ方向の画素数倍（例えば５００（Ｘ方向）Ｘ５
００（Ｙ方向）の素子では５００倍。）だけ高いものと
なる。しかし、一般には走査回路は水平および垂直とも
同じ構成の回路でよく（勿論、互に異なる回路であって
もよい。）、同一の製造工程で作られることが望ましい
。

従来用いられている代表的な走査回路（′１子通信学会
半導体・トランジスタ研究会資料５ＳＤ７２−３６参照
）の各段単位回路は第３図に示く如く１組の極性反転回
路および１組のトランスファーゲートで構成されたシフ
トレジスタ型回路である。

図においてはシフトレジスタ型走査回路の構成単位とな
る初めの１坂と、その駆動回路部分を合わせて示しであ
る。１２および１３は１８０位相のずれたクロックパル
ス発生器、１４は単位回路１５の出力端子１６にシフト
パルスを得るための入力パルスｖＩＮ’ｌ”発生する入
力パルス２発生回路、才た１７は駆動用電源である。１
８はクロックパルスφ、ｌこよって開閉するトランスフ
ァーＭＯ８Ｔ。

１９はクロックパルスφ２によって開閉するトランスフ
ァーＭＯ８Ｔである。２ｏは極性反転回路であり、ケー
トおよびドレインが同一電源１７につながった飽和型の
負荷ＭＯ８Ｔ２１および駆動ＭＯ８Ｔ２２の直列接続で
構成されている。

同図（ｂ）は本回路で得られる入出力パルスのタイミン
グを示したもので、クロックパルスφ２に同期した入力
パルスＶＩＮは、クロックパルスの周期時間Ｔ、だけ遅
延し、出力端子１６からは入力パルスＶ１Ｎと同極性の
出力パルスｖス；が得られる０この出力パルス■。１は
次段（図示せず）の大刀となり、その出力からはやはり
時間Ｔｔだけ遅延した出力パルスＶ。２が得られ、以下
同様にしてＴ。

ずつ遅延した出力パルス列ｖ０３・・・を得ることがで
きる。上記の出力パルスにおいて、立上り時間１ｒ（・
０・→・１・）は負荷ＭＯ８Ｔにより出方端子１６に寄
生した容量Ｃ，を充電する時間であり、また立下り時間
【、（”１”→“０“）は駆動ＭＯ８Ｔ２２を通して寄
生容量Ｃ１に蓄積された”１”電圧が放電するのに要す
る時間である。極性反転動作をさせるために、一般に負
荷Ｍｏ５Ｔ２１のコンダクタンスは駆動ＭＯ８Ｔ２２の
コンダクタンスの約１／１０１こ選ばれる。このため、
立上り時間は立下り時間より一桁大きく、本走査回路で
得られる速度の上限を決めるのは、この立上り時間すな
わち負荷ＭＯ８Ｔ２１のコンダクタンスである。ここで
負荷ＭＯ８Ｔコンダクタンスｇｒｎ　ｔおよび１”レベ
ル電圧Ｖ。じ、・）は、電源１７の電圧を■ｄｄ、しき
い電圧をｖ、ｒとすれば次式で与えられる。

ｇｍ、”’β（■ｄｄ−ｖＴ）（１） ｖｏシ＋”）　−ｖｄｄ’Ｔ　（２） 但し、βはＭＯ８Ｔのデバイス定数によって決まるチャ
ンネル・コンダクタンスである。本式かられかるように
しきい値電圧を小さくするとコンダクタンスは大きくな
り、さらに“ｌ”レベル電圧も高くなる。すなわち第３
図（Ｃ）に見られるように、しきい値電圧■、の低下と
ともにＶ。、・、・、が高くなり、ｔ、は小さくなるの
で走査回路の速度は高くなる。このことから、高速で動
作する水平走査回路を構成するＭＯ８Ｔのしきい値電圧
■ＴＨ（ｌｏ）は低速で動作する垂直走査回路を構成す
るＭＯ８Ｔのしきい値電圧■Ｔｖｃ８ｃ）より低く選ぶ
ことが必要となる。

■ｖ＞ｖＴ（ＩＣ）　（３） Ｔ（ｓｃ） しかるに前述の如く両走査回路を同一の製作工程で作る
ことが望ましいし、またそうすれば当然ニソの両歩査回
路を構成するＭＣ）Ｓ’ｌ”のしきい値電圧は同じもの
になってしまう。従って水平走査回路を構成するＭＯ８
Ｔの設計値（、チャンネル幅、チャンネル長など）を変
えてコンダクタンスを向上させる必要があるが、単に設
計値を変えただけで２桁板−ヒの差を持たせることは、
水平走査回路の占めるレイアウト面積が極端に大きくな
る等の弊害が生じ好ましくない。

２、転送スイッチ 水平スイッチ６は高速の水平走査回路１により標準テレ
ビ放送方式では６４μｓ毎に選択され、垂直出力線は６
４μｓ毎にビデオ電圧才で充電されるのに対し、垂直ス
イッチ３は約１７ｍｓ　（フィールド周波数は６０Ｈｚ
である）毎に選択を受ける。これにより、光ダイオード
４は１７ｍｓの開光の照射を受け、その間に発生した光
信号電荷をダイオードに蓄積する、いわゆる蓄積モード
で動作するので光感度が高くなるのである。ＭＯ８Ｔの
非導通時の抵抗はバイポーラトランジスタ等の他素子に
較べると比較的大きいが、ゲートに加わる電圧がしきい
値電圧以下であっても完全にはカットオフではなく微小
電流（一般にテーリング電流と称されている）が流れ、
光タイオード４には垂直スイッチ用のＭＯ８Ｔ３％通し
て電流が充電されることになる。このため、光学情報を
正確に反映した信号を読出すことができないことになる
。

３、雑音 水平信号出力線７には水平走査回路１を駆動する前述の
クロックパルスあるいは回路各段の出力する走査パルス
の立上り、立下り時に基づく誘導性雑音が基板半導体体
内あるいは体外の寄生容量を通して漏洩する（垂直走査
回路を駆動するクロックイでＺレスあるいは走査パルス
により発生する雑音は、クロックパルスを１水平走査期
間毎に設けられる水平プランキイング期間内に納めるこ
と等により、本雑音を事実上映像信号から除去すること
ができるので問題にはならない。）０％に、体内を通し
て飛び込む雑音は寄生容量のはかに半導体基板の抵抗が
加わり複雑な経路を経て混入するので雑音処理回路（一
般に低域フィルターが使用される）による雑音の除去が
極めて難かしい。このため、固体撮像装置の信号対雑音
比は電子ｙｔこ較べて低く、画質が悪いため、装置の応
用分野を制限もしくは冥用化をはばんでいる。

〔発明の目的〕

本発明は上記の問題を解消することを目的とする。

〔発明の概要〕

上述した問題＋ｍ決する手段として、走査回路について
は水平走査回路のＭＯ８Ｔのしきい値電そより高くする
ことが考えられる。さらに飛込み雑音に関しては走査回
路とスイッチを異なる基板領域に集積化することが考え
らゎる〇 この考えの下ｌこ、本発明においては、水平スイ的？こ
は固体撮像装置を形成する半導体基板の主表面？と基板
と同じ導電型であるが基板よりも不純物濃度の高い領＠
を形成し、この領域ｌこ垂直スイッチ用ＭＯ８Ｔを集積
化した。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明する０ 第４図は本発明による固体撮像装置の骨子となる概念を
示す平面構成図である。２３は水平走査回路１を含む領
域、２４は水平スイッチ用ＭＯ８Ｔ６を含む領域、２５
は垂直走査回路２を含む領域、また、２６は垂直スイッ
チ用Ｍ、ＯＳ　Ｔ　３および光ダイオード４を・２次元
状に配夕１ルた光電変換部を含む領域である。

最初に走査回路について説明する。領域２３に含まわる
水平走査回路１のＭＯ８Ｔのしきい値電圧■１・・１　
が前記第（３）式の関係を満足するよう領Ｔ　（ｓｒ、
ン 域２５に含まれる垂直走査回路２のＭＯ８Ｔのしきい値
電圧■Ｔ（ｓｃ）より低く設定する。

次にスイッチ用ＭＯ８Ｔのしきい値電圧について説明す
る。水平スイッチ用ＭＯ８Ｔ６は前述のする。さらに、
詳細に言うと水平スイッチにつながる垂直信号出力線５
の情報蓄積時間は６４μＳであるのに対し、垂直スイッ
チにつながる光ダイオード４の情報蓄積時間は５００倍
長い。したがって、光ダイオードの情報リークを抑える
ためには垂直スイッチ用ＭＯＳ　Ｔ　３の非導通時にお
けるＫ　Ｏ，Ｉ　Ｖ上げ乞ことにより非導通時のテーリ
ング電流は１／１０に減少する。垂直スイッチ用ＭＯ８
Ｔ３の光学情報のリークを水平スイッチ用ＭＯ８Ｔのリ
ークと同時にするには、垂直スイッチ用ＭＯ８Ｔのしき
い値電圧ｖＶ　を水平スイッチＴ　（８Ｗ） 用ＭＯ８Ｔのしきい値電圧■　に比較してＴ　（８Ｗ） ０、２５　Ｖ高くする必要があり、一般に、領域２６に
含すれるＭＯ８Ｔのしきい値電圧は領域２４に含まれる
ＭＯ８Ｔのしきい値電圧より高くするのが望ましい。

ｖｖ　＞ＶＨ Ｔ　（ｓｗ）　？　（８Ｗ）　（４） 走査回路およびスイッチを構成するＭＯ８Ｔ間のしきい
値電圧については、必要とする特性により変わるので、
大小関係を上記のように一義的に定めることはできない
。

前述のように本発明においては撮像装置を構成するＭＯ
８Ｔのしきい値電圧を部分的に異なる値に設定する。し
きい値電圧を部分的に異なる値に設定する方法として、
上述の４つの領域（第４図）、あるいは２つの領域を構
成するＭＯ８Ｔのチャンネル領域の基板濃度を変えるこ
とｌこよりしきい値電圧を変えることができる。

簡便のため、第５図に２つの領域のしきい値電圧を基板
濃度？こより変える実施例を示し、その断面構造を第６
図ζこ示す。１０は第１導電型の基板、５７−１は領域
４６を納める基板と同型の不純物層、５７−２は領域４
７を納める基板と同型の不純物層である。５８．５９は
水平走置回路１、水平スイッチ用ＭＯ８Ｔ６Ｋｍ成する
任意のＭＯ８Ｔ５１のドレイン、またはソースでＩあり
第２導電型の不純物で作られる。６０．６１は垂直走査
回路２、垂直スイッチ３を構成する任意のＭＯ８Ｔ５の
ドレイン、またはソースであり第２導電型不純物で作ら
れる。５６はゲート電極である。本構造の場合しきい値
電圧は不純物Ｎ５７の鎮１導電型不純物の濃度に依存し
、濃度の増加と共にしきい値電圧は高くなる。したがっ
て、不純物層５７−２の濃度Ｎ１ｖは不純物層５７−１
の濃度Ｎ１Ｈより高くすればよい。

Ｎ１ｖ＞Ｎ１Ｈ 基板濃度を最も一般的なｔｏ１５個／ｃｍＪこ選んだ’
Ｍ合、Ｎ、Ｈハ１０１５〜１０１６、Ｎ１ｖハ５×１０
１５〜１０１７程度に選べばよい。また特殊な例として
、領域４６を集積化する領域の不純物濃度は基板と同じ
でもよく、この場合、不純物層５７−１を設ける必要は
なく基板の上に直接Ｍ’０８Ｔ５１のドレイン、ソース
を製作すわばよい。本不祠物層は通常のイオン打込み法
により簡単に製作することができる。

第６図の実施例では該当する領域全体に基板より濃度の
高い不純物層を設けることを考えたが、構成ＭＯ８Ｔの
チャンネル領域だけ高濃度にしても勿論同様の効果を得
ることができる。第６図の実施例に同じく２つの領域の
しきい値電圧をチャンネル濃度により変える実施例の断
面構造を第７図に示す。図において５８．５９は領域４
６を構成する任意のＭＯ８Ｔ５１のドレイン、またはソ
ースであり第２４電型の不純物で作られる。６２−１は
ゲート電極５２の下に位置する領域、すなわちチャンネ
ル部分に設けた基板と同型不純物かつ基板より不純物濃
度の高い不純物層である。この不純物層は本領域を構成
するＭＯ８Ｔの１つ１つｌこ設けらむる。６０，６１は
領域４７を構成する任意のＭＯ８Ｔ５５のドレイン、ま
たはソースであり、第２導電型の不純物で作られる。５
６はゲート電極である。６２−２はチャンネル部分に設
けた不純物層であり、やはり本領域を構成するＭＯ８Ｔ
の１つ１つに設けられる。第６図の実施例の場合と同様
、′不純物層６２−２の不純物濃度Ｎ１ｖ（ＣＩ（）は
不純物Ｊｉ６２−１の濃度ＮＩＨ０゜。より高く設定さ
れる。

Ｎ１ｖ（ｃＨ）〉Ｎ１Ｈ３゜。

以上、実施例を用いて詳細ｊこ説明したように、水平走
亘回路の素子と垂直走査回路の素子のしきい値電圧を異
なる値にすること？こより、高速、低速の走査速度を得
ることができ、また水平スイッチ素子と垂直スイッチ素
子のしきい値電圧を異なる値にすることにより、スイッ
チのリーク電流を低減することができる。さらに、垂直
スイッチ素子のしきい値ヲ篩＜シたことにより、フルー
ミング（強烈光による電荷の溢れ）を防ぐことができる
。

なお、上記の説明では固体撮像装置の構成素子として光
ダイオードとＭＯ８形走査回路の組み合せを例にとって
のべたが、光タイオードと電荀移送形走査素子の組み合
せからなる同体撮像装置においても本発明を実施するこ
とかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の固体撮像装置の原理的構成を示す図、第
２図は第１図に示した固体撮像装置の構造を示す断面図
、第３図は固体撮像装置で使用する走査回路および動作
特性を示す図、第４図および第５図は本発明の固体撮像
装置の平面構成を示す図、第６図、第７図は本発明の固
体撮像装置の断面構造を示す図である。 １・・・水平走査回路　２・・・垂直走査回路３・・・
垂直スイッチ（素子） ４・・・光電変換素子（光ダイオード）５・・・垂直出
力線　６・・・水平スイッチ（素子）７・・・水平出力
線 １０・・・半導体基板（第１導電型基板）１１・・・絶
縁用酸化膜 ２３．２４，２５，２６，４６．４７・・・領域５１．
５５・・・ＭＯ８Ｔ（ＭＯＳ　トランジスタ）５７・・
・第１導電型不純物層 ６２・・・第１４電型不純物層 葛　７　図 葛　２　図 グ ￥　３１１Ｊ ５ ￥　４　ロ ０−一 ン　夕　反 ８−ｉ 笥　ｚＴｉ！３ １−４Δ−１４７□ １　１　１ 躬’７Ｔ！１ １−４ｇ−＋　４７□ ｌ　Ｉ＋ 第１頁の続き ０発　明　者　安　藤　治　久　国分寺市東恋ケ窪央研
究所内 ［相］発明者　天場　俗称　国赫市競ケ窪央研究所内 ０発明者　堀内　勝忠　国峙市競ケ窪 央研究所内 ０発明者　久保　征治　国峙匍μケ窪 央研究所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同一半導体基板の一生表面上に２次元状に配列され
   光情報に応じた信号電荷を蓄積する複数個の光電変換素
   子と、この光電変換素子の信号電荷を垂直伝送路に取り
   出すための垂直転送スイッチ素子と、この垂直伝送路か
   ら信号電荷を所定の期間に取り出すための水平転送スイ
   ッチ素子と、この水平転送スイッチ素子を介して得られ
   る信号電荷を所定の順序で出力端子に取り出すための水
   平走査素子と、前記垂直転送スイッチ素子の開閉を制御
   する垂直走査素子とをそなえる固体撮像装置において、
   垂直転送スイッチ素子のチャンネル部分を基板と同じ導
   電型で基板よりも高い濃度の不純物層とし、この垂直転
   送スイッノチ素子のしきい値を水平転送スイッチ素子の
   しきい値よりも高くしたことを特徴とする固体撮像装置
   ◇２、垂直転送スイッチ素子は、基板と同じ導電型で基
   板よりも高い濃度の不純物層領域に形成されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置
   。 ３、垂直転送スイッチ素子のチャンネル部分のみが基板
   と同じ導電型で基板よりも高い濃度の不純物層であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装
   置。 ４、垂直走査素子のチャネル部分を基板と同じ導電型で
   基板よりも高い濃度の不純物層としたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。