JP2009295937A - Dummy exposure substrate and method of manufacturing the same, immersion exposure apparatus, and method of manufacturing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単位画素領域内に複数のフォトダイオードを有する固体撮像装置、その駆動方法、及びその固体撮像装置を用いた電子機器に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device having a plurality of photodiodes in a unit pixel region, a driving method thereof, and an electronic apparatus using the solid-state imaging device.
固体撮像装置であるCCDイメージセンサやCMOSイメージセンサにおける色分光は、主にカラーフィルタを用いることで実現される。カラーフィルタを用いたイメージセンサにおいては、1画素に1種類のカラーフィルタを搭載し、主に赤、緑、青のカラーフィルタを有する3つの画素回路を隣り合わせて配置する。そのため、1画素において受光できる光は、厳密には、カラーフィルタに対応した1色のみである。よって、カラーフィルタを用いたイメージセンサにおいては、異なる色のカラーフィルタを搭載する隣り合う画素に入射した光の情報を用いることで、色の生成が行われている。 Color spectroscopy in a CCD image sensor or a CMOS image sensor that is a solid-state imaging device is realized mainly by using a color filter. In an image sensor using a color filter, one type of color filter is mounted on one pixel, and three pixel circuits mainly having red, green, and blue color filters are arranged next to each other. Therefore, strictly speaking, light that can be received in one pixel is only one color corresponding to the color filter. Therefore, in an image sensor using color filters, color generation is performed by using information of light incident on adjacent pixels on which color filters of different colors are mounted.
そのため、カラーフィルタを用いたイメージセンサにおいては、任意の画素に生成される色と、実際にその画素に入射した光の色が異なるという偽色が生じる。また、カラーフィルタを用いることにより、例えば赤のカラーフィルタの場合には、緑と青の入射光がカラーフィルタにより吸収され、受光部に到達しない。このため入射光量の2/3以上を損失していることになる。この入射光量の損失は、緑と青のカラーフィルタにおいても同様に生じる。 Therefore, in an image sensor using a color filter, a false color is generated in which a color generated in an arbitrary pixel is different from a color of light actually incident on the pixel. Further, by using a color filter, for example, in the case of a red color filter, incident light of green and blue is absorbed by the color filter and does not reach the light receiving unit. For this reason, 2/3 or more of the incident light quantity is lost. The loss of the incident light amount occurs similarly in the green and blue color filters.
そこで、入射光量を効率よく利用し、かつ偽色の発生を防止するために、1画素において、基板内の深さ方向に複数のフォトダイオードを形成することで、分光する方法が開発されている。 Therefore, in order to efficiently use the amount of incident light and prevent the occurrence of false colors, a method of performing spectroscopy by forming a plurality of photodiodes in the depth direction in the substrate in one pixel has been developed. .
特許文献1においては、例えば、図9に示すように、p型のSi基板100中に、n型半導体層102/p型半導体層104/n型半導体層106の3層構造を形成し、深さ方向に浅い方から、青、緑、赤の光を光電変換して取り出す色分離方法が記載されている。この方法においては、Si基板100表面において、それぞれの層に接続されたそれぞれの端子により、青、緑、赤の信号が外部に出力される。これは、波長の長さと、深さ方向における光の吸収の性質を利用したものである。これにより、1画素での色分光が可能となり、偽色の発生を抑制することが可能となる。よって、ローパスフィルタが不要となる。さらに、カラーフィルタを用いないため、赤、緑、青の波長の異なる色が単位画素内に入射する。このために光量の損失も少なくなる。
In
しかし、特許文献1のように、波長の長さと深さ方向における光の吸収の性質を利用したものでは、波長の長い赤色の光を光電変換し電荷を蓄積するフォトダイオードは、Si基板100表面から2μm程度の深さに形成する必要がある。このため、Si基板100表面の出力端子との距離が長く、フォトダイオードに蓄積された電荷を完全に転送することは非常に困難であり、残像が発生する原因となっている。また、光は、Si基板100表面方向より入射し、光電変換により生成された電荷は、数重のウェル層で形成されたフォトダイオードに蓄積される。その場合、フォトダイオード端は、Si基板100表面に達する構造となり、その部分のPN接合の深さとフォトダイオード中心のPN接合の深さは異なることになる。これは、混色の原因となると共に、Si基板100表面におけるノイズ発生の原因ともなる。
However, as in
上述の点に鑑み、本発明は、偽色、残像、ノイズ、混色を防止すると共に、画素の開口率及び感度の向上した固体撮像装置とその駆動方法を提供するものである。また、その固体撮像装置を用いた電子機器を提供するものである。 In view of the above-described points, the present invention provides a solid-state imaging device and a driving method thereof that prevent false color, afterimage, noise, and color mixing and improve the aperture ratio and sensitivity of pixels. In addition, the present invention provides an electronic device using the solid-state imaging device.
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、単位画素領域内の基板内において異なる深さに形成された複数のフォトダイオードと、複数の縦型トランジスタとから構成される。複数の縦型トランジスタは、複数のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す為のトランジスタである。そして、複数の縦型トランジスタはそのゲート部が、複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する深さに形成されるように、基板の一方の面側から深さ方向に形成される。 In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a solid-state imaging device of the present invention includes a plurality of photodiodes formed at different depths in a substrate in a unit pixel region, a plurality of vertical transistors, Consists of The plurality of vertical transistors are transistors for reading signal charges photoelectrically converted by a plurality of photodiodes. The plurality of vertical transistors are formed in the depth direction from one surface side of the substrate so that the gate portions thereof are formed at depths corresponding to the plurality of photodiodes.
本発明の固体撮像装置では、単位画素領域内に複数のフォトダイオードが形成されているので、単位画素領域から複数の色が読み出される。また、縦型トランジスタはそのゲート部が、複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する深さになるように形成されるので、対象となるフォトダイオードの信号電荷が全て読み出される。そして、それぞれのゲート部は、それぞれ異なるゲート長を有する。 In the solid-state imaging device of the present invention, since a plurality of photodiodes are formed in the unit pixel region, a plurality of colors are read from the unit pixel region. In addition, since the vertical transistor is formed so that the gate portion thereof has a depth corresponding to each of the plurality of photodiodes, all signal charges of the target photodiode are read out. Each gate portion has a different gate length.
また、本発明の電子機器は、固体撮像装置と、光学レンズ系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理装置とを備えて構成されるものである。
特に、固体撮像装置は、単位画素領域内の基板内において、異なる深さに形成された複数のフォトダイオードと、複数の縦型トランジスタとから構成される。複数の縦型トランジスタは、複数のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す為のトランジスタである。そして、複数の縦型トランジスタはそのゲート長が、複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する深さに形成されるように、基板の一方の面側から深さ方向に形成される。
An electronic apparatus according to the present invention includes a solid-state imaging device, an optical lens system, and a signal processing device that processes an output signal of the solid-state imaging device.
In particular, the solid-state imaging device includes a plurality of photodiodes formed at different depths and a plurality of vertical transistors in a substrate in a unit pixel region. The plurality of vertical transistors are transistors for reading signal charges photoelectrically converted by a plurality of photodiodes. The plurality of vertical transistors are formed in the depth direction from one surface side of the substrate so that the gate length is formed to a depth corresponding to each of the plurality of photodiodes.
本発明の電子機器では、光学レンズ系を介して固体撮像装置内に入射した光は、単位画素領域内の複数のフォトダイオードにおいて光電変換される。そして、光電変換された信号電荷は、フォトダイオード深さに形成された縦型トランジスタにより読み出され、画像を構成する。 In the electronic apparatus of the present invention, light that has entered the solid-state imaging device via the optical lens system is photoelectrically converted by a plurality of photodiodes in the unit pixel region. Then, the photoelectrically converted signal charge is read out by a vertical transistor formed at the photodiode depth, and forms an image.
本発明の固体撮像装置及び、その駆動方法によれば、偽色、残像、ノイズ、混色が低減されるとともに、感度を向上させることができる。また、カラーフィルタ、ローパスフィルタが不要となる。 According to the solid-state imaging device and the driving method thereof of the present invention, it is possible to reduce false color, afterimage, noise, and color mixing and improve sensitivity. In addition, a color filter and a low-pass filter are not necessary.
また、本発明の電子機器によれば、偽色、残像、ノイズ、混色が低減され、感度が向上された画像を得ることができる。 In addition, according to the electronic device of the present invention, an image with reduced false color, afterimage, noise, and color mixture and improved sensitivity can be obtained.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に、本発明が適用される固体撮像装置、すなわちCMOSイメージセンサの一実施形態の概略構成を示す。本実施形態例に係る固体撮像装置1は、半導体基板、例えばSi基板11上に、複数の光電変換部であるフォトダイオードを含む画素2が規則的に2次元アレイ状に配列された撮像領域3と、その周辺回路としての垂直駆動回路4と、カラム信号処理回路5と、水平駆動回路6と、出力回路7と、制御回路8等を有して構成される。
FIG. 1 shows a schematic configuration of an embodiment of a solid-state imaging device, that is, a CMOS image sensor to which the present invention is applied. A solid-
制御回路8は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5及び、水平駆動回路6等の動作の基準となるクロック信号や制御信号などを生成する。そして、そこで生成されたクロック信号や制御信号などは、垂直駆動回路4、カラム信号処理回路5及び水平駆動回路6等に入力される。
The control circuit 8 generates a clock signal, a control signal, and the like that serve as a reference for operations of the vertical drive circuit 4, the column signal processing circuit 5, the
垂直駆動回路4は、たとえばシフトレジスタによって構成され、撮像領域3の各画素2を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、各画素2の光電変換部(以下フォトダイオード)において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号を、垂直信号線9を通してカラム信号処理回路5に供給する。
The vertical drive circuit 4 is constituted by a shift register, for example, and selectively scans each
カラム信号処理回路5は、例えば、画素2の列ごとに配置されており、1行分の画素2から出力される信号を画素列ごとに黒基準画素(図示しないが、有効画素領域の周囲に形成される)からの信号によって、ノイズ除去や信号増幅等の信号処理を行う。カラム信号処理回路5の出力段には、水平選択スイッチ(図示せず)が水平信号線10との間に接続されて設けられる。
The column signal processing circuit 5 is arranged, for example, for each column of the
水平駆動回路6は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路5の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路5の各々から画素信号を水平信号線10に出力させる。
出力回路7は、カラム信号処理回路5の各々から水平信号線10を通して、順次に供給される信号に対し、信号処理を行って出力する。
The
The output circuit 7 performs signal processing and outputs the signals sequentially supplied from each of the column signal processing circuits 5 through the horizontal signal line 10.
以下に説明する第1〜第5の実施形態における固体撮像装置は、図1における固体撮像装置1を構成するものであり、特に有効画素領域における画素2の断面構成が、それぞれ異なるものである。その他の構成は、図1と同様であるから、第1〜第5の実施形態例においては、要部の断面構成のみを示し、その他の構成の説明を省略する。
The solid-state imaging device in the first to fifth embodiments described below constitutes the solid-
[第1の実施形態]
図2に、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の画素部における断面構成を示す。図2は、1画素分、すなわち、単位画素領域20における断面構成を示すものである。
[First Embodiment]
FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the pixel portion of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a cross-sectional configuration for one pixel, that is, in the
本実施形態例の固体撮像装置は、第1導電型のシリコン基板21内の一方の面(以下、表面)側から、深さ方向に交互に、複数層積層されるように形成された第1導電型の半導体層と第2導電型の半導体層とを有する。また、シリコン基板21の表面側から所望の深さに形成された複数の縦型トランジスタTr1,Tr2,Tr3を有する。この縦型トランジスタTr1,Tr2,Tr3は、後述する電荷転送トランジスタに相当する。そして、シリコン基板21の表面側には、配線層47が構成され、シリコン基板21の裏面側には、オンチップレンズ31が構成される。すなわち、本実施形態例の固体撮像装置は、配線層47とは反対側から光が入射するように構成された裏面照射型の固体撮像装置を例としたものである。
The solid-state imaging device according to the present embodiment is formed in such a manner that a plurality of layers are alternately stacked in the depth direction from one surface (hereinafter referred to as the front surface) side in the first conductivity
以下の説明においては、第1導電型をp型、第2導電型をn型とし、積層されるように形成された第1導電型の半導体層をp型半導体層、第2導電型の半導体層をn型半導体層とする。 In the following description, the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, the first conductivity type semiconductor layer formed to be stacked is a p-type semiconductor layer, and the second conductivity type semiconductor is The layer is an n-type semiconductor layer.
シリコン基板21内に交互に積層されるように形成されたp型半導体層及びn型半導体層は、単位画素領域20内で、フォトダイオードとなる領域に形成されるものである。本実施形態例においては、シリコン基板21の表面側から、第1のp型半導体層28、第1のn型半導体層27、第2のp型半導体層26、第2のn型半導体層25、第3のp型半導体層24、第3のn型半導体層23の順に積層される。そして、交互に積層されるように形成されたp型半導体層、n型半導体層により、単位画素領域20内で複数のフォトダイオードが形成される。この積層される第1〜第3のp型半導体層28,26,24及び第1〜第3のn型半導体層27,25,23は、それぞれ平板型に形成され、積層されるものである。また、本実施形態例において、積層される第1〜第3のp型半導体層28,26,24は、p型のシリコン基板21よりも不純物濃度が高いものである。
The p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer formed so as to be alternately stacked in the
ここで、一番表面側に形成される第1のn型半導体層27は、第1のp型半導体層28と第1のn型半導体層27におけるpn接合j1深さが、裏面側から光照射したときに、赤色の光が吸収される位置に対応する深さとなるように形成される。表面側から2番目の深さに形成される第2のn型半導体層25は、第2のp型半導体層26と第2のn型半導体層25におけるpn接合j2深さが裏面側から光照射したときに、緑色の光が吸収される位置に対応する深さとなるように形成される。一番裏面側に形成される第3のn型半導体層23は、第3のp型半導体層24と第3のn型半導体層23におけるpn接合j3深さが裏面側から光照射したときに、青色の光が吸収される位置に対応する深さになるように形成される。
Here, the first n-
そして、第1のp型半導体層28、第1のn型半導体層27により、赤色の光を光電変換する第1のフォトダイオードPD1が形成される。
また、第2のp型半導体層26、第2のn型半導体層25により、緑色の光を光電変換する第2のフォトダイオードPD2が形成される。
また、第3のp型半導体層24、第3のn型半導体層23により、青色の光を光電変換する第3のフォトダイオードPD3が形成される。
The first p-
The second p-
The third p-
第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3では、pn接合j1〜j3が形成されることにより、第1〜第3のn型半導体層27,25,23がそれぞれ電位の井戸を構成する。このため、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3においては、各第1〜第3のn型半導体層27,25,23とその近傍で光電変換された信号電荷が、各第1〜第3のn型半導体層27,25,23が形成する電位の井戸に蓄積される。すなわち、各第1〜第3のn型半導体層27,25,23は信号蓄積領域に相当する。この信号電荷の蓄積容量は、n型半導体層と、p型半導体層の電位差と空乏層容量で決まる。本実施形態例においては、第1〜第3のp型半導体層28,26,24は、シリコン基板21よりも高不純物濃度とされるため、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3における信号電荷の蓄積容量は、十分に確保されるものである。
In the first to third photodiodes PD1 to PD3, the pn junctions j1 to j3 are formed, so that the first to third n-type semiconductor layers 27, 25, and 23 constitute potential wells, respectively. Therefore, in the first to third photodiodes PD1 to PD3, the signal charges photoelectrically converted in the first to third n-type semiconductor layers 27, 25, and 23 in the vicinity thereof are respectively first to first. 3 n-type semiconductor layers 27, 25, and 23 are accumulated in the potential well formed. That is, each of the first to third n-type semiconductor layers 27, 25, and 23 corresponds to a signal storage region. The signal charge storage capacity is determined by the potential difference between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer and the depletion layer capacity. In the present embodiment, since the first to third p-type semiconductor layers 28, 26, and 24 have a higher impurity concentration than the
そして、本実施形態例においては、上述した第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3のそれぞれに対応したゲート電極33,37,42を有する転送トランジスタTr1,Tr2,Tr3が形成される。
まず、第1の転送トランジスタTr1のゲート電極33は、シリコン基板21表面側から、第1のフォトダイオードPD1のpn接合j1に達する深さに形成されている。そして、第2の転送トランジスタTr2のゲート電極37は、シリコン基板21表面側から、第2のフォトダイオードPD2のpn接合j2に達する深さに形成されている。第3の転送トランジスタTr3のゲート電極42は、シリコン基板21表面側から、第3のフォトダイオードPD3のpn接合j3に達する深さに形成されている。
In this embodiment, transfer transistors Tr1, Tr2, Tr3 having
First, the
これらのゲート電極33,37,42は、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3が形成されたシリコン基板21に縦型の開口部を設け、その開口部にゲート絶縁膜34を介して電極材料が埋め込まれることにより形成される。また、ゲート電極33,37,42は、円柱型や、角柱型に形成され、シリコン基板21の深さ方向に長い縦型に形成されるものである。各縦型の転送トランジスタTr1,Tr2,Tr3では、それぞれ、ゲート電極33,37,42と、ゲート絶縁膜34と、後述するチャネル部分とによって、ゲート部が構成される。
The
ここで、第3の転送トランジスタTr3のゲート電極42を含むゲート部のゲート長は、第2の転送トランジスタTr2のゲート電極37を含むゲート部のゲート長よりも長く、第2の転送トランジスタTr2のゲート電極37を含むゲート部のゲート長は、第1の転送トランジスタTr1のゲート電極33を含むゲート部のゲート長よりも長い。
Here, the gate length of the gate portion including the
また、シリコン基板21の表面であって、それぞれのゲート電極33,37,42に対応するゲート部に接する領域には、高不純物濃度のn型半導体領域、いわゆるn+ソース・ドレイン領域46,41,45が個々に形成される。このように、本実施形態例の固体撮像装置を構成する第1〜第3の転送トランジスタTr1,Tr2,Tr3は、信号電荷が、シリコン基板21内に埋め込まれた縦型のゲート電極33,37,42に沿うように縦方向に転送される縦型トランジスタとされている。
Further, on the surface of the
このような構成により、第1の転送トランジスタTr1のチャネル部分39は、第1のn型半導体層27から、縦型のゲート電極33に沿ってn+ソース・ドレイン領域46まで形成される。第2の転送トランジスタTr2のチャネル部分40は、第2のn型半導体層25から縦型のゲート電極37に沿ってn+ソース・ドレイン領域41まで形成される。第3の転送トランジスタTr3のチャネル部分44は、第3のn型半導体層23から縦型のゲート電極42に沿ってn+ソース・ドレイン領域45まで形成される。そして、これらのチャネル部分39,40,44は、好ましくは、それぞれのゲート電極33,37,42に沿うように、シリコン基板21面に対して垂直方向に形成されるものである。
With this configuration, the
第1の転送トランジスタTr1では、第1のフォトダイオードPD1を構成する第1のn型半導体層27が、ソース・ドレイン領域を兼ねる。これにより、第1のn型半導体層27に蓄積された信号電荷が、チャネル部分39を通り、n+ソース・ドレイン領域46に転送される。
第2の転送トランジスタTr2では、第2のフォトダイオードPD2を構成する第2のn型半導体層25が、ソース・ドレイン領域を兼ねる。これにより、第2のn型半導体層25に蓄積された信号電荷がチャネル部分40を通り、n+ソース・ドレイン領域41に転送される。
第3の転送トランジスタTr3では、第3のフォトダイオードPD3を構成する第3のn型半導体層23が、ソース・ドレイン領域を兼ねる。これにより、第3のn型半導体層23に蓄積された信号電荷がチャネル部分44を通り、n+ソース・ドレイン領域45に転送される。
In the first transfer transistor Tr1, the first n-
In the second transfer transistor Tr2, the second n-
In the third transfer transistor Tr3, the third n-
第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3において、シリコン基板21表面であって、それぞれのゲート電極33,37,42に接する領域に形成されるn+ソース・ドレイン領域46,41,45は、それぞれ、フローティングデフュージョンFDとなる。
In the first to third transfer transistors Tr1 to Tr3, n + source /
シリコン基板21の表面側には、配線層47が構成される。配線層47には、層間絶縁膜30を介して所望の配線が形成される。本実施形態例は、3層に構成された配線M1〜M3を有する例であり、これらの配線M1〜M3が所望のゲート電極や電源に接続される。また、配線M1〜M3間の接続は、例えば、コンタクト49やVIAを設けて接続される。
A
シリコン基板21の裏面側には、オンチップレンズ31が構成される。そして、シリコン基板21の裏面側から照射された光がオンチップレンズ31において集光されて、例えば、シリコン酸化膜32を介して、単位画素領域内20に入射される。
An on-
以上の構成の固体撮像装置では、シリコン基板21の裏面側から入射された光は、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3において光電変換され、信号電荷が蓄積される。そして、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3は、シリコン基板21内の異なる深さにそれぞれ形成されているため、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3ではそれぞれ異なる波長の光が吸収される。第1のフォトダイオードPD1においては、赤色の光が吸収され、第2のフォトダイオードPD2においては、緑色の光が吸収され、第3のフォトダイオードPD3においては、青色の光が吸収される。
In the solid-state imaging device having the above configuration, light incident from the back side of the
そして、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に入射されたそれぞれの光は、光電変換され、その光電変換による信号電荷が、第1〜第3のn型半導体層27,25,23にそれぞれ蓄積される。すなわち、第1のn型半導体層27には、赤色の光の光電変換による信号電荷が蓄積され、第2のn型半導体層25には、緑色の光の光電変換による信号電荷が蓄積され、第3のn型半導体層23には、青色の光の光電変換による信号電荷が蓄積される。
Then, each light incident on the first to third photodiodes PD1 to PD3 is photoelectrically converted, and signal charges due to the photoelectric conversion are applied to the first to third n-type semiconductor layers 27, 25, and 23. Each is accumulated. That is, signal charges due to photoelectric conversion of red light are accumulated in the first n-
このように、本実施形態例の固体撮像装置では、単位画素領域20内において、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3を有するので、3色の光による信号電荷をそれぞれ蓄積することできる。
As described above, the solid-state imaging device according to the present embodiment includes the first to third photodiodes PD1 to PD3 in the
ところで、本実施形態例の固体撮像装置では、最も長いチャネル長を有する第3の転送トランジスタTr3のゲート電極42は、ゲート絶縁膜34を介して第1〜第3のn型半導体層27,25,23全てに接触している。また、2番目に長いチャネル長を有する第2の転送トランジスタTr2のゲート電極37は、ゲート絶縁膜34を介して第1及び第2のn型半導体層27,25に接触している。
By the way, in the solid-state imaging device of the present embodiment, the
図3に、本実施形態例の固体撮像装置における単位画素の等価回路を示す。この単位画素は、第1のフォトダイオードPD1と、第2のフォトダイオードPD2と、第3のフォトダイオードPD3を有し、各フォトダイオードPD1,PD2及びPD3がそれぞれ第1、第2及び第3の転送トランジスタTr1,Tr2,Tr3を介して各フローティングデフュージョンFD1、FD2、FD3に接続される。第2の転送トランジスタTr2は、等価的に直列接続された2つのトランジスタQ2,Q3で構成される。第3の転送トランジスタTr3は、等価的に直列接続された3つのトランジスタQ4,Q5,Q6で構成される。そして、第2の転送トランジスタTr2を構成する2つのトランジスタQ2及びQ3のゲートが互いに接続される。第3の転送トランジスタTr3を構成する3つのトランジスタQ4,Q5,Q6のゲートが互いに接続される。さらに、第1の転送トランジスタTr1のソースと第2のトランジスタTr2を構成するトランジスタQ3のソースと第3の転送トランジスタTr3を構成するトランジスタQ6のソースが互いに接続される。また、第2の転送トランジスタTr2を構成するトランジスタQ2のソースと第3の転送トランジスタTr3を構成するトランジスタQ5のソースが互いに接続される。 FIG. 3 shows an equivalent circuit of unit pixels in the solid-state imaging device according to the present embodiment. The unit pixel includes a first photodiode PD1, a second photodiode PD2, and a third photodiode PD3, and each of the photodiodes PD1, PD2, and PD3 includes the first, second, and third photodiodes, respectively. The floating diffusions FD1, FD2, and FD3 are connected through the transfer transistors Tr1, Tr2, and Tr3. The second transfer transistor Tr2 includes two transistors Q2 and Q3 that are equivalently connected in series. The third transfer transistor Tr3 includes three transistors Q4, Q5, and Q6 that are equivalently connected in series. The gates of the two transistors Q2 and Q3 constituting the second transfer transistor Tr2 are connected to each other. The gates of the three transistors Q4, Q5, Q6 constituting the third transfer transistor Tr3 are connected to each other. Further, the source of the first transfer transistor Tr1, the source of the transistor Q3 constituting the second transistor Tr2, and the source of the transistor Q6 constituting the third transfer transistor Tr3 are connected to each other. The source of the transistor Q2 constituting the second transfer transistor Tr2 and the source of the transistor Q5 constituting the third transfer transistor Tr3 are connected to each other.
図3からわかるように、本実施形態例の構成では、第1のフォトダイオードPD1の赤色の信号電荷は、第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3により、第1〜第3のフローティングデフュージョンFD1〜FD3に転送され、第2のフォトダイオードPD2からの緑色の信号電荷は、第2、第3の転送トランジスタTr2,Tr3により、第2、第3のフローティングデフュージョンFD2,FD3へ転送される。 As can be seen from FIG. 3, in the configuration of the present embodiment, the red signal charge of the first photodiode PD1 is transferred to the first to third floating diffusions by the first to third transfer transistors Tr1 to Tr3. The green signal charge from the second photodiode PD2 is transferred to the FD1 to FD3 and transferred to the second and third floating diffusions FD2 and FD3 by the second and third transfer transistors Tr2 and Tr3. .
そうすると、第1の転送トランジスタTr1のゲート電極33以外においては、いろいろな色の光の光電変換による信号電荷が、同一の転送トランジスタにより一緒くたに読み出されることとなり、混色の原因となる。
Then, except for the
以下に、本実施形態例の固体撮像装置において、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3のそれぞれに蓄積された信号電荷を、混色が起こらないように読み出す方法を説明する。 Hereinafter, in the solid-state imaging device according to this embodiment, a method for reading the signal charges accumulated in each of the first to third photodiodes PD1 to PD3 so as not to cause color mixing will be described.
まず、固体撮像装置の裏面側から光照射し、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に信号電荷を蓄積させる。
次に、第3の転送トランジスタTr3を用いて、信号電荷を読み出す。前述したように、第3の転送トランジスタTr3のゲート電極42は、ゲート絶縁膜34を介して第1〜第3のn型半導体層27,25,23に接触している。このため、第1〜第3のn型半導体層27,25,23に蓄積された信号電荷は、第3の転送トランジスタTr3のゲート電極42下に形成されるチャネル部分44に沿って、第3のフローティングデフュージョンFD3となる第3の転送トランジスタTr3のn+ソース・ドレイン領域45に読み出される。すなわち、第3の転送トランジスタTr3のゲート電極42により、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に蓄積される全ての信号電荷が読み出される。そして、第3の転送トランジスタTr3のn+ソース・ドレイン領域45に読み出される信号電荷による出力電位は、赤色、緑色、青色の光に起因する出力電位となる。
この出力電位をVRGBとする。
First, light is irradiated from the back side of the solid-state imaging device, and signal charges are accumulated in the first to third photodiodes PD1 to PD3.
Next, the signal charge is read using the third transfer transistor Tr3. As described above, the
This output potential is V RGB .
次に、再び、固体撮像装置の裏面側から光照射し、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に信号電荷を蓄積させる。
そして、第2の転送トランジスタTr2を用いて、信号電荷を読み出す。前述したように、第2の転送トランジスタTr2のゲート電極37は、ゲート絶縁膜34を介して第1及び第2のn型半導体層27,25に接触している。このため、第1及び第2のn型半導体層27,25に蓄積された信号電荷は、第2の転送トランジスタTr2のゲート電極37下に形成されるチャネル部分40に沿って、第2のフローティングデフュージョンFD2となる第2の転送トランジスタTr2のn+ソース・ドレイン領域41に読み出される。すなわち、第2の転送トランジスタTr2のゲート電極37により、第1及び第2のフォトダイオードPD1,PD2に蓄積される信号電荷が読み出される。そして、第2の転送トランジスタTr2のn+ソース・ドレイン領域41に読み出される信号電荷による出力電位は、赤色、緑色の光に起因する出力電位となる。
この出力電位をVRGとする。
Next, light is irradiated again from the back side of the solid-state imaging device, and signal charges are accumulated in the first to third photodiodes PD1 to PD3.
Then, the signal charge is read using the second transfer transistor Tr2. As described above, the
This output potential is set to VRG .
次に、再び、固体撮像装置の裏面側から光照射し、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に信号電荷を蓄積させる。
そして、第1の転送トランジスタTr1を用いて、信号電荷を読み出す。第1の転送トランジスタTr1のゲート電極33は、ゲート絶縁膜34を介して第1のn型半導体層27にのみ接触している。このため、第1のn型半導体層27に蓄積された信号電荷は、第1の転送トランスタTr1のゲート電極33下に形成されるチャネル部分39に沿って、第1のフローティングデフュージョンFD1となる第1の転送トランジスタTr1のn+ソース・ドレイン領域46に読み出される。この第1の転送トランジスタTr1のn+ソース・ドレイン領域46に読み出される信号電荷による出力電位は、赤色の光のみに起因する出力電位となる。
この出力電位をVRとする。
Next, light is irradiated again from the back side of the solid-state imaging device, and signal charges are accumulated in the first to third photodiodes PD1 to PD3.
Then, the signal charge is read using the first transfer transistor Tr1. The
The output potential and V R.
そして、上述の手順により読み出された3つの出力電位VRGB、VRG、VRより、それぞれの色に対応する出力電位VR,VG,VBを演算する。
例えば、青色の光による出力電位VBは、以下の演算式で検出される。
VRGB−VRG=VB
また、緑色の光による出力電位VGは、以下の演算式で検出される。
VRG−VR=VG
一方、赤色の光による出力電位VRは、第1の転送トランジスタTr1を用いて検出された出力電位そのものである。
Then, three of the output potential V RGB read by the above procedure, V RG, than V R, the output potential V R corresponding to the respective colors, V G, to calculate the V B.
For example, the output potential V B due to blue light is detected by the following arithmetic expression.
V RGB -V RG = V B
Further, the output potential V G due to green light is detected by the following arithmetic expression.
V RG −V R = V G
On the other hand, the output potential V R by the red light is detected output potential itself by using the first transfer transistor Tr1.
以上の演算は、外部回路による信号処理によりなされるものであり、これにより、3色の色分光を行うことができる。 The above calculation is performed by signal processing by an external circuit, and thus, color spectroscopy of three colors can be performed.
本実施形態例によれば、複数のフォトダイオードのそれぞれの深さにまでゲート電極が埋め込まれた縦型の転送トランジスタを用いることにより、シリコン基板21深くに形成されたフォトダイオードに蓄積された電荷を転送残りなく、効率良く読み出すことが可能となる。これにより、残像を抑制することができる。
また、シリコン基板21内にゲート電極33,37,42が埋め込まれた縦型の転送トランジスタを用いることにより、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3のそれぞれの電荷蓄領域となるn型半導体層27,25,23をシリコン基板21表面に露出する必要がなくなる。このため、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に信号電荷を蓄積している間に起こる、シリコン基板21表面におけるノイズを防止することができる。
According to the present embodiment, the charge accumulated in the photodiode formed deep in the
Further, by using a vertical transfer transistor in which the
さらに、本実施形態例によれば、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3は、平板型のp型半導体層とn型半導体層とを複数層積層されて構成され、それぞれのフォトダイオードのpn接合深さは、基板内の一定の深さ位置とされる。これにより、それぞれのフォトダイオード内での混色が抑制される。 Furthermore, according to the present embodiment, the first to third photodiodes PD1 to PD3 are configured by laminating a plurality of flat p-type semiconductor layers and n-type semiconductor layers, and each of the photodiodes. The pn junction depth is a certain depth position in the substrate. Thereby, the color mixture in each photodiode is suppressed.
また、平板型のp型半導体層とn型半導体層を交互に積層させることにより、深さ方向に異なる複数のフォトダイオードが形成され、さらに、第1〜第3のフォトダイオードのPD1〜PD3のそれぞれの深さにまでゲート電極33,37,42が埋め込まれた構成とされている。したがって、さらにp型半導体層とn型半導体層とを積層させてフォトダイオードを増加する設計も容易であり、それに対応する埋め込み型のゲート電極を構成する設計も容易となる。したがって、本実施形態例では、単位画素領域20内で、3つのフォトダイオードを構成する例としたが、これに限られるものではなく、4つ以上構成することも可能である。
Further, by alternately laminating a flat p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, a plurality of photodiodes different in the depth direction are formed, and the PD1 to PD3 of the first to third photodiodes are further formed. The
また、平板型のp型半導体層とn型半導体層を積層させて構成される複数のフォトダイオードでは、単位画素領域内において、開口率を全て等しく構成でき、個々のフォトダイオードの開口率は低下しない。したがって、単位画素領域内において、複数のフォトダイオードにおける開口率を低下させることなく、分光することができる。 Further, in a plurality of photodiodes configured by laminating a flat p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, all the aperture ratios can be configured to be equal in the unit pixel region, and the aperture ratio of each photodiode is reduced. do not do. Therefore, in the unit pixel region, it is possible to perform spectroscopy without reducing the aperture ratio of the plurality of photodiodes.
また、本実施形態例では、裏面照射型とすることにより、開口率を高めることができ、感度を向上させることができる。 In the present embodiment, the back-illuminated type can increase the aperture ratio and improve the sensitivity.
ところで、本実施形態例のように、第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3のうち、一番ゲート長が長いゲート電極42を有する第3の転送トンラジスTr3から順に信号電荷を読み出す方法においては、信号電荷を読み出す毎に、信号電荷を蓄積するための時間が必要であった。
By the way, in the method of reading the signal charges sequentially from the third transfer transistor Tr3 having the
[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置として、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3の信号電荷を同時に読み出すことのできる固体撮像装置及びその読み出し方法を説明する。本実施形態例の固体撮像装置の、単位画素領域20における断面構成は、図2に示す第1の実施形態と同様であるので、図示を省略する。また、本実施形態例の固体撮像装置における転送トランジスタ部分の回路構成も、図3と同様であるから、図示を省略する。
本実施形態例は、第1の実施形態における固体撮像装置において、第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3におけるゲート電極33,37,42が形成される位置を規定する例である。
[Second Embodiment]
Next, as a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, a solid-state imaging device capable of simultaneously reading the signal charges of the first to third photodiodes PD1 to PD3 and a reading method thereof will be described. The cross-sectional configuration in the
The present embodiment is an example of defining the positions where the
本実施形態例においては、例えば、第3のフォトダイオードPD3に蓄積される信号電荷量が、1/3ずつ、第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3によって読み出されるように構成する。そのためには、例えば、第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3のゲート電極33,37,42を形成する位置を、第3のフォトダイオードPD3に蓄積された信号電荷量が1/3ずつ読み出すことができる位置に規定する。
In the present embodiment, for example, the signal charge amount accumulated in the third photodiode PD3 is read by 1/3 by the first to third transfer transistors Tr1 to Tr3. For that purpose, for example, the signal charge amount accumulated in the third photodiode PD3 is read out by 1/3 at the positions where the
また、第2のフォトダイオードPD2に蓄積される信号電荷量が、1/2ずつ、第1,第2の転送トランジスタTr1,Tr2によって読み出されるように構成する。そのためには、例えば、第1,第2の転送トランジスタTr1,Tr2のゲート電極33,37を形成する位置を、第2のフォトダイオードPD2に蓄積された信号電荷量が1/2ずつ読み出すことができる位置に規定する。
In addition, the signal charge amount accumulated in the second photodiode PD2 is read by 1/2 by the first and second transfer transistors Tr1 and Tr2. For this purpose, for example, the signal charge amount accumulated in the second photodiode PD2 is read out by 1/2 from the position where the
本実施形態例の固体撮像装置においては、第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3によって、同時に、信号電荷の読み出しを行う。
第1のフォトダイオードPD1に蓄積される赤色の光に起因する信号電荷は、第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3のチャネル部分39,40,44よって、n+ソース・ドレイン領域46,41,45に、1/3ずつ読み出される。すなわち、図3に示す回路図において、第1のフォトダイオードPD1から転送される赤色の信号電荷は、1/3ずつ、それぞれ第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3によって転送される。また、第2のフォトダイオードPD2から転送される緑色の信号電荷は、1/2ずつ、それぞれ第2、第3の転送トランジスタTr2,Tr3によって転送される。また、第3のフォトダイオードPD3から転送される青色の信号電荷は、全て第3の転送トランジスタTr3によって転送される。
同様の原理により、第2のフォトダイオードPD2に蓄積される緑色の光に起因する信号電荷は、第1、第2の転送トランジスタTr1,Tr2のチャネル部分39,40によって、n+ソース・ドレイン領域46,41に、1/2ずつ読み出される。
また、第3のフォトダイオードPD3に蓄積される青色の光に起因する信号電荷は、第3の転送トランジスタTr3のチャネル部分44によってのみ、n+ソース・ドレイン領域45に読み出される。
In the solid-state imaging device according to this embodiment, signal charges are simultaneously read by the first to third transfer transistors Tr1 to Tr3.
The signal charge caused by the red light accumulated in the first photodiode PD1 is caused by the
Based on the same principle, the signal charge caused by the green light accumulated in the second photodiode PD2 is caused by the n + source /
Further, the signal charge caused by the blue light accumulated in the third photodiode PD3 is read out to the n + source /
ここで、第1のフォトダイオードPD1に蓄積される信号電荷をER、第2のフォトダイオードPD2に蓄積される信号電荷をEG、第3のフォトダイオードPD3に蓄積される信号電荷をEBとする。
そうすると、第3の転送トランジスタTr3によって、n+ソース・ドレイン領域45に読み出される信号電荷は、(1/3)ER+(1/2)EG+EBで示される。また、第2の転送トランジスタTr2によって、n+ソース・ドレイン領域41に読み出される信号電荷は、(1/3)ER+(1/2)EGで示される。また、第1の転送トランジスタによって、n+ソース・ドレイン領域46に読み出される信号電荷は、(1/3)ERで示される。
Here, E R is the signal charge stored in the first photodiode PD1, E G is the signal charge stored in the second photodiode PD2, and E B is the signal charge stored in the third photodiode PD3. And
Then, the third transfer transistor Tr3, the signal charges are read out to the n + source and drain regions 45, indicated by the (1/3) E R + (1/2 ) E G + E B. Further, the second transfer transistor Tr2, the signal charges are read out to the n + source and drain regions 41, indicated by the (1/3) E R + (1/2 ) E G. Further, the first transfer transistor, the signal charge read out to the n + source and drain
このように読み出された信号電荷を外部回路において演算し、それぞれの信号電荷ER,EG,EBを算出することにより、3色の色分光を行うことができる。 The signal charges read out in this way are calculated in an external circuit, and the respective signal charges E R , E G , and E B are calculated, so that color spectroscopy of three colors can be performed.
本実施形態例においては、第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3におけるゲート電極33,37,42が形成される位置を規定する例としたがこれに限定されるものではない。第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3のそれぞれにおいて読み出すことのできる電荷量を予め調べておき、その値を考慮してそれぞれの信号電荷ER,EG,EBを計算するようにしてもよい。
In the present embodiment example, the position where the
本実施形態例は、第1の実施形態例と同様の効果を得るほか、単位画素領域内に形成される複数のフォトダイオードの信号電荷を同時に読み出すことができる効果を奏する。 In addition to the same effects as those of the first embodiment, this embodiment has the effect of simultaneously reading out signal charges of a plurality of photodiodes formed in the unit pixel region.
[第3の実施形態]
次に、図4Aに、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の画素部における断面構成を示す。図2は、1画素分、すなわち、単位画素領域20における断面構成を示すものである。図4において、図2と同一部分には、同一符号を付し重複説明を省略する。また、本実施形態例における固体撮像装置の転送トランジスタ部分の回路図は、図3と同様であるから、図示を省略する。
[Third Embodiment]
Next, FIG. 4A shows a cross-sectional configuration of the pixel portion of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a cross-sectional configuration for one pixel, that is, in the
本実施形態例は、固体撮像装置の光入射側、すなわち、裏面側に、メカニカルシャッタ50が構成される例である。その他の構成は、第1の実施形態例と同様である。
This embodiment is an example in which the
本実施形態例に用いられるメカニカルシャッタ50は、光入射時には開き、光入射が必要ない場合には閉じられる構成とされている。
The
以下に、本実施形態例の固体撮像装置において、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に蓄積される信号電荷を読み出す方法を説明する。 Hereinafter, a method of reading signal charges accumulated in the first to third photodiodes PD1 to PD3 in the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described.
まず、メカニカルシャッタ50を開いた状態において、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に光を入射させ、光電変換による信号電荷を蓄積させる。
次に、メカニカルシャッタ50を閉じて、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3への外光の入射を遮る。ここにおいては、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3には、信号電荷が蓄積された状態が保持されている。
First, in a state where the
Next, the
次に、第1の転送トランジスタTr1により、第1のフォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷をn+ソース・ドレイン領域46に読み出す。第1のフォトダイオードPD1には、赤色の光に対応した信号電荷が蓄積されているので、第1の転送トランジスタTr1のn+ソース・ドレイン領域46に読み出される信号電荷は、赤色の光の光電変換によるものである。
Next, the signal charge accumulated in the first photodiode PD1 is read out to the n + source /
次に、第2の転送トランジスタTr2により、第2のフォトダイオードPD2に蓄積された信号電荷をn+ソース・ドレイン領域41に読み出す。ここで、第2の転送トランジスタTr2におけるゲート電極37は、ゲート絶縁膜34を介して、第1のフォトダイオードPD1を構成する第1のn型半導体層27に接触しているので、第2の転送トンランジスタTr2のチャネル部分40により、第1のn型半導体層27と、第2の転送トランジスタTr2のn+ソース・ドレイン領域41は繋がってしまう。しかしながら、前段において、第1のフォトダイオードPD1(第1のn型半導体層27)に蓄積された信号電荷は、既に読み出されている。このため、第2の転送トランジスタTr2のn+ソース・ドレイン領域41には、第2のフォトダイオードPD2に蓄積された信号電荷のみが読み出される。すなわち、図3の回路図において、第1のフォトダイオードPD1から第2の転送トランジスタTr2に転送される信号はゼロである。
第2のフォトダイオードPD2には、緑色の光に対応した信号電荷が蓄積されているので、第2の転送トランジスタTr2のn+ソース・ドレイン領域41に読み出される信号電荷は、緑色の光の光電変換によるものである。
Next, the signal charges accumulated in the second photodiode PD2 are read out to the n + source /
Since the signal charge corresponding to green light is accumulated in the second photodiode PD2, the signal charge read to the n + source /
次に、第3の転送トランジスタTr3により、第3のフォトダイオードPD3に蓄積された信号電荷をn+ソース・ドレイン領域45に読み出す。ここで、第3の転送トランジスタTr3におけるゲート電極42は、ゲート絶縁膜34を介して、第1及び第2のフォトダイオードPD1,PD2を構成する第1,及び第2のn型半導体層27,25に接触している。このため、第3の転送トンランジスタTr3のチャネル部分44により、第1のn型半導体層27と、第2のn型半導体層25と、第3の転送トランジスタTr3のn+ソース・ドレイン領域45は繋がってしまう。しかしながら、前段において、第1及び第2のフォトダイオードPD1,PD2(第1及び第2のn型半導体層27,25)に蓄積された信号電荷は、既に読み出されている。このため、第3の転送トランジスタTr3のn+ソース・ドレイン領域45には、第3のフォトダイオードPD3に蓄積された信号電荷のみが読み出される。すなわち、図3の回路図において、第1,第2のフォトダイオードPD1,PD2から第3の転送トランジスタTr3に転送される信号は、ゼロである。そして、第3のフォトダイオードPD3には、青色の光に対応した信号電荷が蓄積されているので、第3の転送トランジスタTr3のn+ソース・ドレイン領域45に読み出される信号電荷は、青色の光の光電変換によるものである。
Next, the signal charge accumulated in the third photodiode PD3 is read out to the n + source /
本実施形態例においては、浅く形成されたゲート電極に接続されるフォトダイオードから順に、信号電荷が読み出されることにより、赤、緑、青の3色の色分光を行うことができる。また、本実施形態例においては、信号電荷を読み出すときには、メカニカルシャッタ50により、外光が遮断されている。これにより、例えば、あるフォトダイオードの信号電荷を読み出す間に、他のフォトダイオードに信号電荷が蓄積されてしまうのを防ぐことができる。
In the present embodiment, the signal charges are read in order from the photodiode connected to the shallowly formed gate electrode, so that color spectroscopy of three colors of red, green, and blue can be performed. In the present embodiment, the external light is blocked by the
以上のような構成のメカニカルシャッタ50を実際に用いる場合には、図4Bに示すように、画素2がアレイ状に形成された固体撮像装置1と、光信号70を固体撮像装置1上に集光するための光学レンズ系71との間に配設する。そして、固体撮像装置1の撮像領域全体に入射する光信号を制御する構成とされる。
When the
本実施形態例では、第1の実施形態と同様の効果を得る他、メカニカルシャッタ50を用いたことによる、単位画素領域内に形成される複数のフォトダイオードの信号電荷を同時に読み出すことができる効果を奏する。
本実施形態例においては、メカニカルシャッタ40を用いる例を示したが、電荷読み出しに要する時間が露光時間と比較して十分に短ければメカニカルシャッタが無い場合においても、上述した効果が得られる。
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the signal charges of a plurality of photodiodes formed in the unit pixel region can be simultaneously read by using the
In the present embodiment, the example using the
[第4の実施形態]
次に、図5に、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の画素部における断面構成を示す。図5は、1画素分、すなわち、単位画素領域20における断面構成を示すものである。図5において、図2と同一部分には、同一符号を付し重複説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, FIG. 5 shows a cross-sectional configuration in a pixel portion of a solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 5 shows a cross-sectional configuration for one pixel, that is, in the
本実施形態例における固体撮像装置は、第1の実施形態における固体撮像装置において、ゲート部とフォトダイオードを構成するn型半導体層の接触部分の構成を一部変形した例である。 The solid-state imaging device according to the present embodiment is an example in which the configuration of the contact portion between the gate portion and the n-type semiconductor layer constituting the photodiode is partially modified in the solid-state imaging device according to the first embodiment.
図5に示すように、本実施形態例においては、第2の転送トランジスタTr2を構成するゲート電極37のうち、第1のn型半導体層27の深さに位置するゲート電極37の周囲には、p型半導体領域51が形成される。すなわち、第1のフォトダイオードの電荷蓄積領域となる第1のn型半導体層27の第2の転送トランジスタTr2のゲート部に接する部分に、p型半導体領域51が形成される。
また、第3の転送トランジスタTr3を構成するゲート電極42のうち、第1のn型半導体層27及び第2のn型半導体層25の深さに位置するゲート電極42の周囲には、p型半導体領域52が形成される。すなわち、第1及び第2のフォトダイオオードPD1,PD2の電荷蓄積領域となる、第1及び第2のn型半導体層27,25の第3の転送トランジスタTr3のゲート部に接する部分に、p型半導体領域52が形成される。
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the
In addition, among the
このように、第2,第3の転送トランジスタTr2,Tr3を構成するゲート電極37,42の、読み出しの対象となるフォトダイオード以外のフォトダイオードとの接触部分が、電荷蓄積領域であるn型半導体層と逆の性質を有するp型半導体領域で覆われる。p型半導体領域が形成されているところでは、n型半導体層に蓄積された信号電荷のチャネル部分への移動を抑制することできる。
As described above, the n-type semiconductor in which the contact portions of the
図6に、本実施形態例の固体撮像装置における単位画素の等価回路を示す。本実施形態例では、ゲート電極37及び、ゲート電極42の所要の位置に、p型半導体層51,52をそれぞれ形成することにより、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に蓄積される信号電荷を、それぞれ独立の回路により転送することができる。
FIG. 6 shows an equivalent circuit of unit pixels in the solid-state imaging device according to the present embodiment. In this embodiment, the signals accumulated in the first to third photodiodes PD1 to PD3 are formed by forming the p-type semiconductor layers 51 and 52 at required positions of the
したがって、第2の転送トランジスタTr2においては、第2のフォトダイオードPD2に蓄積された信号電荷のみが読み出される。そして、同様に、第3の転送トランジスタTr3においても、第3のフォトダイオードPD3に蓄積された信号電荷のみが読み出される。また、第1の転送トランジスタTr1を構成するゲート電極33は、もともと、第1のフォトダイオードPD1のみに接触されるように構成されている。このため、第1の転送トランジスタTr1においても、第1のフォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷のみが読み出される。
Accordingly, in the second transfer transistor Tr2, only the signal charge accumulated in the second photodiode PD2 is read out. Similarly, also in the third transfer transistor Tr3, only the signal charge accumulated in the third photodiode PD3 is read out. Also, the
本実施形態例によれば、信号電荷を転送する回路がそれぞれ独立となるので、1つの転送トランジスタにおいて、1色の色による信号電荷を読み出すことができる。したがって、単位画素領域20内において、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に蓄積された信号電荷を、同時に、かつ、別個に読み出すことが可能となる。
According to the present embodiment example, since the circuit for transferring the signal charge becomes independent, the signal charge for one color can be read out by one transfer transistor. Therefore, the signal charges accumulated in the first to third photodiodes PD1 to PD3 in the
本実施形態例では、第1の実施形態と同様の効果を得る他、1つのフォトダイオードにつき、一つの転送トランジスタで信号電荷の読み出しが行われるため、それぞれのフォトダイオードに蓄積された信号電荷を同時に読み出すことができる。 In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment is obtained, and signal charges are read out by one transfer transistor for each photodiode. Therefore, the signal charges accumulated in each photodiode are used. They can be read simultaneously.
[第5の実施形態]
次に、図7に、本発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置の画素部における断面構成を示す。図7は、1画素分、すなわち、単位画素領域20における断面構成を示すものである。図7において、図2と同一部分には、同一符号を付し重複説明を省略する。また、本実施形態例における固体撮像装置の転送トランジスタ部分の回路構成は、図5と同様であるから、図示を省略する。
[Fifth Embodiment]
Next, FIG. 7 shows a cross-sectional configuration in a pixel portion of a solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 7 shows a cross-sectional configuration in one pixel, that is, in the
本実施形態例における固体撮像装置では、第1の実施形態における固体撮像装置において、フォトダイオードを構成するn型半導体層及びp型半導体層の構成を変形したものである。 In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the configurations of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer that constitute the photodiode are modified in the solid-state imaging device according to the first embodiment.
本実施形態例においては、図7に示すように、単位画素領域20におけるシリコン基板21内の異なる深さに、平板型のp型半導体層とn型半導体層とからなるフォトダイオードが、3つ分離して構成されている。フォトダイオードのそれぞれは、表面側から、p型半導体層、n型半導体層、p型半導体層の順で積層されている。
In the present embodiment example, as shown in FIG. 7, three photodiodes each composed of a flat p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are formed at different depths in the
本実施形態例において、シリコン基板21内の、一番表面側に位置するp型半導体層56、n型半導体層55、p型半導体層54が積層されて構成されるフォトダイオードを、第1のフォトダイオードPD1とする。また、シリコン基板21内の、真ん中に位置するp型半導体層59、n型半導体層58、p型半導体層57が積層されて構成されるフォトダイオードを、第2のフォトダイオードPD2とする。そして、シリコン基板21内の、一番裏面側に位置するp型半導体層62、n型半導体層62、p型半導体層60が積層されて構成されるフォトダイオードを、第3のフォトダイオードPD3とする。
In the present embodiment, a photodiode configured by stacking a p-
第1のフォトダイオードPD1を構成するp型半導体層56とn型半導体層55のpn接合j1は、裏面側から光照射した場合に、赤色の光を吸収する深さに形成される。
第2のフォトダイオードPD2を構成するp型半導体層59とn型半導体層58のpn接合j2は、裏面側から光照射した場合に、緑色の光を吸収する深さに形成される。
第3のフォトダイオードPD3を構成するp型半導体層62とn型半導体層61のpn接合j3は、裏面側から光照射した場合に、青色の光を吸収する深さに形成される。
The pn junction j1 between the p-
The pn junction j2 between the p-
The pn junction j3 between the p-
そして、本実施形態例においても、第1〜第4の実施形態と同様、上述した第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3それぞれに対応した転送トランジスタのゲート電極33,37,42が形成される。
まず、第1の転送トランジスタTr1のゲート電極33は、シリコン基板21表面側から、第1のフォトダイオードPD1のpn接合j1に達する深さに形成されている。そして、第2の転送トランジスタTr2のゲート電極37は、シリコン基板21表面側から、第2のフォトダイオードPD2のpn接合j2に達する深さに形成されている。第3の転送トランジスタTr3のゲート電極42は、シリコン基板21表面側から、第3のフォトダイオードPD3のpn接合j3に達する深さに形成されている。第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3のその他の構成は、第1〜第4の実施形態と同様であるから、重複説明は省略する。
Also in the present embodiment example, similarly to the first to fourth embodiments, the
First, the
本実施形態例では、第1のフォトダイオードPD1に蓄積される信号電荷は、第1の転送トランジスタTr1により読み出される。また、第2のフォトダイオードPD2に蓄積された信号電荷は、第2の転送トランジスタTr2により読み出される。そして、第3のフォトダイオードPD3に蓄積された信号電荷は、第3の転送トランジスタTr3により読み出される。 In the present embodiment, the signal charge accumulated in the first photodiode PD1 is read out by the first transfer transistor Tr1. The signal charge accumulated in the second photodiode PD2 is read by the second transfer transistor Tr2. Then, the signal charge accumulated in the third photodiode PD3 is read out by the third transfer transistor Tr3.
本実施形態例の固体撮像装置によれば、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3が分離して形成されており、第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3のゲート電極33,37,42は、それぞれゲート絶縁膜34を介して所望のフォトダイオードのみに接触される構成とされている。そして、このような構成を有する固定撮像装置は、図5に示すような回路構成を有する。図5に示すように、本実施形態例においても、第1〜第3のフォトダイオードPD1〜PD3に蓄積された信号電荷が、それぞれ独立した回路で転送される。そのため、第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3では、それぞれ1色の光による信号電荷のみを読み出すことができる。これにより、混色を防ぐことができる。
According to the solid-state imaging device of the present embodiment example, the first to third photodiodes PD1 to PD3 are formed separately, and the
上述した第1〜第5の実施形態に係る固体撮像装置は、例えば、図1に示した固体撮像装置1を構成するものである。図1に示す固体撮像装置1は、2次元アレイ状に画素を配列した構成であるが、上述した第1〜第5の実施形態に係る固体撮像装置が適応できる構成は、これに限られるものではない。例えば、画素がリニアに配列された構造の固体撮像装置とすることもできる。
The solid-state imaging device according to the first to fifth embodiments described above constitutes, for example, the solid-
また、上述の実施形態例はCMOSイメージセンサに適用した場合の固体撮像装置を示したが、CCDイメージセンサに適用することもできる。さらに、第1〜第5の固体撮像装置は、配線層47とは反対側から光入射するように構成された裏面照射型を例としたが、これに限られるものではない。すなわち、配線層と同じ面側から光照射される表面照射型の固体撮像装置とすることも可能である。
Moreover, although the above-mentioned embodiment showed the solid-state imaging device when applied to a CMOS image sensor, it can also be applied to a CCD image sensor. Furthermore, although the first to fifth solid-state imaging devices are exemplified by the backside illumination type configured so that light is incident from the side opposite to the
表面照射型の固体撮像装置とする場合においては、第1〜第4の実施形態例における固体撮像装置において、pn接合j1深さが、表面側から光照射したときに、青色の光が吸収される位置に対応する深さとなるようにすればよい。また、pn接合j2深さが表面側から光照射したときに、緑色の光が吸収される位置に対応する深さとなるようにすればよい。また、pn接合j3深さは表面側から光照射したときに、赤色の光が吸収される位置に対応する深さになるようにすればよい。そして、第1〜第3の転送トランジスタTr1,Tr2,Tr3のゲート電極33,37,42のゲート長もそれに合わせて構成すればよい。すなわち、表面照射型の固体撮像装置とする場合は、図2における第1〜第3の転送トランジスタTr1〜Tr3のゲート電極33,37,42は、それぞれ、青、緑、赤のフォトダーオードに対応することとなる。
In the case of the surface irradiation type solid-state imaging device, blue light is absorbed when the pn junction j1 depth is irradiated from the surface side in the solid-state imaging device in the first to fourth embodiments. The depth may correspond to the position of the target. Moreover, what is necessary is just to make it the depth corresponding to the position where green light is absorbed, when the pn junction j2 depth is irradiated from the surface side. Further, the depth of the pn junction j3 may be set to a depth corresponding to a position where red light is absorbed when light is irradiated from the surface side. The gate lengths of the
上例では、信号電荷を電子としたときの固体撮像装置に適用した場合である。本発明は、信号電荷を正孔としたときの固体撮像装置にも適用することができる。この場合には、前述の実施の形態において、その半導体基板及び半導体層の導電型を逆にして構成することができる。 The above example is a case where the present invention is applied to a solid-state imaging device in which signal charges are electrons. The present invention can also be applied to a solid-state imaging device when signal charges are holes. In this case, in the above-described embodiment, the semiconductor substrate and the semiconductor layer can be configured with the conductivity types reversed.
上述の実施の形態に係る固体撮像装置は、例えば、カメラ、カメラ付き携帯電話、その他の撮像機能を備えた機器等の電子機器に適用することができる。 The solid-state imaging device according to the above-described embodiment can be applied to electronic devices such as a camera, a mobile phone with a camera, and other devices having an imaging function.
次に、図8に、第1〜第5の実施形態の固体撮像装置が用いられた電子機器の一実施の形態を示す。本実施形態例では、電子機器の一例としてカメラを用いた。 Next, FIG. 8 shows an embodiment of an electronic apparatus in which the solid-state imaging device of the first to fifth embodiments is used. In this embodiment, a camera is used as an example of an electronic device.
図8に示すように、本実施形態例の電子機器80は、固体撮像装置82と、光学レンズ系81と、入出力部84と、信号処理装置83とから構成される電子機器85としてもよいし、あるいは、固体撮像装置82と、光学レンズ系81と、入出力部84とから構成される電子機器86としてもよい。固体撮像装置82としては、第1〜第5の実施形態例における固体撮像装置が用いられる。 As shown in FIG. 8, the electronic device 80 according to the present embodiment may be an electronic device 85 including a solid-state imaging device 82, an optical lens system 81, an input / output unit 84, and a signal processing device 83. Alternatively, the electronic device 86 may include a solid-state imaging device 82, an optical lens system 81, and an input / output unit 84. As the solid-state imaging device 82, the solid-state imaging device according to the first to fifth embodiments is used.
本実施形態例の電子機器80によれば、上述の第1〜第5の実施形態の固体撮像装置を備えることにより、混色、偽色、残像、ノイズが低減されて、色感度のよい画像が得られる。
図8の構成は、カメラモジュール、あるいは撮像機能を有する撮像モジュールとして構成することができる。本発明は、このようなモジュールを備えて、例えば、カメラ付き携帯電話、その他の撮像機能を有する機器等の、電子機器を構成することができる。
According to the electronic apparatus 80 of the present embodiment example, by providing the solid-state imaging devices of the first to fifth embodiments described above, mixed colors, false colors, afterimages, and noise are reduced, and an image with good color sensitivity is obtained. can get.
8 can be configured as a camera module or an imaging module having an imaging function. The present invention includes such a module, and can constitute an electronic device such as a mobile phone with a camera and other devices having an imaging function.
1・・固体撮像装置、2・・画素、3・・撮像領域、4・・垂直駆動回路、5・・カラム信号処理回路、6・・水平駆動回路、8・・制御回路、9・・垂直信号線、10・・水平信号線、11・・基板、20・・単位画素領域、21・・シリコン基板、22・・第4のp型半導体層、23・・第3のn型半導体層、24・・第3のp型半導体層、25・・第2のn型半導体層、26・・第2のp型半導体層、27・・第1のn型半導体層、28・・第1のp型半導体層、30・・層間絶縁膜、31・・オンチップレンズ、32・・シリコン酸化膜、33,37,42・・ゲート電極、34・・ゲート絶縁膜、39,40,44・・チャネル部分、46,41,45・・n+ソース・ドレイン領域、第1のフォトダイオード・・PD1、第2のフォトダイオード・・PD2、第3のフォトダイオード・・PD3、50・・メカニカルシャッタ
1 .... Solid-
Claims (10)
前記複数のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す為のゲート部が、前記複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する深さに形成されるように、基板の一方の面側から深さ方向に形成された複数の縦型トランジスタと、
から構成される固体撮像装置。 A plurality of photodiodes formed at different depths in the substrate in the unit pixel region;
A gate portion for reading signal charges photoelectrically converted by the plurality of photodiodes is formed in a depth direction from one surface side of the substrate so that a gate portion is formed at a depth corresponding to each of the plurality of photodiodes. A plurality of vertical transistors formed;
A solid-state imaging device comprising:
請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the plurality of photodiodes are formed by alternately laminating a plurality of first conductive semiconductor layers and second conductive semiconductor layers in the substrate.
請求項1記載の固体撮像装置。 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a portion of the charge accumulation region of the photodiode other than a read target that is in contact with a gate portion of the vertical transistor is covered with a conductive semiconductor layer opposite to the charge accumulation region.
前記異なる深さに形成された複数のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を、前記フォトダイオードのそれぞれに対応する深さに形成された複数の縦型トランジスタにより、読み出す工程、
とを含む固体撮像装置の駆動方法。 A plurality of photodiodes formed at different depths in a substrate in the unit pixel region, and a gate portion for reading signal charges photoelectrically converted by the plurality of photodiodes are provided in each of the plurality of photodiodes. Forming a solid-state imaging device including a plurality of vertical transistors formed in a depth direction from one surface side of the substrate so as to be formed to a corresponding depth;
A step of reading out signal charges accumulated in a plurality of photodiodes formed at different depths by a plurality of vertical transistors formed at a depth corresponding to each of the photodiodes;
A method for driving a solid-state imaging device.
請求項7記載の固体撮像装置の駆動方法。 In the step of reading out the signal charges, the signal charges accumulated in the plurality of photodiodes formed at the different depths are individually separated by a plurality of vertical transistors formed at the depths corresponding to the photodiodes. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 7, wherein
請求項7記載の固体撮像装置の駆動方法。 In the step of reading out the signal charges, the signal charges accumulated in the plurality of photodiodes formed at different depths are simultaneously processed by the plurality of vertical transistors formed at the depths corresponding to the photodiodes. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 7, wherein the driving method is a reading step.
単位画素領域内の基板内において、異なる深さに形成された複数のフォトダイオードと、前記複数のフォトダイオードで光電変換された信号電荷を読み出す為のトランジスタのゲート部が、前記複数のフォトダイオードのそれぞれに対応する深さに形成されるように、基板の一方の面側から深さ方向に形成された縦型トランジスタとを有する固体撮像装置と
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理装置と
を備える電子機器。 An optical lens system;
In the substrate in the unit pixel region, a plurality of photodiodes formed at different depths, and a gate portion of a transistor for reading out signal charges photoelectrically converted by the plurality of photodiodes, the plurality of photodiodes A solid-state imaging device having a vertical transistor formed in a depth direction from one surface side of the substrate so as to have a depth corresponding to each, and a signal processing device for processing an output signal of the solid-state imaging device And electronic equipment.
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