JP2003209245A - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device

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JP2003209245A
JP2003209245A JP2002007485A JP2002007485A JP2003209245A JP 2003209245 A JP2003209245 A JP 2003209245A JP 2002007485 A JP2002007485 A JP 2002007485A JP 2002007485 A JP2002007485 A JP 2002007485A JP 2003209245 A JP2003209245 A JP 2003209245A
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JP
Japan
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vertical transfer
photosensor
unit
transfer register
solid
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002007485A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsuhiko Yamamoto
敦彦 山本
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve light-receiving sensitivity, to increase a quantity of charge handled by a vertical transfer register, and to enhanced and electronic shutter function and an discharging function of excessive charge, by magnifying a sensor fill factor. <P>SOLUTION: Light-receiving regions 120A of a photo sensor part 120 and separation parts 130, by which he light-receiving regions 120A are separated one another, are exclusively formed on a first surface (light-receiving surface) 100 of a CCD solid-state imaging device. Each of vertical transfer registers 210 and each of overflow drain parts 220 are formed in parallel in each region corresponding to each pixel raw of the photo sensor part 120 on a second surface (driving electrode surface) 200 of the CCD solid-state imaging device. The vertical transfer registers 210 and the overflow drain parts 220 are controlled independently. Signal charge of the photo sensor part 120 is read out and output by controlling the vertical transfer registers 210. An electronic shutter function is realized by controlling the overflow drain parts 220. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、各種イメージセン
サに用いられる固体撮像素子に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid-state image sensor used in various image sensors.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のCCD固体撮像素子は、半導体基
板の片面に撮像画素を構成する複数のフォトセンサー部
と、このフォトセンサー部に蓄積された信号電荷をフォ
トセンサー部列毎に転送する垂直転送レジスタと、この
垂直転送レジスタによって転送された信号電荷を出力部
に転送する水平転送レジスタを配置した構成となってい
る。図6は、このようなCCD固体撮像素子の概要を示
す平面図である。撮像素子チップの中央に設けられる撮
像領域10には、それぞれ光電変換機能を有するフォト
センサー部20が2次元マトリクス状に配列されてお
り、このフォトセンサー部20の各列に沿って複数の垂
直転送レジスタ30が設けられている。そして、各垂直
転送レジスタ30の端部に接続されるようにして撮像領
域10の外側に水平転送レジスタ40が配置され、この
水平転送レジスタ40の端部に電荷−信号変換機能を有
する出力部50が設けられている。
2. Description of the Related Art A conventional CCD solid-state image pickup device includes a plurality of photosensor portions which form image pickup pixels on one surface of a semiconductor substrate, and a vertical type which transfers signal charges accumulated in the photosensor portions for each row of the photosensor portions. The transfer register and the horizontal transfer register for transferring the signal charges transferred by the vertical transfer register to the output section are arranged. FIG. 6 is a plan view showing the outline of such a CCD solid-state image sensor. Photosensor sections 20 each having a photoelectric conversion function are arranged in a two-dimensional matrix in the imaging area 10 provided in the center of the imaging element chip. A plurality of vertical transfer lines are arranged along each column of the photosensor sections 20. A register 30 is provided. Then, a horizontal transfer register 40 is arranged outside the imaging region 10 so as to be connected to an end of each vertical transfer register 30, and an output unit 50 having a charge-signal conversion function is provided at an end of the horizontal transfer register 40. Is provided.

【0003】図7は、図6に示すCCD固体撮像素子の
撮像領域10内の素子配置を示す拡大平面図である。図
示のように、上述したフォトセンサー部20の受光領域
22が2次元配列で配置され、各受光領域22の一辺に
はフォトセンサー部20の信号電荷を垂直転送レジスタ
30に読み出すための読み出しゲート部60が配置さ
れ、このゲート部60を介して垂直転送レジスタ30が
配置されている。また、フォトセンサー部20の受光領
域22の他の辺には分離部70が設けられ、隣接する撮
像画素間の信号電荷の漏洩を阻止し、混色を防止するよ
うになっている。
FIG. 7 is an enlarged plan view showing the arrangement of elements in the image pickup area 10 of the CCD solid-state image pickup element shown in FIG. As shown in the figure, the light receiving regions 22 of the photo sensor unit 20 described above are arranged in a two-dimensional array, and one side of each light receiving region 22 is a read gate unit for reading out the signal charge of the photo sensor unit 20 to the vertical transfer register 30. 60 is arranged, and the vertical transfer register 30 is arranged via the gate portion 60. Further, a separating section 70 is provided on the other side of the light receiving area 22 of the photo sensor section 20 to prevent leakage of signal charges between adjacent image pickup pixels and prevent color mixture.

【0004】しかしながら、上記従来のCCD固体撮像
素子では、撮像素子チップの片面に集中してフォトセン
サー部20の受光領域22、読み出しゲート部60、垂
直転送レジスタ30を並列配置する構成であるため、チ
ップサイズに対して受光領域22の配置面積(センサー
開口率)を大きくできず、受光感度を向上する上での障
害となる。また、垂直転送レジスタ30の配置面積も制
約されるため、その取扱電荷量を大きくすることが困難
となる。そこで最近では、チップサイズを大きくせずに
フォトセンサー部20の受光量域22や垂直転送レジス
タ30の配置面積を増大する構成として、半導体基板の
片面にフォトセンサー部20の受光領域22を配置し、
反対の面に垂直転送レジスタ30を配置することによ
り、半導体基板の両面を有効に利用してフォトセンサー
部20の受光領域22や垂直転送レジスタ30の配置面
積を拡大するようにした固体撮像素子(いわゆる裏面照
射型固体撮像素子)が提案されている(例えば、特開2
001−257337号公報参照)。この裏面照射型固
体撮像素子では、半導体基板の片面に設けた撮像領域の
ほぼ全面積を用いてフォトセンサー部の受光領域を形成
でき、チップサイズを大型化せずにセンサー感度を向上
でき、また、垂直転送レジスタの取扱電荷量を増大でき
る。
However, in the above-mentioned conventional CCD solid-state image pickup device, the light receiving region 22 of the photosensor unit 20, the read gate unit 60, and the vertical transfer register 30 are arranged in parallel on one surface of the image pickup device chip. The arrangement area (sensor aperture ratio) of the light receiving region 22 cannot be increased with respect to the chip size, which is an obstacle to improving the light receiving sensitivity. Further, since the layout area of the vertical transfer register 30 is also restricted, it is difficult to increase the amount of charge handled. Therefore, recently, the light receiving area 22 of the photosensor section 20 is arranged on one side of the semiconductor substrate so that the light receiving amount area 22 of the photosensor section 20 and the arrangement area of the vertical transfer register 30 are increased without increasing the chip size. ,
By arranging the vertical transfer registers 30 on the opposite surface, both surfaces of the semiconductor substrate can be effectively used to expand the light receiving area 22 of the photosensor section 20 and the arrangement area of the vertical transfer registers 30. A so-called back-illuminated solid-state image sensor has been proposed (for example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2-212058).
No. 001-257337). In this back-illuminated solid-state imaging device, the light-receiving region of the photosensor portion can be formed by using almost the entire area of the imaging region provided on one surface of the semiconductor substrate, and the sensor sensitivity can be improved without increasing the chip size. , The amount of charge handled by the vertical transfer register can be increased.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した特
開2001−257337号公報に開示される裏面照射
型固体撮像素子では、撮像素子チップを構成するシリコ
ン基板中の積層構造を用いてバーチャルなNPNトラン
ジスタを構成し、このトランジスタの動作によって縦形
オーバーフロードレインを機能させてフォトセンサー部
の余剰電荷を受光面側の透明電極より排出する構成とな
っている。すなわち、この裏面照射型固体撮像素子で
は、シリコン基板のフォトセンサー部が設けられる撮像
領域の反対面の領域をほぼ全で占有する状態で垂直転送
レジスタを配置しており、上述した縦形オーバーフロー
ドレインは、フォトセンサー部の余剰電荷を垂直転送レ
ジスタを避ける受光領域側に排出するようになってい
る。
In the backside illumination type solid-state image pickup device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-257337 mentioned above, a virtual NPN is used by using a laminated structure in a silicon substrate which constitutes an image pickup device chip. A transistor is formed, and the vertical overflow drain functions by the operation of the transistor to discharge the excess charge of the photosensor portion from the transparent electrode on the light receiving surface side. That is, in this backside illumination type solid-state image pickup device, the vertical transfer register is arranged in a state that almost entirely occupies the region of the silicon substrate opposite to the image pickup region where the photosensor portion is provided. The excess charges of the photo sensor section are discharged to the light receiving area side which avoids the vertical transfer register.

【0006】本発明は、このような実状に鑑み、フォト
センサー部の受光面と垂直転送レジスタを半導体基板の
両面を用いて配置する構成において、フォトセンサー部
の余剰電荷を効率よく排出するための縦形オーバーフロ
ードレイン構造を提案するものであり、その目的とする
ところは、センサー開口率の向上による受光感度の向上
や垂直転送レジスタにおける取扱電荷量の増大に加え
て、余剰電荷の排出機能や電子シャッタ機能を容易に強
化することが可能な固体撮像素子を提供することにあ
る。
In view of such an actual situation, the present invention provides a structure for arranging the light receiving surface of the photo sensor portion and the vertical transfer register on both sides of the semiconductor substrate to efficiently discharge the excess charge of the photo sensor portion. We propose a vertical overflow drain structure, and its purpose is to improve the light receiving sensitivity by increasing the sensor aperture ratio and increase the amount of charge handled in the vertical transfer register, as well as the function of discharging excess charge and the electronic shutter. An object of the present invention is to provide a solid-state image sensor whose function can be easily enhanced.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板
と、前記半導体基板の撮像領域に2次元的に配列され、
それぞれ光電変換機能を有する撮像画素を構成する複数
のフォトセンサー部と、前記フォトセンサー部に蓄積さ
れた信号電荷をフォトセンサー部列毎に転送する垂直転
送レジスタと、前記垂直転送レジスタによって転送され
た信号電荷を出力部に転送する水平転送レジスタと、前
記フォトセンサー部の余剰電荷を半導体基板の深さ方向
に排出するオーバーフロードレイン部とを有する固体撮
像素子において、前記半導体基板の第1面側に前記複数
のフォトセンサー部を設け、前記半導体基板の第2面側
には前記フォトセンサー部の各画素列に対応する領域毎
に前記垂直転送レジスタとオーバーフロードレイン部と
を並列に設けたことを特徴とする。
According to the present invention, a semiconductor substrate and two-dimensionally arrayed in an image pickup region of the semiconductor substrate are provided.
A plurality of photosensor units each of which constitutes an image pickup pixel having a photoelectric conversion function, a vertical transfer register for transferring the signal charges accumulated in the photosensor unit for each photosensor unit column, and a vertical transfer register for transferring the signal charges. In a solid-state imaging device having a horizontal transfer register for transferring signal charges to an output part and an overflow drain part for discharging surplus charges of the photosensor part in the depth direction of the semiconductor substrate, a first surface side of the semiconductor substrate is provided. The plurality of photosensor units are provided, and the vertical transfer register and the overflow drain unit are provided in parallel on the second surface side of the semiconductor substrate for each region corresponding to each pixel column of the photosensor unit. And

【0008】本発明の固体撮像素子によれば、半導体基
板の第1面側に複数のフォトセンサー部を設け、第2面
側にはフォトセンサー部の各画素列に対応する領域毎に
垂直転送レジスタとオーバーフロードレイン部とを並列
に設けたことから、半導体基板の第1面では、撮像領域
のほぼ全体を用いてフォトセンサー部の受光領域を配置
でき、チップサイズに対して受光面積を大きくとれるた
め、センサー感度の向上に寄与できる。また、半導体基
板の第2面では、垂直転送レジスタの十分な配置面積を
とることができ、十分な取扱電荷量の確保に寄与できる
とともに、残りの領域を用いてオーバーフロードレイン
部を配置でき、第1面で生じた過大受光量に伴うフォト
センサー部の余剰電荷を反対側の第2面側に導いて効率
よく排出できる。すなわち、このオーバーフロードレイ
ン部によって各フォトセンサー部毎に余剰電荷の十分な
排出経路を確保でき、有効な縦形オーバーフロードレイ
ン構造を得ることができるため、フォトセンサー部の余
剰電荷が垂直転送レジスタ側に溢れるようなことも容易
に阻止できる。また、このようなオーバーフロードレイ
ン部を用いて電子シャッター機能も容易に実現できる。
According to the solid-state imaging device of the present invention, a plurality of photosensor portions are provided on the first surface side of the semiconductor substrate, and vertical transfer is performed on the second surface side for each area corresponding to each pixel column of the photosensor portion. Since the register and the overflow drain portion are provided in parallel, the light receiving area of the photosensor portion can be arranged on the first surface of the semiconductor substrate by using almost the entire image pickup area, and the light receiving area can be made larger than the chip size. Therefore, it can contribute to the improvement of the sensor sensitivity. Further, on the second surface of the semiconductor substrate, a sufficient layout area of the vertical transfer register can be taken, which contributes to securing a sufficient amount of charge to be handled, and the overflow drain portion can be arranged using the remaining region. It is possible to efficiently guide the excess charges of the photo sensor unit caused by the excessive light receiving amount generated on one surface to the second surface side on the opposite side to efficiently discharge the charges. That is, since the overflow drain portion can secure a sufficient discharge path of the excess charge for each photosensor portion and an effective vertical overflow drain structure can be obtained, the excess charge of the photosensor portion overflows to the vertical transfer register side. Such a thing can be easily prevented. Further, an electronic shutter function can be easily realized by using such an overflow drain section.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態例につ
いて図面を参照して説明する。図1は本発明の実施の形
態例によるCCD固体撮像素子の第1面の撮像領域内の
素子配置を示す拡大平面図であり、図2は図1に示すC
CD固体撮像素子の第2面の図1に対応する領域の素子
配置を示す拡大平面図である。図1に示されるように、
本実施の形態例によるCCD固体撮像素子の第1面(受
光面)100には、撮像領域110全体に2次元配列で
フォトセンサー部120の受光領域120Aと、各受光
領域120Aを分離する分離部130が配置されてい
る。図7に示す構成と比較して、読み出しゲート部60
や垂直転送レジスタ30が排除された分だけ、相対的に
受光領域120Aの面積(センサー開口率)が大きくな
っている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is an enlarged plan view showing an arrangement of elements in an image pickup area of a first surface of a CCD solid-state image pickup element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a C diagram shown in FIG.
FIG. 3 is an enlarged plan view showing an element arrangement in a region corresponding to FIG. 1 on the second surface of the CD solid-state imaging element. As shown in FIG.
On the first surface (light-receiving surface) 100 of the CCD solid-state image sensor according to the present embodiment, the light-receiving area 120A of the photosensor section 120 and the separation section for separating the respective light-receiving areas 120A are arranged in a two-dimensional array over the entire imaging area 110. 130 are arranged. Compared to the configuration shown in FIG. 7, the read gate unit 60
The area (sensor aperture ratio) of the light-receiving region 120A is relatively increased due to the elimination of the vertical transfer register 30.

【0010】また、図2に示されるように、本実施の形
態例によるCCD固体撮像素子の第2面(駆動電極面)
200には、垂直転送レジスタ210とオーバーフロー
ドレイン部220が配置されている。すなわち、垂直転
送レジスタ210とオーバーフロードレイン部220
は、それぞれ垂直方向(矢印Aで示す)に延びた帯状に
形成されており、フォトセンサー部120の垂直方向の
各画素列に対応する領域毎に1つずつ並列に設けられて
おり、水平方向に垂直転送レジスタ210とオーバーフ
ロードレイン部220が交互に配列されている。また、
垂直転送レジスタ210とオーバーフロードレイン部2
20との間には分離部130A、230が直線状に配置
され、両者を電気的に分離している。このうち、分離部
130Aは図1に示す第1面の分離部130に対応する
ものであり、フォトセンサー部120の各画素列毎に分
離する第1の分離部である。また、分離部230は、フ
ォトセンサー部120の各画素列内で、垂直転送レジス
タ210とオーバーフロードレイン部220とを分離す
る第2の分離部である。
Further, as shown in FIG. 2, the second surface (driving electrode surface) of the CCD solid-state image sensor according to the present embodiment.
In 200, a vertical transfer register 210 and an overflow drain section 220 are arranged. That is, the vertical transfer register 210 and the overflow drain unit 220.
Are formed in strips extending in the vertical direction (indicated by the arrow A), and are provided in parallel in each region corresponding to each pixel column in the vertical direction of the photo sensor unit 120, and in the horizontal direction. The vertical transfer registers 210 and the overflow drains 220 are alternately arranged. Also,
Vertical transfer register 210 and overflow drain unit 2
Separation parts 130A and 230 are linearly arranged between the two and 20 to electrically separate the two. Of these, the separation unit 130A corresponds to the separation unit 130 on the first surface shown in FIG. 1, and is the first separation unit that separates each pixel column of the photosensor unit 120. The separation unit 230 is a second separation unit that separates the vertical transfer register 210 and the overflow drain unit 220 in each pixel column of the photo sensor unit 120.

【0011】なお、図2ではオーバーフロードレイン部
220が表面に露出した状態で示しているが、実際に
は、この第2面上には垂直転送レジスタ210の転送電
極が配置されるため、オーバーフロードレイン部220
は絶縁膜等で覆われた状態で配置されるものとする。ま
た、このオーバーフロードレイン部220には、電荷排
出用の配線(図示せず)が接続されている。また、上述
のような垂直転送レジスタ210のバイアス電圧とオー
バーフロードレイン部220のバイアス電圧は、図示し
ない駆動回路に設けたバイアス電圧制御部によって個別
に制御できるようになっている。また、本実施の形態例
によるCCD固体撮像素子においても、撮像領域110
の外側には水平転送レジスタや出力部が設けられている
が、これらは従来とほぼ同様の構成であるので説明は省
略する。
Although the overflow drain portion 220 is shown exposed on the surface in FIG. 2, in reality, since the transfer electrode of the vertical transfer register 210 is arranged on this second surface, the overflow drain portion 220 is exposed. Part 220
Shall be placed in a state of being covered with an insulating film or the like. Further, a wire (not shown) for discharging electric charge is connected to the overflow drain portion 220. Further, the bias voltage of the vertical transfer register 210 and the bias voltage of the overflow drain section 220 as described above can be individually controlled by a bias voltage control section provided in a drive circuit (not shown). Further, also in the CCD solid-state image sensor according to the present embodiment, the imaging area 110
A horizontal transfer register and an output unit are provided outside of, but the description thereof will be omitted because they have substantially the same configuration as the conventional one.

【0012】図3は本実施の形態におけるCCD固体撮
像素子の内部構造を示す部分断面図であり、図1のa−
a線における断面を示している。また、図4及びは図5
は、本実施の形態におけるCCD固体撮像素子の不純物
分布とポテンシャル構造を示す説明図であり、図4は垂
直転送レジスタ210の断面領域における不純物分布と
ポテンシャル構造を示し、図5はオーバーフロードレイ
ン部220の断面領域における不純物分布とポテンシャ
ル構造を示している。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the internal structure of the CCD solid-state image sensor according to the present embodiment.
The cross section at line a is shown. Also, FIG. 4 and FIG.
4A and 4B are explanatory views showing an impurity distribution and a potential structure of the CCD solid-state imaging device in the present embodiment, FIG. 4 shows an impurity distribution and a potential structure in a cross-sectional area of the vertical transfer register 210, and FIG. 3 shows the impurity distribution and potential structure in the cross-sectional area of.

【0013】まず、図3に示されるように、半導体基板
300には上述した分離部130、230が設けられて
おり、これら分離部130、230で分離された領域の
第1面100側にフォトセンサー部120が設けられ、
第2面200側に垂直転送レジスタ210とオーバーフ
ロードレイン部220が設けられている。フォトセンサ
ー部120は、半導体基板300の第1面100側に下
層のN−型光電変換層122と上層のP++型受光層1
21を設けてフォトダイオードを構成したものである。
なお、フォトセンサー部120の上面には、絶縁膜や保
護膜を介してカラーフィルタやマイクロレンズ等が装着
されるが、ここでは省略する。フォトセンサー部120
のP++型受光層121に入射した光は、N−型光電変
換層122を通過して信号電荷に変換され、下層の空乏
層に蓄積される。
First, as shown in FIG. 3, the semiconductor substrate 300 is provided with the above-mentioned separating portions 130 and 230, and the regions separated by these separating portions 130 and 230 are exposed on the first surface 100 side. The sensor unit 120 is provided,
A vertical transfer register 210 and an overflow drain 220 are provided on the second surface 200 side. The photo sensor unit 120 includes a lower N− type photoelectric conversion layer 122 and an upper P ++ type light receiving layer 1 on the first surface 100 side of the semiconductor substrate 300.
21 is provided to form a photodiode.
Note that a color filter, a microlens, or the like is attached to the top surface of the photosensor portion 120 with an insulating film or a protective film interposed therebetween, but it is omitted here. Photo sensor unit 120
The light incident on the P ++ type light receiving layer 121 passes through the N− type photoelectric conversion layer 122, is converted into a signal charge, and is accumulated in the lower depletion layer.

【0014】また、垂直転送レジスタ210とオーバー
フロードレイン部220は、上述した分離部230で仕
切られた領域に形成されている。そして、垂直転送レジ
スタ210は、第1面100から第2面200の方向に
順次形成されたN+型層211、P型層212、N+型
層213より形成されている。なお、垂直転送レジスタ
210のN+型層213の上面には、絶縁膜を介して転
送電極等が配置されるが、ここでは省略する。図4
(B)(C)に示すように、垂直転送レジスタ210で
は、N+型層211、P型層212、N+型層213の
積層構造によってバーチャルゲートを構成しており、バ
イアス電圧の制御によってフォトセンサー部120との
境界部におけるポテンシャルを制御することにより、ゲ
ート電位を制御して信号電荷の蓄積、読み出し動作を行
う。
Further, the vertical transfer register 210 and the overflow drain section 220 are formed in the area partitioned by the separating section 230 described above. The vertical transfer register 210 is formed of an N + type layer 211, a P type layer 212, and an N + type layer 213 that are sequentially formed in the direction from the first surface 100 to the second surface 200. Note that transfer electrodes and the like are arranged on the upper surface of the N + type layer 213 of the vertical transfer register 210 via an insulating film, but they are omitted here. Figure 4
As shown in (B) and (C), in the vertical transfer register 210, a virtual gate is configured by a laminated structure of an N + type layer 211, a P type layer 212, and an N + type layer 213, and the photosensor is controlled by controlling a bias voltage. By controlling the potential at the boundary with the portion 120, the gate potential is controlled and the signal charge is accumulated and read.

【0015】一方、オーバーフロードレイン部220
は、第1面100から第2面200の方向に順次形成さ
れたN+型層221、P型層222、N++型層223
より形成されている。図5(B)に示すように、オーバ
ーフロードレイン部220では、N+型層221、P型
層222、N++型層223の積層構造によってフォト
センサー部120との境界部にオーバーフローバリアO
FBを形成しているが、その電位は不純物濃度の差によ
って垂直転送レジスタ210の電荷蓄積時のゲート電位
よりも低いため、電荷蓄積中にフォトセンサー部120
を溢れた電荷は、垂直転送レジスタ210側の読み出し
ゲート部ではなく、オーバーフローバリアOFBを越え
てオーバーフロードレイン部220側に流れ込み、オー
バーフロードレイン部220より外部に排出される。ま
た、図5(C)に示すように、オーバーフロードレイン
部220のバイアス電圧の制御によってフォトセンサー
部120との境界部におけるポテンシャルを制御するこ
とにより、オーバーフローバリアOFBの電位を下げて
フォトセンサー部120の蓄積電荷を強制的に排出する
電子シャッターとしても機能する。
On the other hand, the overflow drain section 220
Is an N + type layer 221, a P type layer 222, and an N ++ type layer 223, which are sequentially formed from the first surface 100 to the second surface 200.
Is formed. As shown in FIG. 5B, in the overflow drain part 220, the overflow barrier O is formed at the boundary with the photo sensor part 120 due to the laminated structure of the N + type layer 221, the P type layer 222, and the N ++ type layer 223.
Although FB is formed, the potential thereof is lower than the gate potential of the vertical transfer register 210 during charge accumulation due to the difference in impurity concentration.
The electric charges overflowing over the overflow transfer gate 210 flow into the overflow drain part 220 side, not in the read gate part on the vertical transfer register 210 side, and are discharged to the outside from the overflow drain part 220. Further, as shown in FIG. 5C, by controlling the bias voltage of the overflow drain part 220 to control the potential at the boundary with the photosensor part 120, the potential of the overflow barrier OFB is lowered to lower the photosensor part 120. It also functions as an electronic shutter that forcibly discharges the accumulated charge of.

【0016】以上、本発明の具体的実施例について説明
したが、本発明は図1〜図5に示した例に限定されるも
のではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変
形が可能である。例えば、図3〜図5に示した各部の層
構造や不純物分布、ポテンシャル構造等は、あくまでも
本発明の機能を得るための一例であり、他の方式を採用
することが可能である。また、本発明は、上述のような
CCDを用いた固体撮像素子に最適であるが、例えばC
MOSセンサ型の撮像素子等についても応用し得るもの
である。
Although specific embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the examples shown in FIGS. 1 to 5, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. It is possible. For example, the layer structure, impurity distribution, potential structure, etc. of each part shown in FIGS. 3 to 5 are merely examples for obtaining the function of the present invention, and other methods can be adopted. Further, the present invention is most suitable for the solid-state image pickup device using the CCD as described above.
It can also be applied to a MOS sensor type image pickup device and the like.

【0017】[0017]

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子によれば、半導体基板の第1面側に複数のフォトセン
サー部を設け、第2面側にはフォトセンサー部の各画素
列に対応する領域毎に垂直転送レジスタとオーバーフロ
ードレイン部とを並列に設けたことから、半導体基板の
第1面ではチップサイズに対してフォトセンサーの受光
面積を大きくとれるためセンサー感度の向上に寄与で
き、半導体基板の第2面では垂直転送レジスタの十分な
配置面積をとることができ、十分な取扱電荷量の確保に
寄与できるとともに、残りの領域を用いてオーバーフロ
ードレイン部を配置できフォトセンサー部の余剰電荷を
効率よく排出できる。また、このようなオーバーフロー
ドレイン部を用いて電子シャッター機能も容易に実現で
きる。したがって、固体撮像素子の小型化、大型化、多
画素化、高速化、高品位化等に極めて有利な素子構造を
提供することが可能となる。
As described above, according to the solid-state image pickup device of the present invention, a plurality of photosensor portions are provided on the first surface side of the semiconductor substrate, and the second surface side is provided with each pixel column of the photosensor portion. Since the vertical transfer register and the overflow drain portion are provided in parallel for each corresponding region, the light receiving area of the photosensor can be made larger than the chip size on the first surface of the semiconductor substrate, which can contribute to improvement in sensor sensitivity. On the second surface of the semiconductor substrate, a sufficient layout area of the vertical transfer register can be taken, which contributes to securing a sufficient amount of charge to be handled, and an overflow drain section can be arranged using the remaining area, and a surplus of the photo sensor section can be provided. The charge can be discharged efficiently. Further, an electronic shutter function can be easily realized by using such an overflow drain section. Therefore, it is possible to provide an element structure that is extremely advantageous in downsizing, upsizing, increasing the number of pixels, increasing the speed, and improving the quality of the solid-state imaging element.

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

【図1】本発明の実施の形態例によるCCD固体撮像素
子の第1面の撮像領域内の素子配置を示す拡大平面図で
ある。
FIG. 1 is an enlarged plan view showing an element arrangement in an image pickup area of a first surface of a CCD solid-state image pickup element according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示すCCD固体撮像素子の第2面の図1
に対応する領域の素子配置を示す拡大平面図である。
FIG. 2 is a view showing a second surface of the CCD solid-state imaging device shown in FIG.
FIG. 6 is an enlarged plan view showing an element arrangement in a region corresponding to.

【図3】図1に示すCCD固体撮像素子の内部構造を示
す部分断面図である。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the internal structure of the CCD solid-state imaging device shown in FIG.

【図4】図1〜図3に示すCCD固体撮像素子の垂直転
送レジスタの断面領域における不純物分布とポテンシャ
ル構造を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an impurity distribution and a potential structure in a cross-sectional area of a vertical transfer register of the CCD solid-state imaging device shown in FIGS.

【図5】図1〜図3に示すCCD固体撮像素子のオーバ
ーフロードレイン部の断面領域における不純物分布とポ
テンシャル構造を示す説明図である。
5 is an explanatory diagram showing an impurity distribution and a potential structure in a cross-sectional region of an overflow drain portion of the CCD solid-state imaging device shown in FIGS.

【図6】従来のCCD固体撮像素子の概要を示す平面図
である。
FIG. 6 is a plan view showing an outline of a conventional CCD solid-state imaging device.

【図7】図6に示すCCD固体撮像素子の撮像領域内の
素子配置を示す拡大平面図である。
7 is an enlarged plan view showing an element arrangement in an image pickup area of the CCD solid-state image pickup element shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100……第1面(受光面)、110……撮像領域、1
20……フォトセンサー部、120A……受光領域、1
30、130A、230……分離部、200……第2面
(駆動電極面)、210……垂直転送レジスタ、220
……オーバーフロードレイン部。
100 ... First surface (light receiving surface), 110 ... Imaging area, 1
20 ... Photo sensor part, 120A ... Light receiving area, 1
30, 130A, 230 ... Separation part, 200 ... Second surface (driving electrode surface), 210 ... Vertical transfer register, 220
...... Overflow drain part.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と、前記半導体基板の撮像領
域に2次元的に配列され、それぞれ光電変換機能を有す
る撮像画素を構成する複数のフォトセンサー部と、前記
フォトセンサー部に蓄積された信号電荷をフォトセンサ
ー部列毎に転送する垂直転送レジスタと、前記垂直転送
レジスタによって転送された信号電荷を出力部に転送す
る水平転送レジスタと、前記フォトセンサー部の余剰電
荷を半導体基板の深さ方向に排出するオーバーフロード
レイン部とを有する固体撮像素子において、 前記半導体基板の第1面側に前記複数のフォトセンサー
部を設け、 前記半導体基板の第2面側には前記フォトセンサー部の
各画素列に対応する領域毎に前記垂直転送レジスタとオ
ーバーフロードレイン部とを並列に設けたことを特徴と
する固体撮像素子。
1. A semiconductor substrate, a plurality of photosensor portions which are two-dimensionally arranged in an image pickup region of the semiconductor substrate and which form image pickup pixels each having a photoelectric conversion function, and signals accumulated in the photosensor portion. A vertical transfer register that transfers charges for each photosensor unit column, a horizontal transfer register that transfers the signal charges transferred by the vertical transfer register to an output unit, and excess charges of the photosensor unit in the depth direction of the semiconductor substrate. In the solid-state imaging device having an overflow drain part that discharges to a plurality of photosensor parts, the plurality of photosensor parts are provided on the first surface side of the semiconductor substrate, and the pixel columns of the photosensor part are provided on the second surface side of the semiconductor substrate. Solid-state imaging device, wherein the vertical transfer register and the overflow drain portion are provided in parallel for each region corresponding to
【請求項2】 前記半導体基板の第1面及び第2面を前
記フォトセンサー部の各画素列毎に水平方向に分離する
第1の分離部と、前記半導体基板の第2面の前記フォト
センサー部の各画素列に対応する領域を水平方向に2分
割する第2の分離部とを有し、前記第1の分離部及び第
2の分離部によって分割された領域に前記垂直転送レジ
スタ及びオーバーフロードレイン部が水平方向に交互に
配置されていることを特徴とする請求項1記載の固体撮
像素子。
2. A first separating unit that horizontally separates the first surface and the second surface of the semiconductor substrate for each pixel column of the photosensor unit, and the photosensor on the second surface of the semiconductor substrate. A second separating unit that horizontally divides a region corresponding to each pixel column of the unit into two, and the vertical transfer register and the overflow are provided in the regions divided by the first separating unit and the second separating unit. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the drain portions are arranged alternately in the horizontal direction.
【請求項3】 前記オーバーフロードレイン部は、前記
半導体基板の第2面に露出していない埋め込み状態で設
けられていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像
素子。
3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the overflow drain portion is provided in a buried state which is not exposed on the second surface of the semiconductor substrate.
【請求項4】 前記半導体基板の第2面上に前記垂直転
送レジスタの転送電極を設けたことを特徴とする請求項
1記載の固体撮像素子。
4. The solid-state image pickup device according to claim 1, wherein the transfer electrode of the vertical transfer register is provided on the second surface of the semiconductor substrate.
【請求項5】 前記垂直転送レジスタのバイアス電圧と
オーバーフロードレイン部のバイアス電圧を個別に制御
するバイアス電圧制御手段を有することを特徴とする請
求項1記載の固体撮像素子。
5. The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a bias voltage control unit that individually controls a bias voltage of the vertical transfer register and a bias voltage of the overflow drain section.
【請求項6】 前記フォトセンサー部とオーバーフロー
ドレイン部との間のオーバーフローバリア部の電位と前
記フォトセンサー部と垂直転送レジスタとの間の読み出
しゲート部の電位の間に一定の差を設けることにより、
前記読み出しゲート部を閉じた状態でフォトセンサー部
の余剰電荷がオーバーフロードレイン部側に排出される
ようにしたことを特徴とする請求項5記載の固体撮像素
子。
6. A constant difference is provided between the potential of the overflow barrier section between the photosensor section and the overflow drain section and the potential of the read gate section between the photosensor section and the vertical transfer register. ,
6. The solid-state image sensor according to claim 5, wherein the excess charges of the photo sensor unit are discharged to the overflow drain unit side with the read gate unit closed.
【請求項7】 前記フォトセンサー部と垂直転送レジス
タとの間の読み出しゲート部の電位を垂直転送レジスタ
への電荷読み出しタイミングに基づいて制御することに
より、前記読み出しゲート部を開いてフォトセンサー部
の蓄積電荷を垂直転送レジスタ側に読み出されるように
したことを特徴とする請求項6記載の固体撮像素子。
7. The read gate section is opened to control the potential of the read gate section between the photosensor section and the vertical transfer register based on the charge read timing to the vertical transfer register. 7. The solid-state image pickup device according to claim 6, wherein the accumulated charges are read out to the vertical transfer register side.
【請求項8】 前記フォトセンサー部とオーバーフロー
ドレイン部との間のオーバーフローバリア部の電位をシ
ャッタータイミングに基づいて制御することにより、フ
ォトセンサー部の電荷を強制的に排出する電子シャッタ
ー機能を有することを特徴とする請求項6記載の固体撮
像素子。
8. An electronic shutter function for forcibly discharging the electric charge of the photo sensor unit by controlling the potential of the overflow barrier unit between the photo sensor unit and the overflow drain unit based on shutter timing. The solid-state image sensor according to claim 6.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009008537A (en) * 2007-06-28 2009-01-15 Fujifilm Corp Range image device and imaging device
WO2010013368A1 (en) * 2008-08-01 2010-02-04 パナソニック株式会社 Solid state imaging device

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