DE112011106038T5

DE112011106038T5 - Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE112011106038T5
Application number: DE112011106038.6T
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Tashiro; Shin Kikuchi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: US8872239B2; US20150035013A1; US20130161701A1; CN104054176B; GB2512778A; WO2013098952A1; DE112011106038B4; CN104054176A; JP6025750B2; US9362319B2; GB2512778A8; GB2512778B; JPWO2013098952A1; GB201412490D0

Abstract

Bezüglich einer Bildaufnahmevorrichtung besteht ein Problem, dass sich eine FD-Kapazität erhöht und sich dadurch ein Rauschen erhöht. Eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Bildaufnahmevorrichtung, bei der eine Vielzahl von Pixeln bei einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Jedes der Vielzahl von Pixeln weist ein fotoelektrisches Umwandlungselement, einen FD-Bereich, ein Transfer-Gate, das Ladungen in dem ersten Halbleiterbereich zu dem FD-Bereich überträgt, und einen Verstärkungstransistor auf, dessen Gate elektrisch mit dem FD-Bereich verbunden ist. Das fotoelektrische Umwandlungselement weist eine Außenkante auf, die in einer Draufsicht einen eingesenkten Abschnitt umfasst, wobei ein Source-Bereich und ein Drain-Bereich des Verstärkungstransistors in dem eingesenkten Abschnitt platziert sind, und wobei der FD-Bereich von dem fotoelektrischen Umwandlungselement umgeben oder in Draufsicht in dem eingesenkten Abschnitt platziert ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bildaufnahmevorrichtungen, die in Scannern, Videokameras, Digitalfotokameras, oder dergleichen verwendet werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Pixelstruktur einer Bildaufnahmevorrichtung.
Hintergrund
Bildaufnahmevorrichtungen mit Pixeln, die eindimensional oder zweidimensional angeordnet sind, wobei jedes Pixel einem Lichtempfangsbereich aufweist, der mit einem fotoelektrischen Umwandlungselement versehen ist, sind in Digitalkameras, Videokameras, Kopiergeräten, Faxgeräten, und dergleichen angeordnet. Beispiele von Bildaufnahmevorrichtungen schließen CCD-Bildaufnahmevorrichtungen und Bildaufnahmevorrichtungen vom Pixelverstärkungstyp ein.
Als Beispiele eines Bildaufnahmeelements vom Pixelverstärkungstyp offenbart PTL 1 zwei Beispiele einer Konfiguration eines Zeilensensors. Das erste Beispiel zeigt eine Konfiguration, bei der ein Modulationstransistor in der Mitte eines fotoelektrischen Umwandlungselements angeordnet ist. Der Modulationstransistor ist eingerichtet, um in dessen Kanalabschnitt Träger zu speichern, die einen Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu der Polarität des Modulationstransistors aufweisen, um ein Signal gemäß dem Ausmaß gespeicherter Ladungen zu verstärken, und um das Signal auszugeben.
Das zweite Beispiel zeigt eine Konfiguration, bei der ein Gleitdiffusionsbereich (Gleitdiffusion, floating diffusion, nachstehend FD) in der Mitte eines fotoelektrischen Umwandlungselements platziert ist, und eine ringförmige Gate-Elektrode derart angeordnet ist, um die FD zu umgeben. Die FD ist mit einem Gate eines Verstärkungstransistors mittels einer Verdrahtungsleitung verbunden, um eine Ladungsspannungsumwandlungseinheit zu bilden.
Zitierliste
Patentliteratur

PTL 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nummer 2007-081083

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei dem ersten Beispiel von PTL 1 ist es schwierig, die Speicherkapazität eines Trägerspeicherbereichs unter dem Kanal des Modulationstransistors während einem Erfüllen der Charakteristik des Modulationstransistors zu erhöhen.
Bei dem zweiten Beispiel von PTL 1 ist die spezifische Anordnung des Verstärkungstransistors nicht beschrieben. Abhängig von der Anordnungsbeziehung zwischen dem Verstärkungstransistor und der FD ist die Verdrahtungsleitung, die die FD und die Gate-Elektrode des Verstärkungstransistors verbindet, lang, wodurch eine Verdrahtungskapazität erhöht wird. Die Verdrahtungskapazität wird einer FD-Kapazität hinzugefügt. Wenn sich die FD-Kapazität erhöht, verringert sich der Ladungsspannungsumwandlungsgewinn, und ein Rauschen erhöht sich. Dieses Problem wird bedeutender, wenn sich die Fläche des fotoelektrischen Umwandlungselements erhöht.
Die Vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf dieses Problem getätigt, und stellt eine Bildaufnahmevorrichtung zur Verfügung, die eine Erhöhung einer FD-Kapazität unterdrückt.
Lösung des Problems
Die vorliegende Erfindung stellt eine Bildaufnahmevorrichtung zur Verfügung, bei der eine Vielzahl von Pixeln bei bzw. in einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei jedes der Vielzahl von Pixeln ein fotoelektrisches Umwandlungselement, das einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps und einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei der zweite Halbleiterbereich einen PN-Übergang zusammen mit dem ersten Halbleiterbereich bildet, einen Gleitdiffusionsbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, ein Transfer-Gate, das Ladungen in dem ersten Halbleiterbereich zu dem Gleitdiffusionsbereich überträgt, und einen Verstärkungstransistor einschließt, dessen Gate elektrisch mit dem Gleitdiffusionsbereich verbunden ist. Der erste Halbleiterbereich weist eine Außenkante auf, die in einer Draufsicht einen eingesenkten Abschnitt umfasst, wobei ein Source-Bereich und ein Drain-Bereich des Verstärkungstransistors in dem eingesenkten Abschnitt platziert sind, und wobei der Gleitdiffusionsbereich von dem ersten Halbleiterbereich umgeben oder in Draufsicht in dem eingesenkten Abschnitt platziert ist.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Erhöhung einer Gleitdiffusionskapazität unterdrückt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das eine Pixelstruktur einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
2 ist ein Diagramm, das einen äquivalenten Schaltkreis eines Einheitspixels gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
3 ist ein Diagramm, das ein Schnittbild veranschaulicht, der entlang einer Linie A-A' in 1 genommen ist.
4 ist ein Diagramm, das eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels veranschaulicht.
5 ist ein Diagramm, das eine Pixelstruktur einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
6 ist ein Diagramm, das eine Pixelstruktur einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
7 ist ein Diagramm, das ein Schnittbild der Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
8 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Bildaufnahmesystems veranschaulicht.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schließt eine Vielzahl von Pixeln (Bildelemente) ein, von denen jedes ein fotoelektrisches Umwandlungselement, einen FD-Bereich, ein Transfer-Gate, das Ladungen des fotoelektrischen Umwandlungselements zu dem FD-Bereich überträgt, und einen Verstärkungstransistor eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, dessen Gate mittels eines Leiters elektrisch mit dem FD-Bereich verbunden ist. Das fotoelektrische Umwandlungselement enthält einen ersten Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise N-Typ) und einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise P-Typ), der entgegengesetzt zu dem Leitfähigkeitstyp des ersten Halbleiterbereichs ist. Der erste Halbleiterbereich und der zweite Halbleiterbereich bilden einen PN-Übergang. Jeder aus dem ersten Halbleiterbereich und dem zweiten Halbleiterbereich kann durch eine Vielzahl von Halbleiterbereichen gebildet sein. Der erste Halbleiterbereich weist ein niedrigeres Potential bezüglich Signalladungen auf. Das heißt, der erste Halbleiterbereich ist in der Lage, Signalladungen zu speichern. Die Außenkante des ersten Halbleiterbereichs weist in Draufsicht einen eingesenkten Abschnitt auf, und das Gate des Verstärkungstransistors ist in dem eingesenkten Abschnitt angeordnet. Der FD-Bereich ist von dem ersten Halbleiterbereich umgeben oder in dem eingesenkten Abschnitt platziert. Eine solche Konfiguration wird in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen beschrieben. Der eingesenkte Abschnitt kann eine bestimmte Tiefe aufweisen, und der Großteil davon wird durch einen Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet. Ein Abschnitt bei der bestimmten Tiefe oder mehr kann ein Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps sein. Ein Elementisolationsbereich, der aus einem Isolator gebildet ist, kann an einem Grenzabschnitt des ersten Halbleiterbereichs des eingesenkten Abschnitts platziert sein. In einem Fall, in dem ein Transistor eines Pixels vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist, kann der Großteil des eingesenkten Abschnitts ein Halbleiterbereich des ersten Leitfähigkeitstyps sein. In dieser Beschreibung bedeutet ein „FD-Bereich” ein Halbleiterbereich selbst, der bei bzw. in einem Halbleitersubstrat platziert ist.
Alternativ sind als ein anderes Beispiel die FD und das Gate des Verstärkungstransistors von dem ersten Halbleiterbereich umgeben. Eine solche Konfiguration wird in den dritten und vierten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Herkömmlicherweise ist der Verstärkungstransistor an der Außenseite des ersten Halbleiterbereichs des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet, der ein fotoelektrisches Umwandlungselement bildet. Verglichen mit dieser Konfiguration ist der allen den vorstehenden Konfigurationen gemeinsame Punkt, dass der Verstärkungstransistor an der Innenseite des ersten Halbleiterbereichs angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen der FD und dem Gate des Verstärkungstransistors verringert wird.
Mit dieser Konfiguration kann die Länge einer Verdrahtungsleitung, die die FD und das Gate des Verstärkungstransistors verbindet (hiernach FD-Verdrahtungsleitung), verkürzt werden. Entsprechend kann eine FD-Kapazität verringert werden. Dieser Effekt ist insbesondere dann groß, wenn die Fläche des fotoelektrischen Umwandlungselements groß ist. Insbesondere ist der Effekt groß, wenn ein Pixelabstand (pixel pitch) 10 μm oder mehr beträgt.
Zu der FD übertragene Ladung wird durch die FD-Kapazität von Ladung in Spannung umgewandelt. Wenn sich die FD-Kapazität erhöht, verringert sich die Ladungsspannungsumwandlungseffizienz. Dies resultiert in größerem Rauschen in einem Schaltkreis in der folgenden Stufe (stage) des Verstärkungstransistors. Insbesondere führt eine Verringerung eines Ladungsspannungsumwandlungskoeffizienten zu einer Verschlechterung einer Pixelsensitivität. Qualitativ gesprochen ist selbst wenn viele Signalladungen existieren die Spannungsamplitude eines Signals klein, wenn die Ladungen in Spannung umgewandelt werden. Wenn eine Pixelsensitivität gering ist, ist es notwendig, ein Signal mit einem hohen Gewinn zu verstärken, nachdem das Signal von dem Schaltkreis in der folgenden Stufe (stage) des Pixels oder der Bildaufnahmevorrichtung ausgegeben wurde. Gleichzeitig wird Rauschen mit einem hohen Gewinn verstärkt. Wenn das mit einem hohen Gewinn verstärkte Rauschen Zufallsrauschen ist, ist es schwierig, eine Rauschreduktionsrate in einem Rauschreduktionsschaltkreis zu erhöhen. Daher erhöhen sich hauptsächlich Zufallsrauschkomponenten. Im Gegensatz kann gemäß der Konfiguration der vorliegenden Erfindung eine Erhöhung der FD-Kapazität unterdrückt und als ein Ergebnis Rauschen reduziert werden.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Verwendung bestimmter Ausführungsbeispiele beschrieben. Bei jedem Ausführungsbeispiel wird eine Beschreibung einer Konfiguration zur Verfügung gestellt, bei der Signalladungen als Elektronen betrachtet werden und ein Transistor vom N-Typ als ein Transistor eines Pixels verwendet wird. Als eine Abwandlung können Signalladungen als Elektronen betrachtet werden und ein Transistor vom P-Typ kann als ein Transistor eines Pixels verwendet werden. Alternativ können Signalladungen als Löcher betrachtet werden und ein Transistor vom N-Typ kann als ein Transistor eines Pixels verwendet werden. Signalladungen können als Löcher betrachtet werden und ein Transistor vom P-Typ kann als ein Transistor eines Pixels verwendet werden. Alternativ kann ein Transistor eines Pixels eine C-Konfiguration aufweisen. Diese Abwandlungen können beispielsweise durch Invertieren des Leitfähigkeitstyps jedes Halbleiterbereichs oder Invertieren der Hoch/Niedrig-Beziehung der Spannung realisiert werden.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 veranschaulicht eine ebene Struktur eines Pixels einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. 2 veranschaulicht einen äquivalenten Schaltkreis eines Pixels entsprechend der Pixelstruktur. Elemente mit derselben Funktion werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Beschreibung eines Falls bereitgestellt, bei dem die vorliegende Erfindung auf großflächige Pixel mit einem Pixelabstand (pixel pitch) von 10 μm oder mehr, insbesondere 50 μm, angewendet wird. A Pixel wird unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
100 bezeichnet ein Pixel (Bildelement). Bei einer Bildaufnahmevorrichtung ist ein Bereich, in dem eine Vielzahl von Pixeln 100 angeordnet ist, ein Pixelbereich. Die Pixel 100 sind eindimensional oder zweidimensional angeordnet. Bevorzugt sind die Pixel zweidimensional angeordnet.
101 bezeichnet einen Halbleiterbereich vom N-Typ (ein erster Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps), der ein fotoelektrisches Umwandlungselement bildet, 102 bezeichnet eine FD, 103 bezeichnet ein Transfer-Gate (Übertragungs-Gate), das Ladungen in dem Halbleiterbereich des N-Typs 101 zu der FD überträgt, und 104 bezeichnet einen Verstärkungstransistor, der ein Signal basierend auf den zu der FD übertragenen Ladungen verstärkt. Ein Halbleiterbereich des P-Typs (nicht veranschaulicht) kann über dem Halbleiterbereich des N-Typs 101 platziert sein, um eine Fotodiode des eingebetteten Typs zu bilden. Der Verstärkungstransistor 104 bildet einen Sourcefolgerschaltkreis zusammen mit einer Stromquelle (nicht veranschaulicht), die dem Verstärkungstransistor 104 einen Vorspannungsstrom (Bias-Strom) mittels einer Vertikalsignalleitung 112 zuführt, was nachstehend beschrieben wird.
Eine Ladungsspannungsumwandlungseinheit ist durch die FD 102, das Gate des Verstärkungstransistors 104, einen Leiter, der diese elektrisch verbindet, und eine Kapazität einschließlich deren parasitären Kapazität gebildet. Das Gate des Verstärkungstransistors 104 ist mit der FD 102 mittels des Leiters verbunden. Der Leiter ist eine Verdrahtungsleitung, die aus einem Kontaktanschluss (contact plug), einem Durchanschluss (via plug), und Metall zusammengesetzt ist. Aluminium, Kupfer, oder dergleichen können als das Material der Verdrahtungsleitung verwendet werden. Tungsten oder dergleichen kann als das Material der Anschlüsse verwendet werden.
105 bezeichnet eine Rücksetzeinheit, die der FD eine bestimmte Spannung zuführt, und 106 bezeichnet eine Auswahleinheit, die einen Pixel auswählt. Beispielsweise können Transistoren als die Rücksetzeinheit 105 und die Auswahleinheit 106 verwendet werden. Auch kann ein Transistor als der Verstärkungstransistor 104 verwendet werden. Nachstehend wird ein Fall als ein Beispiel beschrieben, bei dem Transistoren vom N-Typ als die Rücksetzeinheit 105, die Auswahleinheit 106, und der Verstärkungstransistor 104 verwendet werden.
Der Pixel gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist durch diese Elemente gebildet, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Auswahleinheit 106 nicht vorgesehen sein, und die Rücksetzeinheit 105 kann ein Pixel durch Steuern der der FD zugeführten Spannung auswählen. Alternativ kann irgendeines aus dem Verstärkungstransistor, der Rücksetzeinheit, und der Auswahleinheit, oder eine Kombination davon, oder alle drei Elemente, von einer Vielzahl von fotoelektrischen Umwandlungselementen geteilt bzw. gemeinsam genutzt werden.
Eine erste Leistungsversorgungsverdrahtungsleitung 107 legt eine bestimmte Spannung an das Drain des Rücksetztransistors 105 und das Drain des Verstärkungstransistors 104 an. In diesem Ausführungsbeispiel werden die an das Drain des Rücksetztransistors 105 angelegte Spannung und die an das Drain des Verstärkungstransistors 104 angelegte Spannung mittels derselben Verdrahtungsleitung zugeführt bzw. angelegt, das heißt, mittels der ersten Leistungsversorgungsverdrahtungsleitung 107. Die durch die erste Leistungsversorgungsverdrahtungsleitung 107 übertragene Spannung ist beispielsweise 5 V oder 3,3 V. Die erste Leistungsversorgungsverdrahtungsleitung 107 führt eine Spannung von einem Leistungsversorgungsschaltkreis (nicht veranschaulicht) zu einem Pixel zu.
Eine zweite Leistungsversorgungsverdrahtungsleitung 108 ist eine Verdrahtungsleitung zum Zuführen bzw. Anlegen von beispielsweise einem Massepotential. Bei einem Pixel wird ein Massepotential an einen gemeinsamen Knoten des fotoelektrischen Umwandlungselements (Halbleiterbereich vom P-Typ) und eine Quelle vom P-Typ, bei der Transistoren des Pixels angeordnet sind, angelegt bzw. diesen zugeführt.
Eine Übertragungssteuerleitung 109 führt dem Transfer-Gate 103 Ansteuerpulse zu, und eine Rücksetzsteuerleitung 110 führt dem Gate des Rücksetztransistors 105 Ansteuerpulse zu. Eine Auswahlsteuerleitung 111 führt dem Gate des Auswahltransistors 106 Ansteuerpulse zu. Diese Steuerleitungen übertragen Ansteuerpulse von einem Vertikalabtastschaltkreis (nicht veranschaulicht) zu dem Transfer-Gate, dem Gate des Rücksetztransistors 105, und dem Gate des Auswahltransistors 106.
Die Vertikalsignalleitung 112 liest Signale von Pixeln in Einheiten von Pixelspalten aus. Signale einer Vielzahl von durch die gleiche Auswahlsteuerleitung 111 gesteuerten Pixeln werden durch eine Vielzahl von Vertikalsignalleitungen 112 nahezu simultan ausgelesen. Ein Spaltenschaltkreis (nicht veranschaulicht) ist für jede Vertikalsignalleitung 112 bereitgestellt. Der Spaltenschaltkreis kann eine Verstärkung eines durch die Vertikalsignalleitung 112 übertragenen Signals, einen AD-Umwandlungsschaltkreis, der ein durch die Vertikalsignalleitung 112 übertragenes Analogsignal in ein Digitalsignal umwandelt, einen Rauschreduktionsschaltkreis, usw. einschließen.
Die ersten und zweiten Leistungsversorgungsverdrahtungsleitungen 107 und 108 und eine Verdrahtungsleitung einer jeden Steuerleitung können eine Zweischichtstruktur aufweisen, die hauptsächlich aus Aluminium besteht. Der Querschnitt der Verdrahtungsleitungen ist beispielsweise im Wesentlichen quadratisch. Die Breite der Verdrahtungsleitungen kann 0,6 μm, und die Höhe der Verdrahtungsleitungen kann 0,6 μm betragen.
Die Rücksetzsteuerleitung 110, die Übertragungssteuerleitung 109, und die Auswahlsteuerleitung 111 erstrecken sich in der Richtung entlang einer Pixelzeile.
Ein Verdrahtungsmuster in der Richtung entlang einer Pixelzeile ist beispielsweise durch Verwenden von Aluminiumverdrahtungsleitungen in einer ersten Schicht gebildet. Bezüglich der Verdrahtung bei jedem Pixel werden beispielsweise auch Aluminiumverdrahtungsleitungen in einer zweiten Schicht durch ein Kontaktloch hindurch (nicht veranschaulicht) genutzt.
Die Vertikalsignalleitung 112, die erste Leistungsversorgungsverdrahtungsleitung 107, und die zweite Leistungsversorgungsverdrahtungsleitung 108 übertragen Signale einer Vielzahl von in einer bestimmten Pixelspalte eingeschlossenen Pixeln, oder führen Spannung einzelnen Elementen oder dergleichen der Vielzahl von in der bestimmten Pixelspalte eingeschlossenen Pixeln zu. Daher erstrecken sich die Vertikalsignalleitung 112, die erste Leistungsversorgungsverdrahtungsleitung 107, und die zweite Leistungsversorgungsverdrahtungsleitung 108 in der Richtung entlang einer Pixelspalte. Aluminiumverdrahtungsleitungen in der zweiten Schicht werden für ein Verdrahtungsmuster in der Richtung entlang einer Pixelspalte verwendet. Bezüglich der Verdrahtung bei einem Pixel werden auch Aluminiumverdrahtungsleitungen in der ersten Schicht durch ein Kontaktloch (nicht veranschaulicht) hindurch verwendet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Außenkante des Haltleiterbereichs vom N-Typ 101 in einer Draufsicht einen eingesenkten Abschnitt 113 auf. Der Großteil des eingesenkten Abschnitts 113 ist ein Halbleiterbereich vom P-Typ. Der Verstärkungstransistor 104, der Rücksetztransistor 105, und der Auswahltransistor 106 sind indem eingesenkten Abschnitt 113 angeordnet. Auch sind die FD und Pixeltransistoren derart angeordnet, dass die Länge einer FD-Verdrahtungsleitung so kurz wie möglich ist. Entsprechend kann die FD-Kapazität verringert werden. Als ein Ergebnis kann eine Ladungsspannungsumwandlungseffizienz erhöht und dadurch ein Rauschen reduziert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind alle der einen Pixelschaltkreis bildenden Transistoren in dem eingesenkten Abschnitt 113 angeordnet. Jedoch können zumindest eines aus dem Gate des Verstärkungstransistors 104 und der Source des Rücksetztransistors 105 darin angeordnet sein. Das heißt, zumindest einer von Abschnitten, die stark zu einer FD-Kapazität beitragen, kann darin angeordnet sein. Bevorzugt sind sowohl der Verstärkungstransistor 104 als auch der Rücksetztransistor 105 in dem eingesenkten Abschnitt 113 angeordnet. Es ist bevorzugt, dass die anderen Abschnitte derart angeordnet sind, um die Fläche des eingesenkten Abschnitts 113 zu minimieren.
Bei dem Fall einer Bildaufnahmevorrichtung einschließlich kleinflächiger Pixel mit einem Pixelabstand (pixel pitch) von wenigen μm ist die Fläche eines Pixelschaltkreisabschnitts groß bezüglich der Fläche eines Lichtempfangsabschnitts eines fotoelektrischen Umwandlungselements. Als ein Ergebnis ist in den meisten Fällen ein Blendenverhältnis kleiner als 50%. Auch gibt es kleine Schwierigkeiten bei einer Durchführung einer Gestaltung (layout) für eine Realisierung von höherer Übertragungseffizienz unter Verwendung von kleinflächigen Pixeln.
Im Gegensatz kann als ein Ergebnis einer Anwendung dieses Ausführungsbeispiels auf große Pixel mit einem Pixelabstand von mehr als 10 μm, bevorzugter auf Pixel mit einem Pixelabstand von 20 μm oder mehr, ein Problem einer Verringerung einer Sensitivität unterdrückt werden, und kann eine hohe Übertragungseffizienz und reduziertes Rauschen realisiert werden. Gleiches gilt für die folgenden anderen Ausführungsbeispiele.
Ferner sind bei diesem Ausführungsbeispiel die FD 102 und das Transfer-Gate 103 umgeben von dem Halbleiterbereich vom N-Typ 101. Das Transfer-Gate 103 ist sogenannt ringförmig, und die FD 102 ist in der Mitte davon platziert. Mit anderen Worten wird ein Übertragungskanal von der FD 102 aus gesehen in den Richtungen von 360 Grad gebildet. Die Außenkante des Transfer-Gates 103 ist in Draufsicht im Wesentlichen hexagonal, und die FD 102 ist in der Mitte davon platziert.
Die Ringform des Transfer-Gates 103 ermöglicht es von den einzelnen Richtungen des Halbleiterbereichs vom N-Typ 101 verstreuten Signalladungen, zu der FD 102 übertragen zu werden, ohne von der Richtung des Halbleiterbereichs vom N-Typ 101 bezüglich der FD 102 abzuhängen. Ferner kann die Gate-Breite des Transfer-Gates 103 groß sein, und dadurch kann selbst bei großflächigen Pixeln eine Übertragung verlässlicher durchgeführt und eine hohe Übertragungseffizienz bzw. Transfereffizienz realisiert werden.
Als nächstes wird eine Querschnittstruktur (Schnittbildstruktur) dieses Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 ist eine entlang einer Linie A-A' in 1 genommene Schnittbildansicht.
In 3 bezeichnet 301a einen Halbleiterbereich vom N-Typ, der ein fotoelektrisches Umwandlungselement bildet, und bezeichnet 301b einen Halbleiterbereich vom P-Typ, der über dem Halbleiterbereich vom N-Typ 301a platziert ist. 302 bezeichnet eine Quelle vom P-Typ (P-type well). Der Halbleiterbereich vom N-Typ 301a, der Halbleiterbereich vom P-Typ 301b, und die Quelle vom P-Typ 302 bilden eine Fotodiode vom eingebetteten Typ.
303 bezeichnet eine FD, und 304 bezeichnet eine Transfer-Gate-Elektrode, die auf einem Halbleitersubstrat mittels eines Gate-Isolierfilms bereitgestellt ist. Die FD 303 ist durch einen Halbleiterbereich vom N-Typ gebildet.
305 bezeichnet eine Gate-Elektrode eines Verstärkungstransistors, 306 bezeichnet eine FD-Verdrahtungsleitung, 307 bezeichnet ein leitfähiges Muster, und 307 bezeichnet einen Kontaktanschluss. 308 bezeichnet einen Durchanschluss. 309. bezeichnet einen Elementisolationsbereich, der durch einen Isolator gebildet ist. Als der Elementisolationsbereich 309 kann LOCOS (local Oxidation of silicon, lokale Oxidation von Silizium), STI (shallow trench isolation, Flachgrabenisolierung) oder dergleichen verwendet werden.
Die Ladungsspannungsumwandlungseinheit ist durch Einschließen der FD 303, der FD-Verdrahtungsleitung 306, dem Kontaktanschluss 307, der Gate-Elektrode 305 des Verstärkungstransistors, und deren Kapazität gebildet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die FD-Verdrahtungsleitung 306 durch eine zweite Verdrahtungsschicht oder eine Verdrahtungsschicht über der zweiten Verdrahtungsschicht gebildet, und das leitfähige Muster 307, das durch eine Verdrahtungsschicht unter der FD-Verdrahtungsleitung 306 gebildet ist, ist an einer Position angeordnet, die der FD-Verdrahtungsleitung 306 gegenüber liegt. Die FD-Verdrahtungsleitung 306 und das leitfähige Muster 307 liegen sich einander mit einem Isolierfilm dazwischen gegenüber. Auch ist das leitfähige Muster 307 mit der Source des Verstärkungstransistors verbunden. Der Verstärkungstransistor 104 führt einen Sourcefolgerbetrieb durch, wodurch die Richtung eines von der Source ausgegebenen Signals gleich ist der Richtung einer Potentialschwankung, die bei der FD 303 auftritt. Auch ist die Amplitude des Signals fast die gleiche, obwohl sie von dem Gewinn des Sourcefolgerschaltkreises abhängt. Durch diese Anordnung kann das Verhältnis einer zwischen der FD-Verdrahtungsleitung 306 und dem leitfähigen Muster 307 erzeugten Kapazität bezüglich der Verdrahtungskapazität der FD-Verdrahtungsleitung 306 erhöht werden. Auch kann, da die Richtung einer Änderung des Potentials des leitfähigen Musters 307 gleich der Richtung einer Änderung des Potentials der FD-Verdrahtungsleitung 306 ist, die parasitäre Kapazität zwischen dem leitfähigen Muster 307 und der FD-Verdrahtungsleitung 306 ignoriert werden, und die wesentliche Verdrahtungskapazität kann verringert werden. In einem Fall, in dem das leitfähige Muster 307 nicht bereitgestellt ist, liegt die FD-Verdrahtungsleitung 306 dem Halbleitersubstrat mittels dem Isolator gegenüber und kann die zwischen der FD-Verdrahtungsleitung 306 und dem Halbleitersubstrat oder einzelnen Halbleiterbereichen in dem Halbleitersubstrat erzeugte Kapazität nicht ignoriert werden. Der Abschnitt des Halbleitersubstrats, der der FD-Verdrahtungsleitung 306 gegenüber liegt, stimmt nicht unbedingt überein bezüglich der Richtung einer Änderung des Potentials der FD-Verdrahtungsleitung 306, wodurch eine Verdrahtungskapazität erzeugt wird. Daher kann Rauschen weiter reduziert werden durch Anordnen des leitfähigen Musters 307, um die FD-Kapazität zu verringern.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel beschrieben. Ein Merkmal des Verfahrens zur Herstellung einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Bilden des Halbleiterbereichs vom N-Typ 301a, der unter dem ringförmigen Transfer-Gate 304 platziert ist. Der Elementisolationsbereich 309 und die Quelle vom P-Typ 302 werden unter Verwendung eines bekannten Verfahrens gebildet. Dann werden die Transfer-Gate-Elektrode 304 und die Gate-Elektrode 305 des Verstärkungstransistors gebildet. Danach wird, mit einem Bereich anders als der Bereich für das fotoelektrische Umwandlungselement, wie der Bereich für die FD 303, maskiert, eine Ionenimplantation mit einem Ion vom N-Typ bezüglich der Transfer-Gate-Elektrode 304 unter Verwendung von Selbstausrichtung durchgeführt. Zu dieser Zeit wird eine Ionenimplantation durch Verwendung eines Rotationsionenimplantationsverfahrens durchgeführt, bei dem der Oberfläche eines Halbleitersubstrats eine Neigung gegeben wird und eine Halbleiterscheibe (wafer) bezüglich einer Normalen rotiert wird. Mittels dieses Verfahrens kann der Halbleiterbereich vom N-Typ 301a zu einer bestimmten Position direkt unter der Transfer-Gate-Elektrode 304 in alle die die FD 303 umgebenden Richtungen ausgedehnt werden. Ein geeigneter Neigungswinkel θ für Ionenimplantation liegt zwischen 10 und 40 Grad.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Außenkante der Transfer-Gate-Elektrode 103 in einer Draufsicht in einer hexagonalen Form gebildet, aber die Form ist nicht darauf beschränkt.
4 veranschaulicht eine Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels. Die Elemente mit den gleichen Funktionen wie jene in 1 sind mittels den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren detaillierte Beschreibung ist weggelassen. In 4 ist die ebene Form der Transfer-Gate-Elektrode 403 eine Form mit einer Kurve. Jedoch ist die Form keine perfekte Ringform, und die FD 102 und der Source-Bereich des Rücksetztransistors 105 sind in dem gleichen aktiven Bereich angeordnet. Mit anderen Worten sind die FD 102, der Verstärkungstransistor 104, und der Rücksetztransistor 105 in dem eingesenkten Abschnitt 113 angeordnet. Mit dieser Konfiguration kann die Fläche des eingesenkten Abschnitts 113 verringert werden.
Ferner können die Source- und Drain-Bereiche des Verstärkungstransistors 104 und des Auswahltransistors 106 in dem gleichen aktiven Bereich angeordnet sein, in dem die FD 102 platziert ist. Das heißt, ein Elementisolationsbereich, der aus einem Isolator gebildet ist, ist nicht zwischen der FD 102 und der Source des Auswahltransistors bereitgestellt. Solch eine Konfiguration ist bevorzugt, weil der Rücksetztransistor 105, der Verstärkungstransistor 104, und der Auswahltransistor 106 linear angeordnet werden können, und die Fläche des eingesenkten Abschnitts 113 verringert werden kann.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel und dessen Abwandlung kann selbst bei großflächigen Pixeln mit einem Pixelabstand (pixel pitch) von 20 μm oder mehr die Übertragungseffizienz von dem fotoelektrischen Umwandlungselement zu der FD erhöht werden, während eine Erhöhung der FD-Kapazität unterdrückt wird.
Zweites Ausführungsbeispiel
5 veranschaulicht eine ebene Struktur eines Pixels einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die gleichen Elemente wie jene in dem ersten Ausführungsbeispiel sind mittels den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und die detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen. Ein äquivalenter Schaltkreis eines Pixels entsprechend dieser Pixelstruktur ist gleich derer in dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Pixelabstand der Bildaufnahmevorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist 20 μm oder mehr, insbesondere 50 μm. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass ein Halbleiterbereich vom N-Typ, der ein fotoelektrisches Umwandlungselement bildet, eine FD, ein Transfer-Gate, und das Gate eines Verstärkungstransistors umgibt. Der umgebende Halbleiterbereich vom N-Typ ist ein Bereich, der ein fotoelektrisches Umwandlungselement eines Pixels bildet. Mit dieser Konfiguration kann zusätzlich zu dem bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzielten Effekt die Fläche des Halbleiterbereichs vom N-Typ 101, der ein fotoelektrisches Umwandlungselement bildet, vergrößert werden. Auch kann zusätzlich zu dem Effekt des ersten Ausführungsbeispiels die Sensitivität weiter erhöht werden. Auch kann eine Sättigung bei dem fotoelektrischen Umwandlungselement verbessert werden
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Source- und Drain-Bereiche der Transistoren, die einen Pixelschaltkreis bilden, derart angeordnet, um komplett von dem Halbleiterbereich vom N-Typ 101 umgeben zu sein, der ein fotoelektrisches Umwandlungselement bildet. Entsprechend sind Verdrahtungsleitungen zur Verbindung der Transistoren des Pixels mit der Leistungsversorgungsverdrahtungsleitung und der Vertikalsignalleitung in dem Halbleiterbereich vom N-Typ 101 angeordnet. Bei dem fotoelektrischen Umwandlungselement ist ein Bereich, in dem Verdrahtungsleitungen angeordnet sind, unempfindlich gegenüber Licht. Jedoch kann ein Bereich zwischen Verdrahtungsleitungen als ein fotoelektrischer Umwandlungsbereich verwendet werden.
In vielen Fällen ist es schwierig, in einem durch eine unterbrochene Linie in 5 festgelegten Bereich P erzeugte Signalladungen zu der FD 102 unter Verwendung der Transfer-Gate-Elektrode 103 zu übertragen. Ein Potentialgradient (nicht veranschaulicht) kann in dem Bereich P gebildet sein, und in dem Bereich P erzeugte Signalladungen können zuerst mittels eines internen elektrischen Feldes zu dem Bereich außerhalb davon bewegt werden. Insbesondere kann die Störstellenkonzentration vom N-Typ des Bereichs P als NET-Konzentration geringer sein als jene des Bereichs außerhalb davon.
Ein Blendenverhältnis eines fotoelektrischen Umwandlungselements wird durch die Beziehung zwischen der Fläche eines unempfindlichen Bereichs, der ein Bereich ist, bei dem ein Pixelschaltkreis angeordnet ist, und der Fläche des fotoelektrischen Umwandlungselements bestimmt. Daher wird eine Gestaltung derart durchgeführt, um ein optimales Blendenverhältnis zu erzielen. Bezüglich eines unempfindlichen Bereichs, in dem Verdrahtungsleitungen auf dem fotoelektrischen Umwandlungselement angeordnet sind, kann ein wesentlicher unempfindlicher Bereich durch Verwendung einer Mikrolinse verringert werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann selbst bei großflächigen Pixeln mit einem Pixelabstand von 20 μm oder mehr eine Übertragungseffizienz erhöht werden, während eine Erhöhung der FD-Kapazität unterdrückt wird. Auch kann der Maximalabstand von einem Signalladungserzeugungsabschnitt bei einem fotoelektrischen Umwandlungselement zu der Transfer-Gate-Elektrode 103 verkürzt werden. Entsprechend kann eine Bildaufnahmevorrichtung erhalten werden, die sowohl eine Reduzierung von nicht übermittelten Signalladungen als auch eine höhere Übertragungseffizienz erreicht.
Drittes Ausführungsbeispiel.
6 veranschaulicht eine ebene Struktur eines Pixels einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die gleichen Elemente wie jene in dem ersten Ausführungsbeispiel sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren detaillierte Beschreibung ist weggelassen. Ein äquivalenter Schaltkreis dieses Ausführungsbeispiels ist gleich dem in dem ersten Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel wird auf großflächige Pixel mit einem Pixelabstand (pixel pitch) von 20 μm oder mehr, insbesondere 50 μm, angewendet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst ein fotoelektrisches Umwandlungselement eine Vielzahl von FDs 102 und eine Vielzahl von Transfer-Gate-Elektroden 103. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst ein fotoelektrisches Umwandlungselement vier FDs 102 und vier Transfer-Gate-Elektroden 103, das heißt, eine Transfer-Gate-Elektrode 103a, die Ladungen zu einer ersten FD 102a überträgt, eine Transfer-Gate-Elektrode 103b, die Ladungen zu einer ersten FD 102b überträgt, eine Transfer-Gate-Elektrode 103c, die Ladungen zu einer ersten FD 102c überträgt, und eine Transfer-Gate-Elektrode 103d, die Ladungen zu einer ersten FD 102d überträgt. Die FDs 102a bis 102d und die Transfer-Gate-Elektroden 103a bis 103d sind in der Mitte des fotoelektrischen Umwandlungselements angeordnet. Die Außenkanten der einzelnen Transfer-Gate-Elektroden 103a bis 103d sind in Draufsicht rechteckig. Ferner umgibt der Halbleiterbereich vom N-Typ, der das fotoelektrische Umwandlungselement bildet, den Halbleiterbereich vom P-Typ einschließlich eines Halbleiterbereichs, der die Source- und Drain-Bereiche des Verstärkungstransistors 104, des Rücksetztransistors 105, und des Auswahltransistors 106 bildet. Der Rücksetztransistor 105 entlädt Ladungen der Vielzahl von FDs 102a bis 102d bzw. führt bzw. leitet diese ab. Die FDs 102a bis 102d sind in aktiven Bereichen unabhängig voneinander platziert. Der Verstärkungstransistor 104, der Rücksetztransistor 105, und der Auswahltransistor 106 sind in dem gleichen aktiven Bereich angeordnet, der sich unterscheidet von den aktiven Bereichen, bei/in denen die einzelnen FDs 102a bis 102d platziert sind.
Als ein Ergebnis einer Anordnung der Vielzahl von Transfer-Gate-Elektroden bei der Mitte des fotoelektrischen Umwandlungselements kann die Übertragungseffizienz von bei einer Lichteinfallsoberfläche des fotoelektrischen Umwandlungselements erzeugten Signalladungen erhöht werden. Ferner kann die Breite der Transfer-Gate-Elektrode erhöht werden, wodurch eine Übertragung verlässlicher durchgeführt werden kann, und eine hohe Übertragungseffizienz kann selbst bei großflächigen Pixeln realisiert werden.
Es ist bevorzugt, dass die FDs 102a bis 102d in verschiedenen aktiven Bereichen platziert werden. Dies ist deshalb so, weil es schwierig wird, einen Raum für ein Anordnen von Pixeltransistoren zu erlangen, wenn die FDs 102a bis 102d in dem gleichen aktiven Bereich platziert sind.
Ferner können gemäß der Konfiguration dieses Ausführungsbeispiels FD-Verdrahtungsleitungen für ein Verbinden der FDs 102 und der Gate-Elektrode des Verstärkungstransistors 104, die in der Mitte des fotoelektrischen Umwandlungselements angeordnet sind, verkürzt werden, wodurch die FD-Kapazität verringert werden kann. Auch können Verdrahtungsleitungen für ein Verbinden der FDs 102 und der Source des Rücksetztransistors 105 verkürzt werden, wodurch die FD-Kapazität verringert werden kann.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der aktive Bereich, in dem die Source- und Drain-Bereiche der Transistoren, die einen Pixelschaltkreis bilden, platziert sind, komplett umgeben von dem Halbleiterbereich vom N-Typ, der das fotoelektrische Umwandlungselement bildet, wodurch Verdrahtungsleitungen bei einem Pixel auf dem fotoelektrischen Umwandlungselement angeordnet sind. Der Verdrahtungsbereich ist unempfindlich gegenüber Licht, aber ein Bereich zwischen Verdrahtungsleitungen kann als ein fotoelektrischer Umwandlungsbereich verwendet werden. Bezüglich des unempfindlichen Bereichs kann ein wesentlicher unempfindlicher Bereich durch Verwenden einer Mikrolinse verringert werden.
Dieses Ausführungsbeispiel erhöht den Freiheitsgrad bezüglich einer Gestaltung (layout) von Verdrahtungsleitungen, und ist daher insbesondere dann bevorzugt, wenn ein Pixelabstand größer ist.
7 veranschaulicht eine entlang einer Linie A-A' in 6 genommene Querschnittsansicht. Hierbei ist ein Abschnitt von der Unterseite bis zu einer Polysiliziumelektrode veranschaulicht, und eine Veranschaulichung von Verdrahtungsleitungen in den Schichten oberhalb des Polysiliziums ist weggelassen.
Ein Halbleiterbereich vom N-Typ 701a, ein auf einer Vorderoberfläche des Halbleiterbereichs vom N-Typ 701a platzierter Halbleiterbereich vom P-Typ 701b, und ein Halbleiterbereich vom P-Typ 702 bilden ein fotoelektrisches Umwandlungselement. Hier ist das fotoelektrische Umwandlungselement eine sogenannte Fotodiode vom eingebetteten Typ.
Ein Halbleiterbereich vom N-Typ 703 bildet eine FD. Eine Transfer-Gate-Elektrode 704 überträgt Elektronen in dem Halbleiterbereich vom N-Typ 701a zu dem Halbleiterbereich vom N-Typ 703. Ein Rücksetztransistor 705, ein Verstärkungstransistor 706, und ein Auswahltransistor 707 bilden Pixeltransistoren. Alle von diesen sind Transistoren vom N-Typ. Der Halbleiterbereich vom P-Typ 702 erstreckt sich in einem unteren Abschnitt dieser Pixeltransistoren. Alternativ kann ein in einem anderen Schritt gebildeter Halbleiterbereich vom P-Typ darin platziert sein. Der Bereich, in dem die Pixeltransistoren angeordnet sind, ist umgeben von dem Halbleiterbereich vom N-Typ 701a, und der größte Teil des Bereichs ist ein Halbleiterbereich vom P-Typ.
Ein isolierender Isolationsbereich 708 ist zwischen zueinander benachbarten fotoelektrischen Umwandlungselementen oder zwischen einem fotoelektrischen Umwandlungselement und einem aktiven Bereich, in dem Pixeltransistoren angeordnet sind, platziert. Ein Halbleiterbereich vom P-Typ 709 ist ein Kanalunterbrechungsbereich bzw. ein Kanalsperrbereich (channel stop region). Ein Halbleiterbereich vom P-Typ 710 ist eine Potentialbarriere bzw. eine Potentialsperre, die zwischen zueinander benachbarten fotoelektrischen Umwandlungselementen oder zwischen einem fotoelektrischen Umwandlungselement und Pixeltransistoren angeordnet ist. Der Halbleiterbereich vom P-Typ 710 kann sich zu einem Abschnitt unter den Pixeltransistoren erstrecken, oder kann nur unter dem isolierenden Isolationsbereich 708 platziert sein. Der Halbleiterbereich vom P-Typ 710, der zwischen zueinander benachbarten fotoelektrischen Umwandlungselementen platziert ist, unterdrückt einen Zufluss von Elektronen hauptsächlich von den benachbarten fotoelektrischen Umwandlungselementen. Auch der Halbleiterbereich vom P-Typ 710, der zwischen einem fotoelektrischen Umwandlungselement und Pixeltransistoren platziert ist, ist in der Lage, das Ausmaß von Elektronen zu unterdrücken, die hauptsächlich zu den Source- und Drain-Bereichen der Pixeltransistoren abgeführt bzw. abgeleitet werden. Der Halbleiterbereich vom P-Typ 710 kann nur zwischen fotoelektrischen Umwandlungselementen platziert sein. Der Halbleiterbereich vom P-Typ 710 kann auch mit dem Halbleiterbereich vom P-Typ 709 durchgehend platziert sein. Auch können in diesem Ausführungsbeispiel die Halbleiterbereiche vom P-Typ 709 und 710 nicht bereitgestellt sein, wie in 3 veranschaulicht. Andererseits können die Halbleiterbereiche vom P-Typ 709 und 710 gemäß diesem Ausführungsbeispiel für die in 3 veranschaulichte Konfiguration bereitgestellt sein.
Beispiel einer Anwendung bei einem Bildaufnahmesystem
8 veranschaulicht ein Beispiel eines Schaltkreisblocks in einem Fall, in dem die Bildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Kamera angewendet ist. Ein Verschluss 1001 ist vor einer Bildaufnehmlinse 1002 angeordnet, um eine Belichtung zu steuern. Das Ausmaß von Licht wird durch eine Blende 1003 gesteuert, wenn notwendig, wodurch ein Bild durch eine Bildaufnahmevorrichtung 1004 gebildet wird. Diese Elemente bilden ein optisches System. Ein von der Bildaufnahmevorrichtung 1004 ausgegebenes Signal wird durch einen Signalverarbeitungsschaltkreis 1005 verarbeitet, und wird durch einen A/D-Wandler 1006 von einem Analogsignal in ein Digitalsignal umgewandelt. Das ausgegebene Digitalsignal wird durch einen Signalprozessor 1007 weiter verarbeitet. Das verarbeitete Digitalsignal wird in einem Speicher 1010 gespeichert oder mittels einer externen Schnittstelle (I/F) 1013 zu einem externen Gerät übertragen. Die Bildaufnahmevorrichtung 1004, der Bildsignalverarbeitungsschaltkreis 1005, der A/D-Wandler 1006, und der Signalprozessor 1007 werden durch eine Zeitsteuerungserzeugungseinrichtung (timing generator) 1008 gesteuert, wohingegen das ganze System durch eine Gesamtsteuer-/-betriebseinheit 1009 gesteuert wird. Um ein Bild auf einem Aufzeichnungsmedium 1012 aufzuzeichnen, wird das ausgegebene Digitalsignal mittels einer Aufzeichnungsmediumsteuerschnittstelleneinheit 1011 aufgezeichnet, die durch die Gesamtsteuer-/-betriebseinheit gesteuert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde detailliert unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele beschrieben. Bezüglich Bildaufnahmevorrichtungen, für die eine hohe Sensitivität bzw. Empfindlichkeit gefordert ist, wird entgegen einer Verringerung einer Pixelgröße eine Vergrößerung einer Pixelgröße in Betracht gezogen.
Beispielsweise ist in dem Fall eines hochempfindlichen Full-HD-Sensors (1920×1080 Pixel) einer 35 mm Filmgröße der Pixelabstand etwa 20 μm, wenn eine Gestaltung durchgeführt wurde, um eine beste Ausnutzung eines Bildkreises einer Linse (bzw. eines Objektivs) zu schaffen. In dem Fall einer Bildaufnahmevorrichtung für eine medizinische Verwendung kann ein Abstand in dem Bereich von 50 μm bis 200 μm als ein bevorzugter Pixelabstand gefordert sein. In dieser Hinsicht ist die Bildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere effektiv, wenn sie bei einer Vorrichtung zur Anwendung kommt, die einen Pixelabstand aufweist, der eine Distanz zwischen einer Vielzahl von Pixeln ist, von gleich oder größer als 20 μm und gleich oder kleiner als 200 μm.
Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die einzelnen Ausführungsbeispiele, und Änderung, Entfernung, oder Hinzufügen kann diesbezüglich durchgeführt werden, ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen. Auch kann eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen geeignet kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

100: Pixel
101: Halbleiterbereich vom N-Typ
102, 303: Gleitdiffusion
103, 304: Transfer-Gate
104: Verstärkungstransistor
105: Rücksetztransistor
106: Auswahltransistor
305: Gate-Elektrode eines Verstärkungstransistors
306: FD-Verdrahtungsleitung

Claims

Bildaufnahmevorrichtung, bei der eine Vielzahl von Pixeln bei einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei jedes der Vielzahl von Pixeln umfasst ein fotoelektrisches Umwandlungselement, das einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps und einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei der zweite Halbleiterbereich einen PN-Übergang zusammen mit dem ersten Halbleiterbereich bildet, einen Gleitdiffusionsbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, ein Transfer-Gate, das Ladungen in dem ersten Halbleiterbereich zu dem Gleitdiffusionsbereich überträgt, und einen Verstärkungstransistor, dessen Gate elektrisch mit dem Gleitdiffusionsbereich verbunden ist, wobei der erste Halbleiterbereich eine Außenkante aufweist, die in einer Draufsicht einen eingesenkten Abschnitt aufweist, wobei das Gate des Verstärkungstransistors in dem eingesenkten Abschnitt platziert ist, und wobei der Gleitdiffusionsbereich von dem ersten Halbleiterbereich umgeben oder in Draufsicht in dem eingesenkten Abschnitt platziert ist.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Elementisolationsbereich, der aus einem Isolator gebildet ist, an einer Grenze zwischen dem ersten Halbleiterbereich und dem eingesenkten Abschnitt platziert ist.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Transfer-Gate ringförmig ist, und der Gleitdiffusionsbereich in einem Bereich platziert ist, der durch das Transfer-Gate umgeben ist.
Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Verdrahtungsleitung, die den Gleitdiffusionsbereich und die Gate-Elektrode des Verstärkungstransistors elektrisch verbindet, wobei ein leitfähiges Muster, das elektrisch mit einer Source des Verstärkungstransistors verbunden ist, zwischen der Verdrahtungsleitung und dem Halbleitersubstrat angeordnet ist.
Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein dritter Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps in dem eingesenkten Abschnitt platziert ist, und wobei ein Source-Bereich und ein Drain-Bereich des Verstärkungstransistors in dem dritten Halbleiterbereich platziert sind.
Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Rücksetztransistor, der Ladungen in dem Gleitdiffusionsbereich abführt, wobei der Rücksetztransistor in dem eingesenkten Abschnitt angeordnet ist.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Gleitdiffusionsbereich, der Source-Bereich und der Drain-Bereich des Verstärkungstransistors, und ein Source-Bereich und ein Drain-Bereich des Rücksetztransistors in dem gleichen aktiven Bereich platziert sind.
Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich der zweite Halbleiterbereich in den eingesenkten Abschnitt erstreckt, und ein Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps unter dem erstreckten zweiten Halbleiterbereich platziert ist.
Bildaufnahmevorrichtung, bei der eine Vielzahl von Pixeln bei einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei jedes der Vielzahl von Pixeln umfasst ein fotoelektrisches Umwandlungselement, das einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps und einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei der zweite Halbleiterbereich einen PN-Übergang zusammen mit dem ersten Halbleiterbereich bildet, einen Gleitdiffusionsbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, ein Transfer-Gate, das Ladungen in dem ersten Halbleiterbereich zu dem Gleitdiffusionsbereich überträgt, und einen Verstärkungstransistor, dessen Gate elektrisch mit dem Gleitdiffusionsbereich verbunden ist, wobei jedes der Gate-Elektrode des Verstärkungstransistors und des Gleitdiffusionsbereichs in Draufsicht von dem ersten Halbleiterbereich umgeben ist.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 9, wobei das fotoelektrische Umwandlungselement eine Vielzahl von Transfer-Gates, von denen jedes das Transfer-Gate ist, und eine Vielzahl von Gleitdiffusionsbereichen aufweist, von denen jeder der Gleitdiffusionsbereich ist.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, mit einem Rücksetztransistor, der Ladungen in der Vielzahl von Gleitdiffusionsbereichen abführt, wobei der Rücksetztransistor in einem Bereich angeordnet ist, der von dem ersten Halbleiterbereich umgeben ist.
Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vielzahl von Gleitdiffusionsbereichen in aktiven Bereichen unabhängig voneinander platziert ist, und wobei jeder der aktiven Bereiche ein Bereich verschieden von einem aktiven Bereich ist, bei dem der Verstärkungstransistor und der Rücksetztransistor angeordnet sind.
Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei sich der zweite Halbleiterbereich in den Bereich erstreckt, in dem der Verstärkungstransistor angeordnet ist, und wobei ein Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps unter dem erstreckten zweiten Halbleiterbereich platziert ist.
Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ein Pixelabstand P, der eine Distanz zwischen der Vielzahl von Pixeln ist, gleich oder größer als 20 μm und gleich oder kleiner als 200 μm ist.
Bildaufnahmesystem mit der Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, einem optischen System, das ein Bild optisch auf der Bildaufnahmevorrichtung bildet, und einem Signalverarbeitungsschaltkreis, der ein Signal von der Bildaufnahmevorrichtung verarbeitet.