JP2008098255A - Solid-state photographing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
近年、ビデオカメラや電子カメラが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型の固体撮像装置や、CMOS型の固体撮像装置(CMOS製造プロセスと互換性のある固体撮像装置であり、CMOSイメージセンサなどとも呼ばれる。)が使用されている。固体撮像装置では、光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されており、各画素の光電変換部にて信号電荷を生成する。 In recent years, video cameras and electronic cameras have been widely used. For these cameras, a CCD solid-state imaging device or a CMOS solid-state imaging device (a solid-state imaging device compatible with a CMOS manufacturing process, also called a CMOS image sensor) is used. In a solid-state imaging device, a plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit are arranged in a matrix, and signal charges are generated by the photoelectric conversion unit of each pixel.
CCD型の固体撮像装置は、各画素の光電変換部にて生成された信号電荷を垂直CCDおよび水平CCDによって順次読み出していくものである。 The CCD type solid-state imaging device sequentially reads out signal charges generated by a photoelectric conversion unit of each pixel by a vertical CCD and a horizontal CCD.
一方、CMOS型の固体撮像装置では、画素から出力される信号が、各行ごとに垂直信号線に読み出され、さらに水平線に順次読み出される。CMOS型の固体撮像装置は、一般的に、増幅型の固体撮像装置として構成される。増幅型の固体撮像装置では、各画素に増幅部(画素アンプ)を有しており、光電変換部で得られた信号電荷を前記増幅部で増幅し、その増幅された信号を画素から出力する。 On the other hand, in the CMOS type solid-state imaging device, signals output from the pixels are read out to the vertical signal lines for each row and further read out sequentially to the horizontal lines. A CMOS solid-state imaging device is generally configured as an amplification-type solid-state imaging device. In the amplification type solid-state imaging device, each pixel has an amplification unit (pixel amplifier), the signal charge obtained by the photoelectric conversion unit is amplified by the amplification unit, and the amplified signal is output from the pixel. .
CMOS型の固体撮像装置の製造には、CMOS回路で一般的に用いられる製造プロセスを使用する。したがって、CMOS型の固体撮像装置では、複数の画素からなる画素部と共に、プロセッサ、論理回路及びアナログデジタル変換回路などを、同一のチップ中に設けることが容易に可能である。このため、CMOS型の固体撮像装置は、近年注目を集めつつある。 For manufacturing a CMOS type solid-state imaging device, a manufacturing process generally used in a CMOS circuit is used. Therefore, in a CMOS type solid-state imaging device, a processor, a logic circuit, an analog-digital conversion circuit, and the like can be easily provided in the same chip together with a pixel portion including a plurality of pixels. For this reason, CMOS solid-state imaging devices have been attracting attention in recent years.
このようなCMOS型の固体撮像装置の例が、下記特許文献1に開示されている。特許文献1に開示された固体撮像装置では、隣接する光電変換部間を電子が移動することにより生ずる画素間のクロストークを低減する構成が採用されている。
An example of such a CMOS type solid-state imaging device is disclosed in
ここで、特許文献1に開示された固体撮像装置について、図11及び図12を参照して説明する。図11及び図12は特許文献1の図2及び図3にそれぞれ相当している。
Here, the solid-state imaging device disclosed in
図11は、この固体撮像装置の画素の要部を模式的に示す断面図である。図12は、図11に示す画素のフォトダイオード部の深さ方向の不純物濃度プロファイルを示す図である。 FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a main part of a pixel of this solid-state imaging device. FIG. 12 is a diagram showing an impurity concentration profile in the depth direction of the photodiode portion of the pixel shown in FIG.
図11において、高濃度のP型の半導体基板である基板P+層126上に、基板P+層126よりもかなり不純物濃度が低いP−層128が形成されている。P−層128上に、基板P+層126よりも不純物濃度が低くかつP−層128よりも不純物濃度が高いP型層127が形成されている。このP型層127には、その上側位置に、N型光電変換領域114が設けられている。N型光電変換領域114は、入射光に応じて光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部となっており、P型層127と接合して光電変換部としてのフォトダイオードを形成する。
In FIG. 11, a P − layer 128 having a considerably lower impurity concentration than the substrate P + layer 126 is formed on a substrate P + layer 126 which is a high concentration P-type semiconductor substrate. P - on the
P型層127の上面の図示両端部分には、素子分離のために、P+型素子分離領域115及び素子分離酸化膜116が設けられている。フォトダイオード部の表面でのリークを防ぐために、P型層127及びN型光電変換領域114の表面(素子分離酸化膜116の形成領域を除く)には、表面P+層125が形成され、その上にゲート酸化膜117が形成されている。素子分離酸化膜116及びゲート酸化膜117上には、この画素を含む固体撮像装置全体を覆うように層間絶縁膜118が設けられている。層間絶縁膜118中には、不要部分への光の入射を防ぐための遮光膜119が形成されている。
A P + -type
この固体撮像装置では、入射光が、N型光電変換領域114及びP型層127からなるフォトダイオードに入ると、信号電荷蓄積期間中にあっては、入射した光により、N型光電変換領域114及びその下側のP型層127の領域において電子・正孔対が発生する。そして、発生した電子は、N型光電変換領域114及びその下側のP型層127の部分に形成された空乏層中に蓄積されていく。この際、P型層127の下側にP型層127よりも不純物濃度が低いP−層128があるために、P型層127内で発生した電子は、ポテンシャルが低いこのP−層128に拡散しやすくなる。高濃度の基板P+層が形成されているため、いったんP−層128にまで到達した電子は、その後、横方向(隣接する基本セルの方向)に拡散する前に基板P+層126において確実に捕捉され、再結合して消滅する。
In this solid-state imaging device, when incident light enters a photodiode including the N-type
図12に示すように、光電変換領域となる空乏層は、その深さ方向がおよそN型光電変換領域114とP型層127の深さ部分の中間程度までの、矢印で示した部分である。P型層127の中間よりも深い部分で発生した光電子は、効果的にP−層128方向へ拡散するとともに、もし横方向に拡散したとしても、再び表面側の空乏層に達することはなく(電子の拡散の抑制)、感度には寄与しなくなる。さらに、P−層128に到達した電子は基板P+層126において再結合により消滅させられるため、こちらでも感度には寄与しなくなる。これにより、電子が横方向に拡散することが抑制され、画素間のクロストークが低減可能になる。
特許文献1に開示された固体撮像装置によれば、前述したように、画素間のクロストークを低減することができる。しかしながら、固体撮像装置に対する低ノイズ化の要求は近年益々厳しくなってきており、特許文献1に開示されたような構成を有する従来の固体撮像装置では、クロストーク低減に限界が生じている。
According to the solid-state imaging device disclosed in
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、画素間のクロストークをより低減することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a solid-state imaging device capable of further reducing crosstalk between pixels.
本発明者は、更なる研究の結果、特許文献1に開示された固体撮像装置においてクロストーク低減に限界が生ずる原因を突き止めた。以下、その原因について説明する。
As a result of further research, the present inventor has found the cause of the limitation in the crosstalk reduction in the solid-state imaging device disclosed in
図11及び図12を参照して説明したように、特許文献1に開示された固体撮像装置では、P−層128で発生した電荷(或いは、P−層128に到達した電荷。電荷とはここでは電子)のうちP+層126に向かう成分は、P+層126で再結合されて消滅する。このため、この成分は画素間のクロストークとならないので、その分、画素間のクロストークが低減される。
As described with reference to FIGS. 11 and 12, the solid-state imaging device disclosed in
しかしながら、前述したようなP+層126に向かう成分は、P−層128で発生した電荷のうちの一部の成分に過ぎない。P−層128で発生した電荷のうちの多くの成分は、P+層128ではなく、N型層114に向かって拡散し、一部は隣接する画素のN型層114へも到達してクロストークとなる。
However, the component toward the P + layer 126 as described above is only a part of the charge generated in the P − layer 128. Most of the charge generated in the P − layer 128 diffuses not toward the P + layer 128 but toward the
したがって、特許文献1に開示された固体撮像装置では、画素間のクロストーク低減に限界があったのである。
Therefore, the solid-state imaging device disclosed in
本発明は、このような原因究明の結果に基づいてなされたものである。すなわち、前記課題を解決するため、本発明の第1の態様による固体撮像装置は、第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層の上に配置された第2導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の上に配置された前記第1導電型の第3半導体層と、複数の画素であって、各々の画素が、前記第3半導体層における前記第2半導体層上の領域に配置され入射光に応じて光電変換された電荷を蓄積する前記第2導電型の電荷蓄積部を有し、前記電荷に応じたアナログ信号を出力する複数の画素と、を備えたものである。 The present invention has been made based on the results of such cause investigation. That is, in order to solve the above-described problem, a solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention includes a first conductive type first semiconductor layer and a second conductive type first semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer. Two semiconductor layers, a third semiconductor layer of the first conductivity type disposed on the second semiconductor layer, and a plurality of pixels, each pixel being the second semiconductor in the third semiconductor layer A plurality of pixels that are arranged in a region on the layer and that have the second conductivity type charge accumulating unit that accumulates electric charges photoelectrically converted according to incident light, and that output analog signals according to the electric charges. It is a thing.
本発明の第2の態様による固体撮像装置は、前記第1の態様において、前記第1半導体層が基板層であり、前記第2半導体層がエピタキシャル成長により形成された層であり、前記第3半導体層がエピタキシャル成長により形成された層であるものである。 In the solid-state imaging device according to the second aspect of the present invention, in the first aspect, the first semiconductor layer is a substrate layer, the second semiconductor layer is a layer formed by epitaxial growth, and the third semiconductor The layer is a layer formed by epitaxial growth.
本発明の第3の態様による固体撮像装置は、前記第1又は第2の態様において、前記複数の画素の動作に関連する回路と、前記第1半導体層の上に前記第2の半導体層に連続するように配置された第4半導体層と、を備え、前記第3半導体層は、前記第2半導体層の上のみならず前記第4半導体層の上にも形成され、前記回路を構成する複数の半導体素子が前記第3半導体層における前記第4半導体層上の領域に配置されたものである。 A solid-state imaging device according to a third aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the first or second aspect, wherein the circuit related to the operation of the plurality of pixels and the second semiconductor layer on the first semiconductor layer are provided. A fourth semiconductor layer arranged in a continuous manner, and the third semiconductor layer is formed not only on the second semiconductor layer but also on the fourth semiconductor layer to constitute the circuit. A plurality of semiconductor elements are arranged in a region on the fourth semiconductor layer in the third semiconductor layer.
本発明の第4の態様による固体撮像装置は、前記第3の態様において、前記第2半導体層及び前記第4半導体層はそれぞれ、同時に行われるエピタキシャル成長により形成された層であるものである。 A solid-state imaging device according to a fourth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the third aspect, wherein the second semiconductor layer and the fourth semiconductor layer are layers formed by epitaxial growth performed simultaneously.
本発明の第5の態様による固体撮像装置は、前記第3又は第4の態様において、前記第4半導体層の導電型が前記第1導電型であり、前記第3半導体層が前記第4半導体層を介して前記第1半導体層と電気的に接続されたものである。 In the solid-state imaging device according to the fifth aspect of the present invention, in the third or fourth aspect, the conductivity type of the fourth semiconductor layer is the first conductivity type, and the third semiconductor layer is the fourth semiconductor. It is electrically connected to the first semiconductor layer through a layer.
本発明の第6の態様による固体撮像装置は、前記第1又は第2の態様において、前記複数の画素の動作に関連する回路を備え、前記回路を構成する複数の半導体素子が前記第3半導体層における前記第2半導体層上の領域に配置されたものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first or second aspect, the solid-state imaging device includes a circuit related to the operation of the plurality of pixels, and the plurality of semiconductor elements constituting the circuit are the third semiconductor. Disposed in a region of the layer on the second semiconductor layer.
本発明の第7の態様による固体撮像装置は、前記第3乃至第6のいずれかの態様において、前記第3半導体層における前記複数の画素の前記電荷蓄積部が配置されている領域と、前記第3半導体層における前記複数の半導体素子が配置されている領域とが、電気的に分離されたものである。 The solid-state imaging device according to a seventh aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the third to sixth aspects, wherein the charge storage portions of the plurality of pixels in the third semiconductor layer are disposed, A region where the plurality of semiconductor elements are arranged in the third semiconductor layer is electrically separated.
本発明の第8の態様による固体撮像装置は、前記第3乃至第7のいずれかの態様において、前記第3半導体層の不純物濃度は、前記第1半導体層の不純物濃度より低いものである。 In the solid-state imaging device according to the eighth aspect of the present invention, in any one of the third to seventh aspects, the impurity concentration of the third semiconductor layer is lower than the impurity concentration of the first semiconductor layer.
本発明の第9の態様による固体撮像装置は、前記第3乃至第8のいずれかの態様において、前記回路は、前記複数の画素から出力される前記アナログ信号を処理して当該アナログ信号に応じたデジタル信号を外部へ出力する信号処理回路を含むものである。 The solid-state imaging device according to a ninth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the third to eighth aspects, wherein the circuit processes the analog signals output from the plurality of pixels and responds to the analog signals. And a signal processing circuit for outputting the digital signal to the outside.
本発明の第10の態様による固体撮像装置は、前記第1乃至第9のいずれかの態様において、前記第1半導体層と前記第2半導体層の間には、エピタキシャル成長により形成されかつ前記第1半導体層よりも不純物濃度の低い前記第1導電型の第5の半導体層が配置されたものである。 A solid-state imaging device according to a tenth aspect of the present invention, according to any one of the first to ninth aspects, is formed by epitaxial growth between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and the first semiconductor layer. The fifth semiconductor layer of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the semiconductor layer is disposed.
本発明によれば、画素間のクロストークをより低減することができる固体撮像装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid-state imaging device which can reduce the crosstalk between pixels more can be provided.
以下、本発明による固体撮像装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態] [First Embodiment]
図1は、本発明の第1の実施の形態による固体撮像装置1の全体構成を示す概略構成図である。本実施の形態による固体撮像装置1は、CMOS型として構成されている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an overall configuration of a solid-
固体撮像装置1は、2次元的に配列された複数の画素11(図1では図示せず。図2参照)からなる画素部2と、周辺回路とを有している。周辺回路は、画素11からの信号の読出し駆動に必要なタイミング信号を発生するタイミングジェネレータ回路3と、画素11の出力を選択するための垂直走査回路4及び水平走査回路5と、選択された画素からのアナログ信号を増幅し相関二重サンプリング処理を行うCDS回路6と、CDS回路6からのアナログ信号出力を処理してデジタル信号として出力するためのデジタル出力回路7と、を備えている。本実施の形態では、タイミングジェネレータ回路3、垂直走査回路4及び水平走査回路5が、画素部2の画素11を駆動する駆動回路を構成している。また、本実施の形態では、CDS回路6及びデジタル出力回路7が、画素部2の画素11から出力されるアナログ信号を処理して当該アナログ信号に応じたデジタル信号を外部へ出力する信号処理回路を構成している。
The solid-
デジタル出力回路7は、入力されたアナログ信号をアナログ/デジタル変換するA/D変換部8と、デジタル化された信号をデジタル画像信号に変換するデジタル信号処理(DSP)部9と、デジタル画像信号を外部に出力するとともに外部からのコマンドデータを受け取るインターフェース(IF)部10と、を備えている。
The
図2は、図1に示す固体撮像装置1の一部(主として、画素部2、垂直走査回路4、水平走査回路5及びCDS回路6)を示す回路図である。なお、図2では、図1中のタイミングジェネレータ回路3及びデジタル出力回路7は示していない。図2では、画素部2は、3×3個の画素11を有するものとして示しているが、画素数はこれに限られるものではない。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a part of the solid-
各画素11は、図2に示すように、光電変換部13、転送トランジスタ14、画素アンプ15、行選択トランジスタ16及びリセットトランジスタ17を有している。ここでは、転送トランジスタ14、画素アンプ15、行選択トランジスタ16、リセットトランジスタ17のいずれも、NMOSトランジスタを用いている。
As shown in FIG. 2, each
転送トランジスタ14は、そのゲートが駆動配線21によって行方向に共通に接続され、垂直走査回路4の駆動信号φTG(n,n+1)に従って動作する。行選択トランジスタ16は、そのゲートが駆動配線22によって行方向に共通に接続され、垂直走査回路4の駆動信号φL(n,n+1)に従って動作する。また、リセットトランジスタ17は、そのゲートが駆動配線23によって行方向に共通に接続され、垂直走査回路4の駆動信号φRS(n,n+1)に従って動作する。画素アンプ15のドレインとリセットトランジスタ17のドレインは、全画素共通に接続され、配線24を介して電源電圧VDDに接続されている。画素アンプ15のソースは行選択トランジスタ16のドレインと接続され、行選択トランジスタ16のソースは垂直信号線32と列方向に共通に接続されている。
The
各垂直信号線32の一方の端部には定電流源33と、垂直信号線32をリセットする垂直信号線リセットトランジスタ34が配置される。定電流源33には一定電圧VCSが、垂直信号線リセットトランジスタ34には一定電圧VRVが印加される。ここでは、VCS、VRVの両方とも接地電位としている。垂直信号線リセットトランジスタ34のゲートには駆動信号φRVが印加され、この駆動信号φRVに従って垂直信号線32がリセットされる。
A constant
各垂直信号線32の他方の端部は、列アンプ35、CDS回路6、水平スイッチトランジスタ37を介して水平信号線31に接続されている。水平信号線31には、出力アンプ38、水平リセットトランジスタ39が接続されている。水平スイッチトランジスタ37のゲートは、駆動配線25と接続されている。水平スイッチトランジスタ37は、水平走査回路5からの駆動信号φHによって動作する。水平リセットトランジスタ39は、駆動信号φRHで動作し、水平信号線31を一定電位VRHにリセットする。出力アンプ38からの出力信号は、図1中のデジタル出力回路7(特に、A/D変換部8)へ入力される。
The other end of each
CDS回路6は、相関二重サンプリングを行う。画素アンプ15から出力される電気信号には、固定パターンノイズやリセットノイズなど(以下、単にノイズと記載する)に対応するダークレベルが含まれている。ダークレベルは、画素アンプ15のゲート電位をリセットするごとに変化する。そこで、まず、リセット直後のノイズに対応する電気信号(ダークレベル)を画素11から出力し、CDS回路6に一旦蓄積させる。次いで、光電変換部13に蓄積されている光電荷を画素アンプ15のゲートに転送しノイズと重畳した光電荷に対応する電気信号を画素からCDS回路6に出力し、両者を差し引いて光電荷に対応する真の電気信号を水平信号線31に出力する。CDS回路6は、ここでは、各列ごとにダークレベルを一時的に蓄積するクランプ容量26と、クランプ容量26の一方の電極を一定電位VRHに設定するクランプトランジスタ27とを有している。相関二重サンプリングの手法は周知技術であり、ここではその詳細な説明は省略する。
The
本実施の形態による固体撮像装置1では、タイミングジェネレータ回路3からの信号に従って、垂直走査回路4から前記駆動信号φTG、φL、φRSが所定のタイミングで出力されるとともに、水平走査回路5から前記駆動信号φHが所定のタイミングで出力される。また、タイミングジェネレータ回路3から、前記駆動信号φRV、φRH、φSHが所定のタイミングで出力される。これにより、信号の読み出し駆動が行われる。
In the solid-
ここで、この信号の読み出し駆動に関して、簡単に説明する。露光が開始され所定時間経過したのち、選択行の行選択トランジスタ16がオン状態とされ、ソースフォロワ読み出しが開始される。それと同時に、選択行のリセットトランジスタ17がオン状態とされる。これにより、フローティング拡散部及び画素アンプ15のゲートは、電源電圧VDDの電圧にリセットされる。次いで、リセットトランジスタ17はオフ状態とされるが、フローティング拡散部及び画素アンプ15のゲートは、リセット時の電位を保持する。
Here, the read driving of this signal will be briefly described. After the exposure is started and a predetermined time elapses, the
この動作と並行して、ソースフォロワ読み出しが行われ、行選択トランジスタ16を介して画素アンプ15から、上記のリセット時の電位に対応する信号(以下暗信号と称す)が垂直信号線32に出力されCDS回路6に保持される。
In parallel with this operation, source follower readout is performed, and a signal (hereinafter referred to as a dark signal) corresponding to the above-described reset potential is output to the
次いで、転送トランジスタ14がオン状態とされて光電変換部13の電荷蓄積層55(図4参照)に蓄積されていた入射光による電荷がフローティング拡散部41,42(図3参照)に転送される。そして、リセット時の電位と入射光による電荷の重畳された電圧に対応する電気信号(以下明信号と称す)が垂直信号線32に出力されCDS回路6に保持される。
Next, the
CDS回路6では、明信号から暗信号を減算処理し、リセット時のノイズが除去された真の信号をデジタル出力回路7に出力する。
The
ここで、図1に示す固体撮像装置1の画素部2の各画素11の構造について、図3及び図4を参照して説明する。図3は、図1に示す固体撮像装置1の2×2個の画素11を模式的に示す概略平面図である。図4は、図2中のA−A’部における概略断面図である。図3及び図4では、各配線電極等は略して記載している。また、実際には、光電変換部13の上部にはカラーフィルタやマイクロレンズが配置されるが、ここでは省略する。
Here, the structure of each
図3において、符号41、42、48、49及び50は、前述した各トランジスタの一部となっているN型不純物拡散領域であり、符号43、44、45及び46は、ポリシリコンによる各トランジスタのゲート(電極)である。なお、符号48は、電源電圧VDDが印加される電源拡散部であり、符号41、42はフローティング拡散部である。また、電極43、44、46は、駆動用配線21、23、22とそれぞれ接続されており、垂直走査部4から出力される駆動信号φTG、φRS、φLがそれぞれ印加される。
In FIG. 3,
光電変換部13は、電荷蓄積層55と空乏化防止層54からなる埋め込み型フォトダイオードである。しかし、光電変換部13は、埋め込みフォトダイオードに代えて、空乏化防止層54の無いフォトダイオードにしても良い。
The
光電変換部13は、入射する光を光電変換し、生じた電荷を電荷蓄積層55に蓄積する。光電変換部13の電荷蓄積層55に蓄積された電荷は、転送トランジスタ14がオン状態とされることによってフローティング拡散部41、42に転送される。
The
転送トランジスタ14は、光電変換部13の電荷蓄積層55をドレイン、一方のフローティング拡散部41をソースとしたMOSトランジスタである。転送トランジスタ14は、そのゲート43(以下、転送ゲートと称す)に印加される駆動信号φTGにより駆動される。
The
フローティング拡散部41、42は、転送ゲート43と隣接配置される第1のフローティング拡散部41と、第1のフローティング拡散部41とは分離領域56によって隔てられた第2のフローティング拡散部42とを有し、それらは配線電極47によって電気的に接続されている。また、フローティング拡散部41、42は、配線電極47によって画素アンプ15のゲート45と電気的に接続されている。
The floating
画素アンプ15は、電源拡散部48をドレイン、拡散領域49をソースとするMOSトランジスタである。上記のように、画素アンプ15のゲート45は、フローティング拡散部41、42(転送トランジスタ14のソース)に接続されている。そして、画素アンプ15は、そのゲート45の電圧に応じた電気信号を出力する。したがって、画素アンプ15は、光電変換部13で生成・蓄積された電荷の量に応じた電気信号を出力する。
The
行選択トランジスタ16は、拡散領域49をドレイン、拡散領域50をソースとするMOSトランジスタである。行選択トランジスタ16は、オン状態にされることで、画素アンプ15の出力を垂直信号線32に出力する。すなわち、画素アンプ15と行選択トランジスタ16によって、ソースフォロワによる読み出しが可能となっている。
The
リセットトランジスタ17は、電源拡散部48をドレイン、第2のフローティング拡散部42をソースとするMOSトランジスタである。リセットトランジスタ17は、オン状態にされることで、フローティング拡散部41、42に蓄積されている電荷をリセットする。
The
本実施の形態による固体撮像装置1では、図4に示すように、P型のシリコン基板51の上にN型のエピタキシャル層52を配置させ、さらにその上にP型のエピタキシャル層53を有している。
In the solid-
本実施の形態では、P型のエピタキシャル層53が、画素部2の各画素11を構成する前述した半導体素子(フォトダイオード及び各トランジスタ)を形成するための素子形成層として用いられ、画素部2の各画素11を構成する前述した半導体素子がP型のエピタキシャル層53の表面側に配置されている。すなわち、本実施の形態では、各画素11の光電変換部13のN型の電荷蓄積層55及びP型の空乏化防止層54、並びに、各画素11の前述した各N型不純物拡散領域41、42、48、49、50が、P型エピタキシャル層53に配置されている。電荷蓄積層55、空乏化防止層54及びN型不純物拡散領域41、42、48、49、50は、P型のエピタキシャル層53にイオン注入により不純物を拡散することにより形成されている。
In the present embodiment, the P-
図4に示すように、各画素11は、LOCOS酸化膜56によって分離されている。なお、LOCOS酸化膜56の下には、分離拡散部を設けてもよい。また、不純物濃度を適宜調節するため、P型エピタキシャル層53に不純物をさらに拡散しても良い。すなわち、P型エピタキシャル層53は、単にエピタキシャル成長により形成した層であってもよいし、そのエピタキシャル成長により形成した層に不純物を更に拡散させたものであってもよい。
As shown in FIG. 4, each
ここで、この構成による効果について、図5を参照して説明する。図5は、本固体撮像装置1の光電変換部13の深さ方向の不純物濃度プロファイル及びポテンシャルを示す図である。図5(a)は不純物濃度プロファイルを示し、図5(b)はポテンシャルを示している。
Here, the effect of this configuration will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating an impurity concentration profile and potential in the depth direction of the
P型エピタキシャル層53の深部で発生したキャリアである電子は、拡散していく。しかし、電子はN型層に向かって拡散する。したがって本実施の形態のようにN型エピタキシャル層52が配置されると、これに向かって拡散する成分が多くなる。それは、図5(b)から理解されるように、N型エピタキシャル層52は、その上下のP型層51、53よりもポテンシャルが低く、電子がポテンシャルの低い方に拡散するためである。したがって、隣接する画素11の電荷蓄積層55に到達する成分は、極めて少なくなる。
Electrons that are carriers generated in the deep portion of the P-
一方、前述した特許文献1に開示された従来の固体撮像装置と同様に、N型エピタキシャル層52を設けないとすれば、P型エピタキシャル層53の深部で発生したキャリアのうち隣接する画素11の電荷蓄積層55に到達する成分が多くなる。
On the other hand, as in the conventional solid-state imaging device disclosed in
したがって、本実施の形態によれば、前述した特許文献1に開示された従来の固体撮像装置に比べて、画素間のクロストークがより低減することができる。
Therefore, according to this embodiment, crosstalk between pixels can be further reduced as compared with the conventional solid-state imaging device disclosed in
また、本実施の形態によれば、次の効果も得られる。各画素11は、P型エピタキシャル層53に配置されている。エピタキシャル層は、膜厚を制御良く形成することができる。一方、本発明では、P型エピタキシャル層53の代わりに、N型エピタキシャル層52を予め厚く形成してイオン注入などの不純物拡散によりP型層を設けてもよい。しかし、このようにしてP型エピタキシャル層53に代わるP型層を形成すると、その膜厚の制御がエピタキシャル層で形成するより困難になる。P型層の膜厚にばらつきが生ずると、上記の説明から理解されるように、画素間のクロストークの特性にばらつきが発生する。このため、画素11ごとにノイズに差が生じてしまう。本実施の形態では、P型エピタキシャル層53を設けているので、画素間のクロストークの特性のばらつきも生じ難いという効果も得られる。
Moreover, according to this Embodiment, the following effect is also acquired. Each
図6は、本実施の形態による固体撮像装置1の画素部2及び周辺回路部62を示す断面概念図である。なお、周辺回路部62は、前述した周辺回路(具体的には、タイミングジェネレータ回路3、垂直走査回路4、水平走査回路5、CDS回路6及びデジタル出力回路7)が配置されている部分である。
FIG. 6 is a conceptual cross-sectional view showing the
所定数の画素11からなる画素部2の構成は前記したとおりであるが、図6では、各層51、52、53のみを示し、画素部2の他の要素の図示は省略している。画素部2の周囲には、N型拡散部71が配置されている。N型拡散部71は、P型エピタキシャル層53に不純物を拡散することにより形成されている。N型拡散部71により、エピタキシャル層53における画素部2の領域53aは、エピタキシャル層53における周辺回路部62の領域53bと電気的に分離されている。また、このN型拡散部71は、N型エピタキシャル層52まで届くように拡散されており、N型エピタキシャル層52と電気的に接続されている。
Although the configuration of the
これにより、P型エピタキシャル層53における画素部2の領域53aは、P型エピタキシャル層53の一部であるが、P型ウェル構造と同様の構造となっている。また、N型拡散部71には、一定電源(一定電位)が印加される。このため、N型エピタキシャル層52には、N型拡散部71を介して一定電源が印加され、ここに到達された電子を排出するようになっている。
Thereby, the
一方、周辺回路部62は、図6に示すように、P型エピタキシャル層53の領域53bに、P型ウェル72、N型ウェル73、N型ウェル73によってP型エピタキシャル層53と電気的に分離された中に設けられるP型ウェル72などを有している。前記周辺回路としてCMOS回路が用いられ、前記周辺回路を構成する複数の半導体素子としてのCMOSトランジスタ(図6では省略)を有している。このため、前述したような多数のウェル構造が設けられているのである。このように、P型エピタキシャル層53における周辺回路部62の領域53bには、周辺回路を構成する複数の半導体素子が形成されている。
On the other hand, the peripheral circuit portion 62 is electrically separated from the P-
N型エピタキシャル層52における周辺回路部62の領域は、イオン注入による不純物拡散によって、埋め込みP型層75とされている。したがって、埋め込みP型層75は、P型シリコン基板51の上にN型エピタキシャル層52と連続するように配置され、層52,75はそれぞれ、同時に行われるエピタキシャル成長により形成された層となっている。埋め込みP型層75によって、P型エピタキシャル層53とP型シリコン基板51とが、電気的に接続されている。これにより、P型シリコン基板51側よりP型エピタキシャル層53に電位を供給することが可能となる。
A region of the peripheral circuit portion 62 in the N-
なお、図6において、簡略のため、N型エピタキシャル層52の厚さは、埋め込みP型層75と同一とし、それぞれの上下の面の位置は一致して記載されている。しかし、実際は、埋め込みP型層75の厚さの方が厚くなっている。その理由は、埋め込みP型層75は、確実にP型に反転させP型エピタキシャル層53とP型基板51を接続するためにその濃度を濃く、厚さを厚めに形成するためである。
In FIG. 6, for simplicity, the thickness of the N-
また、本実施の形態では、P型エピタキシャル層53における周辺回路部62の領域53bは、その一部ではなく実質的に全面で、埋め込みP型層75を介してP型シリコン基板51と電気的に接続されている。このため、P型エピタキシャル層53における周辺回路部62の領域53bの電位は、実質的にその全面において均一にすることができ、それに伴い、領域53aに配置されるCMOS等の素子の動作や特性を均一にすることができる。
Further, in the present embodiment, the
なお、このようにP型シリコン基板51側からP型エピタキシャル層53の領域53aに電位を印加する場合、不純物濃度は、P型シリコン基板51>P型ウェル72>P型エピタキシャル層53にするのが好ましい。P型シリコン基板51の不純物濃度を高くするのは、その抵抗を下げ、全面均一印加可能とするためである。また、P型エピタキシャル層53の濃度を低くするのは、P型ウェル72との耐圧を上げるためである。
When the potential is applied to the
本実施の形態では、例えば、P型シリコン基板51の不純物濃度は1×1019/cm3程度、N型のエピタキシャル層52の不純物濃度は1×1017/cm3程度、P型エピタキシャル層53は1×1016/cm3程度、電荷蓄積層55の不純物濃度は1×1017/cm3程度、空乏化防止層54の不純物濃度は1×1018/cm3程度にすることができる。
In the present embodiment, for example, the impurity concentration of the P-
ところで、周辺回路部62には、タイミングジェネレータ回路3やデジタル出力回路7が配置されず、単に水平走査回路5及び垂直走査回路4のみが配置される場合のように、周辺回路部62におけるCMOS等の素子の動作や特性を厳密に均一にする必要がないなら、埋め込みP型層75は、必ずしも必要ない。
By the way, in the peripheral circuit section 62, the timing generator circuit 3 and the
このように埋め込みP型層75を設けないように前記第1の実施の形態を変形した例を、図7に示す。図7は、図6に対応する断面概念図である。この場合、エピタキシャル層53における周辺回路部62の領域53bも、N型エピタキシャル層52の上に配置されることになる。なお、この変形例では、P型エピタキシャル層53の領域53bへの電位の供給は、上方の配線(図示せず)を介して行われる。
FIG. 7 shows an example in which the first embodiment is modified so that the buried P-
[第2の実施の形態] [Second Embodiment]
図8は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像装置の画素部の一部を示す概略断面図であり、図4に対応している。図9は、本実施の形態による固体撮像装置の光電変換部の深さ方向の不純物濃度プロファイル及びポテンシャルを示す図であり、図5に対応している。図10は、本実施の形態による固体撮像装置の画素部2及び周辺回路部62を示す断面概念図であり、図6に対応している。図8乃至図10において、図4乃至図6中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a part of the pixel portion of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. FIG. 9 is a diagram showing an impurity concentration profile and potential in the depth direction of the photoelectric conversion unit of the solid-state imaging device according to the present embodiment, and corresponds to FIG. FIG. 10 is a conceptual cross-sectional view showing the
本実施の形態による固体撮像装置が前記第1の実施の形態による固体撮像装置1と異なる所は、P型シリコン基板51とN型エピタキシャル層52との間にP型のエピタキシャル層81が配置されている点のみである。
The solid-state imaging device according to the present embodiment differs from the solid-
P型シリコン基板51の不純物濃度は比較的高い。そして、N型エピタキシャル層52の不純物濃度はP型シリコン基板51の不純物濃度に比べると低く設定される。これは、N型エピタキシャル層52の不純物濃度を高くし過ぎると、P型エピタキシャル層53を形成する際に、N型エピタキシャル層52の不純物がP型エピタキシャル層53に再拡散されてしまい、光電変換部13の感度が低下したりばらついたりしてしまうためである。これらの点は、前記第1及び第2の実施の形態のいずれにおいても同様である。
The impurity concentration of the P-
したがって、前記第1の実施の形態のようにN型エピタキシャル層52をP型シリコン基板51上に直接に形成すると、N型エピタキシャル層52を形成する際に、P型シリコン基板51の不純物がN型エピタキシャル層52に再拡散されてしまう。その結果、N型エピタキシャル層52のN型不純物の濃度が設計値から変化したり、実質的なN型エピタキシャル層52の膜厚が設計値に比べて薄くなったりすることが考えられる。
Therefore, when the N-
このようなことが生ずると、N型エピタキシャル層52の抵抗値も大きくなり、このため、N型エピタキシャル層52の電位が変化する。さらに、それに伴い、P型エピタキシャル層53の電位が変化してしまい、これにより、光電変換部13の光電変換特性や、画素11に配置されるその他の素子にも影響を与える。また、画素間のクロストーク低減の効果にも影響を与えることになる。
When this occurs, the resistance value of the N-
そこで、このような不都合を避けるため、第1の実施の形態においては、N型エピタキシャル層52を比較的厚い膜厚としている。
Therefore, in order to avoid such an inconvenience, in the first embodiment, the N-
これに対し、本実施の形態においては、P型シリコン基板51とN型エピタキシャル層52との間にP型のエピタキシャル層81が設けられているので、P型シリコン基板51からの不純物の再拡散は、P型エピタキシャル層81に吸収され、前述した不都合が防止される。このため、本実施の形態では、N型エピタキシャル層52は、比較的薄く形成すればよい。
On the other hand, in the present embodiment, since the P-
本実施の形態では、例えば、P型シリコン基板51の不純物濃度は1×1019/cm3程度、P型エピタキシャル層81の不純物濃度は1×1017/cm3程度、N型のエピタキシャル層52の不純物濃度は1×1017/cm3程度、P型エピタキシャル層53は1×1016/cm3程度、電荷蓄積層55の不純物濃度は1×1017/cm3程度、空乏化防止層54の不純物濃度は1×1018/cm3程度にすることができる。
In the present embodiment, for example, the impurity concentration of the P-
図9から理解できるように、P型のエピタキシャル層81を配置した本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様に、画素間のクロストークをより低減することができる。
As can be understood from FIG. 9, according to the present embodiment in which the P-
また、図10からわかるように、P型のエピタキシャル層81が配置されても、周辺回路部62を第1の実施の形態と同様に形成することができる。
As can be seen from FIG. 10, even if the P-
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
1 固体撮像装置
2 画素部
4 垂直走査回路
5 水平走査回路
7 デジタル出力回路
11 画素
13 光電変換部
51 P型シリコン基板(第1半導体層)
52 N型エピタキシャル層(第2半導体層)
53 P型エピタキシャル層(第3半導体層)
55 電荷蓄積部
62 周辺回路部
75 埋め込みP型層(第4半導体層)
81 P型エピタキシャル層(第5半導体層)
DESCRIPTION OF
52 N-type epitaxial layer (second semiconductor layer)
53 P-type epitaxial layer (third semiconductor layer)
55 Charge Storage Unit 62
81 P-type epitaxial layer (fifth semiconductor layer)
Claims (10)
前記第1半導体層の上に配置された第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の上に配置された前記第1導電型の第3半導体層と、
複数の画素であって、各々の画素が、前記第3半導体層における前記第2半導体層上の領域に配置され入射光に応じて光電変換された電荷を蓄積する前記第2導電型の電荷蓄積部を有し、前記電荷に応じたアナログ信号を出力する複数の画素と、
を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A second semiconductor layer of a second conductivity type disposed on the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of the first conductivity type disposed on the second semiconductor layer;
A plurality of pixels, wherein each pixel is disposed in a region of the third semiconductor layer on the second semiconductor layer and accumulates charges photoelectrically converted according to incident light; A plurality of pixels that output an analog signal corresponding to the charge,
A solid-state imaging device comprising:
前記第1半導体層の上に前記第2の半導体層に連続するように配置された第4半導体層と、
を備え、
前記第3半導体層は、前記第2半導体層の上のみならず前記第4半導体層の上にも形成され、
前記回路を構成する複数の半導体素子が前記第3半導体層における前記第4半導体層上の領域に配置されたことを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。 A circuit related to the operation of the plurality of pixels;
A fourth semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer so as to be continuous with the second semiconductor layer;
With
The third semiconductor layer is formed not only on the second semiconductor layer but also on the fourth semiconductor layer,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a plurality of semiconductor elements constituting the circuit are arranged in a region on the fourth semiconductor layer in the third semiconductor layer.
前記第3半導体層が前記第4半導体層を介して前記第1半導体層と電気的に接続されたことを特徴とする請求項3又は4記載の固体撮像装置。 The conductivity type of the fourth semiconductor layer is the first conductivity type;
5. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the third semiconductor layer is electrically connected to the first semiconductor layer through the fourth semiconductor layer.
前記回路を構成する複数の半導体素子が前記第3半導体層における前記第2半導体層上の領域に配置されたことを特徴とする請求項1又は2記載の固体撮像装置。 A circuit related to the operation of the plurality of pixels;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a plurality of semiconductor elements constituting the circuit are arranged in a region on the second semiconductor layer in the third semiconductor layer.
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JP2011222876A (en) * | 2010-04-13 | 2011-11-04 | Sharp Corp | Solid-state imaging element and electronic information apparatus |
JP2019029399A (en) * | 2017-07-26 | 2019-02-21 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Imaging apparatus |
JP2020150194A (en) * | 2019-03-15 | 2020-09-17 | 株式会社東芝 | Solid-state imaging device |
-
2006
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011222876A (en) * | 2010-04-13 | 2011-11-04 | Sharp Corp | Solid-state imaging element and electronic information apparatus |
JP2019029399A (en) * | 2017-07-26 | 2019-02-21 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Imaging apparatus |
JP2020150194A (en) * | 2019-03-15 | 2020-09-17 | 株式会社東芝 | Solid-state imaging device |
JP7227802B2 (en) | 2019-03-15 | 2023-02-22 | 株式会社東芝 | Solid-state imaging device |
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