JPS6242426B2

JPS6242426B2 -

Info

Publication number: JPS6242426B2
Application number: JP53066567A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Ogura; Masanori Kaneko; Shinya Ooba; Norio Koike; Tadao Yoneda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-06-02
Filing date: 1978-06-02
Publication date: 1987-09-08
Also published as: JPS54158121A

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の利用分野本発明は、テレビカメラなどに用いる固体撮像
装置に関するものである。

(2) 従来技術の概要とその問題点を第１図、第２
図および第３図を用いて説明する。

第１図は典型的な二次元固体撮像装置の構成例
を示す。光ダイオード１とMOS型トランジスタ
２を単位とした画素のアレイをたとえばMOS型
シフトレジスタからなる水平走査回路９および垂
直走査回路１０によりそれぞれMOS型トランジ
スタ３および２を順次導電させることにより順次
走査し、光ダイオード１に蓄積された光により発
生した電荷を信号線６および信号線７を通じて出
力端８より引き出し、画素の受けた画像信号を電
気信号として取り出すものである。信号線７およ
び出力端８は目的に応じ複数になつていることも
ある。

第２図は代表的な画素の断面構造を示す。以下
説明の便宜上、電子を信号電荷とするＮチヤネル
型撮像装置について述べるが、Ｐチヤネル型の装
置においても以下の説明は導電型ならびに極性を
逆にするのみで全く適用できる。

Ｐ型Si単結晶からなるSi基板１１とｎ型拡散層
１２で光ダイオードを形成し、同時にｎ型拡散層
１２はソースとして、たとえば多結晶Siからなる
ゲート電極１３と、該ゲート電極１３下で薄くな
つているSiO₂膜１６とドレインとしてのｎ型拡
散層１４と共にMOS型電界効果トランジスタを
形成する。ｎ型拡散層１４には通常その電気抵抗
を低下させるために、Alなどの金属からなる電
極１７を設け、第１図における信号線６として用
いる。またSiO₂１６膜は通常画素の外側では不
要な寄生容量が発生すること抑えるために厚くす
る。

光１５が入射すると、ｎ型拡散層１２およびSi
基板１１中で電子−正孔の対を発生し、この内電
子が信号電荷としてｎ型拡散層１２に流入し、ｎ
型拡散層１２とSi基板１１の間のpn接合容量１
８により蓄積される。正の走査パルスがゲート電
極１３に印加されると正電位となつているｎ型拡
散層１４（ドレイン）に引かれ、上記電子はｎ型
拡散層１４に引き出され、第１図により説明した
如く出力端８に導かれる。

ｎ型拡散層１２の電位はこの結果正の電位とな
り、次の正の走査パルスが印加されるまで光１５
により発生する電子を蓄積し続け電位が低下す
る。

このような従来の固体撮像装置、特にその心臓
部である光ダイオードは構造上、次の４つの欠点
があり、固体撮像装置に対する切望されているに
もかかわらず、実用化がはばまれている。

その１は、解像力を改善するためには画素を小
さくする必要があり、必然的にｎ型拡散層１２の
面積が小さくなり、その結果接合容量１８が小さ
くなり、蓄えることのできる電子の量、すなわち
信号電荷が少なくなることである。特に信号電荷
をとり出すｎ型拡散層１４の面積は画素の大きさ
にかかわらず、可能な限り小さくなつており、そ
のしわ寄せでさらにｎ型拡散層１２の縮小は著し
く、さらに第１図における信号線６に接続される
ｎ型拡散層１４の数は画素数の増加と共に増し、
各ｎ型拡散層１４が接合容量１９を有し、信号線
６および信号線７の有する寄生容量と加わつた大
きな容量により、出力端８に現われる電気信号は
著しく小さくなり、電気雑音に埋まり検出が不可
能となつてしまう。このため、現状の技術ではテ
レビジヨンの画像程度の解像力は得ることはでき
ない。

接合容量１８を７桁程度改善すればこの問題は
解決できる。接合容量１８はSi基板１１の不純物
濃度を高くすれば大きくなる。しかし同時に接合
容量１９も大きくなり、この方法では解決できな
い。

次の問題は分光特性に関する。Siによる光の吸
収は波長によつて異なる。三原色の赤（波長0.65
μｍ）緑（同0.55μｍ）、青（同0.45μｍ）の吸
収特性をそれぞれＲ、Ｇ、Ｂとして第３図に示
す。青い光ＢはSiの表面近傍で電子−正孔対を作
り、赤い光ＲはSiの奥深くまで侵入して電子−正
孔対を作る。Siの表面では再結合を起こし、電子
−正孔対が消滅する確率が高く、その分不感とな
り、この結果、Siを用いた光ダイオードは赤い光
（長波長光）に対する感度が高い。さらに、電子
−正孔対の数は、同じ光エネルギー当りでは波長
に反比例し、この結果長波長光はさらに有利とな
り、光ダイオードの分光特性は長波長側で感度の
高い歪んだものとなる。したがつて従来の撮像素
子より得られる電気信号を再生画像化した場合、
原画の青い部分が黒ずみ、赤い部分が白つぽくな
り不自然なものとなる。

第３の問題は、強い入射光が当つた場合に関す
る。第２図において、光１５が強い場合には接合
容量１８が飽和するのは当然として、第３図で示
したように、Si基板１１の深い部分でも多くの電
子−正孔対を発生し、この内少数キヤリアである
電子が必ずしもｎ型拡散層には向かわず構方向に
も拡散し、隣接するｎ型拡散層に注入する。この
結果光信号が多くの画素間に広がり、再生画像で
は大きな白い輝部となつて画面を潰してしまう
（ブルーミング現象と呼ばれている）。従来の装置
においてはこの現象が顕著に現われる。

第４の問題はカラー撮像に関係する。従来の装
置においては光ダイオードの分光特性を変化させ
ることはできない。そこで３枚の固体撮像装置の
それぞれに３原色のフイルターを重ねているが、
各色の画像の位置合わせが著しく困難であり、か
つ各撮像装置に画像を分配する光学系は高価でか
つ大きなものとなり、固体撮像装置にするカメラ
の小型化という大きな利点が損われている。

当然１枚の撮像装置でカラー信号が得られるこ
とが望ましく、このためｎ型拡散層１２の上に色
フイルターを載せることが考えられるが、高精度
の加工ができる半導体素子に用いられている材料
と異なり、現状では色フイルターの作製自体が困
難なこともあつて、高精度でｎ型拡散層１２の上
に色フイルターを形成することは困難である。

またカラー信号を得るためには各色用の画素が
必要となるため、必然的に画素数が増加する。こ
の結果、第１の問題と同じ理由で従来の固体撮像
装置によりカラー信号を得ることを困難にしてい
る。

(3) 発明の目的本発明の目的は、固体撮像装置の画素の信号電
荷容量を飛躍的に大きくし、分光特性を是正し、
他の画素に入射した光信号の分散（ブルーミン
グ）を抑え、高解像力の固体撮像装置の実現を可
能とし、さらに１枚の撮像装置でカラー信号を得
る単板カラー撮像装置を実現する手段を提供する
ものである。以下本発明を実施例により説明す
る。

なお、本発明の意図するところは画素の改善の
みにあり、以下の説明においては画素のみについ
て行なう。

(4) 実施例以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明す
る。

第４図は本発明の１実施例を示す。第２図によ
り示した従来の画素と比較してｎ型拡散層２２の
下にＰ型不純物濃度の高いP⁺埋込層２５を設け
た点が異なる。P⁺埋込層２５はゲート電極２３
の下を除き、ｎ拡散層２２の側面にあつても同様
な効果を得る。以下の実施例においても同様であ
る。

第４図におけるＡ−A′に沿つた原子に対する
ポテンシヤル図を第５図に曲線３６で示す。図中
３２はｎ型拡散層２２，３５はP⁺埋込層２５，
３１はSi基板２１，３３はｎ型拡散層２２とP⁺
埋込層２５の間に形成される空乏層に相当する。
P⁺埋込層２５の領域３５はSi基板２１の領域３
１よりポテンシヤルが高く、その最高点34より内
部で発生した電子は矢印３７で示すごとくSi基板
２１の内部に追いやられ、ｎ型拡散層２２に蓄え
られる電子は表面より最高点３４の間で発生した
電子に限られる。

この結果、まず他の画素に入射した強い光によ
り発生した電子の流入（ブルーミング）の問題は
解決される。

第３図を見れば、最高点34の位置が光ダイオー
ドの分光特性を決定することがわかる。数量化す
れば、最高点34の表面からの深さをｘとすると、
入射光により発生する電子の数Ｎは光強度Ｉに対
しＮ＝Ｉ・η・（１−ｅ^-〓^x） (1) で与えられる。ηは各波長の光で電子−正孔対で
発生する確率で、波長に比例する。αは光の吸収
係数である。赤色光（波長0.65μｍ）、緑色光
（同0.55μｍ）、青色光（同0.45μｍ）に対しそれ
ぞれα＝0.34、0.71、2.41μｍ^-1である。

最高点34の位置は大むねP⁺埋込層２５の不純
物濃度の最も高い点に一致し、濃度が均一な場合
は大むね中央となる。第３図および(1)式より、ｘ
が小さいほど相対的に短波長光感度が高くなるこ
とがわかる。

表面における電子−正孔対の再結合が無けれ
ば、ｘ＝３μｍ前後で各波長の光によつて単位エ
ネルギー当り得られる電子の数はほぼ等しくな
る。再結合の割合は加工技術により変化するが、
現状の技術において得られる程度の価の場合、ｘ
＝1.5〜２μｍで分光感度の波長依存性がほぼ無
くなる。

接合容量はｎ型拡散層２２とP⁺埋込み層２５
の境界付近のP⁺埋込層２５の不純物濃度により
定まる。この濃度が高いほど接合容量は大きくな
る。しかし接合の電気耐圧が低下する。実用的に
は10¹⁶〜10¹⁸cm^-3程度、望ましくは１×10¹⁷cm^-3前
後の不純物濃度が適当である。１×10¹⁷cm^-3の場
合、Si基板２１に不純物濃度が10¹⁴cm^-3程度のSi
ウエーハを用いたとすると、このP⁺埋込み層２
５の存在により接合容量は約30倍は改善される。
電気耐圧は15V以上である。ｎ型拡散層２４とSi
基板２１との間の接合容量には変化はない。

以上の説明でわかる如く、モノクローム（白
黒）の固体撮像装置における３つの問題点は全て
本発明により解決された。以下の説明は単板カラ
ー撮像装置に関するものである。

第６図は本発明の他の実施例を示す。簡略のた
めに光ダイオードのみを示している。ｎ型拡散層
４１，４２，４３の厚さを変え、異る分光特性を
有する種類の光ダイオードを示す。P⁺埋込み層
４４，４５，４６の厚さを変えても同様な効果を
得る。要はP⁺拡散層４４，４５，４６の不純物
濃度の最高点の位置を変えれば良いわけで、効果
はほぼ同じである。この最高点までの距離を同図
に示す如く、それぞれx₁、x₂、x₃とする。

x₁、x₂、x₃の選択は相異なれば任意であり、
赤、緑、青の３原色成分を含む３種の分光特性を
有する限り、出力信号の処理により必ず元の色を
再現できる。

典型的な一例ではx₁＝１μｍ、x₂＝1.5μｍx₃
＝４μｍ前後である。ｎ型拡散層４１には主とし
て青色光、４２には３原色光がほぼ均等（輝度信
号用）に、４３には赤色光が強めに寄与した電子
が蓄積される。実際にはｎ型拡散層４３が厚いた
めに、特に表面付近で発生した電子−正孔対の正
孔がｎ型拡散層４３内で再結合して電子と共に消
滅する効果が顕著となり、赤色光により発生した
電子の割合が増し、より好ましい構成となる。ｎ
型拡散層４１上に青色フイルターを43上に赤色フ
イルターを置くことができれば、各光ダイオード
の分光特性はより好ましいものにすることができ
ることは言うまでもない。この時４２上に絶色フ
イルターを置いても良い。

第７図は赤、緑、青の３原点成分の感度に応じ
て、ブルーミング現象に対する対策を考慮した実
施例を示す。先にも述べたように、Siを用いた光
ダイオード（当然MOS形ダイオードも含む。）は
赤い光（長波長光）に対する感度が高く、青い光
（短波長光）に対する感度が低い。そこで、個々
の光ダイオードを色フイルターなどを使つて、赤
用、緑用、青用に設定した時、光ダイオードの接
合容量を同一と仮定すると、赤用光ダイオードが
最もブルーミング現象を起こす可能性が高く、緑
用光ダイオードがそれに続き、青用光ダイオード
はほとんどブルーミング現象が起きない。一方、
光ダイオードの下部に例えば第４図のP⁺埋込層
２５が存在とすると、P⁺埋込層２５が存在しな
い場合に比較し、その部分で電子が消滅する確率
が高くなるから、その下方から接合を越えてｎ形
拡散層に蓄積される電荷の量は減少する。よつ
て、青用光ダイオードのように感度の極めて低い
光ダイオードについては、P⁺埋込み層が存在し
ない方が良い。

第７図において、５０はＰ形半導体基板、５
１，５２，５３はｎ型拡散層、５４，５５はP⁺
埋込み層又は拡散層、５６はSiO₂膜である。本
図においても光ダイオードのみを示し、第４図の
ゲート電極２３、ｎ型拡散層（ドレイン）２４、
ドレイン電極（垂直出力線）２７に対応した部分
は省略してある。本構造において、ｎ型拡散層５
１，５２，５３はそれぞれ、青用、緑用、赤用光
ダイオードを構成する。もちろん、半導体基板５
０の表面のSiO₂膜５６の上部に青用、緑用、赤
用のモザイクフイルター又はストライプ・フイル
ターが形成されているが図示を省略してある。ｎ
型拡散層５１の下部にはP⁺埋込層を形成しな
い。これは青用光ダイオードの感度を可能なかぎ
り落さないためである。又、P⁺埋込層５５の方
がP⁺埋込層５４より、ｎ型拡散層５３，５２に
それぞれ接する面積が大きいが、蓄積容量が同一
の場合、赤用光ダイオードの方が緑用ダイオード
の方より、蓄積容量の飽和によるｎ型拡散層から
の電子のあふれだしによるブルーミング現象が発
生する可能性が高い。そのため、赤用光ダイオー
ドの蓄積容量を大きくしてある。ｎ形領域５７、
電源５８も又、ブルーミング現象防止手段の一つ
である。この２つについては付加しなくとも良
い。このｎ形領域５７とｐ形領域５０との間の
pn接合に逆バイアスをかけてブルーミングを防
止する手法については、本出願人が先に出願した
特願昭52−36163号に詳しい。このブルーミング
防止手段についても、赤用、及び緑用光ダイオー
ドにのみ形成され、青用光ダイオードの下部には
形成していない。この理由は上述した理由と全く
同様である。

なお、青用、緑用、赤用ホトダイオードが同一
基板上に形成されている場合、ブルーミング防止
手段は、赤用光ダイオードについて絶対に必要で
あり、青用光ダイオードについては必要なく、緑
用ホトダオイードについては、防止手段をつけた
方が良い。又、光ダイオードが、シアン色用ホト
ダイオード、マジエンタ色用ホトダイオード、黄
色用ホトダイオードになつた場合、シアン色用ホ
トダイオードには、ブルーミング防止手段は必要
なく、他の２つには必要である。又、全色用ホト
ダイオードが存在している場合も、ブルーミング
防止手段は必要である。

なお、ブルーミング防止手段として、上記実施
例においては２つの手段を述べたが、何らそれら
に限定されるものではなく、回路構造上の防止手
段を付加する場合においても青用又はシアン色用
ホトダイオードにはブルーミング防止手段はつけ
ない方が良く、赤用、マジエンタ色用、又は黄色
用ホトダイオードには絶対につけるべきである。

又、第７図の構成の製法については、当業者が
容易に実施できるため詳述しないが、例えば、特
願昭51−144800に詳述してある。なお、ｎ型領域
５７は半導体基板５０の裏面からの選択的イオン
打込み、拡散で形成するか、半導体基板中の選択
的埋込層として形成しても良い。第７図の実施例
の変形を第８図に示す。本実施例も、第７図と同
様、青用ホトダイオードには、ブルーミング防止
手段としてのp⁺領域が存在せず、緑用、赤用ホ
トダイオードにブルーミング防止手段としての
p⁺領域５９が形成されている。もちろん、ホト
ダイオードは左から、青用、緑用、赤用である。
先の実施例で述べた事項は本実施例においても全
く同様に成立する。これなる実施例としては、第
７図の実施例において、P⁺拡散層５４，５５を
省略しても良い。

以上詳述してきた本発明は、何らMOS型固体
撮像装置のみならず、CCD型、CID型にも適用で
きることは言うまでもない。

以上詳述してきた本発明は緑用ホトダイオード
にはブルーミング防止手段を付加せず、赤用ホト
ダイオードにはブルーミング防止手段を付加する
ことにより感度の良いカラー固体撮像装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はMOS型固体撮像装置の説明図、第２
図は従来の一絵素の断面の構造を示す図、第３図
はSiの光吸収特性図、第４図から第６図は本発明
を説明するための図、第７図、第８図は本発明の
実施例図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１第１導電型の半導体基板と、この半導体基板
上に複数個設けられた光ダイオード用の第２導電
型の半導体層と、この半導体層に対応して設けら
れた色フイルタと、前記半導体層に蓄えられた光
情報を読み出す手段とからなる固体撮像装置にお
いて、前記半導体層の側面及び下面のそれぞれ一
部分をその側面から下面に亘つて覆うような、前
記半導体基板より不純物濃度の高い第１導電型の
不純物層を少なくとも２つの前記半導体層に有
し、この不純物層と前記半導体層とが接する面積
が前記色フイルタの分光特性に対応してそれぞれ
異なつていることを特徴とする固体撮像装置。