JP2008192813A - Ccd (charge coupled device) solid-state image sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a high S/N (signal to noise ratio) even when the pixel size of a CCD solid-state image sensor becomes minute. <P>SOLUTION: The frame interline transfer type CCD solid-state image sensor is provided with a sensor unit 2 having a plurality of photoelectric conversion elements 11 arrayed and formed so as to form a two-dimensional array and a plurality of first vertical charge transfer paths 12, a horizontal charge transfer path 4 and an accumulation unit 3 provided between the horizontal charge transfer path 4 and the sensor unit 2 while being provided with a plurality of second vertical charge transfer paths 15 continuous with the first vertical charge transfer path 12. In this case, the structure of the second vertical charge transfer path 15 is made so as to have a low dark current structure with respect to the structure of the first vertical charge transfer path 12. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明はCCD固体撮像素子に係り、特に、暗電流が少なくS/Nが高いCCD固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a CCD solid-state imaging device, and more particularly to a CCD solid-state imaging device with a low dark current and a high S / N.

CCD(電荷結合素子:Charge Coupled Device)固体撮像素子は、半導体基板表面上に二次元アレイ状に形成された多数のフォトダイオードが夫々の受光量に応じた信号電荷(多くの場合は電子)を検出し、垂直電荷転送路がこの信号電荷を水平電荷転送路まで転送し、次に水平電荷転送路が信号電荷を出力アンプまで転送することで、出力アンプが各信号電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力する構成になっている。   A CCD (Charge Coupled Device) solid-state imaging device has a large number of photodiodes formed in a two-dimensional array on the surface of a semiconductor substrate and receives signal charges (in many cases electrons) according to the amount of light received. Detect, the vertical charge transfer path transfers this signal charge to the horizontal charge transfer path, and then the horizontal charge transfer path transfers the signal charge to the output amplifier so that the output amplifier has a voltage value corresponding to each signal charge amount. The signal is output as a captured image signal.

斯かるCCD固体撮像素子で暗電流を抑制する場合、フォトダイオードで発生する暗電流は、フォトダイオードの表面にp型高濃度不純物層を形成し、暗電流成分となる電子をp型高濃度不純物層でSi/SiO界面に蓄積されたホールと速やかな再結合を促すことで抑制することが、通常行われている。 When dark current is suppressed by such a CCD solid-state imaging device, the dark current generated by the photodiode forms a p-type high-concentration impurity layer on the surface of the photodiode, and the electrons that are dark current components are converted into p-type high-concentration impurities. In general, suppression by promoting rapid recombination with holes accumulated at the Si / SiO 2 interface in the layer is performed.

また、電荷転送路で発生する暗電流は、例えば下記特許文献1記載の様に、電荷転送路のn型埋め込みチャネル上にp型チャネルを形成して二重チャネル構造とし、この二重チャネルの横に、p型チャネルにトラップされた電子を廃棄する暗電流ドレイン構造を形成することで抑制することが可能である。   The dark current generated in the charge transfer path is formed as a double channel structure by forming a p-type channel on the n-type buried channel of the charge transfer path as described in Patent Document 1 below, for example. Next, it can be suppressed by forming a dark current drain structure that discards electrons trapped in the p-type channel.

特許第2816824号公報Japanese Patent No. 2816824

近年のCCD固体撮像素子に搭載される画素数は数百万画素以上になってきており、1画素(フォトダイオード)の受光面積は縮小の一途を辿り、2μm□以下の画素サイズになってきている。このため、1本1本の垂直電荷転送路の幅も縮小されてきている。   In recent years, the number of pixels mounted on a CCD solid-state imaging device has increased to millions of pixels, and the light receiving area of one pixel (photodiode) has been steadily decreasing and has become a pixel size of 2 μm □ or less. Yes. For this reason, the width of each vertical charge transfer path has also been reduced.

従って、垂直電荷転送路における暗電流を低減するために、上記特許文献1記載の二重チャネル構造を採用しても、暗電流ドレイン構造を各垂直電荷転送路の横に製造するスペースがなく、垂直電荷転送路の暗電流を抑制することが難しいという問題がある。特に、CCD固体撮像素子における暗電流は、垂直電荷転送路で発生する割合が9割あり、CCD固体撮像素子の更なる多画素化及び高感度化を図るために、垂直電荷転送路の低暗電流化が重要な課題になってきている。   Therefore, in order to reduce the dark current in the vertical charge transfer path, even if the double channel structure described in Patent Document 1 is adopted, there is no space for manufacturing the dark current drain structure beside each vertical charge transfer path, There is a problem that it is difficult to suppress the dark current in the vertical charge transfer path. In particular, the dark current in the CCD solid-state image sensor has a ratio of 90% generated in the vertical charge transfer path, and in order to further increase the number of pixels and increase the sensitivity of the CCD solid-state image sensor, Current generation has become an important issue.

本発明の目的は、低暗電流でS/Nが高いCCD固体撮像素子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a CCD solid-state imaging device having a low dark current and a high S / N.

本発明のCCD固体撮像素子は、二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子及び複数の第1垂直電荷転送路を有するセンサ部と、水平電荷転送路と、該水平電荷転送路と前記センサ部との間に設けられ前記第1垂直電荷転送路に連続する複数の第2垂直電荷転送路を有する蓄積部とを備えるフレームインターライントランスファー型のCCD固体撮像素子において、前記第1垂直電荷転送路の構造に対し、前記第2垂直電荷転送路の構造を低暗電流構造にしたことを特徴とする。   The CCD solid-state imaging device of the present invention includes a sensor unit having a plurality of photoelectric conversion elements and a plurality of first vertical charge transfer paths arranged in a two-dimensional array, a horizontal charge transfer path, and the horizontal charge transfer path. In the frame interline transfer type CCD solid-state imaging device, comprising a storage unit having a plurality of second vertical charge transfer paths that are provided between the sensor section and continuous with the first vertical charge transfer paths. The structure of the second vertical charge transfer path is a low dark current structure with respect to the structure of the charge transfer path.

本発明のCCD固体撮像素子は、前記第2垂直電荷転送路の転送速度に対して前記第1垂直電荷転送路の転送速度を10倍以上20倍以下に制御したことを特徴とする。   The CCD solid-state imaging device of the present invention is characterized in that the transfer speed of the first vertical charge transfer path is controlled to be 10 times or more and 20 times or less with respect to the transfer speed of the second vertical charge transfer path.

本発明のCCD固体撮像素子は、前記第1垂直電荷転送路に対して前記第2垂直電荷転送路の幅を幅広にしたことを特徴とする。   The CCD solid-state imaging device of the present invention is characterized in that the width of the second vertical charge transfer path is wider than the first vertical charge transfer path.

本発明のCCD固体撮像素子は、前記低暗電流構造が、前記光電変換素子の検出した信号電荷を転送する埋め込みチャネルと、該埋め込みチャネルの上に形成され暗電流を転送する表面チャネルとを有する二重チャネル構造であることを特徴とする。   In the CCD solid-state imaging device of the present invention, the low dark current structure has a buried channel for transferring signal charges detected by the photoelectric conversion device, and a surface channel formed on the buried channel for transferring dark current. It is characterized by a dual channel structure.

本発明のCCD固体撮像素子は、前記埋め込みチャネルがn型領域で形成され前記表面チャネルがp型領域で形成された前記第2垂直電荷転送路における電荷転送を、プラス電圧だけで形成された転送パルスで行うことを特徴とする。   In the CCD solid-state imaging device according to the present invention, the charge transfer in the second vertical charge transfer path in which the buried channel is formed of an n-type region and the surface channel is formed of a p-type region is performed only by a plus voltage. It is characterized by being performed by pulses.

本発明のCCD固体撮像素子は、前記第2垂直電荷転送路の前記水平電荷転送路に接続する最終段位置に、前記表面チャネルの暗電流を廃棄するドレインを設けたことを特徴とする。   The CCD solid-state imaging device of the present invention is characterized in that a drain for discarding the dark current of the surface channel is provided at the final stage position connected to the horizontal charge transfer path of the second vertical charge transfer path.

本発明のCCD固体撮像素子は、前記ドレインを設けた前記最終段位置の前記第2垂直電荷転送路の幅が狭くなった分だけ該最終段の長さを長くしたことを特徴とする。   The CCD solid-state imaging device according to the present invention is characterized in that the length of the final stage is increased by the width of the second vertical charge transfer path at the final stage position where the drain is provided.

本発明によれば、蓄積部の電荷転送路を低暗電流構造にしたため、多画素化を図るために画素サイズが微小になっても、S/Nが向上し、このCCD固体撮像素子を搭載したデジタルカメラ等の高感度化を達成することが可能となる。   According to the present invention, since the charge transfer path of the storage unit has a low dark current structure, the S / N is improved even if the pixel size is reduced to increase the number of pixels, and this CCD solid-state imaging device is mounted. It is possible to achieve high sensitivity of a digital camera or the like.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係るCCD固体撮像素子の表面模式図である。本実施形態のCCD固体撮像素子は、フレームインターライントランスファー(FIT)型であり、半導体基板1の表面部には、センサ部(受光領域)2と、蓄積部3と、水平電荷転送路4と、水平電荷転送路4の出力端部に設けられた出力アンプ5とが設けられている。   FIG. 1 is a schematic view of the surface of a CCD solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. The CCD solid-state imaging device of this embodiment is a frame interline transfer (FIT) type, and a sensor unit (light receiving region) 2, a storage unit 3, a horizontal charge transfer path 4, and a surface portion of a semiconductor substrate 1. An output amplifier 5 provided at the output end of the horizontal charge transfer path 4 is provided.

センサ部2は、二次元アレイ状に、図示の例では正方格子状に配列形成された複数の光電変換素子(フォトダイオードPD)11と、各光電変換素子列に沿って形成された垂直電荷転送路(VCCD)12とを備える。   The sensor unit 2 includes a plurality of photoelectric conversion elements (photodiodes PD) 11 arranged in a two-dimensional array, in the illustrated example, in a square lattice shape, and vertical charge transfer formed along each photoelectric conversion element array. A road (VCCD) 12.

蓄積部3は、センサ部2の各垂直電荷転送路12毎に連続して設けられた垂直電荷転送路15を備えるが、センサ部2の垂直電荷転送路12より幅広の転送路となっている。即ち、センサ部2の光電変換素子11が蓄積部3に無い分だけ、蓄積部3の電荷転送路15は幅広となっている。   The storage unit 3 includes a vertical charge transfer path 15 provided continuously for each vertical charge transfer path 12 of the sensor unit 2, but is a transfer path wider than the vertical charge transfer path 12 of the sensor unit 2. . That is, the charge transfer path 15 of the storage unit 3 is wider by the amount that the photoelectric conversion element 11 of the sensor unit 2 is not in the storage unit 3.

そして、本実施形態の蓄積部3は、各電荷転送路15の転送方向端部において、隣接する電荷転送路15間に、ドレイン制御電極16が設けられている。   In the storage unit 3 of this embodiment, the drain control electrode 16 is provided between the adjacent charge transfer paths 15 at the transfer direction end of each charge transfer path 15.

水平電荷転送路(HCCD)4は、蓄積部3の各垂直電荷転送路15から受け取った信号電荷を水平方向に転送し、出力アンプ5は、水平方向に転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力する。   The horizontal charge transfer path (HCCD) 4 transfers the signal charge received from each vertical charge transfer path 15 of the storage unit 3 in the horizontal direction, and the output amplifier 5 sets the charge amount of the signal charge transferred in the horizontal direction. A corresponding voltage value signal is output as a captured image signal.

尚、「水平」および「垂直」という用語を用いて説明しているが、これは、半導体基板表面に沿う「一方向」および「この一方向に対して略直角の方向」という意味である。   The terms “horizontal” and “vertical” are used in the description, which means “one direction” along the surface of the semiconductor substrate and “a direction substantially perpendicular to the one direction”.

図2は、図1のII―II線断面模式図であり、センサ部2におけるフォトダイオード11及びこれに隣接する垂直電荷転送路12の断面模式図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1, and is a schematic cross-sectional view of the photodiode 11 and the vertical charge transfer path 12 adjacent thereto in the sensor unit 2.

n型基板(図示せず)に形成されたpウェル層またはp型基板21には、フォトダイオード11を構成するn領域(以下、n領域11という。)が形成され、n領域11の表面部に、暗電流抑制用のp型高濃度不純物層22が形成されている。   In a p-well layer or p-type substrate 21 formed on an n-type substrate (not shown), an n region (hereinafter referred to as n region 11) constituting the photodiode 11 is formed, and a surface portion of the n region 11 is formed. In addition, a p-type high concentration impurity layer 22 for dark current suppression is formed.

垂直電荷転送路12が形成されるp型基板21の表面部にはn領域12aが形成され、n型領域12aの下側には、p型基板21よりも不純物濃度が若干濃いp領域23が設けられる。   An n region 12a is formed on the surface portion of the p-type substrate 21 where the vertical charge transfer path 12 is formed, and a p region 23 having a slightly higher impurity concentration than the p-type substrate 21 is formed below the n-type region 12a. Provided.

また、n領域12aと、右側(図示せず)のフォトダイオードとの間には高濃度p型不純物領域24が設けられ、素子分離が図られる。n領域12aと、左側(信号電荷を読み出す側)のn領域11との間には、p型基板21より若干濃度が濃いp領域25が設けられる。   In addition, a high-concentration p-type impurity region 24 is provided between the n region 12a and the photodiode on the right side (not shown) for element isolation. A p region 25 having a slightly higher concentration than the p-type substrate 21 is provided between the n region 12a and the left region (the side where signal charges are read) n region 11.

p型基板21の最表面には、酸化シリコン等の絶縁膜26が形成される。そして、n領域12aの上には、絶縁膜26を介してポリシリコン膜でなる転送電極膜12bが形成され、n領域12aと転送電極膜12bとで、垂直電荷転送路12が形成される。図示する箇所の転送電極膜12bは読出電極も兼ねるため、そのフォトダイオード11側の端部は、n領域11の端部位置まで延設されている。   An insulating film 26 such as silicon oxide is formed on the outermost surface of the p-type substrate 21. A transfer electrode film 12b made of a polysilicon film is formed on the n region 12a via an insulating film 26, and the vertical charge transfer path 12 is formed by the n region 12a and the transfer electrode film 12b. Since the transfer electrode film 12b shown in the drawing also serves as a readout electrode, the end portion on the photodiode 11 side extends to the end portion position of the n region 11.

転送電極膜12bの上は絶縁膜27で覆われ、そして、センサ部2の全面がタングステン膜等の遮光膜28で覆われる。遮光膜28の各フォトダイオード11の上方には開口29が設けられ、この開口29を介して、入射光がn領域11内に入射する。   The transfer electrode film 12b is covered with an insulating film 27, and the entire surface of the sensor unit 2 is covered with a light shielding film 28 such as a tungsten film. An opening 29 is provided above each photodiode 11 in the light shielding film 28, and incident light enters the n region 11 through the opening 29.

遮光膜28の上には、図示は省略するが、平坦化膜,カラーフィルタ層,マイクロレンズ層,保護膜層等が積層される。   Although not shown, a planarizing film, a color filter layer, a microlens layer, a protective film layer, and the like are laminated on the light shielding film 28.

図3は、図1のIII―III線断面模式図であり、蓄積部3における垂直電荷転送路15の断面模式図である。pウェル層またはp型基板21の表面部には、埋め込みチャネルとなるn領域15aが形成される。このn領域15aは、図2で説明したn領域12aと連続する深さ,濃度で形成され、信号電荷(電子)を転送するチャネルとなる。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 1 and is a schematic cross-sectional view of the vertical charge transfer path 15 in the storage unit 3. An n region 15 a serving as a buried channel is formed on the surface portion of the p-well layer or the p-type substrate 21. The n region 15a is formed with a depth and concentration continuous with the n region 12a described in FIG. 2, and serves as a channel for transferring signal charges (electrons).

n領域15aの下側には、図2で説明したp領域23が図2のp領域23と連続する深さ,濃度で形成される。   Under the n region 15a, the p region 23 described with reference to FIG. 2 is formed at a depth and concentration that is continuous with the p region 23 of FIG.

n領域15aの表面には、薄いp型表面層15cが形成される。このp型表面層15cは、蓄積部3の垂直電荷転送路15で発生した暗電流を転送するチャネルとなる。即ち、本実施形態では、蓄積部3の垂直電荷転送路15を二重チャネル構造にし、センサ部2の垂直電荷転送路12は二重チャネル構造にしないことを特徴とする。   A thin p-type surface layer 15c is formed on the surface of n region 15a. The p-type surface layer 15 c serves as a channel for transferring dark current generated in the vertical charge transfer path 15 of the storage unit 3. That is, the present embodiment is characterized in that the vertical charge transfer path 15 of the storage unit 3 has a double channel structure, and the vertical charge transfer path 12 of the sensor unit 2 does not have a double channel structure.

半導体基板21の最表面には上記の絶縁膜26が形成され、その上に、ポリシリコンでなる転送電極膜15bが形成される。この転送電極膜15bは、転送電極膜12bと同様に、周知の2層構造または3層構造あるいは単層構造になっている。本実施形態では、n領域15a,p型表面層15c,転送電極膜15bにより、垂直電荷転送路15が形成される。   The insulating film 26 is formed on the outermost surface of the semiconductor substrate 21, and the transfer electrode film 15b made of polysilicon is formed thereon. The transfer electrode film 15b has a well-known two-layer structure, three-layer structure, or single-layer structure, similar to the transfer electrode film 12b. In the present embodiment, the vertical charge transfer path 15 is formed by the n region 15a, the p-type surface layer 15c, and the transfer electrode film 15b.

n領域15a及びp型表面層15cと隣接する垂直電荷転送路15との間には素子分離領域として高濃度p型領域24が設けられる。また、転送電極膜15bの上には絶縁膜27が積層され、その上に遮光膜28が積層される。   A high-concentration p-type region 24 is provided as an element isolation region between the n region 15a and the p-type surface layer 15c and the adjacent vertical charge transfer path 15. An insulating film 27 is laminated on the transfer electrode film 15b, and a light shielding film 28 is laminated thereon.

図4は、図3のIV―IV線に沿うポテンシャル図である。転送電極膜15bへの印加電圧を0Vにした場合には、特性線Aに示す様に、n領域15aの箇所で電位井戸が形成され、p型表面層15cの箇所のポテンシャルはフラットのままである。   FIG. 4 is a potential diagram along line IV-IV in FIG. When the voltage applied to the transfer electrode film 15b is set to 0V, as indicated by the characteristic line A, a potential well is formed at the location of the n region 15a, and the potential at the location of the p-type surface layer 15c remains flat. is there.

これに対し、転送電極膜15bにプラスの電圧を印加すると、特性線B,Cに示す様に、n領域15aの箇所における電位井戸が深くなる一方、p型表面層15cの箇所のポテンシャルは山形となる。   On the other hand, when a positive voltage is applied to the transfer electrode film 15b, the potential well at the location of the n region 15a becomes deeper as shown by the characteristic lines B and C, while the potential at the location of the p-type surface layer 15c becomes a mountain shape. It becomes.

即ち、転送電極膜15bの転送パルスを常にプラス電圧とすることで、p型表面層15cの表面チャネルの表面部分に暗電流が溜め込まれ、暗電流がn領域15aに混入するのが阻止される。   That is, by always setting the transfer pulse of the transfer electrode film 15b to a positive voltage, dark current is accumulated in the surface portion of the surface channel of the p-type surface layer 15c, and mixing of dark current into the n region 15a is prevented. .

図5は、図1のV―V線断面模式図であり、ドレイン制御電極16が設けられた転送電極段の断面模式図である。垂直電荷転送路15の部分の構造は、図3で説明した構造と同一であるため、同一部材に同一符号を付してその説明は省略する。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along the line VV of FIG. 1, and is a schematic cross-sectional view of the transfer electrode stage provided with the drain control electrode 16. Since the structure of the portion of the vertical charge transfer path 15 is the same as the structure described with reference to FIG. 3, the same reference numerals are given to the same members and the description thereof is omitted.

垂直電荷転送路15の最終段においては、図3に示す素子分離領域24の代わりに、ドレイン制御電極16を設けている。このドレイン制御電極16及びその下部構造は、素子分離領域24より幅が広いため、その分、垂直電荷転送路15のチャネル幅が狭くなっている。従って、図1に示す様に、電荷転送路15の各転送電極長dに対し、最終段の転送電極長Dを長くとり、最終段での転送電荷容量を他の転送段と少なくとも同容量にしている。   In the final stage of the vertical charge transfer path 15, a drain control electrode 16 is provided instead of the element isolation region 24 shown in FIG. Since the drain control electrode 16 and its lower structure are wider than the element isolation region 24, the channel width of the vertical charge transfer path 15 is reduced accordingly. Therefore, as shown in FIG. 1, with respect to each transfer electrode length d of the charge transfer path 15, the transfer electrode length D in the final stage is made longer, and the transfer charge capacity in the final stage is set to at least the same capacity as other transfer stages. ing.

ドレイン制御電極16の下部構造は、隣接する電荷転送路15のn型チャネル15a,p型表面チャネル15cと分離するp領域31,32と、p領域31,32間に設けられたn領域33と、n領域33の中央表面部に設けた高濃度n領域34とを備える。そして、高濃度n領域34の上部の絶縁膜26に開口を設け、高濃度n領域34に接続するドレイン制御電極膜16がコンタクトされる。   The lower structure of the drain control electrode 16 includes p regions 31 and 32 that are separated from the n-type channel 15a and the p-type surface channel 15c of the adjacent charge transfer path 15, and an n region 33 provided between the p regions 31 and 32. , And a high concentration n region 34 provided on the central surface portion of the n region 33. Then, an opening is formed in the insulating film 26 above the high concentration n region 34, and the drain control electrode film 16 connected to the high concentration n region 34 is contacted.

本実施形態の様に、最終段のみにドレインを設けることで、蓄積部3の面積を小さくでき、固体撮像素子1を小さく製造することができ、また、チップ単価を下げることが可能となる。   By providing the drain only in the final stage as in this embodiment, the area of the storage unit 3 can be reduced, the solid-state imaging device 1 can be manufactured in a small size, and the chip unit price can be reduced.

図5に示すドレイン構造は、左右に制御ゲート(ドレイン制御電極膜16が左右のp領域31,32上側に延びる部分)が設けられる構造のため、垂直電荷転送路15の2本に対して1箇所設ける構造でもよい。   The drain structure shown in FIG. 5 has a structure in which control gates (portions where the drain control electrode film 16 extends above the left and right p regions 31 and 32) are provided on the left and right sides. The structure which provides a location may be sufficient.

尚、ドレイン制御電極膜16の材料としては、ポリシリコン,タングステン,モリブデン,これらのシリサイドのいずれでも良い。また、高濃度n領域34に対するコンタクト材料を、制御電極膜16と別々の材料としても良いことはいうまでもない。図5には遮光膜の図示は省略しているが、この部分も遮光膜28で覆われる。   The material of the drain control electrode film 16 may be polysilicon, tungsten, molybdenum, or silicide thereof. Needless to say, the contact material for the high-concentration n region 34 may be separate from the control electrode film 16. Although the illustration of the light shielding film is omitted in FIG. 5, this portion is also covered with the light shielding film 28.

次に、上述した構成の本実施形態に係るFIT型固体撮像素子の動作について説明する。   Next, the operation of the FIT type solid-state imaging device according to this embodiment having the above-described configuration will be described.

センサ部2で被写体からの入射光を受光し、各フォトダイオード11が受光量に応じた信号電荷(この例では電子)を蓄積する。各フォトダイオード11の信号電荷は、垂直電荷転送路12に読み出され、蓄積部3まで転送される。   The sensor unit 2 receives incident light from the subject, and each photodiode 11 accumulates signal charges (electrons in this example) corresponding to the amount of received light. The signal charge of each photodiode 11 is read to the vertical charge transfer path 12 and transferred to the storage unit 3.

この転送は、図1に示す例では、0V〜30Vの電圧を用いた転送パルスV1〜V4により4相駆動で行われるが、垂直電荷転送路12の駆動は4相駆動に限るものでない。   In the example shown in FIG. 1, this transfer is performed by four-phase driving by transfer pulses V1 to V4 using a voltage of 0V to 30V. However, driving of the vertical charge transfer path 12 is not limited to four-phase driving.

本実施形態のFIT型固体撮像素子1は、センサ部2における垂直電荷転送路12を二重チャネル構造にはしていない。即ち、低暗電流構造とはしていない。二重チャネル構造は、単位面積当たりの転送電荷容量が小さい。近年の様に多画素化が進展し画素サイズが微小になった固体撮像素子でも、可能な限り画素サイズを大きくとり蓄積電荷量をなるべく多くとれるように設計するが、転送電荷容量がネックにならないようにする必要がある。   In the FIT type solid-state imaging device 1 of the present embodiment, the vertical charge transfer path 12 in the sensor unit 2 does not have a double channel structure. That is, it does not have a low dark current structure. The double channel structure has a small transfer charge capacity per unit area. Even in the case of solid-state imaging devices that have become smaller in size due to the increase in the number of pixels as in recent years, the design is made so that the accumulated charge amount is as large as possible by increasing the pixel size as much as possible, but the transfer charge capacity does not become a bottleneck. It is necessary to do so.

そこで、本実施形態では、センサ部2の垂直電荷転送路12に低暗電流構造を採用することはせずに、転送電荷容量を確保することにしている。しかし、暗電流は少ないに越したことはないため、高速転送することにしている。センサ部2の構造はインターライントランスファー型と同様であるが、本実施形態の垂直電荷転送路12の転送速度を、インターライントランスファー型の垂直転送速度より10倍以上にしている。10倍〜20倍にすると、暗電流は、インターライントランスファー型に比較して1/10〜1/20に低減する。   Therefore, in this embodiment, the transfer charge capacity is secured without adopting the low dark current structure in the vertical charge transfer path 12 of the sensor unit 2. However, since the dark current has never been less, it is decided to transfer at high speed. The structure of the sensor unit 2 is the same as that of the interline transfer type, but the transfer rate of the vertical charge transfer path 12 of this embodiment is 10 times or more than the vertical transfer rate of the interline transfer type. When the magnification is 10 to 20 times, the dark current is reduced to 1/10 to 1/20 compared to the interline transfer type.

蓄積部3の垂直電荷転送路15に高速転送されてきた信号電荷は、蓄積部3において、インターライントランスファー型の垂直転送速度と同程度の転送速度で水平電荷転送路4まで転送される。つまり、蓄積部3における垂直電荷転送路15の転送は、垂直電荷転送路12の転送速度に対して低速度(上記例では、1/10〜1/20の速度)で行われる。   The signal charge transferred at high speed to the vertical charge transfer path 15 of the storage unit 3 is transferred to the horizontal charge transfer path 4 at the transfer unit 3 at a transfer rate similar to the interline transfer type vertical transfer rate. That is, the transfer of the vertical charge transfer path 15 in the storage unit 3 is performed at a speed lower than the transfer speed of the vertical charge transfer path 12 (in the above example, a speed of 1/10 to 1/20).

この転送は、転送パルスS1〜S4の4相駆動で行われ、転送電圧は、図4で説明した様に、0Vを含まないプラス電圧の転送パルスで行う。例えば、低レベル+2V,高レベル+8Vの転送パルスS1〜S4で行う。尚、この転送も4相駆動である必要はない。   This transfer is performed by the four-phase drive of the transfer pulses S1 to S4, and the transfer voltage is a positive voltage transfer pulse not including 0V as described in FIG. For example, transfer pulses S1 to S4 of low level + 2V and high level + 8V are performed. This transfer need not be four-phase driving.

垂直電荷転送路15の転送は低速転送で行われるため、暗電流が発生してしまう。しかし、発生した暗電流は、p型表面層15cの表面チャネルで転送され、信号電荷の転送が行われるn型層15aには入り込まず、信号電荷に暗電流が混入するのが阻止される。   Since the transfer on the vertical charge transfer path 15 is performed at a low speed, a dark current is generated. However, the generated dark current is transferred through the surface channel of the p-type surface layer 15c and does not enter the n-type layer 15a where the signal charge is transferred, thereby preventing the dark current from being mixed into the signal charge.

前述した様に、二重チャネル構造は、転送電荷容量を十分にとることができないという問題があるが、本実施形態の固体撮像素子では、垂直電荷転送路12のチャネル幅に対して垂直電荷転送路15のチャネル幅を数倍、例えば5〜6倍にすることができるため、転送容量不足による転送不備は全く生じない。   As described above, the double channel structure has a problem that the transfer charge capacity cannot be sufficiently obtained. However, in the solid-state imaging device of this embodiment, the vertical charge transfer is performed with respect to the channel width of the vertical charge transfer path 12. Since the channel width of the path 15 can be several times, for example, 5 to 6 times, there is no transfer defect due to insufficient transfer capacity.

蓄積部3において、信号電荷がn領域15aの埋め込みチャネルで転送され、暗電流がp型表面層15cの表面チャネルで転送され、垂直電荷転送路15の最終段まで転送されてきたとき、図5のp領域31,32の表面に僅かに蓄積部3の表面チャネル15cより深い表面チャネルが形成される様な電圧をドレイン制御電極膜16に印加すると、表面チャネル15cで転送されて来た暗電流(電子)がドレイン(n領域33)に流れ込み、これが図1のVドレイン端子に流れ、固体撮像素子1の外部に廃棄される。   When the signal charge is transferred through the buried channel of the n region 15a and the dark current is transferred through the surface channel of the p-type surface layer 15c and transferred to the final stage of the vertical charge transfer path 15 in the storage unit 3, FIG. When a voltage is applied to the drain control electrode film 16 so that a surface channel slightly deeper than the surface channel 15c of the storage portion 3 is formed on the surfaces of the p regions 31 and 32, the dark current transferred by the surface channel 15c (Electrons) flows into the drain (n region 33), which flows into the V drain terminal of FIG. 1 and is discarded outside the solid-state imaging device 1.

n型埋め込みチャネル15bで転送されてきた信号電荷(電子)は、垂直電荷転送路15の最終段から水平電荷転送路4に移動し、水平電荷転送路4を転送され、出力アンプ5が信号電荷量に応じた電圧値信号を撮像画像信号として出力する。暗電流は、垂直電荷転送路15の最終段で廃棄されるため、得られた撮像画像信号は、暗電流成分が極めて少ない信号となり、高S/Nの画像信号が得られる。   The signal charge (electrons) transferred by the n-type buried channel 15b moves from the final stage of the vertical charge transfer path 15 to the horizontal charge transfer path 4, and is transferred through the horizontal charge transfer path 4, and the output amplifier 5 A voltage value signal corresponding to the amount is output as a captured image signal. Since the dark current is discarded at the final stage of the vertical charge transfer path 15, the obtained captured image signal has a very small dark current component, and a high S / N image signal is obtained.

この固体撮像素子1を用いて動画を撮像するときには、暗電流ばかりでなく、スミアの大幅低減も可能である。スミアの原因となるスミア電荷が、垂直電荷転送路15の表面チャネル15cにトラップされ、ドレインで廃棄されるためである。   When a moving image is imaged using the solid-state imaging device 1, not only dark current but also smear can be greatly reduced. This is because smear charges that cause smear are trapped in the surface channel 15c of the vertical charge transfer path 15 and discarded at the drain.

尚、本実施形態では、水平電荷転送路4は二重チャネル構造にしていないが、水平電荷転送路を二重チャネル構造にし、垂直電荷転送路15の表面チャネルで転送されてきた暗電流を水平電荷転送路の表面チャネルで転送し、水平電荷転送路の最終段に設けたドレイン構造で、暗電流を廃棄する構成とすることも可能である。しかし、水平電荷転送路は高速駆動されるため、水平電荷転送路で発生する暗電流は極めて少ないため、本実施形態の様に、垂直電荷転送路15の最終段で暗電流を廃棄する構造が好適である。   In the present embodiment, the horizontal charge transfer path 4 does not have a double channel structure. However, the horizontal charge transfer path has a double channel structure, and the dark current transferred by the surface channel of the vertical charge transfer path 15 is horizontal. It is also possible to adopt a configuration in which dark current is discarded with a drain structure that is transferred through the surface channel of the charge transfer path and provided at the final stage of the horizontal charge transfer path. However, since the horizontal charge transfer path is driven at a high speed, the dark current generated in the horizontal charge transfer path is extremely small. Therefore, as in the present embodiment, the structure for discarding the dark current at the final stage of the vertical charge transfer path 15 is used. Is preferred.

本発明に係るCCD固体撮像素子は、S/Nが向上するため、CCD固体撮像素子の多画素化を図るのに好適である。   The CCD solid-state imaging device according to the present invention is suitable for increasing the number of pixels of the CCD solid-state imaging device because S / N is improved.

本発明の一実施形態に係るCCD固体撮像素子の表面模式図である。It is a surface schematic diagram of the CCD solid-state image sensor concerning one embodiment of the present invention. 図1のII―II線断面模式図である。It is the II-II sectional schematic drawing of FIG. 図1のIII―III線断面模式図である。FIG. 3 is a schematic sectional view taken along line III-III in FIG. 1. 図3のIV―IV線に沿うポテンシャル図である。FIG. 4 is a potential diagram along line IV-IV in FIG. 3. 図1のV―V線断面模式図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along line VV in FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 FIT型のCCD固体撮像素子
2 センサ部
3 蓄積部
4 水平電荷転送路(HCCD)
5 出力アンプ
11 フォトダイオード(光電変換素子)
12 第1垂直電荷転送路(VCCD)
15 第2垂直電荷転送路(VCCD)
16 ドレイン制御電極
12a,15a n型領域(n型層:埋め込みチャネル)
12b,15b 転送電極膜
15c p型表面層(表面チャネル)
26 絶縁膜
28 遮光膜
33 n領域(ドレイン)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 FIT type CCD solid-state imaging device 2 Sensor unit 3 Storage unit 4 Horizontal charge transfer path (HCCD)
5 Output amplifier 11 Photodiode (photoelectric conversion element)
12 First vertical charge transfer path (VCCD)
15 Second vertical charge transfer path (VCCD)
16 Drain control electrodes 12a, 15a n-type region (n-type layer: buried channel)
12b, 15b Transfer electrode film 15c p-type surface layer (surface channel)
26 insulating film 28 light shielding film 33 n region (drain)

Claims (7)

二次元アレイ状に配列形成された複数の光電変換素子及び複数の第1垂直電荷転送路を有するセンサ部と、水平電荷転送路と、該水平電荷転送路と前記センサ部との間に設けられ前記第1垂直電荷転送路に連続する複数の第2垂直電荷転送路を有する蓄積部とを備えるフレームインターライントランスファー型のCCD固体撮像素子において、前記第1垂直電荷転送路の構造に対し、前記第2垂直電荷転送路の構造を低暗電流構造にしたことを特徴とするCCD固体撮像素子。   A sensor unit having a plurality of photoelectric conversion elements and a plurality of first vertical charge transfer paths arranged in a two-dimensional array, a horizontal charge transfer path, and provided between the horizontal charge transfer path and the sensor unit. In a frame interline transfer type CCD solid-state imaging device comprising a storage unit having a plurality of second vertical charge transfer paths that are continuous with the first vertical charge transfer path, the structure of the first vertical charge transfer path is A CCD solid-state imaging device, wherein the second vertical charge transfer path has a low dark current structure. 前記第2垂直電荷転送路の転送速度に対して前記第1垂直電荷転送路の転送速度を10倍以上20倍以下に制御したことを特徴とする請求項1に記載のCCD固体撮像素子。   2. The CCD solid-state imaging device according to claim 1, wherein a transfer speed of the first vertical charge transfer path is controlled to be 10 times or more and 20 times or less of a transfer speed of the second vertical charge transfer path. 前記第1垂直電荷転送路に対して前記第2垂直電荷転送路の幅を幅広にしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のCCD固体撮像素子。   3. The CCD solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second vertical charge transfer path is wider than the first vertical charge transfer path. 4. 前記低暗電流構造が、前記光電変換素子の検出した信号電荷を転送する埋め込みチャネルと、該埋め込みチャネルの上に形成され暗電流を転送する表面チャネルとを有する二重チャネル構造であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のCCD固体撮像素子。   The low dark current structure is a dual channel structure having a buried channel for transferring a signal charge detected by the photoelectric conversion element and a surface channel formed on the buried channel for transferring dark current. The CCD solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 3. 前記埋め込みチャネルがn型領域で形成され前記表面チャネルがp型領域で形成された前記第2垂直電荷転送路における電荷転送を、プラス電圧だけで形成された転送パルスで行うことを特徴とする請求項4に記載のCCD固体撮像素子。   The charge transfer in the second vertical charge transfer path in which the buried channel is formed by an n-type region and the surface channel is formed by a p-type region is performed by a transfer pulse formed only by a plus voltage. Item 5. A CCD solid-state imaging device according to Item 4. 前記第2垂直電荷転送路の前記水平電荷転送路に接続する最終段位置に、前記表面チャネルの暗電流を廃棄するドレインを設けたことを特徴とする請求項4または請求項5に記載のCCD固体撮像素子。   6. The CCD according to claim 4, wherein a drain for discarding the dark current of the surface channel is provided at a final stage position connected to the horizontal charge transfer path of the second vertical charge transfer path. Solid-state image sensor. 前記ドレインを設けた前記最終段位置の前記第2垂直電荷転送路の幅が狭くなった分だけ該最終段の長さを長くしたことを特徴とする請求項6に記載のCCD固体撮像素子。   7. The CCD solid-state image pickup device according to claim 6, wherein the length of the final stage is increased by the amount by which the width of the second vertical charge transfer path at the final stage position where the drain is provided is reduced.
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