JP2008147486A - Solid-state imaging device - Google Patents
Solid-state imaging device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008147486A JP2008147486A JP2006334223A JP2006334223A JP2008147486A JP 2008147486 A JP2008147486 A JP 2008147486A JP 2006334223 A JP2006334223 A JP 2006334223A JP 2006334223 A JP2006334223 A JP 2006334223A JP 2008147486 A JP2008147486 A JP 2008147486A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hole
- transfer
- region
- solid
- state imaging
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 38
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 36
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 24
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置に関し、特に高集積度で、高解像度の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, and more particularly to a highly integrated and high-resolution solid-state imaging device.
近年固体撮像装置では高解像度化/多画素化が進み、それに伴って、1画素の面積か小さくなっている。これは実際に光電効果に寄与する受光部が小さくなる事から、同じ明るさの環境下でも、1画素当りから得られる出力が小さくなる事を意味する。ノイズが大きく改善しない場合、出力が小さくなれば相対的にノイズが大きくなり、画質の劣化の原因となる、従来の固体撮像装置では、光電効果で発生した電子/正孔対の内、電子のみを出力として使用しており、入射光によって発生した正孔の電荷は利用されていなかった。
本発明の課題は、光電効果で発生した電子/正孔対の両方を利用することにより、高集積度で、高解像度の固体撮像装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device with high integration and high resolution by utilizing both electron / hole pairs generated by the photoelectric effect.
本発明の固体撮像装置は、第1導電型の半導体基板と、この半導体基板内の表面領域に設けられた第2導電型の正孔蓄積/転送領域と、この正孔蓄積/転送領域内に設けられた、第1導電型の受光領域と、この受光領域に対して所定の間隔をおいて前記正孔蓄積/転送領域内の表面領域に設けられた、第1導電型の電子転送領域と、前記半導体基板表面に形成されたゲート酸化膜と、このゲート酸化膜上の、前記受光領域および前記正孔蓄積/転送領域間に対応する位置に形成された第1の転送ゲート電極と、前記電子転送領域に接続された電子検出回路と、前記正孔蓄積/転送領域に蓄積された正孔を取り出す手段と、この手段により取り出された正孔が供給される正孔検出回路と、を備えることを特徴とするものである。 A solid-state imaging device according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate, a second conductivity type hole accumulation / transfer region provided in a surface region of the semiconductor substrate, and a hole accumulation / transfer region in the hole conductivity / transfer region. A first-conductivity-type light-receiving region provided, and a first-conductivity-type electron-transfer region provided in a surface region within the hole accumulation / transfer region at a predetermined interval with respect to the light-receiving region; A gate oxide film formed on the surface of the semiconductor substrate; a first transfer gate electrode formed on the gate oxide film at a position corresponding to between the light receiving region and the hole accumulation / transfer region; An electron detection circuit connected to the electron transfer region; means for extracting the holes accumulated in the hole accumulation / transfer region; and a hole detection circuit to which the holes extracted by the means are supplied. It is characterized by this.
光電効果で発生した電子/正孔対の両方を利用することにより、高集積度で、高解像度の固体撮像装置構造が得られる。 By using both electron / hole pairs generated by the photoelectric effect, a solid-state imaging device structure with high integration and high resolution can be obtained.
以下本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1は固体撮像装置の1画素に対応する受光部と光電変換された画像情報の読み出し回路の構成を示す平面図である。また、図2は図1の破線A−A´に沿った断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a light receiving unit corresponding to one pixel of a solid-state imaging device and a readout circuit for photoelectrically converted image information. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a broken line AA ′ in FIG.
これらの図に示されるように、例えばN型のSi半導体基板11の表面から一定の深さの部分には、N型の半導体領域からなる受光部12が形成されている。この受光部12は、その平面形状が、ほぼ正方形の隣接する2つの角部が除去された形状を有している。この受光部12の周囲には、その一部が半導体基板11の表面に達するP型の半導体領域からなり、正孔を蓄積/転送する正孔蓄積/転送領域13が形成されている。この正孔蓄積/転送領域13は、その平面形状が、図1に示されるように、ほぼ正方形であるが、1つの角部が拡大されている。この拡大された正孔蓄積/転送領域13内には、受光部12から僅かに離間されて、電子を転送する電子転送領域14が形成されている。この電子転送領域14はその一部が半導体基板11の表面に達するN型の半導体領域からなっている。そして、この電子転送領域14は、その平面形状が図1に示されるようにほぼ三角形であり、その一辺が、受光部12の除去された角部に対して一定の間隔を置いて対向するように配置されている。
As shown in these drawings, for example, a
これらの各領域が形成された半導体基板11の表面には、SiO2からなるゲート酸化膜15が形成される。このゲート酸化膜15上には、受光部12と電子転送領域14の間の部分に、その平面形状が、ほぼ長方形の転送ゲート(TG)電極16が配置される。この転送ゲート電極16にはゲート制御線TGnが接続されている。このゲート制御線TGnは、図示しないが、転送ゲート電極16をおよび半導体基板11の表面を覆う絶縁膜上に多層配線されている。
A
電子転送領域14には電子取り出し端子14−1が設けられ、この端子は電子を検知するN−chトランジスタにより構成される電子検出回路17の入力端子に接続されている。また、正孔蓄積/転送領域13には正孔取り出し端子13−1が設けられ、この端子は正孔を検知するP−chトランジスタにより構成される正孔検出回路18の入力端子に接続されている。電子検出回路17および正孔検出回路18の出力端子S1、S2はそれぞれA/Dコンバータ19の入力端子に接続され、出力側にはデジタル出力信号が取り出される。電子検出回路17および正孔検出回路18の出力端子s1、s2には、また、信号読み出し用の信号線Sが接続されている。
The
なお、図1および図2には、1画素分の回路装置(セル)のみ示されているが、実際の装置においては、複数個の画素に対応するセルがライン状あるいはマトリクス状に配列され、ゲート制御線TGn、信号線SおよびA/Dコンバータ19は、それらのセルに共通に利用される。
1 and FIG. 2 show only a circuit device (cell) for one pixel, but in an actual device, cells corresponding to a plurality of pixels are arranged in a line or matrix, The gate control line TGn, the signal line S, and the A /
次にこのように構成された固体撮像装置の動作について図3および図4を用いて説明する。受光部12に被写体からの入射光Lが入射すると、これによって電子/正孔対が発生し、正孔については従来装置では主に基板に排出され、信号出力には寄与していなかったが、本実施形態においては、受光部12を取り囲む正孔蓄積/転送領域13内に蓄積される。この実施形態における固体撮像装置は、入射光Lが入射する前後の定常状態においては、ゲート制御線TGnの電位はグランドレベル、すなわち、Lowレベルとする。この状態において正孔蓄積/転送領域13内に蓄積された正孔は、正孔取り出し端子13−1を介して外部に取り出され、正孔検出回路18に供給される。正孔検出回路18は、供給された正孔を検出し、その量に応じた正のアナログ電位出力をその出力端子s2に発生する。
Next, the operation of the solid-state imaging device configured as described above will be described with reference to FIGS. When incident light L from the subject is incident on the
他方、入射光Lの入射により受光部12に発生した電子/正孔対の内の電子は、転送ゲートTGを所定の正電位、すなわちHighレベルとすることにより、受光部12と電子転送領域14間の正孔蓄積/転送領域13の表面領域に形成されたNチャネル、電子取り出し端子14−1を介して外部に取り出される。電子取り出し端子14−1を介して外部に取り出された電子は、電子検出回路17の入力端子に供給される。電子検出回路17は、供給された電子を検出し、その量に応じた正のアナログ電位出力をその出力端子s1に発生する。
On the other hand, the electrons in the electron / hole pair generated in the
電子検出回路17の出力端子s1および正孔検出回路18の出力端子s2に発生した正のアナログ電位出力はともにA/Dコンバータ19の入力端子に供給されることにより加算され、その出力端子にデジタル変換された信号出力が得られる。この出力は信号線Sに読み出される。
Both positive analog potential outputs generated at the output terminal s1 of the
このように、A/Dコンバータ19の出力端には、固体撮像装置の出力信号として、電子検出回路17の出力と正孔検出回路18の出力とが加算された信号が出力されるため、電子単独の場合の出力と比較して最大2倍の出力が得られる。
As described above, the output terminal of the A /
(実施形態2)
図5は本発明の固体撮像装置の第2の実施形態を示す平面図であり、1画素に対応する受光部と光電変換された画像情報の読み出し回路の構成を示すである。また、図6は図5の破線B−B´に沿った断面図である。これらの図において、図1および図2に対応する構成部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a plan view showing a second embodiment of the solid-state imaging device of the present invention, and shows a configuration of a light receiving unit corresponding to one pixel and a readout circuit for photoelectrically converted image information. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the broken line BB ′ in FIG. In these drawings, components corresponding to those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, different portions will be mainly described.
この実施の形態においては、半導体基板11内の正孔蓄積/転送領域13から僅かに離れた部分に、その一部が半導体基板11の表面に達するP型の半導体領域からなり、正孔を転送する正孔転送領域21が形成されている。この正孔蓄積/転送領域13および正孔転送領域21の間の半導体基板11の表面部分には、Pチャンネル領域22が形成されている。また、正孔蓄積/転送領域13および正孔転送領域21の間の位置に対応する、ゲート酸化膜15上には第2の転送ゲート電極TG2が設けられている。ここで、受光部12と電子転送領域14の間に設けられた第1の転送ゲート電極T1は、図1および図2における転送ゲート(TG)電極16に対応している。正孔転送領域21の平面形状は、図5に示されるように、ほぼ三角形であり、その一辺が、受光部12の除去された角部に対して一定の間隔を置いて対向するように配置されている。また、第2の転送ゲート電極TG2の平面形状は、第1の転送ゲート電極T1と同様に、ほぼ長方形となっている。
In this embodiment, a portion of the
第1の転送ゲート電極T1には第1のゲート制御線TGnが接続されている。この第1のゲート制御線TGnは図1又は図2に示したゲート制御線TGnに対応している。これに対して、第2の転送ゲート電極TG2には、第2のゲート制御線TGn´が接続されている。この第2のゲート制御線TGn´は、図示しないが、第1のゲート制御線TGnと同様に、第1の転送ゲート電極T1、第2の転送ゲート電極TG2および半導体基板11の表面を覆う絶縁膜上に多層配線されている。第1のゲート制御線TGnと第2のゲート制御線TGn´には、互いに極性が反転した制御電圧が印加される。
A first gate control line TGn is connected to the first transfer gate electrode T1. The first gate control line TGn corresponds to the gate control line TGn shown in FIG. 1 or FIG. On the other hand, a second gate control line TGn ′ is connected to the second transfer gate electrode TG2. Although not shown, the second gate control line TGn ′ is an insulating material that covers the first transfer gate electrode T1, the second transfer gate electrode TG2, and the surface of the
前述したように、電子転送領域14には電子取り出し端子14−1が設けられ、この端子14−1には第1の信号線S1が接続される。この端子14−1はまた、電子を検知するN−chトランジスタにより構成される電子検出回路17の入力端子に接続されている。また、正孔転送領域21には正孔取り出し端子21−1が設けられ、この端子には第2の信号線S2が接続される。この端子21−1はまた、正孔を検知するN−chトランジスタにより構成される正孔検出回路23の入力端子に接続されている。電子検出回路17および正孔検出回路23の出力端子s1、s2はそれぞれ第1のA/Dコンバータ24および第2のA/Dコンバータ25の入力端子に接続され、出力側にはデジタル出力信号が取り出される。第1および第2のA/Dコンバータ24、25の出力信号は差分回路26の入力端子に供給され、その出力端に固体撮像装置の出力信号27が得られる。
As described above, the
次にこのように構成された固体撮像装置の動作について図7乃至図9を用いて説明する。受光部12に被写体からの入射光Lが入射すると、これによって電子/正孔対が発生し、正孔については従来装置では主に基板に排出され、信号出力には寄与していなかったが、本実施形態においては、受光部12を取り囲む正孔蓄積/転送領域13内に蓄積される。この電荷蓄積時には、第1のゲート制御線TGnはLowレベル、第2のゲート制御線TGn´にはHighレベルの電圧が与えられる。これによって、第2の転送ゲート電極TG2にHighレベルの電位を印加して、第2の転送ゲート電極TG2直下のPチャンネル22を反転させ、正孔蓄積/転送領域13から正孔転送領域21への正孔の移動を阻止する。この状態においては、第1の転送ゲート電極T1にはLowレベルの電位が与えられているため、第1の転送ゲート電極T1の直下のN型半導体基板11には反転は生じない。したがって、正孔蓄積/転送領域13内に発生した電子も電子転送領域14には移動しない。
Next, the operation of the solid-state imaging device configured as described above will be described with reference to FIGS. When incident light L from the subject is incident on the
次に信号読み出し時においては、第1のゲート制御線TGnはHighレベル、第2のゲート制御線TGn´にはLowレベルの電圧が与えられる。これによって、第1の転送ゲート電極T1にはHighレベルの電位が与えられるため、第1の転送ゲート電極T1の直下のP型正孔蓄積/転送領域13は反転し、Nチャンネルが形成される。したがって、正孔蓄積/転送領域13内に発生した電子は電子転送領域14に転送され、電子取り出し端子14−1を介して外部に取り出される。取り出された電子は、N−chトランジスタにより構成される電子検出回路17の入力端子に供給され、取り出された電子の量に応じたアナログ信号に変換される。
Next, at the time of signal readout, the first gate control line TGn is supplied with a high level voltage and the second gate control line TGn ′ is supplied with a low level voltage. As a result, since a high level potential is applied to the first transfer gate electrode T1, the P-type hole accumulation /
この信号読み出し時においては、また、第2の転送ゲート電極TG2にLowレベル電位が印加され、第2の転送ゲート電極TG2直下のPチャンネル領域22を反転させることはないため、正孔蓄積/転送領域13から正孔転送領域21への正孔が転送される。正孔転送領域21へ移動した正孔は、正孔取り出し端子21−1を介して取り出され、N−chトランジスタにより構成される正孔検出回路23の入力端子に供給される。
At the time of reading this signal, a low level potential is applied to the second transfer gate electrode TG2, and the
ここで、電子が電子転送領域14に転送され、正孔が転送領域21へ転送される前に、第1の信号線S1をHighレベル電位にリセットし、第2の信号線S2をLowレベル電位にリセットして、第1および第2のA/Dコンバータ24、25それぞれの出力を基準信号電位として保持する。電荷を読み出すと、第1のA/Dコンバータ24(ADC1)の出力は基準信号電位より高くなり、第2のA/Dコンバータ25(ADC2)の出力は基準信号電位より低くなり、それぞれの基準信号電位との差が第1および第2のA/Dコンバータ24、25の出力電位となる。第1および第2のA/Dコンバータ24、25の出力信号は差分回路26の入力端子に供給され、その出力端に固体撮像装置の出力信号27が得られる。
Here, before the electrons are transferred to the
図9は入射光量に対する第1および第2のA/Dコンバータ24、25の出力電位を示すグラフである。図からわかるように、第1および第2のA/Dコンバータ24、25の出力電位であるADC1とADC2はともに入射光量に比例して増加するが、それらの極性は互いに逆の極性となる。このためADC1とADC2の出力の差分を取れば、電子単独の出力の場合と比較して振幅は最大2倍となる。
FIG. 9 is a graph showing output potentials of the first and second A /
この実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、固体撮像装置の出力信号として、電子検出回路17の出力と正孔検出回路23の出力とが加算された信号が出力されるため、電子単独の場合の出力と比較して最大2倍の出力が得られる。
According to this embodiment, as in the first embodiment, a signal obtained by adding the output of the
また、この実施形態によれば、電子検出回路17および正孔検出回路23はいずれもNチャンネルトランジスタにより構成することができるため、受光部12を中心とする画素形成領域内の装置分離領域を減らすことができ、これによって固体撮像装置の面積をより小さくできる。
In addition, according to this embodiment, since both the
なお、この実施形態においては、電子検出回路17および正孔検出回路23をNチャンネルトランジスタにより構成したが、これらをPチャンネルトランジスタで構成することもできる。
In this embodiment, the
11…半導体基板
12…受光部
13…正孔蓄積/転送領域
14…電子転送領域
15…ゲート酸化膜
16…転送ゲート電極
17…電子検出回路
18…正孔検出回路
19…A/Dコンバータ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006334223A JP2008147486A (en) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | Solid-state imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006334223A JP2008147486A (en) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | Solid-state imaging device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008147486A true JP2008147486A (en) | 2008-06-26 |
Family
ID=39607310
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006334223A Pending JP2008147486A (en) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | Solid-state imaging device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008147486A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012032911A1 (en) * | 2010-09-07 | 2012-03-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Image sensor and image capture apparatus |
JP2014143441A (en) * | 2014-04-21 | 2014-08-07 | Sony Corp | Solid state imaging device and camera |
JP2014170944A (en) * | 2014-03-31 | 2014-09-18 | Canon Inc | Image sensor and image pick-up device |
JP2016213356A (en) * | 2015-05-11 | 2016-12-15 | 株式会社デンソー | Light-emitting device, control method and photodetector |
-
2006
- 2006-12-12 JP JP2006334223A patent/JP2008147486A/en active Pending
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012032911A1 (en) * | 2010-09-07 | 2012-03-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Image sensor and image capture apparatus |
JP2012059845A (en) * | 2010-09-07 | 2012-03-22 | Canon Inc | Image sensor and image pick-up device |
CN103081106A (en) * | 2010-09-07 | 2013-05-01 | 佳能株式会社 | Image sensor and image capture apparatus |
US9165964B2 (en) | 2010-09-07 | 2015-10-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Image sensor and image capture apparatus |
EP2614527B1 (en) * | 2010-09-07 | 2019-05-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Image sensor and image capture apparatus |
JP2014170944A (en) * | 2014-03-31 | 2014-09-18 | Canon Inc | Image sensor and image pick-up device |
JP2014143441A (en) * | 2014-04-21 | 2014-08-07 | Sony Corp | Solid state imaging device and camera |
JP2016213356A (en) * | 2015-05-11 | 2016-12-15 | 株式会社デンソー | Light-emitting device, control method and photodetector |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN206412361U (en) | Imaging sensor and imaging pixel | |
US7863661B2 (en) | Solid-state imaging device and camera having the same | |
RU2668949C2 (en) | Image capturing device and image capturing system | |
TWI418021B (en) | Reduced pixel area image sensor | |
US8159585B2 (en) | Image sensor pixel with gain control | |
WO2011058684A1 (en) | Solid-state image pickup device | |
JP5538876B2 (en) | Solid-state imaging device | |
KR100820520B1 (en) | Solid state imaging apparatus | |
EP1850387B1 (en) | Solid-state image pickup device | |
JP2010016056A (en) | Photoelectric conversion device | |
US9177979B2 (en) | Solid-state image pickup device having reference voltage supply line on a first substrate and power supply lines to supply voltages to the reference voltage supply line on a second substrate | |
JP2014045219A (en) | Solid state image pickup device | |
JP2013031226A (en) | Small-size, high-gain and low-noise pixel for cmos image sensor | |
JPH11177076A (en) | Solid state image pickup element | |
WO2011058683A1 (en) | Solid-state image pickup device | |
JP2014075776A (en) | Solid-state imaging apparatus | |
US10535695B2 (en) | Stacked wafer arrangement for global shutter pixels utilizing capacitive deep trench isolations | |
US20230307480A1 (en) | Image sensing device | |
WO2015170533A1 (en) | Solid-state image pickup device, driving method for solid-state image pickup device, and electronic apparatus | |
JP2008147486A (en) | Solid-state imaging device | |
JP2011066506A (en) | Solid-state imaging element | |
WO2021033454A1 (en) | Semiconductor device and electronic apparatus | |
JP4720402B2 (en) | Solid-state imaging device | |
JP4693183B2 (en) | Method for manufacturing solid-state imaging device | |
US20230403483A1 (en) | Imaging element and imaging device |