JP2008263086A - Photodiode and solid-state imaging element using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトダイオード及びこれを用いた固体撮像素子に関するものである。 The present invention relates to a photodiode and a solid-state imaging device using the photodiode.
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラなどが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型の固体撮像素子や増幅型の固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子は、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, electronic still cameras, and the like have been widely used. In these cameras, a CCD type solid-state imaging device or an amplification type solid-state imaging device is used. In the solid-state imaging device, a plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit are arranged in a matrix, and a signal charge is generated by the photoelectric conversion unit of each pixel.
増幅型固体撮像素子は、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷を画素に設けられた増幅部に導き、増幅部で増幅した信号を画素から出力する。増幅型固体撮像素子では、一般的に、各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、及び、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセット部を、有している。 The amplification type solid-state imaging device guides signal charges generated and accumulated in the photoelectric conversion unit of the pixel to an amplification unit provided in the pixel, and outputs a signal amplified by the amplification unit from the pixel. In an amplification type solid-state imaging device, generally, each pixel includes a photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charges according to incident light, a charge-voltage conversion unit that receives the signal charges and converts the signal charges into a voltage, An amplification unit that outputs a signal corresponding to the potential of the charge-voltage conversion unit, a charge transfer unit that transfers charge from the photoelectric conversion unit to the charge-voltage conversion unit, and a reset unit that resets the potential of the charge-voltage conversion unit have.
このような増幅型固体撮像素子には、増幅部に接合型電界効果トランジスタ(JFET)を用いた固体撮像素子(特許文献1)や、増幅部にMOSトランジスタを用いた固体撮像素子(特許文献2)などが提案されている。増幅部にJFETを用いた固体撮像素子では、JFETのゲート領域が前記電荷電圧変換部となっている。増幅部にMOSトランジスタを用いた固体撮像素子では、フローティングディフュージョンが前記電荷電圧変換部となっている。
As such an amplification type solid-state imaging device, a solid-state imaging device using a junction field effect transistor (JFET) in an amplification unit (Patent Document 1), or a solid-state imaging device using a MOS transistor in an amplification unit (
シリコン表面にはダングリングボンドが存在するため、電子−正孔対が発生している。光電変換部をなすフォトダイオードはPN接合で形成されるが、空乏層が表面まで達した状態では、シリコン表面で発生した電荷が暗電流として光電変換部の電荷蓄積層に蓄積されてしまう。この現象を防ぐため、シリコン表面に、光電変換部の電荷蓄積層と逆の導電型の拡散領域(光電変換部の電荷蓄積層がN型ならP型の拡散領域、光電変換部の電荷蓄積層がP型ならN型の拡散領域)を空乏化防止層として形成した埋め込みフォトダイオードを、画素の光電変換部として採用する場合がほとんどである(特許文献1)。
しかしながら、電荷は濃度や熱的エネルギーの拡散により移動するため、光電変換部の空乏層がシリコン表面に達しなくても、暗電流として光電変換部の電荷蓄積層に流れ込む成分は存在していた。したがって、前述した従来の固体撮像素子のように画素の光電変換部として埋め込みフォトダイオードを採用しても、暗電流によるSN比の低下は免れなかった。 However, since the charge moves due to diffusion of concentration and thermal energy, there is a component that flows into the charge storage layer of the photoelectric conversion unit as a dark current even if the depletion layer of the photoelectric conversion unit does not reach the silicon surface. Therefore, even if an embedded photodiode is used as a photoelectric conversion unit of a pixel as in the conventional solid-state imaging device described above, a reduction in the SN ratio due to dark current is inevitable.
また、固体撮像素子のみならず例えば各種の測定装置等においても、光検出のためにフォトダイオードが用いられるが、固体撮像素子以外の用途のフォトダイオードにおいても、光電変換部の電荷蓄積層に流れ込む暗電流を低減してSN比を高めることが好ましいことは、言うまでもない。 In addition to solid-state image sensors, photodiodes are used for light detection, for example, in various measuring devices, but photodiodes for applications other than solid-state image sensors also flow into the charge storage layer of the photoelectric conversion unit. Needless to say, it is preferable to increase the SN ratio by reducing the dark current.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、シリコン表面で発生する暗電流が光電変換部の電荷蓄積層に流れ込むのをより低減することができ、これによりSN比を更に高めることができるフォトダイオード及びこれを用いた固体撮像素子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 can further reduce the flow of dark current generated on the silicon surface into the charge storage layer of the photoelectric conversion unit, thereby further increasing the SN ratio. It is an object of the present invention to provide a photodiode that can be used and a solid-state imaging device using the same.
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様によるフォトダイオードは、入射光に応じて生成された信号電荷を蓄積する第1導電型の電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層上に配置された第2導電型の空乏化防止層と、前記空乏化防止層上に配置された前記第1導電型の半導体層と、少なくとも所定期間において前記半導体層の電荷を排出させる電荷排出部と、を備えたものである。 In order to solve the above problems, a photodiode according to a first aspect of the present invention is disposed on a charge accumulation layer of a first conductivity type that accumulates a signal charge generated according to incident light, and the charge accumulation layer. A depletion prevention layer of the second conductivity type, a semiconductor layer of the first conductivity type disposed on the depletion prevention layer, and a charge discharging unit for discharging charges of the semiconductor layer at least for a predetermined period. It is provided.
本発明の第2の態様によるフォトダイオードは、前記第1の態様において、前記電荷排出部は、前記半導体層をソース及びドレインの一方とするトランジスタであって、所定電位が印加される半導体領域をソース及びドレインの他方とするトランジスタを、含むものである。 The photodiode according to a second aspect of the present invention is the photodiode according to the first aspect, wherein the charge discharging unit is a transistor having the semiconductor layer as one of a source and a drain, and a semiconductor region to which a predetermined potential is applied. A transistor which is the other of the source and the drain is included.
本発明の第3の態様によるフォトダイオードは、前記第1の態様において、前記電荷排出部は、所定電位が印加される前記第1導電型の半導体領域であって、前記半導体層と連続した半導体領域であるものである。 The photodiode according to a third aspect of the present invention is the photodiode according to the first aspect, wherein the charge discharging unit is a semiconductor region of the first conductivity type to which a predetermined potential is applied, and is continuous with the semiconductor layer. It is an area.
本発明の第4の態様による固体撮像素子は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部を有する画素を複数備えた固体撮像素子であって、前記光電変換部が前記第1乃至第3のいずれかの態様によるフォトダイオードであるものである。 A solid-state imaging device according to a fourth aspect of the present invention is a solid-state imaging device including a plurality of pixels each having a photoelectric conversion unit that generates and accumulates charges according to incident light, and the photoelectric conversion unit is the first photoelectric conversion unit. Or a photodiode according to any one of the third to third aspects.
本発明の第5の態様による固体撮像素子は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部、該電荷電圧変換部の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタ、前記光電変換部から前記電荷電圧変換部に電荷を転送する電荷転送部、及び、前記電荷電圧変換部の電位をリセットするリセットトランジスタを有する画素を、複数備えた固体撮像素子であって、前記光電変換部は、前記第1の態様によるフォトダイオードであるものである。 A solid-state imaging device according to a fifth aspect of the present invention includes a photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charges according to incident light, a charge-voltage conversion unit that receives the signal charges and converts the signal charges into a voltage, the charge An amplification transistor that outputs a signal according to the potential of the voltage conversion unit; a charge transfer unit that transfers charge from the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit; and a reset transistor that resets the potential of the charge voltage conversion unit A solid-state imaging device including a plurality of pixels, wherein the photoelectric conversion unit is a photodiode according to the first aspect.
本発明の第6の態様による固体撮像素子は、前記第5の態様において、前記電荷排出部は、前記半導体層をソース及びドレインの一方とするトランジスタであって、前記増幅トランジスタのソース又はドレインとなり所定電位が印加される半導体領域を、ソース及びドレインの他方とするトランジスタを、含み、前記電荷排出部の前記トランジスタのゲートは、前記増幅トランジスタのゲートと電気的に接続されたものである。 The solid-state imaging device according to a sixth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the fifth aspect, wherein the charge discharging unit is a transistor having the semiconductor layer as one of a source and a drain, and is a source or drain of the amplification transistor. It includes a transistor having a semiconductor region to which a predetermined potential is applied as the other of the source and the drain, and the gate of the transistor in the charge discharging portion is electrically connected to the gate of the amplification transistor.
本発明の第7の態様による固体撮像素子は、前記第5の態様において、前記電荷排出部は、前記半導体層をソース及びドレインの一方とするトランジスタであって、前記リセットトランジスタのソース又はドレインとなり所定電位が印加される半導体領域を、ソース及びドレインの他方とするトランジスタを、含み、前記電荷排出部の前記トランジスタのゲートは、前記リセットトランジスタのゲートと電気的に接続されたものである。 The solid-state imaging device according to a seventh aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the fifth aspect, wherein the charge discharging unit is a transistor having the semiconductor layer as one of a source and a drain, and serves as a source or a drain of the reset transistor. It includes a transistor having a semiconductor region to which a predetermined potential is applied as the other of the source and the drain, and the gate of the transistor in the charge discharging portion is electrically connected to the gate of the reset transistor.
本発明の第8の態様による固体撮像素子は、前記第5の態様において、前記電荷排出部は、所定電位が印加される前記第1導電型の半導体領域であって、前記半導体層と連続した半導体領域であるものである。 The solid-state imaging device according to an eighth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the fifth aspect, wherein the charge discharging unit is a semiconductor region of the first conductivity type to which a predetermined potential is applied, and is continuous with the semiconductor layer. It is a semiconductor region.
本発明によれば、シリコン表面の界面準位を介して発生する暗電流成分が光電変換部の電荷蓄積層に流れ込むのをより低減することができ、これによりSN比を更に高めることができるフォトダイオード及びこれを用いた固体撮像素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to further reduce the dark current component generated through the interface state of the silicon surface from flowing into the charge storage layer of the photoelectric conversion unit, and thereby to further increase the S / N ratio. A diode and a solid-state imaging device using the diode can be provided.
以下、本発明によるフォトダイオード及びこれを用いた固体撮像素子について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a photodiode according to the present invention and a solid-state imaging device using the same 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素子1を示す概略構成図である。この固体撮像素子1は、CMOS型固体撮像装置として構成されている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a solid-
図1に示すように、この固体撮像素子1は、一般的なCMOS型固体撮像素子と同様に、垂直走査回路2と、水平走査回路3と、2次元状に配置された複数の単位画素4と、周知のCDS回路等を含む読み出し回路5と、出力アンプ6とを有している。各画素4のフォトダイオード15(図1では図示せず。後述する図2参照)が出力する電気信号が垂直走査回路2によって読み出し回路5に行単位で取り出され、水平走査回路3によって列単位で出力アンプ6を介して出力端子7に画像信号として出力されるようになっている。このように、垂直走査回路2及び水平走査回路3は、画素4を駆動する回路を構成している。画素4が2次元状に配置された領域が画素領域10である。この固体撮像素子1では、垂直走査回路2、水平走査回路3、読み出し回路5及び出力アンプ6が周辺回路を構成している。周辺回路が配置された領域が周辺回路領域である。周辺回路領域は、画素領域10の周辺に配置されている。
As shown in FIG. 1, the solid-
図2は、図1中の単位画素4を示す回路図である。各画素4は、図2に示すように、選択トランジスタ11と、増幅トランジスタ12と、リセットトランジスタ13と、転送トランジスタ14と、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオード15と、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョン16とを有している。増幅トランジスタ12は、フローティングディフュージョン16の電位に応じた信号を出力するものであり、本実施の形態ではソースフォロワトランジスタとなっている。転送トランジスタ14は、フォトダイオード15からフローティングディフュージョン16に電荷を転送する。リセットトランジスタ13は、フローティングディフュージョン16の電位をリセットする。図2において、VDDは電源である。なお、図2において、後述する電荷排出用トランジスタ40の図示は省略している。
FIG. 2 is a circuit diagram showing the unit pixel 4 in FIG. As shown in FIG. 2, each pixel 4 includes a
図1及び図2に示すように、画素4の選択トランジスタ11のゲートは行毎に選択線20に共通に接続されている。画素4のリセットトランジスタ13のゲートは、行毎にリセット線21に共通に接続されている。画素4の転送トランジスタ14のゲートは、行毎に転送線22に共通に接続されている。画素4の選択トランジスタ11のソースは、列毎に垂直信号線23に共通に接続されている。選択線20、リセット線21及び転送線22は、垂直走査回路2に接続されている。垂直信号線23は、読み出し回路5に接続されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the gate of the
図3は、図1中の単位画素4を模式的に示す概略平面図である。図4は、図3中のA−A’線に沿った概略断面図である。図3及び図4では、一部の配線層等は省略して示している。また、実際には、フォトダイオード15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。
FIG. 3 is a schematic plan view schematically showing the unit pixel 4 in FIG. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view along the line A-A ′ in FIG. 3. In FIG. 3 and FIG. 4, some wiring layers and the like are omitted. In practice, a color filter and a microlens are arranged above the
図3において、符号30はアクティブ領域(フィールド酸化膜56が形成されていない領域)である。また、符号31〜33は、N型のシリコン基板51上に形成されたP型ウエル52(図4参照)に形成されたN型不純物拡散領域である。フローティングディフュージョン16も、P型ウエル52に形成されたN型不純物拡散領域である。なお、P型ウエル52に代えてP型エピタキシャル成長層を形成してもよい。また、拡散領域(半導体領域)33は、図示しない配線により所定電位としての電源電圧VDDが印加される電源拡散部である。符号34〜37は、ポリシリコンで構成された前記各トランジスタのゲート(電極)である。
In FIG. 3,
フォトダイオード15は、図4に示すように、P型ウエル52にN型の電荷蓄積層53が形成され、電荷蓄積層53の基板表面側に高濃度のP型層からなる空乏化防止層54が形成され、更にN型層からなる表面層(半導体層)55が空乏化防止層54の基板表面側に付加されることで、構成されている。図3では図示を省略しているが、空乏化防止層54は、電荷蓄積層53を覆うように形成されている。図5は、本実施の形態による固体撮像素子1のフォトダイオード15の領域における各深さ位置の電位を示す図である。フォトダイオード15は、入射する光を光電変換し、生じた電荷を電荷蓄積層53に蓄積する。フォトダイオード15の電荷蓄積層53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ディフュージョン16に転送される。
As shown in FIG. 4, the
本実施の形態では、フォトダイオード15には、図3及び図4に示すように、表面層55の電荷を排出する電荷排出部として、電荷排出用トランジスタ40が設けられている。電荷排出用トランジスタ40は、表面層55をソース、電源拡散部33をドレインとするMOSトランジスタである。電荷排出用トランジスタ40のゲート41は、ポリシリコンで、増幅トランジスタ12のゲート36と一体に連続して構成されている。これにより、電荷排出用トランジスタ40のゲート41が増幅トランジスタ12のゲート36と電気的に接続されている。増幅トランジスタ12は、ソースフォロワトランジスタとなっており、常に飽和領域で動作している。これに伴い、電荷排出用トランジスタ40も常に飽和領域で動作するように構成されている。したがって、電荷排出用トランジスタ40は、常にオン状態となり、表面層55の電荷を電源拡散部33に排出させる。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the
転送トランジスタ14は、フォトダイオード15の電荷蓄積層53をソース、フローティングディフュージョン16をドレインとする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34に印加される駆動信号により駆動される。
The
増幅トランジスタ12は、電源拡散部33をドレイン、拡散領域32をソースとするMOSトランジスタである。増幅トランジスタ12のゲート36は、配線45によって、フローティングディフュージョン16に電気的に接続されている。そして、増幅トランジスタ12は、そのゲート36の電圧に応じた電気信号を出力する。したがって、増幅トランジスタ12は、フォトダイオード15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
選択トランジスタ11は、拡散領域32をドレイン、拡散領域31をソースとするMOSトランジスタである。選択トランジスタ11は、オン状態にされることで、増幅トランジスタ12の出力を垂直信号線23に出力する。すなわち、増幅トランジスタ12と選択トランジスタ11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13は、電源拡散部33をドレイン、フローティングディフュージョン16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13は、オン状態にされることで、フローティングディフュージョン16に蓄積されている電荷をリセットする。
The
図4において、56はLOCOSによるフィールド酸化膜、57は高濃度のP型の素子分離領域、58は酸化膜である。図面には示していないが、フィールド酸化膜56や酸化膜58上には、層間絶縁膜や配線等が形成され、さらに、その上に必要に応じてカラーフィルタやマイクロレンズ等が設けられている。
In FIG. 4, 56 is a field oxide film formed by LOCOS, 57 is a high concentration P-type element isolation region, and 58 is an oxide film. Although not shown in the drawing, an interlayer insulating film, wiring, and the like are formed on the
図6は、本実施の形態による固体撮像素子1の動作の一例を示すタイミングチャートである。本実施の形態による固体撮像素子1は、図6に示すように、一般的なCMOS型固体撮像素子と同様に駆動されるので、その詳細な説明は省略する。なお、図6では、n行目のみについて記載している。図6において、蓄積期間は、メカニカルシャッタ(図示せず)が開いている期間である。読み出し回路5は、図6中の期間1(丸付き数字1)においてダークレベルを読み出し、図6中の期間2(丸付き数字2)において真の光信号レベルにダークレベルが重畳したレベルを読み出す。そして、読み出し回路5は、これらの両レベルの差分を取って真の光信号レベルを得る相関二重サンプリング処理を行う。
FIG. 6 is a timing chart showing an example of the operation of the solid-
なお、電荷排出用トランジスタ40のオン期間(すなわち、表面層55の電荷を排出している期間)の理解を容易にするため、図6には、フローティングディフュージョン(FD)16の電位(=ソースフォロワトランジスタ(増幅トランジスタ)12のゲート電位=電荷排出用トランジスタ40のゲート電位)も示している。各行の電荷排出用トランジスタ40は、期間2(丸付き数字2)でも飽和状態で動作するように設計され、常にオン状態となる。
In order to facilitate understanding of the ON period of the charge discharging transistor 40 (that is, the period during which the charge of the
本実施の形態では、前述したように、フォトダイオード15において、表面層55が空乏化防止層54の基板表面側に配置されている。そして、フォトダイオード15には、電荷排出用トランジスタ40が設けられている。前述したように、電荷排出用トランジスタ40は、常にオン状態にある。したがって、常に表面層55と電源拡散部33とが導通しており、表面層55は空乏化した状態にある。それゆえ、図5に示すように、表面層55の電位は、その下側のP型領域である空乏化防止層54の電位よりも高くなる。したがって、シリコン表面の界面準位を介して発生する暗電流成分は、表面層55に吸い寄せられることになる。このような効果によって、信号電荷に暗電流が混じるのを防ぐことが可能となる。さらに、表面層55に吸い寄せられた電荷はより電位の高い電源拡散部33に排出されるため、暗電流成分で表面層55が溢れ出てしまうことはない。
In the present embodiment, as described above, in the
以上のように、本実施の形態によれば、シリコン表面で発生する暗電流は電荷蓄積層53に蓄積されてしまうことなく電源拡散部33に排出されるので、高いSN比を得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the dark current generated on the silicon surface is discharged to the power
ここで、本実施の形態による固体撮像素子1と比較される比較例による固体撮像素子について、図7乃至図9を参照して説明する。この比較例は、従来の固体撮像素子に相当している。図7は、この比較例による固体撮像素子の単位画素を模式的に示す概略平面図であり、図3に対応している。図8は、図7中のB−B’線に沿った概略断面図であり、図4に対応している。図9は、この比較例による固体撮像素子のフォトダイオード15の領域における各深さ位置の電位を示す図であり、図5に対応している。図7乃至図9において、図3乃至図5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。
Here, a solid-state image sensor according to a comparative example compared with the solid-
この比較例が本実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。本実施の形態では、フォトダイオード15において表面層55が空乏化防止層54の基板表面側に配置されているのに対し、この比較例では、フォトダイオード15において表面層55が形成されずに空乏化防止層54がシリコン表面に現れている。すなわち、この比較例におけるフォトダイオード15は、通常の埋め込みフォトダイオードとして構成されている。これに伴い、この比較例では、本実施の形態で設けられていた電荷排出用トランジスタ40が除去され、電荷排出用トランジスタ40のゲート電極41及び排出経路となるアクティブ領域が除去されている。
This comparative example is different from the present embodiment only in the points described below. In the present embodiment, the
したがって、この比較例では、シリコン表面側の電位分布が図9に示すようになる。このため、シリコン表面の界面準位を介して発生する暗電流成分は、電荷蓄積層53に流れ込んでしまい、信号電荷に暗電流が混じり、SN比が低下してしまう。
Therefore, in this comparative example, the potential distribution on the silicon surface side is as shown in FIG. For this reason, the dark current component generated through the interface state of the silicon surface flows into the
これに対し、本実施の形態では、前述したように、表面層55及び電荷排出用トランジスタ40によって、信号電荷に暗電流が混じるのを防ぐことが可能となり、高いSN比を得ることができるのである。
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the
[第2の実施の形態] [Second Embodiment]
図10は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像素子の単位画素を模式的に示す概略平面図であり、図3に対応している。図11は、図10中のC−C’線に沿った概略断面図であり、図4に対応している。図10及び図11において、図3及び図4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. 10 is a schematic plan view schematically showing a unit pixel of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view taken along line C-C ′ in FIG. 10 and corresponds to FIG. 4. 10 and 11, elements that are the same as or correspond to those in FIGS. 3 and 4 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。本実施の形態では、前記第1の実施の形態で設けられている電荷排出用トランジスタ40の代わりに、表面層55の電荷を排出する電荷排出部として、電荷排出用トランジスタ60が設けられている。電荷排出用トランジスタ60も、電荷排出用トランジスタ40と同じく、表面層55をソース、電源拡散部33をドレインとするMOSトランジスタである。しかし、電荷排出用トランジスタ40のゲート41が増幅トランジスタ12のゲート36と一体に連続して構成されているのに対し、電荷排出用トランジスタ60のゲート61は増幅トランジスタ12のゲート36から分離されてリセットトランジスタ13のゲート37と一体に連続して構成されている。これにより、電荷排出用トランジスタ60のゲート61がリセットトランジスタ13のゲート37と電気的に接続されている。よって、電荷排出用トランジスタ60は、リセットトランジスタ13と同時にオンオフする。
This embodiment is different from the first embodiment only in the points described below. In the present embodiment, instead of the
本実施の形態による固体撮像素子も、前記第1の実施の形態による固体撮像素子1と同じく、図6に示すように、一般的なCMOS型固体撮像素子と同様に駆動される。図6からわかるように、各行の電荷排出用トランジスタ60は、当該行の読み出し期間を除く大半の期間においてオン状態となる。
The solid-state imaging device according to the present embodiment is also driven in the same manner as a general CMOS type solid-state imaging device, as shown in FIG. 6, similarly to the solid-
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、シリコン表面で発生する暗電流は電荷蓄積層53に蓄積されてしまうことなく電源拡散部33に排出されるので、高いSN比を得ることができる。
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, dark current generated on the silicon surface is discharged to the power
[第3の実施の形態] [Third Embodiment]
図12は、本発明の第3の実施の形態による固体撮像素子の単位画素を模式的に示す概略平面図であり、図3に対応している。図13は、図12中のD−D’線に沿った概略断面図であり、図4に対応している。図12及び図13において、図3及び図4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. 12 is a schematic plan view schematically showing a unit pixel of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. FIG. 13 is a schematic cross-sectional view taken along line D-D ′ in FIG. 12 and corresponds to FIG. 4. 12 and 13, elements that are the same as or correspond to those in FIGS. 3 and 4 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。本実施の形態では、前記第1の実施の形態で設けられている電荷排出用トランジスタ40が除去され、電荷排出用トランジスタ40のゲート電極41が除去されている。そして、本実施の形態では、図12及び図13に示すように、表面層55の一部が電源拡散部33に到達するように延ばされている。これにより、本実施の形態では、電源拡散部33が表面層55と連続して繋がっており、電源拡散部33が、表面層55の電荷を常時排出する電荷排出部となっている。
This embodiment is different from the first embodiment only in the points described below. In the present embodiment, the
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、シリコン表面で発生する暗電流は電荷蓄積層53に蓄積されてしまうことなく電源拡散部33に排出されるので、高いSN比を得ることができる。
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, dark current generated on the silicon surface is discharged to the power
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.
例えば、各半導体層等の導電型は、前述した例とは逆の導電型にしてもよい。 For example, the conductivity type of each semiconductor layer or the like may be the opposite conductivity type from the example described above.
また、前記各実施の形態は、本発明によるフォトダイオードを固体撮像素子において採用した例であったが、本発明によるフォトダイオードは、固体撮像素子以外の用途、例えば各種の測定装置などにおいても用いることができる。 In addition, each of the above embodiments is an example in which the photodiode according to the present invention is used in a solid-state imaging device. However, the photodiode according to the present invention is also used in applications other than the solid-state imaging device, for example, various measuring apparatuses. be able to.
さらに、本発明は、特許文献1に開示されているような、増幅部に接合型電界効果トランジスタを用いた固体撮像素子にも、適用することができる。また、本発明は、CCD型の固体撮像素子にも適用することができる。
Further, the present invention can also be applied to a solid-state imaging device using a junction field effect transistor in the amplifying unit as disclosed in
1 固体撮像素子
4 単位画素
12 増幅トランジスタ
13 リセットトランジスタ
14 転送トランジスタ
15 フォトダイオード
16 フローティングディフュージョン
33 電源拡散部
40,60 電荷排出用トランジスタ
53 電荷蓄積層
54 空乏化防止層
55 表面層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記電荷蓄積層上に配置された第2導電型の空乏化防止層と、
前記空乏化防止層上に配置された前記第1導電型の半導体層と、
少なくとも所定期間において前記半導体層の電荷を排出させる電荷排出部と、
を備えたことを特徴とするフォトダイオード。 A charge storage layer of a first conductivity type that stores signal charges generated in response to incident light;
A depletion preventing layer of a second conductivity type disposed on the charge storage layer;
A semiconductor layer of the first conductivity type disposed on the depletion prevention layer;
A charge discharging unit for discharging charges of the semiconductor layer at least for a predetermined period;
A photodiode characterized by comprising:
前記光電変換部は、請求項1記載のフォトダイオードであることを特徴とする固体撮像素子。 A photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charge according to incident light, a charge-voltage conversion unit that receives the signal charge and converts the signal charge into voltage, and an amplifier that outputs a signal according to the potential of the charge-voltage conversion unit A solid-state imaging device comprising a plurality of transistors, a pixel having a charge transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the charge-voltage conversion unit, and a reset transistor that resets the potential of the charge-voltage conversion unit,
The solid-state imaging device, wherein the photoelectric conversion unit is a photodiode according to claim 1.
前記電荷排出部の前記トランジスタのゲートは、前記増幅トランジスタのゲートと電気的に接続されたことを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子。 The charge discharging unit is a transistor having the semiconductor layer as one of a source and a drain, and a transistor having a semiconductor region that is a source or a drain of the amplification transistor and a predetermined potential is applied to the other as a source and a drain. Including
The solid-state imaging device according to claim 5, wherein the gate of the transistor of the charge discharging unit is electrically connected to the gate of the amplification transistor.
前記電荷排出部の前記トランジスタのゲートは、前記リセットトランジスタのゲートと電気的に接続されたことを特徴とする請求項5記載の固体撮像素子。 The charge discharging unit is a transistor having the semiconductor layer as one of a source and a drain, and a transistor having a semiconductor region that is a source or a drain of the reset transistor and a predetermined potential is applied to the other as a source and a drain. Including
The solid-state imaging device according to claim 5, wherein a gate of the transistor of the charge discharging unit is electrically connected to a gate of the reset transistor.
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