JP2009021316A - 固体撮像素子の画素構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光電変換により電子を発生するフォトダイオードと、フォトダイオードで発生された電子を蓄積する複数の電荷蓄積部と、フォトダイオードと電荷蓄積部との間に配置され、フォトダイオードで発生された電子の複数の電荷蓄積部への転送を制御するゲート構造とを有し、ゲート構造は、複数段のゲートよりなり、複数段のゲートは、少なくとも、フォトダイオードに隣接して配置され、フォトダイオードで発生した電子の読み出しを制御する前段のゲートと、前段のゲートの後段において複数の電荷蓄積部に隣接して配置され、前段のゲートの読み出し制御により読み出された電子を複数の電荷蓄積部へ分配する制御を行う後段のゲートとを有する。
【選択図】 図1
Description
ところで、上記した電荷振り分け方式を採用した固体撮像素子によれば、従来、複数の電荷蓄積部に光電変換部で発生した電子を光の飛来タイミングに応じて分配する処理は、半導体表面の酸化膜の直上に設置したゲート電極に高周波のパルス電圧を印加することにより実現していた。
従来、上記した光電変換部で発生した電子の分配に関する問題点を解決するために、例えば、特許文献1として提示する特開2005−235893号公報に開示されているように、光電変換部にフォトゲート構造を採用し、これにより電荷の残留を排除してゲートの閾値のバラツキを越えるポテンシャル差を発生させる手法が提案されている。
そして、本発明のうち請求項1に記載の発明は、光電変換により発生した電子を分配して電荷蓄積を行う固体撮像素子の画素構造において、光電変換により電子を発生するフォトダイオードと、上記フォトダイオードで発生された電子を蓄積する複数の電荷蓄積部と、上記フォトダイオードと上記電荷蓄積部との間に配置され、上記フォトダイオードで発生された電子の上記複数の電荷蓄積部への転送を制御するゲート構造とを有し、上記ゲート構造は、複数段のゲートよりなり、上記複数段のゲートは、少なくとも、上記フォトダイオードに隣接して配置され、上記フォトダイオードで発生した電子の読み出しを制御する前段のゲートと、上記前段のゲートの後段において上記複数の電荷蓄積部に隣接して配置され、前段のゲートの読み出し制御により読み出された電子を上記複数の電荷蓄積部へ分配する制御を行う後段のゲートとを有するようにしたものである。
1.第1の実施の形態(2段のゲート構造)
(1)構成
図1(a)には、本発明の第1の実施の形態による固体撮像素子の画素構造を模式的に表した平面構成説明図が示されており、また、図1(b)には、図1(a)のA−A線による断面を模式的に表した断面構成説明図が示されている。
また、上記したフォトダイオード13、転送ゲート14、第1分配ゲート15、第2分配ゲート16および第1電荷蓄積部17および第2電荷蓄積部18の各要素の周囲は、分離溝(STI)12により基板(SUB)11から分離されている。
次に、図1(b)を参照しながら、基板11としてP型半導体基板を用いて、このP型半導体基板よりなる基板11上に、上記した画素構造の素子を構成する場合について説明する。
なお、フォトダイオード13、転送ゲート14、第1分配ゲート15、第2分配ゲート16、第1電荷蓄積部17および第2電荷蓄積部18の各要素は、図1(a)(b)を参照しながら上記において説明したように、一般にはP型半導体基板に形成されるものであるが、P型半導体基板に限られるものではなく、Pウェル上に形成するようにしてもよいことは勿論である。
なお、素子の大きさは目的や用途に応じて適宜の大きさを任意に選択することができるものであるが、画素10全体の大きさは、1辺の長さLが10μm乃至50μm程度の正方形、即ち、10μm角程度乃至50μm角程度が実用的である。
(2)動作
(2−1)ポテンシャルの説明
図2(a)には、図2(b)(c)(d)(e)の理解を容易にするために図1(b)と同一の図面が示されており、また、図2(b)(c)(d)(e)には、転送ゲート14と第1分配ゲート15ならびに第2分配ゲート16とに電圧を印加したときの半導体中のポテンシャルを図2(a)に示す断面説明図における各要素に対応させて模式的に表した説明図が示されている。
まず、初期条件として第1電荷蓄積部17および第2電荷蓄積部18を電源電圧Vddにリセットするとともにフォトダイオード13を電圧Vtgにリセットし、この状態を初期状態とすると、各ゲートへの電圧印加によって図2(b)(c)(d)(e)に示す4つの状態が得られる。
また、画素構造10には分配ゲート(DG)と電荷蓄積部(FD)とはそれぞれ複数個(具体的には、第1分配ゲート15と第2分配ゲート16とが設けられているとともに、第1電荷蓄積部17と第2電荷蓄積部18とが設けられており、分配ゲート(DG)と電荷蓄積部(FD)とはそれぞれ2個ずつ設けられている。)存在するので、状態の場合の数は分配ゲート(DG)と電荷蓄積部(FD)との個数に応じて増加することになるが、以下の説明においては本発明の理解を容易にするために、注目する分配ゲート(DG)のみ、例えば、第1分配ゲート15のみが変化し、他の分配ゲート(例えば、第2分配ゲート16である。)は基板電位Vssに近い電位に固定されているものと仮定する。
(2−1−1)状態1の説明(図2(b)参照)
まず、図2(b)に示す状態1は、上記した初期状態から転送ゲート(TG)14にも分配ゲート(DG)にも基板電位Vssに近い電位を与えたときの様子を示すものである。この状態1が、状態1乃至状態4における基本状態である。
(2−1−2)状態2の説明(図2(c)参照)
次に、状態2は、転送ゲート(TG)14に電圧Vtgなる正の電位を印加したときのポテンシャルを示し、転送ゲート(TG)14の直下にはチャンネルが形成され、そのポテンシャルは上記したような誤差はあるが、概ね電圧Vtgのポテンシャルとなり、フォトダイオード(PD)13のポテンシャルと連続になる。
(2−1−3)状態3の説明(図2(d)参照)
次に、状態3は、状態2に加えて、分配ゲート(DG)に電圧Vdgなる正の電位を印加したときのポテンシャルを示している。この状態3においては、分配ゲート(DG)の直下にはチャンネルが形成され、そのポテンシャルは上記したような誤差はあるが、概ね電圧Vdgのポテンシャルとなる。
(2−1−4)状態4の説明(図2(e)参照)
次に、状態4は、転送ゲート(TG)14に基板電位Vssに近い電位を与えて、転送ゲート(TG)14の電圧を基板電位Vssに近い電圧に戻し、分配ゲート(DG)には電圧Vdgを印加したポテンシャルを示す。これによりフォトダイオード(PD)13は、電荷蓄積部(FD)とはポテンシャル的に分離されることになる。
(2−1−5)上記した状態1乃至状態4の説明についてのまとめ
上記した状態1乃至状態4を、状態1→状態2→状態3→状態4→状態1→状態2→状態3→状態4→(以下、同様)の順番で繰り返すことにより、後述するように、フォトダイオード(PD)13で発生した電子を電荷蓄積部(FD)に蓄積することができる。
(2−2)電子の移動の説明
次に、図3(a)(b)(c)(d)を参照しながら、フォトダイオード(PD)13で発生した電子の移動について説明する。なお、図3(a)は図2(b)に示す状態1における電子の状態を示し、図3(b)は図2(c)に示す状態2における電子の状態を示し、図3(c)は図2(d)に示す状態3における電子の状態を示し、図3(d)は図2(e)に示す状態4における電子の状態を示す。
なお、基板電位Vssと電圧Vtgと電圧Vdgと電源電圧Vddとの間の電圧差が転送ゲート(TG)14や分配ゲート(DG)の閾値電圧のバラツキより十分に大きければ、閾値のバラツキは上記した動作による電子の転送に大きな影響は与えない。
(2−3)電子の分配の説明
次に、図4(a)(b)に示す電荷振り分け動作を模式的に表す説明図を参照しながら、図3(a)(b)(c)(d)を参照しながら上記において説明したようにフォトダイオード(PD)13から電荷蓄積部(FD)へ移動する電子を、具体的に画素構造10における第1電荷蓄積部(FD1)17と第2電荷蓄積部(FD2)18とに振り分けて分配して蓄積させる手法、即ち、転送ゲート(TG)14と分配ゲート(DG)とに印加する電圧を制御して状態1乃至状態4の4つの状態を遷移させることで起こる電子の移動を、2個の分配ゲート(第1分配ゲート(DG1)15および第2分配ゲート(DG2)16)と2個の電荷蓄積部(第1電荷蓄積部(FD1)17および第2電荷蓄積部(FD2)18)とを有する画素構造10に具体的に適用する手法について説明する。
より詳細には、図3(a)で示した状態1における蓄積状態でフォトダイオード(PD)13に蓄積された電子は、図3(b)で示した状態2における転送開始状態で転送ゲート(TG)14に電圧を印加すると、その直後に図4(a)あるいは図4(b)のどちらかの状態をとることになる。即ち、図3(c)で示した状態3における転送状態において、上記したように第1分配ゲート(DG1)15と第2分配ゲート(DG2)16とのうちのどちらか一方を基板電位Vssにすることにより、図4(a)あるいは図4(b)のどちらかの状態をとることになる。
即ち、図2(b)に示す状態1から図2(c)に示す状態2へ遷移させ、次に第1分配ゲート(DG1)15と第2分配ゲート(DG2)16とのうちのいずれか一方の分配ゲート(DG)のみを図2(d)に示す状態3と図2(e)に示す状態4へと遷移させ、他方の分配ゲート(DG)は状態2のままに維持し、第1分配ゲート(DG1)15と第2分配ゲート(DG2)16との両方とも状態1へ戻す、というサイクルを、各分配ゲート(DG)について交互に行うことで、あるタイミングで発生した光電子を希望する電荷蓄積部(FD)へ移動して分配蓄積することができる。
なお、図5には各ゲートの駆動電圧波形と電荷蓄積とに関する模式的な説明図が示されており、この図5に示した駆動波形のように転送ゲート(TG)14、第1分配ゲート(DG1)15および第2分配ゲート(DG2)16に電圧パルスを入力することで、上記した状態遷移のサイクルを繰り返すことができる。
(3)第1の実施の形態の変形例(4つの分配ゲート(DG)と4つの電荷蓄積部(FD)とを備えた構造)
図6には、上記した画素構造10の変形例として、4つの分配ゲート(DG)と4つの電荷蓄積部(FD)とを備えた画素構造20が示されている。
この図6に示す画素構造20は、分配ゲート(DG)として第1分配ゲート(DG1)15および第2分配ゲート(DG2)16に加えて第3分配ゲート(DG3)21および第4分配ゲート(DG4)22を備えるとともに、電荷蓄積部(FD)として第1電荷蓄積部(FD1)17および第2電荷蓄積部(FD2)18に加えて第3分配ゲート(DG3)21に隣接する第3電荷蓄積部(FD3)23および第4分配ゲート(DG4)22に隣接する第4電荷蓄積部(FD4)24を備えてる点で、図1(a)(b)に示す画素構造10と異なっている。
2.第2の実施の形態(3段のゲート構造)
(1)構成
図7(a)には、本発明の第2の実施の形態による固体撮像素子の画素構造を模式的に表した平面構成説明図が示されており、また、図7(b)には、図7(a)のB−B線による断面を模式的に表した断面構成説明図が示されている。
ここで、この図7(a)(b)に示す画素構造30と上記した画素構造10とを比較すると、画素構造30は、前段のゲートたる転送ゲート(TG)14と後段のゲートたる第1分配ゲート(DG1)15および第2分配ゲート(DG2)16との間に中間のゲートとして副ゲート(SG)31を配置している点において、画素構造10と異なる。
(2)動作(3段のゲート構造での電子の移動および分配)
次に、図8(a)(b)(c)(d)を参照しながら、半導体中のポテンシャルならびにフォトダイオード(PD)13で発生した電子の移動について説明する。
上記した画素構造30による前段のゲートたる転送ゲート(TG)14と後段のゲートたる分配ゲート(DG)(第1分配ゲート(DG1)15および第2分配ゲート(DG2))との間に副ゲート(SG)31を設けた3段ゲート構造では、転送ゲート(TG)14には基板電位Vssに近い電圧か電圧Vtgが印加され、副ゲート(SG)には基板電位Vssに近い電圧か電源電圧Vddが印加され、分配ゲート(DG)には基板電位Vssに近い電圧か電圧Vdgが印加される。
ここで、図8(a)(b)(c)(d)には、上記した2段ゲートの構造の画素構造10における図3(a)(b)(c)(d)と同様に、4つの状態で電子を移動する手法をポテンシャルで示した説明図が示されている。
なお、図7(a)(b)に示す実施の形態においては、2個の分配ゲート(DG)と2個の電荷蓄積部(FD)とを配置したものを示したが、図6に示す構成と同様に、4個の分配ゲート(DG)と電荷蓄積部(FD)とを配置するように構成してもよい。
3.シミュレーション結果
次に、本願発明者により実施されたシミュレーションの結果について、図9および図10(a)(b)(c)(d)を参照しながら説明する。
4.第1の実施の形態(2段のゲート構造)と第2の実施の形態(3段のゲート構造)と の作用効果における特徴
(1)第1の実施の形態(2段のゲート構造)のメリット
a.3段のゲート構造にくらべ構造が簡単である
b.同じサイズの画素を配置するときに3段のゲート構造に比べてフォトダイオ ード(PD)の面積を広くすることができる
(2)第2の実施の形態(3段のゲート構造)のメリット
a.2段のゲート構造に比べポテンシャル勾配が大きくできるので転送がより完 全となる
b.フォトダイオード(PD)の逆バイアス電圧を2段のゲート構造に比べ深く 取れるので空乏層を厚くすることができるできる。
11 基板(SUB)
12 分離溝(STI)
13 フォトダイオード(光ダイオード:PD)
14 転送ゲート(TG)
15 第1分配ゲート(DG1)
16 第2分配ゲート(DG2)
17 第1電荷蓄積部(FD1)
18 第2電荷蓄積部(FD2)
19 酸化膜(SOX)
21 第3分配ゲート(DG3)
22 第4分配ゲート(DG4)
23 第3電荷蓄積部(FD3)
24 第4電荷蓄積部(FD4)
31 副ゲート(SG)
Claims (3)
- 光電変換により発生した電子を分配して電荷蓄積を行う固体撮像素子の画素構造において、
光電変換により電子を発生するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードで発生された電子を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
前記フォトダイオードと前記電荷蓄積部との間に配置され、前記フォトダイオードで発生された電子の前記複数の電荷蓄積部への転送を制御するゲート構造と
を有し、
前記ゲート構造は、複数段のゲートよりなり、
前記複数段のゲートは、少なくとも、
前記フォトダイオードに隣接して配置され、前記フォトダイオードで発生した電子の読み出しを制御する前段のゲートと、
前記前段のゲートの後段において前記複数の電荷蓄積部に隣接して配置され、前段のゲートの読み出し制御により読み出された電子を前記複数の電荷蓄積部へ分配する制御を行う後段のゲートと
を有することを特徴とする固体撮像素子の画素構造。 - 光電変換により発生した電子を分配して電荷蓄積を行う固体撮像素子の画素構造において、
光電変換により電子を発生するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードで発生された電子を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
前記フォトダイオードと前記電荷蓄積部との間に配置され、前記フォトダイオードで発生された電子の前記複数の電荷蓄積部への転送を制御するゲート構造と
を有し、
前記ゲート構造は、2段のゲートよりなり、
前記2段のゲートは、
前記フォトダイオードに隣接して配置され、前記フォトダイオードで発生した電子の読み出しを制御する第1段のゲートと、
前記第1段のゲートの後段に所定の間隙を開けて隣接するとともに、前記複数の電荷蓄積部のそれぞれに対応してそれぞれ配置され、前記第1段のゲートの読み出し制御により読み出された電子を前記複数の電荷蓄積部へそれぞれ分配する制御を行う複数の第2段のゲートと
を有することを特徴とする固体撮像素子の画素構造。 - 光電変換により発生した電子を分配して電荷蓄積を行う固体撮像素子の画素構造において、
光電変換により発生した電子を分配して電荷蓄積を行う固体撮像素子の画素構造において、
光電変換により電子を発生するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードで発生された電子を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
前記フォトダイオードと前記電荷蓄積部との間に配置され、前記フォトダイオードで発生された電子の前記複数の電荷蓄積部への転送を制御するゲート構造と
を有し、
前記ゲート構造は、3段のゲートよりなり、
前記3段のゲートは、
前記フォトダイオードに隣接して配置され、前記フォトダイオードで発生した電子の読み出しを制御する第1段のゲートと、
前記第1段のゲートの後段に所定の間隙を開けて隣接するとともに、前記第1段のゲートの読み出し制御により読み出された電子の前記複数の電荷蓄積部への移動を制御する第2段のゲートと、
前記第2段のゲートの後段に所定の間隙を開けて隣接するとともに、前記複数の電荷蓄積部のそれぞれに対応してそれぞれ配置され、前記第2段のゲートの移動制御により移動された電子を前記複数の電荷蓄積部へそれぞれ分配する制御を行う複数の第3段のゲートと
を有することを特徴とする固体撮像素子の画素構造。
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