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JPH07105482B2 - Solid-state infrared image sensor - Google Patents
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JPH07105482B2 - Solid-state infrared image sensor - Google Patents

Solid-state infrared image sensor

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Publication number
JPH07105482B2
JPH07105482B2 JP1091224A JP9122489A JPH07105482B2 JP H07105482 B2 JPH07105482 B2 JP H07105482B2 JP 1091224 A JP1091224 A JP 1091224A JP 9122489 A JP9122489 A JP 9122489A JP H07105482 B2 JPH07105482 B2 JP H07105482B2
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JP
Japan
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region
type
photoelectric conversion
carrier injection
conductivity type
Prior art date
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Application number
JP1091224A
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Japanese (ja)
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JPH02268465A (en
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茂 遠山
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、赤外の像の情報を時系列の電気信号に変換す
る固体赤外線イメージセンサに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid-state infrared image sensor that converts information of an infrared image into a time-series electric signal.

(従来の技術) 従来のこの種の固体赤外線イメージセンサは、該イメー
ジセンサの受光部を構成する赤外線センサに関する出
願、特開昭63−237583号公報(特願昭62−73240号)に
おいて、第2実施例として提示されたものである。
(Prior Art) A conventional solid-state infrared image sensor of this type is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-237583 (Japanese Patent Application No. 62-73240), which is related to an infrared sensor forming a light receiving portion of the image sensor. 2 is presented as an example.

まず、該イメージセンサの受光部を構成する赤外線セン
サの動作原理について述べる。
First, the operation principle of the infrared sensor that constitutes the light receiving portion of the image sensor will be described.

該赤外線センサのエネルギー帯構造は、第2図(a),
(b)に示すようになっている。この図で、(a)は第
1導で型がp型で第2導電型がn型の場合、(b)は第
1導電型がn型で第2導電型がp型の場合である。赤外
線はキャリア注入領域側から入射しているが、光電変換
領域側からの入射でもかまわない。光電変換領域19ある
いは25及びキャリア注入領域21あるいは27における多数
キャリアに対して障害となるポテンシャル障壁が、光電
変換領域とポテンシャル障壁領域との界面及びキャリア
注入領域とポテンシャル障壁領域との界面に形成され
る。特に光電変換領域19と25における多数キャリアに対
するポテンシャル障壁はそれぞれΦとΦである。こ
のポテンシャル障壁の高さは、ポテンシャル障壁領域の
導電型、ポテンシャル障壁領域の厚さ、前記三領域の不
純物濃度のバランス及び光電変換領域とキャリア注入領
域との間に印加するバイアス電圧によって、零〜通常の
pn接合で形成される拡散電位に相当するエネルギー程度
を上限として、任意に設定可能である。ポテンシャル障
壁が小さいことに起因して、室温において暗電流が大き
い場合には、冷却する必要がある。
The energy band structure of the infrared sensor is shown in FIG.
It is as shown in (b). In this figure, (a) is the case where the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n type, and (b) is the case where the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. . Although infrared rays are incident from the carrier injection region side, they may be incident from the photoelectric conversion region side. Potential barriers that hinder the majority carriers in the photoelectric conversion region 19 or 25 and the carrier injection region 21 or 27 are formed at the interface between the photoelectric conversion region and the potential barrier region and the interface between the carrier injection region and the potential barrier region. It In particular, the potential barriers for majority carriers in the photoelectric conversion regions 19 and 25 are Φ H and Φ E , respectively. The height of the potential barrier is from 0 to 0 depending on the conductivity type of the potential barrier region, the thickness of the potential barrier region, the balance of the impurity concentrations of the three regions, and the bias voltage applied between the photoelectric conversion region and the carrier injection region. Normal
It can be arbitrarily set with the upper limit being about the energy corresponding to the diffusion potential formed by the pn junction. If the dark current is large at room temperature due to the small potential barrier, cooling is necessary.

半導体の禁制帯幅Egよりエネルギーが小さい赤外光35
(または36)は、キャリア注入領域21(または27)及び
ポテンシャル障壁領域20(または26)において、ほとん
ど吸収されずに透過し、光電変換領域19(または25)に
入射する。
Infrared light whose energy is smaller than the semiconductor band gap E g 35
(Or 36) is hardly absorbed in the carrier injection region 21 (or 27) and the potential barrier region 20 (or 26), is transmitted, and is incident on the photoelectric conversion region 19 (or 25).

(a)の第1導電型がp型で第2導電型がn型の場合に
は、光電変換領域19において、価電子帯22中のフェルミ
準位Ef下の電子が、入射した赤外光35のエネルギーhv
吸収し、フェルミ準位Ef下からフェルミ準位Efと価電子
帯端EVとの間の空準位へ遷移して、ホット電子31とホッ
トホール32を形成する。これらホット電子31とホットホ
ール32は、再結合するまで光電変換領域19中を運動す
る。運動中のホットホール32が、ポテンシャル障壁領域
20に達し、それがポテンシャル障壁Φより大きいエネ
ルギーを持っている場合には、ポテンシャル障壁領域20
を通過して、キャリア注入領域21へ注入される確率があ
る。ホットホール32がキャリア注入領域21へ注入される
と、光電変換領域19に取り残されたホット電子31とキャ
リア注入領域21へ注入されたホットホール32とが信号電
荷となる。
When the first conductivity type in (a) is p-type and the second conductivity type is n-type, in the photoelectric conversion region 19, electrons below the Fermi level E f in the valence band 22 are incident infrared rays. absorbs energy h v of light 35, a transition from under the Fermi level E f to the empty level between the Fermi level E f and the valence band edge E V, form a hot electrons 31 and hot holes 32 To do. These hot electrons 31 and hot holes 32 move in the photoelectric conversion region 19 until they are recombined. The hot hole 32 in motion is the potential barrier region.
20 and has more energy than the potential barrier Φ H , the potential barrier region 20
There is a probability of being injected into the carrier injection region 21 after passing through. When the hot holes 32 are injected into the carrier injection region 21, the hot electrons 31 left in the photoelectric conversion region 19 and the hot holes 32 injected into the carrier injection region 21 become signal charges.

一方、(b)の第1導電型がn型で第2導電型がp型の
場合には、光電変換領域25において、伝導帯30中のフェ
ルミ準位Efと伝導帯端ECとの間の電子が、入射した赤外
光36のエネルギーhvを吸収し、フェルミ準位下からフェ
ルミ準位上の空準位へ遷移して、ホット電子33とホット
ホール34を形成する。これらホット電子33とホットホー
ル34は、前記の場合と同様、再結合するまで光電変換領
域25中を運動する。運動中のホット電子33が、ポテンシ
ャル障壁領域26に達し、それがポテンシャル障壁Φ
りも大きいエネルギーを持っている場合には、ポテンシ
ャル障壁領域26を通過して、キャリア注入領域27へ注入
される確率がある。ホット電子33がキャリア注入領域27
へ注入されると、光電変換領域25に取り残されたホット
ホール34とキャリア注入領域27へ注入されたホット電子
33とが信号電荷となる。
On the other hand, when (b) the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, in the photoelectric conversion region 25, the Fermi level E f in the conduction band 30 and the conduction band edge E C are The electrons in between absorb the energy h v of the incident infrared light 36 and make a transition from below the Fermi level to the vacant level above the Fermi level, forming hot electrons 33 and hot holes 34. These hot electrons 33 and hot holes 34 move in the photoelectric conversion region 25 until they are recombined, as in the case described above. The moving hot electrons 33 reach the potential barrier region 26, and if they have energy larger than the potential barrier Φ E, they pass through the potential barrier region 26 and are injected into the carrier injection region 27. There is a probability. Hot electron 33 is carrier injection region 27
Injected into the photoelectric conversion region 25, hot holes 34 left in the photoelectric conversion region 25 and hot electrons injected into the carrier injection region 27.
33 and become the signal charge.

なお、第2図(a)及び(b)においては、光電変換領
域は縮退状態として描いてあるが、これが非縮退状態で
も、キャリア注入領域に比べて不純物濃度が著しく高い
場合には、センサとして動作する。
In FIGS. 2A and 2B, the photoelectric conversion region is drawn as a degenerate state, but even if this is a non-degenerate state, if the impurity concentration is significantly higher than that of the carrier injection region, it is used as a sensor. Operate.

次に、この赤外線センサの出願明細書中で第2実施例と
して提示した固体赤外線イメージセンサについて述べ
る。
Next, the solid-state infrared image sensor presented as the second embodiment in the specification of this infrared sensor will be described.

該固体赤外線イメージセンサの構造を第3図及び第4図
に示す。これらは2次元のインターライン転送CCD方式
のものを例にしており、第3図が単位画素の断面図、第
4図が全体構成図である。
The structure of the solid-state infrared image sensor is shown in FIGS. 3 and 4. These are examples of a two-dimensional interline transfer CCD system. FIG. 3 is a sectional view of a unit pixel and FIG. 4 is an overall configuration diagram.

単位画素は赤外線センサ52、トランスファゲート53、及
び垂直CCD54から成り立っている。p型単結晶Si基板40
内における赤外線センサ部分の基板作製時のままの状態
の領域がキャリア注入領域39であり、表面にはキャリア
注入領域39すなわち基板より高濃度に不純物を含有した
p型光電変換領域37が設けてある。これら光電変換領域
37とキャリア注入領域39との間にポテンシャル障壁領域
38を形成してある。ポテンシャル障壁領域38はキャリア
注入領域39より不純物濃度が低いp型か、真性か、ある
いは少なくとも動作条件下で完全空乏化状態となるn型
である。光電変換領域37及びポテンシャル障壁領域38の
周囲には電界集中を緩和するため、n型カードリング41
が施されている。n型カードリング41のトランスファゲ
ート53側には、ドナ不純物を高濃度含み、光信号電荷を
読み出す際のソース領域となるn+型領域42が形成されて
いる。光電変換領域37とn+型領域42とを短絡するため、
その両者とオーミック接触するようにシリサイド膜43が
形成されている。シリサイドが用いられているのは、特
性の安定性に優れているという利点があるからであり、
絶対にこれを用いなければならないわけではない。単な
る金属膜あるいは金属配線によって置き換えることもで
きる。また、光電変換領域37のn+型領域42との接触部及
びn+型領域42が、トンネル電流を容易に流し得る程、共
に不純物を高濃度含んでいるならば、シリサイド膜43を
設けなくても短絡状態にすることができる。シリサイド
膜43、n+型領域42、及びn型ガードリング41によって最
終的に光電変換領域37とポテンシャル障壁領域38とが電
気滴に接続され、エネルギー帯間遷移が生じてポテンシ
ャル障壁領域38の伝導帯中に電子が溜った場合にも、そ
れらが速やかに取り除かれるようになっている。
The unit pixel is composed of an infrared sensor 52, a transfer gate 53, and a vertical CCD 54. p-type single crystal Si substrate 40
A region of the infrared sensor portion in the state in which the substrate is produced is a carrier injection region 39, and a carrier injection region 39, that is, a p-type photoelectric conversion region 37 containing impurities at a higher concentration than the substrate is provided on the surface. . These photoelectric conversion areas
Potential barrier region between 37 and carrier injection region 39
38 has been formed. The potential barrier region 38 is a p-type having a lower impurity concentration than the carrier injection region 39, an intrinsic type, or an n-type having a fully depleted state at least under operating conditions. In order to reduce electric field concentration around the photoelectric conversion region 37 and the potential barrier region 38, an n-type card ring 41 is provided.
Has been applied. On the transfer gate 53 side of the n-type card ring 41, an n + -type region 42 containing a high concentration of donor impurities and serving as a source region when reading out optical signal charges is formed. Since the photoelectric conversion region 37 and the n + type region 42 are short-circuited,
A silicide film 43 is formed so as to make ohmic contact with both of them. Silicide is used because it has the advantage of excellent stability of characteristics,
You do not absolutely have to use this. It can also be replaced by a simple metal film or metal wiring. Further, if the contact portion of the photoelectric conversion region 37 with the n + type region 42 and the n + type region 42 both contain a high concentration of impurities so that a tunnel current can easily flow, the silicide film 43 is not provided. However, it can be short-circuited. The photoelectric conversion region 37 and the potential barrier region 38 are finally connected to an electric drop by the silicide film 43, the n + -type region 42, and the n-type guard ring 41, and transition between energy bands occurs to conduct the potential barrier region 38. Even when electrons are accumulated in the band, they are quickly removed.

垂直CCD54の構造は、埋め込みチャネル型である。転送
電極であるポリSi電極47が、トランスファゲート53部の
Si基板上からn型チャネル領域45上まで、熱酸化膜46を
介して設けられている。電荷の電送方向に対して横方向
のチャネル幅を限定するため、垂直CCD54の両側端部で
熱酸化膜46を厚くし、p+型チャネル阻止領域44を備えて
いる。第3図にはトランスファゲート53を含む部分の断
面を示しているので、赤外線センサ52側の垂直CCD54端
部に厚い酸化膜及びp+型チャネル阻止領域が存在しない
が、トランスファゲート53が占めている領域はわずか
で、それの無い部分では垂直CCD54両端部に厚い酸化膜
及びp+型チャネル阻止領域を備えている。
The structure of the vertical CCD 54 is a buried channel type. The poly-Si electrode 47, which is the transfer electrode, is
A thermal oxide film 46 is provided from the Si substrate to the n-type channel region 45. In order to limit the channel width in the lateral direction with respect to the charge transfer direction, the thermal oxide film 46 is thickened at both end portions of the vertical CCD 54, and the p + type channel block region 44 is provided. Since the cross section of the portion including the transfer gate 53 is shown in FIG. 3, the transfer gate 53 occupies the thick oxide film and the p + -type channel block region at the end of the vertical CCD 54 on the infrared sensor 52 side. There is only a small area, and a thick oxide film and a p + type channel blocking area are provided at both ends of the vertical CCD 54 in the area without it.

このイメージセンサの表面全体はCVD法等で形成したシ
リコン酸化物(SiO,SiO2)あるいはシリコン窒化物SiN,
Si3N4)等から成る絶縁膜48で覆われている。その絶縁
膜48上の光電変換領域37と対向する部分にアルミニウム
等からなる金属反射膜49を備えている。これは光電変換
領域37を透過した赤外光を再利用するためのものであ
り、単結晶Si基板40のキャリア注入領域39とポテンシャ
ル障壁領域38の部分/光電変換領域37/絶縁膜48/金属反
射膜49の多層構造で光学的共振状態が生じるので、セン
サの使用波長帯における中心波長の赤外光で生じる定在
波の腹が光電変換領域37の付近に位置するように、絶縁
膜48の厚さを設定すると、高性能となる。
The entire surface of this image sensor is made of silicon oxide (SiO, SiO 2 ) or silicon nitride SiN, which is formed by the CVD method.
It is covered with an insulating film 48 made of Si 3 N 4 ). A metal reflection film 49 made of aluminum or the like is provided on a portion of the insulating film 48 facing the photoelectric conversion region 37. This is for reusing the infrared light that has passed through the photoelectric conversion region 37, and is the part of the carrier injection region 39 and the potential barrier region 38 of the single crystal Si substrate 40 / the photoelectric conversion region 37 / insulating film 48 / metal. Since the optical resonance state occurs in the multilayer structure of the reflection film 49, the insulating film 48 is arranged so that the antinode of the standing wave generated by the infrared light of the center wavelength in the wavelength band used by the sensor is located near the photoelectric conversion region 37. If you set the thickness of, you will get high performance.

さらに、それらの表面全体は保護膜50で覆われ、裏面全
体は反射防止膜51で覆われている。
Further, the entire front surface thereof is covered with the protective film 50, and the entire rear surface thereof is covered with the antireflection film 51.

該イメージセンサの全体構成は、第4図に示すように、
インターライン転送方式であり、単位画素を2次元に配
列し、垂直・水平走査はそれぞれ垂直CCD54と水平CCD56
とで行なうようになっている。垂直CCD54は4相駆動、
水平CCD56は2相駆動であり、水平CCDからは出力部57を
経て信号を外部に出力する構造になっている。
The overall structure of the image sensor is as shown in FIG.
This is an interline transfer system, in which unit pixels are arranged in a two-dimensional array, and vertical and horizontal scanning are performed with vertical CCD54 and horizontal CCD56, respectively.
It is supposed to be done with and. Vertical CCD54 is 4 phase drive,
The horizontal CCD 56 is a two-phase drive and has a structure in which a signal is output from the horizontal CCD via an output unit 57 to the outside.

この2次元赤外線CCDイメージセンサの動作は以下のよ
うになる。
The operation of this two-dimensional infrared CCD image sensor is as follows.

光電変換は赤外線センサを蓄積モードにして行なう。蓄
積モードでは、トランスファゲート53がOFF状態であ
り、赤外線センサ52は第2図(a)に示すようにバイア
スされた状態となっている。赤外線センサ52裏面から入
射した赤外光55が光電変換領域37に達し、光電変換され
ると、発生した信号電荷である電子が、光電変換領域3
7、n型ガードリンク41、n+型領域42、及びシリサイド
膜43に蓄積される。光電変換領域37他前記三部分に信号
電荷が蓄積されている期間に、垂直CCD54は信号の読み
出しを行なっている。一定の蓄積時間信号電荷を蓄積し
た後、トランスファゲート53がON状態になり、光電変換
領域他前記三部分に蓄積された信号電荷が垂直CCD54に
読み出される。その後、トランスファゲート53はOFF状
態になり、光電変換領域他前記三部分は信号電荷の蓄積
を再び開始する。
The photoelectric conversion is performed by setting the infrared sensor to the accumulation mode. In the accumulation mode, the transfer gate 53 is in the OFF state and the infrared sensor 52 is in the biased state as shown in FIG. 2 (a). When the infrared light 55 incident from the back surface of the infrared sensor 52 reaches the photoelectric conversion area 37 and is photoelectrically converted, the electrons which are the signal charges generated are converted into the photoelectric conversion area 3
7, accumulated in the n-type guard link 41, the n + -type region 42, and the silicide film 43. The vertical CCD 54 reads out signals during a period in which signal charges are accumulated in the photoelectric conversion region 37 and the other three portions. After accumulating the signal charges for a certain accumulation time, the transfer gate 53 is turned on, and the signal charges accumulated in the photoelectric conversion region and the other three parts are read out to the vertical CCD 54. After that, the transfer gate 53 is turned off, and the photoelectric conversion region and the other three parts start to accumulate the signal charges again.

垂直CCD54に読み出された信号電荷は、一水平期間のう
ちに一水平ライン分が水平CCD56へ転送され、順次水平C
CD56から出力部57を経て外部へ読み出される。出力部57
はキャパシタとソース・ホロワ・アンプから成り立って
おり、信号電荷に電荷電位変換及びインピーダンス変換
を施して、電圧変化の形態で出力する。この一水平ライ
ン分の信号の読み出しを一水平期間毎に繰り返し、全画
素の信号を光電変換領域37他前記三部分の信号電荷蓄積
期間に読み出す。
The signal charge read to the vertical CCD 54 is transferred to the horizontal CCD 56 by one horizontal line in one horizontal period, and the horizontal C
It is read out from the CD 56 via the output unit 57. Output part 57
Is composed of a capacitor and a source follower amplifier, and performs signal potential conversion and impedance conversion on the signal charge and outputs it in the form of voltage change. This readout of signals for one horizontal line is repeated every horizontal period, and the signals of all pixels are read out during the signal charge accumulation period of the photoelectric conversion region 37 and the other three parts.

以上の例では、第1導電型をp型、第2導電型をn型と
して述べてきたが、逆も同様に成り立ち、その場合には
第3図のpnが全て入れ替わる。この例は入面照射型のイ
メージセンサであるが、表面照射型のイメージセンサも
実現可能で、その場合には金属反射膜49および反射防止
膜51が不要となる。また、ここでは2次元のインターラ
イン転送CCD方式のものについてのみ詳細に述べたが、
従来技術には、MOS方式等別の信号読み出し方式や1次
元アレイのものもある。さらにSi以外の半導体材料を素
材としても、この種の固体赤外線イメージセンサは成り
立つ。
In the above example, the first conductivity type is described as p-type and the second conductivity type is described as n-type, but the same holds true, and in that case, pn in FIG. 3 are all replaced. This example is a front-illuminated image sensor, but a front-illuminated image sensor can also be realized, in which case the metal reflection film 49 and the antireflection film 51 are not required. Also, here, only the two-dimensional interline transfer CCD system has been described in detail,
As a conventional technique, there is another signal reading method such as a MOS method or a one-dimensional array method. Furthermore, this type of solid-state infrared image sensor is also feasible if semiconductor materials other than Si are used as materials.

(発明が解決しようとする課題) 受光部を構成する赤外線センサの光電変換領域には、赤
外線吸収とキャリア注入領域へのホットキャリアの放出
効率を考慮すると高濃度で厚さが薄い不純物分布が求め
られる。
(Problems to be Solved by the Invention) In the photoelectric conversion region of the infrared sensor that constitutes the light receiving unit, a high concentration and thin impurity distribution is required in consideration of infrared absorption and emission efficiency of hot carriers to the carrier injection region. To be

その理由は次のとおりである。The reason is as follows.

自由キャリアによる赤外線吸収係数は、半導体中のキャ
リア濃度に比例して増加するので、不純物濃度を高くし
た方が赤外線の吸収を多くすることができる。一方、キ
ャリア注入領域へのホットキャリアの放出効率について
は、光電変換領域の厚さを薄くすることによって、絶縁
物界面とポテンシャル障壁領域界面との間でホットキャ
リアの多重反射を起こし、寿命が尽きるまでにポテンシ
ャル障壁領域再面にホットキャリアが入射する回数を増
やしてやれば、増加する。従って、光電変換領域に、高
濃度で厚さが薄い不純物分布を持たせると、感度の高い
センサを得ることができる。(ただし、極端に不純物濃
度を高くすると、結晶性を損ね、ホットキャリアの寿命
を縮めてしまうので、高濃度と言っても最適な濃度があ
り、また、厚さを薄くすると、赤外線の吸収量が減るの
で、赤外線吸収とキャリア注入領域へのホットキャリア
の放出効率との兼ね合いで、最適な厚さというものがあ
る。) 半導体材料固有の性質として、このような不純物分布の
形成が容易な不純物あるいは導電型が決まっている。高
濃度で接合深さが浅い不純物領域を形成しやすい導電型
がn型の半導体には、代表的なものとしてSiやInP(イ
ンジウム・リン)がある。この用途に適する不純物は、
Siの場合がAs(砒素)、InPの場合がSe(セレン)であ
る。このような半導体材料を基板として前述の赤外線イ
メージセンサを形成する場合には、受光部の赤外線セン
サは第1導電型をn型、第2導電型をp型として形成し
たほうが高性能にできる。しかるに、この構造の赤外線
センサの場合には転送される光信号電荷がホールとなっ
てしまい、転送電荷が電子の場合と比較して、CCD方式
では転送効率の劣化を生じ、MOS方式では応答速度の低
下を招いてしまう。すなわち、従来の固体赤外線イメー
ジセンサには、高濃度で接合深さが浅い不純物領域を形
成しやすい導電型がn型の半導体を素材とする場合に、
受光部が高性能で、かつ、電荷転送能力に優れたものを
形成することが難しいという欠点がある。
Since the infrared absorption coefficient of free carriers increases in proportion to the carrier concentration in the semiconductor, the absorption of infrared rays can be increased by increasing the impurity concentration. On the other hand, regarding the emission efficiency of hot carriers to the carrier injection region, by making the thickness of the photoelectric conversion region thin, multiple reflection of hot carriers occurs between the insulator interface and the potential barrier region interface, and the life ends. By increasing the number of times hot carriers are incident on the resurface of the potential barrier region, the number will increase. Therefore, if the photoelectric conversion region is provided with a high concentration and thin impurity distribution, a sensor with high sensitivity can be obtained. (However, if the impurity concentration is extremely high, the crystallinity will be impaired and the life of the hot carriers will be shortened, so there is an optimum concentration even if it is said to be high concentration. Therefore, there is an optimum thickness in consideration of the infrared absorption and the efficiency of hot carrier emission to the carrier injection region.) An impurity that is easy to form such an impurity distribution as a property peculiar to semiconductor materials. Alternatively, the conductivity type is fixed. Si and InP (Indium-Phosphorus) are typical examples of semiconductors whose conductivity type is n-type and which easily form an impurity region with a high concentration and a shallow junction depth. Impurities suitable for this application are:
The case of Si is As (arsenic), and the case of InP is Se (selenium). When the above-mentioned infrared image sensor is formed using such a semiconductor material as a substrate, the infrared sensor of the light receiving portion can have higher performance when the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, in the case of the infrared sensor with this structure, the transferred optical signal charges become holes, which causes the transfer efficiency to deteriorate in the CCD method and the response speed in the MOS method compared to the case where the transferred charges are electrons. Will lead to a decrease in That is, in the conventional solid-state infrared image sensor, when a semiconductor of n-type conductivity is used as a material, it is easy to form an impurity region having a high concentration and a shallow junction depth,
There is a drawback in that it is difficult to form a light receiving part having high performance and excellent charge transfer capability.

(課題を解決するための手段) 前述の問題点を解決するために本発明の固体赤外線イメ
ージセンサは、第1導電型半導体から成る光電変換領域
と、この光電変換領域より不純物濃度が低い第1導電型
半導体から成るキャリア注入領域と、これら光電変換領
域とキャリア注入領域との間に存在し、不純物濃度がこ
のキャリア注入領域より低い第1導電型半導体か、真性
半導体か、あるいは少なくとも動作条件下で完全空乏化
状態となる第2導電型半導体から成るポテンシャル障壁
領域とを有し、これら光電変換領域とポテンシャル障壁
領域とキャリア注入領域とがホモ接合構造を構成して成
り立つ赤外線センサが、1次元あるいは2次元に配置さ
れた赤外線センサアレイと、該赤外線センサアレイにお
いて光電変換によって発生した電荷を時系列信号として
外部に読み出す電子走査回路とを具備した固体赤外線イ
メージセンサにおいて、第1導電型がn型、第2導電型
がp型であり、前記キャリア注入領域がnウェル構造を
有し、各赤外線センサにおける光信号電荷をキャリア注
入領域から読み出すことを特徴とする。
(Means for Solving the Problem) In order to solve the above-mentioned problems, a solid-state infrared image sensor of the present invention includes a photoelectric conversion region made of a first conductivity type semiconductor, and a first impurity concentration lower than that of the photoelectric conversion region. A carrier injection region made of a conductivity type semiconductor and a first conductivity type semiconductor existing between the photoelectric conversion region and the carrier injection region and having an impurity concentration lower than that of the carrier injection region, an intrinsic semiconductor, or at least an operating condition. An infrared sensor having a potential barrier region made of a second conductivity type semiconductor that is in a fully depleted state at 1, and a photoelectric conversion region, a potential barrier region, and a carrier injection region that form a homojunction structure. Alternatively, a two-dimensionally arranged infrared sensor array and a charge generated by photoelectric conversion in the infrared sensor array are time-based. In a solid-state infrared image sensor having an electronic scanning circuit for reading out as a column signal to the outside, the first conductivity type is n type, the second conductivity type is p type, and the carrier injection region has an n well structure. It is characterized in that the optical signal charge in the infrared sensor is read out from the carrier injection region.

(作用) 本発明の固体赤外線イメージセンサは、第1導電型をn
型、第2導電型をp型とするので、高濃度で接合深さが
浅い不純物領域を形成しやすい導電型がn型の半導体を
素材とする場合に、受光部の赤外線センサは高性能とな
る。ただし、キャリア注入領域がnウェル構造を有し、
各赤外線センサにおける光信号電荷をキャリア注入領域
から読み出すので、転送電荷が電子になっている。従っ
て、電荷転送能力が優れているので、前述の問題点を解
決することができる。
(Operation) In the solid-state infrared image sensor of the present invention, the first conductivity type is n
Type and the second conductivity type are p-type, the infrared sensor of the light receiving part has high performance when a semiconductor of n-type conductivity is used as a material, which easily forms an impurity region having a high concentration and a shallow junction depth. Become. However, the carrier injection region has an n-well structure,
Since the optical signal charge in each infrared sensor is read from the carrier injection region, the transfer charge is an electron. Therefore, since the charge transfer capability is excellent, the above-mentioned problems can be solved.

(実施例) 次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。(Example) Next, the Example of this invention is described with reference to drawings.

第1図は本発明の一実施例の単位画素の縦断面構造図で
ある。
FIG. 1 is a vertical sectional structural view of a unit pixel according to an embodiment of the present invention.

単位画素が赤外線センサ15、トランスファゲート16、及
び垂直CCD17から成り立っているのは、従来と同様であ
る。赤外線センサ15部のp型単結晶Si基板4内に形成さ
れたウェル構造の領域がキャリア注入領域3である。表
面にはキャリア注入領域3より高濃度に不純物を含有し
たn型の光電変換領域1が設けてある。これら光電変換
領域1とキャリア注入領域3との間にポテンシャル障壁
領域2を形成してある。ポテンシャル障壁領域はキャリ
ア注入領域3より不純物濃度が低いn型か、真性か、あ
るいは少なくとも動作条件下で完全空乏化状態となるp
型である。光電変換領域1及びポテンシャル障壁領域2
の周囲には電界集中を緩和するため、p+型ガードリング
5が施されているが、このp+型ガードリング5は、垂直
CCD17のある側ではキャリア注入領域3のウェル内にあ
り、垂直CCD17のない側では、キャリア注入領域3外部
に達し、n型チャネル領域のチャネル幅を限定するため
に具備したp+型チャネル阻止領域7とオーバーラップし
ている。キャリア注入領域3のトランスファゲート16側
は、光信号電荷を読み出す際のソース領域となる。光電
変換領域1とp+型ガードリング5とを短絡するため、そ
の両者とオーミック接触するようにシリサイド膜6が形
成されている。シリサイドが用いられている理由は従来
と同様であり、単なる金属膜あるいは金属配線によって
置き換えることもできる。また、光電変換領域1のp+
ガードリング5との接触部及びp+型ガードリング5が、
トンネル電流を容易に流し得る程、共に不純物を高濃度
含んでいるならば、シリサイド膜6を設けなくても短絡
状態にすることができる。シリサイド膜6、p+型ガード
リング5、p+型チャネル阻止領域7によって光電変換領
域1とポテンシャル障壁領域2とがp型Si基板4に接続
されている。
The unit pixel is composed of the infrared sensor 15, the transfer gate 16, and the vertical CCD 17, as in the conventional case. The region of the well structure formed in the p-type single crystal Si substrate 4 of the infrared sensor 15 is the carrier injection region 3. An n-type photoelectric conversion region 1 containing impurities at a higher concentration than the carrier injection region 3 is provided on the surface. A potential barrier region 2 is formed between the photoelectric conversion region 1 and the carrier injection region 3. The potential barrier region is n-type having an impurity concentration lower than that of the carrier injection region 3, is intrinsic, or is at least fully depleted under operating conditions p
It is a type. Photoelectric conversion region 1 and potential barrier region 2
Since the periphery of mitigating electric field concentration, but p + -type guard ring 5 is applied, the p + -type guard ring 5, the vertical
The p + -type channel block region is provided to limit the channel width of the n-type channel region, which is in the well of the carrier injection region 3 on the side with the CCD 17 and reaches the outside of the carrier injection region 3 on the side without the vertical CCD 17. It overlaps with 7. The transfer gate 16 side of the carrier injection region 3 becomes a source region when reading out optical signal charges. Since the photoelectric conversion region 1 and the p + -type guard ring 5 are short-circuited, the silicide film 6 is formed so as to make ohmic contact with both of them. The reason why the silicide is used is the same as the conventional one, and it can be replaced by a simple metal film or metal wiring. Further, the contact portion of the photoelectric conversion region 1 with the p + -type guard ring 5 and the p + -type guard ring 5 are
If both of them contain a high concentration of impurities so that the tunnel current can easily flow, a short-circuit state can be achieved without providing the silicide film 6. The photoelectric conversion region 1 and the potential barrier region 2 are connected to the p-type Si substrate 4 by the silicide film 6, the p + -type guard ring 5, and the p + -type channel blocking region 7.

垂直CCD17の構造、絶縁膜11、金属反射膜12、保護膜1
3、及び反射防止膜14については、従来のものと同様な
ので説明を省略する。
Structure of vertical CCD 17, insulating film 11, metal reflective film 12, protective film 1
Since 3 and the antireflection film 14 are the same as the conventional ones, the description thereof will be omitted.

該イメージセンサの全体構成についても、図示するなら
ば、第4図と同一になる。すなわち、全体構成はインタ
ーライン転送方式であり、単位画素を2次元し、配列
し、垂直・水平走査はそれぞれ垂直CCD17と水平CCD56と
で行なうようになっている。垂直CCD17は4相駆動、水
平CCD56は2相駆動であり、水平CCD56からは出力部57を
経て信号を外部に出力する構造になっている。
The overall structure of the image sensor is the same as that shown in FIG. That is, the entire configuration is an interline transfer system, in which unit pixels are two-dimensionally arranged and arranged, and vertical / horizontal scanning is performed by the vertical CCD 17 and the horizontal CCD 56, respectively. The vertical CCD 17 is a four-phase drive, the horizontal CCD 56 is a two-phase drive, and the horizontal CCD 56 has a structure in which a signal is output to the outside via an output unit 57.

この2次元赤外線CCDイメージセンサにおける、従来の
ものとの動作上の相違を以下に示す。
The difference in operation between this two-dimensional infrared CCD image sensor and the conventional one is shown below.

赤外線センサ15は従来と同様に蓄積モードで動作させる
のであるが、そのとき赤外線センサ15は第2図(b)に
示すようにバイアスされた状態となっている。赤外線セ
ンサ15裏面から入射した赤外光18が光電変換領域1に達
し、光電変換されるとホット電子がキャリア注入領域3
に放出され、ホールが光電変換領域1に残る。しかしな
がら、本発明では、光電変換領域1がシリサイド膜6、
p+型ガードリング5、p+型チャネル阻止領域7によって
p型Si基板4に接続されているので、ホールはp型Si基
板4に逃げる。一方、キャリア注入領域3に放出された
ホット電子は、トランスファゲート16がOFF状態で、キ
ャリア注入領域3がフロート状態のため、そこに蓄積さ
れる。一定の蓄積時間信号電荷を蓄積した後、トランス
ファゲート16がON状態になり、キャリア注入領域3に蓄
積された信号電荷(電子)が垂直CCD17に読み出され
る。読み出された信号電荷は従来の赤外線イメージセン
サと同様の動作で転送され、出力部57から時系列信号と
して出力される。
The infrared sensor 15 is operated in the accumulation mode as in the conventional case, but at that time, the infrared sensor 15 is in a biased state as shown in FIG. 2 (b). The infrared light 18 incident from the back surface of the infrared sensor 15 reaches the photoelectric conversion region 1, and when photoelectrically converted, hot electrons are injected into the carrier injection region 3.
And are left in the photoelectric conversion region 1. However, in the present invention, the photoelectric conversion region 1 has the silicide film 6,
Since the p + type guard ring 5 and the p + type channel blocking region 7 are connected to the p type Si substrate 4, the holes escape to the p type Si substrate 4. On the other hand, the hot electrons emitted to the carrier injection region 3 are accumulated therein because the transfer gate 16 is in the OFF state and the carrier injection region 3 is in the float state. After accumulating the signal charges for a fixed accumulation time, the transfer gate 16 is turned on, and the signal charges (electrons) accumulated in the carrier injection region 3 are read out to the vertical CCD 17. The read signal charge is transferred by the same operation as that of the conventional infrared image sensor, and is output from the output unit 57 as a time series signal.

このように、本発明の赤外線イメージセンサでは、n型
の光電変換領域でありながら、転送電荷を電子にするこ
とができるので、受光部が高性能で、かつ、電荷転送能
力に優れたものを提供できる。
As described above, in the infrared image sensor of the present invention, since the transfer charge can be converted into an electron in the n-type photoelectric conversion region, a light receiving unit having high performance and excellent charge transfer capability can be used. Can be provided.

なお本実施例では、光電変換領域1とポテンシャル障壁
領域2との短絡は、シリサイド膜6とp+型カードリング
5とによっており、また、光電変換領域1及びポテンシ
ャル障壁領域2と、p型Si基板4(グラウンド)との接
続は、p+型ガードリング5とp+型チャネル阻止領域7と
がオーバーラップする構造によって為されているが、別
の構造も可能である。別の構造例としては、(i)p+
ガードリング5とp+型チャネル阻止領域7とが分離して
いて、p+型ガードリング5からグラウンド電極まで金属
配線が施されるか、あるいはp+型ガードリング5とp+
チャネル阻止領域7とが金属配線によって接続され、他
の部分は同様の構造、(ii)ガードリングが高不純物濃
度ではないp型で、ガードリングの内部あるいはガード
リングと接触する位置に高不純物濃度のp+型領域があ
り、このp+型領域と光電変換領域との間が金属配線で接
続され、その金属配線がグラウンド電極まで導かれる
か、あるいはp+型チャネル阻止領域に接続された構造等
が挙げられる。
In this embodiment, the short circuit between the photoelectric conversion region 1 and the potential barrier region 2 is due to the silicide film 6 and the p + type card ring 5, and the photoelectric conversion region 1 and the potential barrier region 2 and the p type Si. The connection to the substrate 4 (ground) is made by the structure in which the p + type guard ring 5 and the p + type channel block region 7 overlap each other, but another structure is also possible. As another structural example, (i) the p + type guard ring 5 and the p + type channel blocking region 7 are separated from each other, and metal wiring is provided from the p + type guard ring 5 to the ground electrode, or The p + -type guard ring 5 and the p + -type channel block region 7 are connected by a metal wiring, and the other portions have the same structure. (ii) The guard ring is a p-type that does not have a high impurity concentration, and There is a high impurity concentration p + -type region at the position where it contacts the guard ring, and this p + -type region and the photoelectric conversion region are connected by metal wiring, and the metal wiring is led to the ground electrode or p Examples include a structure connected to the + type channel block region.

また、本発明の赤外線イメージセンサにおいても、表面
照射型のイメージセンサが実現可能であること、また、
MOS方式等別の信号読み出し方式や1次元アレイのもの
も含むことは、従来技術と同様である。
Further, also in the infrared image sensor of the present invention, it is possible to realize a front-illuminated image sensor,
It is the same as the prior art that it includes another signal reading method such as MOS method and one-dimensional array.

(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、高濃度で接合深
さが浅い不純物領域を形成しやすい導電型がn型の半導
体、たとえば、SiやInPを基板材料とする場合に、受光
部が高性能で、かつ、電荷転送能力に優れた赤外線イメ
ージセンサを形成できる効果がある。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, when a semiconductor of n-type conductivity type, such as Si or InP, which easily forms an impurity region having a high concentration and a shallow junction depth, is used as a substrate material. In addition, there is an effect that it is possible to form an infrared image sensor having a high performance light receiving portion and an excellent charge transfer capability.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、本発明の一実施例の単位画素の縦断面構造図
である。第2図(a),(b)は、従来あるいは本発明
の赤外線イメージセンサにおける受光部のエネルギー帯
構造及び光電変換機構の説明図で、(a)は第1導電型
がp型で第2導電型がn型の場合、(b)は第1導電型
がn型で第2導電型がp型の場合である。第3図は従来
のこの種の赤外線イメージセンサの単位画素の縦断面構
造図である。第4図は従来あるいは本発明の赤外線イメ
ージセンサの全体構成図である。 1,25……光電変換領域(n型)、2,20,26,38……ポテン
シャル障壁領域、3,27……キャリア注入領域(n型)、
4,40……p型単結晶Si基板、5……P+型ガードリング、
6,43……シリサイド膜、7,44……p+型チャネル阻止領
域、8,45……n型チャネル領域、9,46……熱酸化膜、1
0,47……ポリSi電極、11,48……絶縁膜、12,49……金属
反射膜、13,50……保護膜、14,51……反射防止膜、15,5
2……赤外線センサ、16,53……トランスファゲート、1
7,54……垂直CCD、18,35,36,55……赤外光、19,37……
光電変換領域(p型)、21,39……キャリア注入領域
(p型)、22,28……価電子帯、23,29……禁制帯、24,3
0……伝導帯、31,33……ホット電子、32,34……ホット
ホール、41……n型ガードリング、42……n+型領域、56
……水平CCD、57……出力部。
FIG. 1 is a vertical sectional structural view of a unit pixel according to an embodiment of the present invention. FIGS. 2 (a) and 2 (b) are explanatory views of the energy band structure of the light receiving portion and the photoelectric conversion mechanism in the infrared image sensor of the related art or the present invention, and FIG. When the conductivity type is n-type, (b) is the case where the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. FIG. 3 is a vertical sectional structural view of a unit pixel of a conventional infrared image sensor of this type. FIG. 4 is an overall configuration diagram of an infrared image sensor of the related art or the present invention. 1,25 …… Photoelectric conversion region (n type), 2,20,26,38 …… Potential barrier region, 3,27 …… Carrier injection region (n type),
4,40 …… p type single crystal Si substrate, 5 …… P + type guard ring,
6,43 …… Silicide film, 7,44 …… p + type channel blocking region, 8,45 …… n type channel region, 9,46 …… Thermal oxide film, 1
0,47 …… Poly-Si electrode, 11,48 …… Insulating film, 12,49 …… Metal reflective film, 13,50 …… Protective film, 14,51 …… Anti-reflection film, 15,5
2 …… Infrared sensor, 16,53 …… Transfer gate, 1
7,54 …… Vertical CCD, 18,35,36,55 …… Infrared light, 19,37 ……
Photoelectric conversion region (p-type), 21,39 ... Carrier injection region (p-type), 22,28 ... Valence band, 23,29 ... Forbidden band, 24,3
0 …… conduction band, 31,33 …… hot electron, 32,34 …… hot hole, 41 …… n-type guard ring, 42 …… n + type region, 56
…… Horizontal CCD, 57 …… Output section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1導電型半導体から成る光電変換領域
と、この光電変換領域より不純物濃度が低い第1導電型
半導体から成るキャリア注入領域と、これら光電変換領
域とキャリア注入領域との間に存在し、不純物濃度がこ
のキャリア注入領域より低い第1導電型半導体か、真性
半導体か、あるいは少なくとも動作条件下で完全空乏化
状態となる第2導電型半導体から成るポテンシャル障壁
領域とを有し、これら光電変換領域とポテンシャル障壁
領域とキャリア注入領域とがホモ接合構造を構成して成
り立つ赤外線センサが、1次元あるいは2次元に配置さ
れた赤外線センサアレイと、該赤外線センサアレイにお
いて光電変換によって発生した電荷を時系列信号として
外部に読み出す電子走査回路とを具備した固体赤外線イ
メージセンサにおいて、第1導電型がn型、第2導電型
がp型であり、前記キャリア注入領域がnウェル構造を
有し、各赤外線センサにおける光信号電荷をキャリア注
入領域から読み出すことを特徴とする固体赤外線イメー
ジセンサ。
1. A photoelectric conversion region made of a first conductivity type semiconductor, a carrier injection region made of a first conductivity type semiconductor having an impurity concentration lower than that of the photoelectric conversion region, and between the photoelectric conversion region and the carrier injection region. A first conductivity type semiconductor which is present and has an impurity concentration lower than that of the carrier injection region, an intrinsic semiconductor, or at least a potential barrier region composed of a second conductivity type semiconductor which is completely depleted under operating conditions, An infrared sensor constituted by the photoelectric conversion region, the potential barrier region, and the carrier injection region forming a homojunction structure is generated by photoelectric conversion in the infrared sensor array arranged one-dimensionally or two-dimensionally. In a solid-state infrared image sensor equipped with an electronic scanning circuit for reading out electric charges as a time series signal to the outside A first conductivity type is n-type, a second conductivity type is p-type, the carrier injection region has an n-well structure, and optical signal charges in each infrared sensor are read from the carrier injection region. Infrared image sensor.
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