JP2006073609A - Solid state imaging element, solid state imaging device, and imaging system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は固体撮像素子、特に受光し光電変換を行なうフォトダイオードが形成されるウエル構造に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a well structure in which a photodiode that receives light and performs photoelectric conversion is formed.
固体撮像素子にはCCDタイプとCMOSタイプがあるが、低コスト、低消費電力を魅力とするCMOSタイプの固体撮像素子は近年、需要を伸ばしている。CMOSエリアセンサの従来技術としては、フォトダイオードのウエル層はイオン注入を行った後に熱拡散を行うことにより形成されていたため、一般的には基板深さ方向の濃度分布は徐々に低くなっていた。その結果基板深さ方向のポテンシャルバリアをもっていない構造となり、ウエル内で発生した光キャリアの一部は基板方向に損失し、光信号として寄与しない。そのためセンサの量子化効率を低下させることになり、画素サイズの微細化にともない著しく画質を劣化させることとなる。 There are a CCD type and a CMOS type solid-state imaging device. Recently, a demand for a CMOS type solid-state imaging device which is attractive for low cost and low power consumption has increased. As a prior art of the CMOS area sensor, the well layer of the photodiode was formed by performing thermal diffusion after ion implantation, and thus the concentration distribution in the substrate depth direction was generally gradually lowered. . As a result, the structure has no potential barrier in the substrate depth direction, and a part of the optical carriers generated in the well is lost in the substrate direction and does not contribute as an optical signal. Therefore, the quantization efficiency of the sensor is lowered, and the image quality is significantly deteriorated as the pixel size is reduced.
センサの量子化効率を向上させる手段として、特許文献1に記載されているようなキャリアプロファイルを持つ構造がある(Fig.6)。この構造は基板内の深い領域に濃度の高い不純物拡散領域6Aをもち、ウエル内で吸収された光により発生した電荷を表面側に取り出す効率を上げ、感度を向上させる効果がある。
しかしながら、このような構造においては基板表面側の濃度を下げてしまう事によりフォトダイオードの構造上、感度以外の特性において不利な点が発生する。フォトダイオードの電荷蓄積部直下におけるウエルの濃度が薄くなるために、電荷蓄積部を十分に空乏化リセットする場合、特に完全空乏化する場合において空乏化電圧が高くなるという問題が生じる。この点を更に詳細に説明する。 However, in such a structure, reducing the concentration on the substrate surface side causes a disadvantage in characteristics other than sensitivity due to the structure of the photodiode. Since the concentration of the well immediately below the charge storage portion of the photodiode becomes thin, there is a problem that the depletion voltage becomes high when the charge storage portion is sufficiently depleted and reset, especially when it is completely depleted. This point will be described in more detail.
フォトダイオードのリセットノイズを除去するための方法として、リセット時及び、電荷読み出し時にフォトダイオード内を完全空乏化させるリセット動作がノイズ低減に特に効果があり、実際に実用化されている。これを実現するためには、フォトダイオードを十分に(好ましくは完全に)空乏化させるための電圧がリセット電圧より低い必要があり、また、転送ゲートのON時電圧の制約範囲内において、十分に電荷転送がなされる必要がある。この電荷転送の容易さという観点からも、フォトダイオードの空乏化電圧はなるべく低く設計する必要がある。一方、十分なダイナミックレンジ、すなわち十分なフォトダイオードの飽和電荷数を確保するためには、フォトダイオードの電荷蓄積領域の濃度は濃い方が望ましい。よって、電荷蓄積領域の濃度を下げることは空乏化電圧を下げる効果はあるものの、ダイナミックレンジの確保という点からは好ましくない。 As a method for removing the reset noise of the photodiode, a reset operation for completely depleting the inside of the photodiode at the time of resetting and at the time of charge reading is particularly effective in reducing noise, and has been practically used. In order to realize this, the voltage for fully (preferably completely) depleting the photodiode needs to be lower than the reset voltage, and is sufficiently within the constraint range of the ON voltage of the transfer gate. Charge transfer needs to be done. From the viewpoint of ease of charge transfer, it is necessary to design the depletion voltage of the photodiode as low as possible. On the other hand, in order to secure a sufficient dynamic range, that is, a sufficient saturation charge number of the photodiode, it is desirable that the concentration of the charge storage region of the photodiode is higher. Therefore, reducing the concentration of the charge storage region is not preferable from the viewpoint of securing the dynamic range, although it has the effect of reducing the depletion voltage.
したがって、電荷転送の容易さとダイナミックレンジの確保という両者の要求を同時に満たす固体撮像素子が望まれている。 Therefore, a solid-state imaging device that satisfies both the requirements of easy charge transfer and securing a dynamic range is desired.
以上の課題に鑑み、本発明は、画素内にフォトダイオードを有する固体撮像素子であって、前記フォトダイオードは第一導伝型の半導体基板に形成された第二導伝型の第1の不純物領域と、第一導伝型の第2の不純物領域とを含んで形成されており、前記第1の不純物領域は複数の不純物濃度ピークを有する領域を有し、少なくとも、前記第2の不純物領域に近接する第1の不純物濃度ピークは3×1015〜2×1017cm−3の範囲であることを特徴とする固体撮像素子を提供するものである。 In view of the above problems, the present invention is a solid-state imaging device having a photodiode in a pixel, wherein the photodiode is a second conductivity type first impurity formed on a first conductivity type semiconductor substrate. And a first impurity type second impurity region, the first impurity region having a plurality of impurity concentration peaks, and at least the second impurity region. The first impurity concentration peak in the vicinity of is in the range of 3 × 10 15 to 2 × 10 17 cm −3 , thereby providing a solid-state imaging device.
本発明によれば、フォトダイオードの空乏層の伸びを抑制することができることから空乏化電圧を抑制することが可能となり、電源電圧を上げることなく飽和電荷数の向上を図ることができ、低電源電圧、低消費電力で広いダイナミックレンジをもつ固体撮像素子の提供を可能にすることができる。 According to the present invention, since the extension of the depletion layer of the photodiode can be suppressed, the depletion voltage can be suppressed, and the number of saturated charges can be improved without increasing the power supply voltage. It is possible to provide a solid-state imaging device having a wide dynamic range with low voltage and low power consumption.
本発明は、フォトダイオードが、第一導伝型の半導体基板に形成された第二導伝型の第1の不純物領域(ウエル)、第一導伝型の第2の不純物領域(電荷蓄積領域)を少なくとも含んで形成されており、かつ前記第1の不純物領域は複数の不純物濃度ピークを有しており、前記第2の不純物領域に近接する第1の不純物濃度ピークを3×1015〜2×1017cm−3の範囲に設定することを特徴としている。 According to the present invention, a photodiode has a second conductivity type first impurity region (well) formed on a first conductivity type semiconductor substrate, and a first conductivity type second impurity region (charge storage region). ) At least, and the first impurity region has a plurality of impurity concentration peaks, and the first impurity concentration peak adjacent to the second impurity region is 3 × 10 15 to 3 × 10 15 . It is characterized by setting in the range of 2 × 10 17 cm −3 .
このように、電荷蓄積領域に近接する不純物領域(第1の不純物濃度ピークを有する領域)の濃度ピークを従来よりも高く設計することで、ウエル側に伸びる空乏層の広がりを抑制し、結果としてフォトダイオードの空乏化電圧を下げつつ飽和電荷を維持する手法を本発明者は見出した。 In this way, by designing the concentration peak of the impurity region (region having the first impurity concentration peak) adjacent to the charge accumulation region to be higher than before, the spread of the depletion layer extending to the well side is suppressed, and as a result The present inventor has found a technique for maintaining the saturation charge while lowering the depletion voltage of the photodiode.
具体的には、上述の特許文献1に記載のキャリアプロファイルでは、蓄積領域と近接するウエルの表面付近、蓄積領域下の領域は1×1015cm−3程度の濃度となっており、この場合、空乏層はウエル側に1μm程度伸びてしまう。本発明者の実測によると、この場合、飽和電荷に寄与せず無駄に必要とされる空乏化電圧はおよそ1Vとなる。これに対して、本発明においては、蓄積領域下の不純物領域の濃度を規定することによって、空乏化電圧を大幅に低減することが可能となる。 Specifically, in the carrier profile described in Patent Document 1 described above, the concentration in the vicinity of the surface of the well adjacent to the accumulation region and the region under the accumulation region is about 1 × 10 15 cm −3. The depletion layer extends to the well side by about 1 μm. According to the actual measurement by the present inventor, in this case, the depletion voltage that does not contribute to the saturation charge and is wasted is about 1V. On the other hand, in the present invention, the depletion voltage can be greatly reduced by defining the concentration of the impurity region under the accumulation region.
さらに第1の不純物濃度ピークよりも下側(基板の深さ方向)に形成された中間領域109の不純物濃度のピーク(第3の不純物濃度ピーク)を、第1の不純物濃度ピークの濃度の1/4以上、さらに、深い不純物領域110のピーク濃度(第2の不純物濃度ピークの濃度)に対して1/3以下であることを特徴とする。このような構成によれば、従来基板側に損失していたキャリアを信号電荷として取り込むことが可能となり、量子化効率を向上させることが可能となる。 Further, the impurity concentration peak (third impurity concentration peak) of the intermediate region 109 formed below the first impurity concentration peak (in the depth direction of the substrate) is set to 1 of the concentration of the first impurity concentration peak. / 4 or more, and 1/3 or less of the peak concentration of the deep impurity region 110 (concentration of the second impurity concentration peak). According to such a configuration, carriers that have been lost to the substrate side in the past can be taken in as signal charges, and the quantization efficiency can be improved.
また本発明の画素構造としては、画素内に、光電変換された電荷を増幅する増幅素子を有する構造に好適に利用される。 The pixel structure of the present invention is preferably used for a structure having an amplifying element for amplifying photoelectrically converted charges in the pixel.
以下具体的に実施例を挙げて、本発明に関して詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with specific examples.
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態を説明するための断面図である。101はn型シリコン基板(半導体基板)であり、n型シリコン基板101に108〜110の不純物濃度ピークを有する領域を含むp型ウエル(第1の不純物領域)が形成され、基板表面には素子分離領域102、転送トランジスタのゲート電極103、読み出し領域104、フォトダイオードの蓄積領域105(第2の不純物領域)、フォトダイオードの表面p領域106(第3の不純物領域)、111はp型ウエルが形成されている。遮光層107には開口部がありフォトダイオード以外の領域への光を遮光している。なお、この図では遮光層以外の配線層は省略してある。図1ではウエルとなる第1の不純物領域は目的別に3つの領域に分けて図示してある。図1において、表面近傍には、フォトダイオードの蓄積領域105下に近接する第1の不純物濃度ピークを有する不純物領域108が配置されている。不純物領域108は、フォトダイオードの蓄積領域105との間の接合における空乏層の幅を抑制する働きをもつ。この効果により、フォトダイオードの空乏化電圧を下げることができ、読み出し領域104をリセットする電位を上昇させることなくフォトダイオードをリセットし、転送効率の向上、より好ましくは完全転送が可能となる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the first embodiment. Reference numeral 101 denotes an n-type silicon substrate (semiconductor substrate). A p-type well (first impurity region) including a region having an impurity concentration peak of 108 to 110 is formed in the n-type silicon substrate 101, and an element is formed on the substrate surface. The isolation region 102, the transfer transistor gate electrode 103, the readout region 104, the photodiode storage region 105 (second impurity region), the photodiode surface p region 106 (third impurity region), and 111 are p-type wells. Is formed. The light shielding layer 107 has an opening to shield light to a region other than the photodiode. In this figure, wiring layers other than the light shielding layer are omitted. In FIG. 1, the first impurity region to be a well is divided into three regions for different purposes. In FIG. 1, an
また、フォトダイオードのリセットおよび転送に必要な転送ゲート電圧、すなわち転送トランジスタのゲート電極103に与えるON時電圧を小さくすることができ、電源電圧の上昇を招くことなくダイナミックレンジを確保することが可能となる。 In addition, the transfer gate voltage required for resetting and transferring the photodiode, that is, the ON voltage applied to the gate electrode 103 of the transfer transistor can be reduced, and a dynamic range can be secured without causing an increase in the power supply voltage. It becomes.
また、不純物領域108よりも深い位置に配された第2の不純物濃度ピークを有する不純物領域110は例えばボロンのイオン注入により形成することができ、2MeVの加速エネルギーで注入した場合、およそシリコン表面から3μmの深さに形成することができる。不純物領域110より深い場所で発生した光キャリアについてはシリコン基板中に損なわれてしまうが、ピーク110より浅い部分で発生した光キャリアについてはフォトダイオード側に集めることができる。109はレトログレードウエルの中間領域であり不純物領域110付近で発生した光キャリアを表面側に拡散させるために不純物領域110に比べ低い濃度で形成してある。さらに表面に近くには、フォトダイオードの蓄積領域105に近接する不純物領域108がある。これは中間領域109に比べ不純物濃度を濃く形成し、フォトダイオードの蓄積領域105との間の接合における空乏層の幅を抑制する働きをもつ。この効果により、フォトダイオードの空乏化電圧を下げることができ、読み出し領域104をリセットする電位を上昇させることなくフォトダイオードの完全リセット、完全転送が可能となる。また、フォトダイオードのリセットおよび転送に必要な転送ゲート電圧、すなわち転送トランジスタのゲート電極103に与えるON時電圧を小さくすることができ、電源電圧の上昇を招くことなくダイナミックレンジを確保することが可能となる。
Further, the impurity region 110 having the second impurity concentration peak disposed deeper than the
図2はフォトダイオード部の垂直方向の濃度プロファイルの説明図である。206はフォトダイオードの表面p領域の濃度プロファイルを示しており、図1の106に対応する。206はボロンまたはフッ化ボロンの注入により形成することが可能である。205はフォトダイオードの蓄積領域の濃度プロファイルであり、図1の105に対応する。205の形成は燐または砒素の注入により形成することが可能である。208は蓄積領域205に近接する不純物領域の濃度プロファイルであり、図1の108に対応する。209、209´は中間領域の濃度プロファイルであり、図1の109に対応する。図2では中間領域は2段のピークを持って形成されている。この様に、本発明は、所望の構造に合わせて複数段のイオン注入により形成する場合にも有効である。209、209´は加速エネルギーの異なる2回のボロンまたはフッ化ボロンの注入により形成することが可能である。210は208,209よりも深い場所に位置した不純物領域の濃度プロファイルを示しており、図1の110に対応する。また111に関しては省略している。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the concentration profile in the vertical direction of the photodiode portion. Reference numeral 206 denotes a concentration profile of the surface p region of the photodiode, which corresponds to 106 in FIG. 206 can be formed by implantation of boron or boron fluoride.
ここで、本発明の目的である感度の向上と飽和電荷の向上の両者を両立させるための手段に関して以下に説明する。 Here, a means for achieving both improvement in sensitivity and improvement in saturation charge, which are the objects of the present invention, will be described below.
電子が熱拡散する上でポテンシャル障壁となるか否かは、概ね次の式で表現することが可能である。
Vb=(kT/q)・ln(N1/N2)<kT/q
ここでVbは障壁、kはボルツマン定数、Tは温度、qは素電荷、N1は障壁のピーク濃度でありN2は障壁手前の濃度である。不等号の示す領域においては、熱励起によって電荷は障壁を乗り越えることができる。すなわち、N1/N2<eの場合(概ね3以下の場合)においては障壁を乗り越えることができる。そこで本発明では210の形成するポテンシャルは障壁として機能し、また、蓄積領域205に近接するウエル領域208の形成するポテンシャルは障壁とならない構成を提案するものである。具体的には上述により、
(1)不純物領域210の濃度は、中間領域209、209´のピーク濃度の3倍以上である。
(2)蓄積領域205に近接する不純物領域208のピーク濃度は中間領域209、209´のピーク濃度の4倍以下である。
Whether or not an electron becomes a potential barrier when thermally diffusing can be roughly expressed by the following equation.
Vb = (kT / q) · ln (N1 / N2) <kT / q
Here, Vb is a barrier, k is a Boltzmann constant, T is a temperature, q is an elementary charge, N1 is a peak concentration of the barrier, and N2 is a concentration before the barrier. In the region indicated by the inequality sign, the charge can overcome the barrier by thermal excitation. That is, when N1 / N2 <e (approximately 3 or less), the barrier can be overcome. Accordingly, the present invention proposes a configuration in which the potential formed by 210 functions as a barrier, and the potential formed by the well region 208 adjacent to the
(1) The concentration of the impurity region 210 is at least three times the peak concentration of the intermediate regions 209 and 209 ′.
(2) The peak concentration of the impurity region 208 adjacent to the
(2)に関して4倍以下とした理由は、蓄積領域205と近接するウエル領域208はNet濃度としてはお互いに打ち消し合う関係にあるため、ウエル(ボロン)濃度だけに着目する場合は4倍程度の濃度であっても実効的なNet濃度は実際には薄くなるためである。さらに、この様な条件を満たす濃度関係の具体例を示すと、蓄積領域205に近接する不純物領域208のピーク濃度は3×1015〜2×1017cm−3、中間領域209、209´のピーク濃度は1×1015〜5×1016cm−3、不純物領域210の濃度は3×1015〜1×1018cm−3とすることが効果的である。
Regarding (2), the reason why the value is set to 4 times or less is that the well region 208 adjacent to the
次にフォトダイオードの空乏化電圧を抑制するための手段について述べる。本発明による理想的な設計として、空乏層の広がりを近接する不純物領域208内で留めることが重要である。空乏層内において、正の固定電荷を始点とする電気力線は負の固定電荷を終点とすることを考えると、蓄積領域205の固定電荷の総数は、表面p領域206での空乏層内の固定電荷数と、近接するウエル208内での空乏層内の固定電荷数の和に等しい。表面p領域206が208に比べ不純物濃度が濃いことを考えると、過半数の固定電荷数は表面p領域206で受け持つことができ、近接する不純物濃度208の濃度は蓄積領域205の1/2以下でも解となりうる。本発明者の実験、検討によれば、蓄積領域205のピーク濃度は3×1016≦蓄積領域205のピーク濃度≦8×1017cm−3、近接する不純物領域208のピーク濃度は3×1015cm−3≦不純物領域208のピーク濃度≦蓄積領域205のピーク濃度において本実施形態の効果を得ることができる。より好適には、蓄積領域205の1/4以上であると効果が高い。さらに好適には蓄積領域205のピーク濃度は5×1016≦蓄積領域205のピーク濃度≦2×1017cm−3、且つ近接する不純物領域208のピーク濃度は1×1016cm−3≦不純物領域208のピーク濃度≦蓄積領域205のピーク濃度とし、上限は蓄積領域の濃度とすることが好ましい。
Next, means for suppressing the depletion voltage of the photodiode will be described. As an ideal design according to the present invention, it is important to keep the depletion layer spread within the adjacent impurity region 208. In the depletion layer, considering that the electric lines of force starting from a positive fixed charge start from a negative fixed charge, the total number of fixed charges in the
また、各濃度ピークの深さについては以下の関係であることがより効果的である。蓄積領域の濃度ピークの深さをV1、近接する不純物領域208の濃度ピークの深さをV2としたとき、V1<V2<2×V1
の関係とすることで本実施形態の効果をより効果的に得ることができる。
Further, it is more effective that the depth of each concentration peak has the following relationship. When the depth of the concentration peak of the accumulation region is V1, and the depth of the concentration peak of the adjacent impurity region 208 is V2, V1 <V2 <2 × V1.
With this relationship, the effect of the present embodiment can be obtained more effectively.
(第2の実施形態)
図3は第2の実施形態の説明図である。301〜311はそれぞれ図1の101〜111に対応する。本実施形態ではフォトダイオードの蓄積領域305に近接する不純物領域308は画素全面に形成されておらず、蓄積領域305下の部分にのみ形成されている。この様な構造とする利点は以下である。
(1)〔構造的利点〕隣接する画素からあふれた電荷を読み出し領域304に吸い込むことができるため、ブルーミング、スミア、混色の防止効果がある。308の濃度設計が画素内や、画素領域外(図示せず)のトランジスタの特性に影響を与えることが低減され、設計自由度が増す。読み出し領域の接合容量が小さくなりゲインの増加によるSN比の向上。等々の利点がある。
(2)〔プロセス的利点〕近接する不純物領域308を蓄積領域305と同一もしくは表面p領域306と同一のフォトレジストを用いて形成することが可能となる。不純物領域310を同一のレジストで形成することも原理的には可能ではあるが、深いイオン注入に対しても阻止性能の確保できるレジストは厚く形成する必要があり、細かいパターンには対応しづらい。また、不純物領域310を埋め込みEpiで形成することも可能でありそのような場合にも、蓄積領域305に近接する不純物領域308を蓄積領域305と同一もしくは表面p領域306と同一のフォトレジストを用いて形成することで工程を増やすことなく本実施形態の効果を得ることができる。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is an explanatory diagram of the second embodiment. 301 to 311 correspond to 101 to 111 in FIG. In this embodiment, the impurity region 308 adjacent to the
(1) [Structural advantage] Charges overflowing from adjacent pixels can be sucked into the readout region 304, so that there is an effect of preventing blooming, smearing and color mixing. The influence of the density design of 308 on the characteristics of the transistor in the pixel and outside the pixel region (not shown) is reduced, and the degree of freedom in design is increased. The junction capacitance in the readout region is reduced and the signal to noise ratio is improved by increasing the gain. And so on.
(2) [Process Advantage] The adjacent impurity region 308 can be formed using the same photoresist as the
(第3の実施形態)
図4は第3の実施形態による画素構造の上面図である。401はアクティブ領域、402は転送ゲート電極、403はフォトダイオード領域、404は読み出し領域を示している。また、トランジスタのチャネル幅と平行な方向の長さがDy1およびDy2である、これはフォトダイオード領域の幅を示している。一般に空乏化電圧は幅が広い部分において高くなるため、図4に示すように転送ゲート402に近い側で幅が狭くなるレイアウトをとると、完全転送が困難になるという問題が生じる。すなわち、リセット、もしくは転送時において、Dy1の部分がDy2の部分より先に完全空乏化してしまい、Dy2部分に電荷が残り、リセットノイズが発生するという問題が生じる。この問題は空乏層の横方向(Dy1,Dy2の長さ方向)からの広がりの影響により、空乏化電圧がサイズ依存を持つことにより発生する。具体的な構造で言うと、レトログレードウエルの表面付近の濃度を薄く設計して空乏層が深さ方向に広く広がる場合、特に顕著な問題となる。本実施形態では空乏層の深さ方向の広がりを抑制した結果、レイアウトに対する制約も軽減され、図4に示すレイアウトを行っても、リセットノイズを発生させずに済む。その理由を図5で説明する。図5は図4のDy1およびDy2に沿った断面を示した模式図である。405はフォトダイオードおよびウエルに広がる空乏層領域を示しており、その深さはDzで図示した。406は完全空乏化する直前に最後に残存する中性領域を示している。407は深さ方向に広がる空乏層の様子を示し、408は横方向(Dy1,Dy2の長さ方向)に広がる空乏層の様子を示している。この図のように深さ方向に広がる空乏層の効果により完全空乏化する場合は、レイアウトによる依存なく、Dy1,Dy2ともにおなじ空乏化電圧となり、フォトダイオードの完全リセット、完全転送が可能となる。Dy1がこの図より狭い場合および深さ方向の空乏層の広がり407が大きい構造の場合、Dy1の場所では横方向の空乏層の広がり408の影響で完全空乏化するため、空乏化電圧はDy1の幅に依存して小さくなる。以上の問題を鑑みて、本実施形態ではDy1部とDy2部の空乏化電圧を同等にするために、以下の構造をとる。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a top view of the pixel structure according to the third embodiment. Reference numeral 401 denotes an active region, 402 denotes a transfer gate electrode, 403 denotes a photodiode region, and 404 denotes a readout region. The length in the direction parallel to the channel width of the transistor is Dy1 and Dy2, which indicates the width of the photodiode region. In general, the depletion voltage becomes high in a wide portion, and therefore, if a layout having a narrow width on the side close to the transfer gate 402 as shown in FIG. 4 is used, there arises a problem that complete transfer becomes difficult. That is, at the time of resetting or transferring, there is a problem that the Dy1 portion is completely depleted before the Dy2 portion, charges remain in the Dy2 portion, and reset noise occurs. This problem occurs because the depletion voltage has size dependence due to the influence of the spread of the depletion layer from the lateral direction (the length direction of Dy1 and Dy2). Specifically, when the concentration near the surface of the retrograde well is designed to be thin and the depletion layer extends widely in the depth direction, this becomes a particularly significant problem. In the present embodiment, as a result of suppressing the expansion of the depletion layer in the depth direction, restrictions on the layout are reduced, and even if the layout shown in FIG. 4 is performed, no reset noise is generated. The reason will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing a cross section along Dy1 and Dy2 in FIG. Reference numeral 405 denotes a depletion layer region extending to the photodiode and the well, and its depth is indicated by Dz.
Dy2>Dy1となるレイアウトの画素において、深さ方向の空乏層の伸び幅を抑制しDy1>Dzとなるようにウエル濃度を設定する。 In a pixel having a layout where Dy2> Dy1, the well concentration is set so that the expansion width of the depletion layer in the depth direction is suppressed and Dy1> Dz.
本実施例の構造においては、フォトダイオードの平面レイアウト上、いずれの場所においても空乏化電圧を同一にすることができ、高速動作が可能であり、またリセットノイズによる画質の劣化を抑制することが可能である。 In the structure of this embodiment, the depletion voltage can be made the same at any location on the planar layout of the photodiode, high-speed operation is possible, and deterioration in image quality due to reset noise can be suppressed. Is possible.
また各実施形態の固体撮像素子は、2次元状に複数配されてエリアセンサ(固体撮像装置)として用いることができる。また、各実施例において説明した読出し領域を、絶縁ゲート型トランジスタのゲートに接続し、電荷電圧変換して読み出すような、増幅型固体撮像装置(Active Pixel Sensor)に用いることができる。 In addition, a plurality of solid-state imaging devices according to each embodiment can be used as an area sensor (solid-state imaging device) arranged in two dimensions. In addition, the readout region described in each embodiment can be used in an amplification type solid-state imaging device (Active Pixel Sensor) in which the gate is connected to the gate of an insulated gate transistor and the charge voltage is converted and read out.
(撮像システムへの応用)
図6は、本発明による固体撮像装置をカメラに応用する場合の回路ブロックの例を示したものである。撮影レンズ1002の手前にはシャッター1001があり、露出を制御する。絞り1003により必要に応じ光量を制御し、固体撮像装置1004に結像させる。固体撮像装置1004から出力された信号は信号処理回路1005で処理され、A/D変換器1006によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部1007で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ1010に蓄えられたり、外部I/F1013を通して外部の機器に送られる。固体撮像装置1004、撮像信号処理回路1005、A/D変換器1006、信号処理部1007はタイミング発生部1008により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部1009で制御される。記録媒体1012に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御I/F部1011を通して、記録される。
(Application to imaging system)
FIG. 6 shows an example of a circuit block when the solid-state imaging device according to the present invention is applied to a camera. A
101、301 半導体基板
102、302 素子分離領域
103、303 ゲート電極
104、304 読出し領域
105、305 電荷蓄積領域
106、306 表面領域
107、307 遮光膜
108、308 第一の不純物濃度ピークを有する領域
109、309 第二の不純物濃度ピークを有する領域
110、310 第三の不純物濃度ピークを有する領域
205 電荷蓄積領域の不純物濃度
206 表面領域の不純物濃度
208 第一の不純物濃度ピークを有する領域の不純物濃度
209、209’ 第二の不純物濃度ピークを有する領域の不純物濃度
210 第三の不純物濃度ピークを有する領域の不純物濃度
401 アクティブ領域
402 ゲート電極
403 フォトダイオード領域
404 読出し領域
1001 シャッター
1002 撮影レンズ
1003 絞り
1004 固体撮像装置
1005 信号処理回路
1006 A/D変換器
1007 信号処理部
1008 タイミング発生部
1009 制御部・演算部
1010 メモリ部
1011 インターフェース部
1012 記録媒体
101, 301 Semiconductor substrate 102, 302
Claims (12)
12. An imaging system comprising: the solid-state imaging device according to claim 11; an optical system that focuses light on the solid-state imaging device; and a signal processing circuit that processes an output signal from the solid-state imaging device. .
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