JPS6033342B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は同一半導体基板上に光電変換素子および該素子
の選択を行うための走査回路を集積化した固体撮像装置
の改良に関するものである。

固体撮像装置し、は半導体基板上に形成された光ダイオ
ードあるいはＭＯＳ容量に光信号を蓄積するタイプと半
導体基板上に走査回路とこれにつながるスイッチ群のみ
を配列し、この上部に光電変換機能のための光導電性膜
を形成する２種類のタイプがある。前者は走査回路と位
置を選択するためのスイッチ群および光電変換素子が一
般に同一平面上に集積化されており、光電変換素子にも
スイッチとなるＭＯＳ電界効果トランジスタのソ−ス接
合等が利用できるため製作が比較的容易なため古くから
実施されてきた固体撮像装置である。しかし乍ら、諸種
の機能を受け持つ素子が同一平面上に在るため集積度が
低く、５００×５０の固ないしそれ以上の絵素数が要求
される撮像装置にとっては致迷的とも言える問題があり
、団体撮像装置の解像力、光感度の向上をはばんだきた
。これに対し、後者は前者の問題点を解決するため比較
的最近考案されたもので、走査回路およびスイッチ群の
上部に光電変換素子を形成する２階建構造のため、絵素
の集積度（すなわち穣像力）および受光率がより高くな
るため、これからの固体撮像装置として湖侍されている
ものである。この種固体糠像装置の例は特関昭５１−１
０７１５（昭和４９年７月５日出願）に開示されるもの
である。第１図にその原理を説明するための構成および
構造を示す。同図ａにおいて１は水平位置選択スイッチ
３を開閉する水平走査回路、２は垂直位置選択スイッチ
４を開閉する垂直走査回路、５は光導電性薄膜を利用し
た光電変換素子、６は光電変換素子５を駆動する電源電
圧端子、１川ま信号出力線、Ｒは抵抗である。同図ｂは
同図ａの光電変換領域の断面構造を示したもので、５′
は光導電性腰、６′は透明電極７を介して設けた電源電
圧、３′は水平スイッチ、４′は垂直スイッチ、また８
は絶縁膜である。また１１は半導体基板、１２はゲート
電極、１３はスイッチ４′の一端９に抵抗性接触した電
極（例えばＡＩ）である。光学像がレンズを通して光導
電性膜上に結像すると、光学像の光強度に応じて光導電
性膜の抵抗値が変化し、垂直スイッチ４（４′）の一端
９には光学像に対応した電圧変化が現われ、この変化分
を信号出力線１０を通して出力端００Ｔより映像信号と
して取り出す。発明者らはＭＯＳ・ＩＣ技術の中でも安
定なＰチャンネルＭＯＳ製作技術を使用して上記固体撮
像装贋を製作し、性能評価を行なった。すなわち、Ｎ型
Ｓｉ基板にＰ型不純物を拡散したＰチャンネルＭＯＳＴ
により走査回路およびスイッチ群を形成し、スイッチ群
の上部に撮像管の光導電膜として使用されているＳｅ−
Ａｓ−Ｔｅ蒸着膜を設け、その上部に透明電極を形成し
た。このＳｅ−瓜−Ｔｅ膜は膿方向に成分分布を有する
ものであるが膜内の成分比としてＳｅを５０％もしくは
それ以上含むものである。Ｓｅ−Ａｓ−Ｔｅ非晶質膜は
常温で蒸着でき、しかも製作後の膜は空気中でも他の光
導電性膜に較べて安定なため、長寿命が要求される固体
撮像装置としては望ましいものである。しかし乍ら、本
膜（Ｓｅ−Ａｓ−Ｔｅ非晶質膜）は正孔の移動度が電子
に較べて大きく、電流の主体が正孔であるため、光導電
性膜の上面で発生した正孔は殆んどマイナス電圧が印加
された透明電極に引かれ、逆に電子は殆んどスイッチ側
電極には到達しないため、スイッチ側電極には映像信号
のもとになる電圧変化が生じない、すなわち光感度が著
しく低いという結果が生じた（ＰチャンネルＭＯＳＴは
マイナス電圧で動作するため、スイッチ側電極には電子
の畜積による電圧変化が現われる必要がある）。感度は
撮像装置の良否を決める最大の要因であり、固体撮像装
置の主用途である家庭用カメラを実現するには是非とも
解決しなければならない問題である。本発明の目的は固
体撮像装置の光感度すなわち光電変換効率を改善するこ
とにある。

本発明は、上記目的を達成するため、走査回路およびス
イッチ群を集積化したた走査ＩＣ基板の上部に形成する
光導電性膜の伝導電荷の主体が正孔（Ｐ型）の場合は、
ＮチャンネルＭＯＳＴにより構成される走査ＩＣ基板を
、また伝導電荷の主体が電子（Ｎ型）の場合は、Ｐチャ
ンネルＭＯＳＴにより構成される走査ＩＣ基板を粗合せ
るようにしたものである。

以下、本発明の詳細を実施例を用いて説明する。

‘ｉ’光導電性膜の伝導電荷の主体が正孔（Ｐ型）の場
合光導電性膜はこれまでに撮像管用として種々のタイプ
のものが開発されているが、電子管では走査が電子ビー
ムすなわち電子で走査されるため、伝導電荷の主体は正
孔の場合が多い。

本夕ィプの光導電性膜を使用する場合の固体撮像装置の
構造を第２図に示す。本図は撮像装置の光電変換部を構
成する絵素について表わしたもので、実際にはこの絵素
が二次元状に複数個配列され第１図ａに示す装置が構成
される。１４はＰ型半導体（Ｓｉ等）基板、１５はＮ型
拡散層１６、ゲート電極１７、正電圧でバイアスされる
か接地される信号出力線（ＡＩ等）１８につながるＮ型
拡散層１９から成る垂直ＭＯＳスイッチである。

２０はゲート用絶縁膜（Ｓｉ０２等）、２ １は絵素分
離用酸化膜（Ｓｉ０２等）、２２，２３は配線分離用酸
化膜（Ｓｉ０２等）である。

２４はスイッチ１５の一方の端子１６につながる電極（
一般にＡＩ、Ｍｏ、多結晶Ｓｊ等が使用される）、２５
は伝導電荷の主体が正孔である光導電性膜、２６は透明
又は半透明電極（Ｓｎ０２、ｌｎ０２、多結晶Ｓｉ、薄
いＡｕ（１００Ａ）等）でありプラス電圧（信号線１８
が正電圧バイアスの時はより高い正電圧）２７が印加さ
れる。

ここで使用する光導電性膜の代表的な例としては、前述
のＳｅ−Ａｓ−Ｔｅ膜、Ｚｎ−ＳｅとＺｎ−Ｃｄ−Ｔｅ
の二元系膜、あるいはＭＯＳ・ＩＣで頻繁に使用される
多結晶シリコンなどがある。第３図は前述のＳｅ−Ａｓ
−Ｔｅ膜の構造を示したもので、まずＳｅ−Ａｓ系の膜
５０を、続いてＳｅ−Ａｓ−Ｔｅ系の膜５ １とＳｅ−
Ａｓ系の膜５２を真空蒸着法により、電極２４上に連続
的に形成したものである。第４図は上記撮像装置の動作
を説明するための図であり、第２図および第３図におけ
る光導電性膜およびその近傍を取り出したものである。

光導電性膜２５に光２８が入射すると、膜内の各位直で
励起電荷すなわち電子２９、正孔３０が発生するが、伝
導電荷の主体は移動度の大きい正孔であり、この正孔が
透明電極２６と下面の電極２４間に形成された電界３１
により正孔が電極２４に向って効率よく（途中で再結合
などにより死滅することなく）走行し、電極２４上に畜
積３２する。１フレーム期間にわたり畜積した正孔は次
回の選択を受けるとスイッチ１５、水平スイッチを通し
て信号として読み出され映像信号となる。

同時に電極２４上の正孔は無くなるため電極２４はプラ
ス電圧から例えばＯＶにクリアーされ、次のフレームの
光学像入射に備える。吸収係数の大きい短波長光（青色
光）は光導電性膜の上部領域３３で殆んど吸収されるが
、この領域で発生した正孔は効率よく走行し電極２４上
に畜積されるため、通常のシリコン団体撮像素子で問題
となっている青感度の不定も著しく向上することができ
る。勿論、緑、赤に対する感度も高く、全体すなわち白
色光に対する感度を大きく改善することができる。した
がって、上記固体撮像装置はカラ−撮像にも、白黒撮像
にも好ましい撮像デバイスとなる。一例として、不純物
濃度４〜８×ｌび４／洲のＰ形Ｓｉ基板１４に、不純物
濃度１ぴ９〜１ぴ１／洲のＮ形ソース、ドレィン領域１
６，１９、Ｎ形多結晶Ｓｉ（不純物濃度〜１ぴ９／が）
ゲート電極からなるＭＯＳスイッチ１５を設け、電極２
４、信号線１８として５０００Ａ〜１一ｍ厚のＡＩを用
い、光導電膜２５として５０００Ａ〜５山ｍ厚さのＳｅ
−Ａｓ−Ｔｅ非晶質蒸着膜を用い、電極２６として１０
００Ａ〜２Ａｍ厚さのＳＮ０２を用いて第２図の固体撮
像装置を、従来のＭＯＳに製造工程（特開昭５３−１２
２３１６号）および撮像管の蒸着膜製造工程（特公昭５
２−３００９１号、特開昭５１−１２０６１１号）によ
り製造したところ良好な装置を得ることができた。

（ｉｉ｝ 光導電性膜の伝導電荷の主体が電子の場合、
これまでに開発された光導電性膜は前述のように電子ビ
ーム走査を考慮してきたため、伝導電荷の主体は正孔型
の物質が多かった。

しかしながら、第５図に示す本発明の実施例により、こ
れまで発見され乍らも実際には余り使用されてこなかっ
た電子が伝導主体の物質を使用することが可能になる。
同図において、３４はＮ型半導体基板、３５はＰ型拡散
層３６、ゲート電極３７、負電圧にバイアスされるか接
地される信号出力線３８につながるＰ型拡散層４４から
成る垂直ＭＯＳスイッチである。３９はスイッチ３５の
一端３６につながる電極、４０は伝導電荷の主体が電子
である光導電性膜（例えば、水素の含有率が原子％で１
５〜２０％の非晶質６ｉ（ａ−Ｓｉ：Ｈ））、４１は透
明電極でありマイナス電圧（信号線３８が負電圧バイア
スの時はより低い負電圧）４２が印加される。

したがって、光導電性膜４０に光が入射すると、透明電
極４１と下面電極３９の間に形成された電界４３により
電子が電極３９に向って効率よく走行し、電極３９上に
畜積する。１フレーム期間にわたり畜積した電子は次回
の選択を受けるとスイッチ３５、水平スイッチを通して
信号として読み出され映像信号となる。

同時に電極３９上の電子は無くなるためマイナス電圧か
ら例えばＯＶにクリアーされ、次のフレームの光学像入
射に備える。以上、実施例においては、絶縁ゲート形電
界効果トランジスタを例にあげて説明したが、ＣＣＤ等
の電荷転送素子（ＣＴＤ）を用いても同様のことがいえ
ることはもちろんである。以上述べたように本発明は撮
像装置の感度の上昇を実現するばかりでなく、従来実際
上用いられなかった電子が伝導主体の物質の使用をも可
能にするという大きな利点を有し、その工業的価値は極
めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は光導電膜を光電変換部として用いた固体撮像装
置の概略を示す図、第２図は正孔を主体とする光導電膜
を光電変換部として用いた本発明の固体綾像装置の一実
施例の絵素を示す断面図、第３図はＳｅ−舷−Ｔｅ光導
電膜の構造を示す断面図、第４図は第２図の実施例の装
置の動作を説明する概略図、第５図は電子を主体とする
光導電膜を光電変換部として用いた本発明の団体糠像装
置の他の実施例の絵素を示す断面図である。 １４・・・・・・Ｐ形Ｓｉ基板、１５・・・・・・絶縁
ゲート形電界効果トランジスタ、１６，１９・・…・Ｎ
形領域（ドレィン、ソース）、１７・・・・・・ゲート
電極、２０・・・・・・ゲート絶縁膜、２１，２２，２
３・・・・・・絶縁膜、２４・…・・電極、２５・・・
・・・光導電腰、２６・・・・・・透明又は半透明電極
。 賄′図 弟Ｚ図 兼３図 精４図 弦５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 絵素位置を選択する複数のスイツチ素子と、該スイ
   ツチ素子を時間順次に開閉する走査回路とを同一基板に
   設けてなる半導体集積回路と、該集積回路上に設けられ
   、各スイツチ素子と接続された光導電性膜と、該光導電
   性膜上に設けられた光透過電極とを有し、前記光透過電
   極への電圧印加によつて、前記光導電性膜の光入射側領
   域をその反対側領域に対して正、負のいずれか一方にバ
   イアスしてなる固体撮像装置において、前記スイツチ素
   子は前記光導電性膜のキヤリアのうち、移動度の大きい
   キヤリアと反対極性のキヤリアを用いる素子であること
   を特徴とする固体撮像装置。 ２ 上記光導電性膜の光入射側領域をその反対側領域に
   対して正にバイアスし、上記スイツチ素子を電子をキヤ
   リアとするＮチヤンネル素子とす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 上記光導電性膜の光入射側領域をその反対側領域に
   対して負にバイアスして用い、上記スイツチ素子を正孔
   をキヤリアとするＰチヤンネル素子とすることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ４ 上記スイツチ素子は、絶縁ゲート形電界効果トラン
   ジスタ、電荷転送素子（ＣＴＤ）のいずれかであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、又は第３
   項記載の固体撮像装置。 ５ 上記光導電性膜はＳｅ−Ａｓ−Ｔｅ系非晶質膜であ
   り、該光導電性膜の光入射側領域をその反対側領域に対
   して正にバイアスし、上記スイツチ素子をＮチヤンネル
   電界効果トランジスタとす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。