JP2010114275A - Solid-state imaging device, drive method of solid-state imaging device, and electronic apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び当該固体撮像装置を備えた電子機器に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, a driving method for the solid-state imaging device, and an electronic apparatus including the solid-state imaging device.
固体撮像装置として、CMOS型の固体撮像装置が知られている。このCMOS型の固体撮像装置では、フォトダイオードと複数のMOSトランジスタとにより1画素が構成される。そして、複数の画素を所要のパターンに配列することにより、複数の画素を有する固体撮像装置が構成される。このフォトダイオードは、受光量に応じた信号電荷を生成し、蓄積する光電変換素子であり、複数のMOSトランジスタは、フォトダイオードからの信号電荷を転送するための素子である。 As a solid-state imaging device, a CMOS type solid-state imaging device is known. In this CMOS type solid-state imaging device, one pixel is constituted by a photodiode and a plurality of MOS transistors. A solid-state imaging device having a plurality of pixels is configured by arranging a plurality of pixels in a required pattern. This photodiode is a photoelectric conversion element that generates and accumulates signal charges according to the amount of received light, and the plurality of MOS transistors are elements for transferring signal charges from the photodiodes.
近年、CMOS型の固体撮像装置では、画素サイズの微細化が進められている。しかしながら、CMOS型の固体撮像装置では、各画素領域において、同一平面上にフォトダイオードや電荷読み出しトランジスタ等の複数のMOSトランジスタを配置するため、平面上の面積がそれぞれに必要になり、1画素の面積が増大してしまう傾向がある。このため、画素サイズの微細化が困難であり、また、微細化を行った場合には、フォトダイオードの面積が縮小してしまうことにより、飽和電荷量の低下や、感度の低下を招く等の問題があった。 In recent years, pixel size miniaturization has been promoted in CMOS-type solid-state imaging devices. However, in a CMOS type solid-state imaging device, in each pixel region, a plurality of MOS transistors such as photodiodes and charge readout transistors are arranged on the same plane. There is a tendency for the area to increase. For this reason, it is difficult to reduce the pixel size, and when the pixel size is reduced, the area of the photodiode is reduced, which leads to a decrease in saturation charge amount and a decrease in sensitivity. There was a problem.
下記特許文献1では、フォトダイオードの高濃度領域間で形成されたpn接合部を、半導体基板の内部に設ける構成が記載されている。ここでは、信号電荷を読み出すための電荷読み出しトランジスタのチャネル部分が、半導体基板面に対して深さ方向に形成され、また、読み出しトランジスタのゲート電極及びゲート絶縁膜の底部が、pn接合部の深さ以上の位置に形成されている。特許文献1では、このような構成を用いることにより、画素面積を縮小しても、フォトダイオードの面積を大きく維持でき、飽和電荷量を低下させることがない。
しかしながら、特許文献1の固体撮像装置では、1画素において、信号電荷を蓄積するフォトダイオード1個に対する完全転送可能なポテンシャルが決まってしまい、飽和電荷量(Qs)をある一定以上増加させることはできない。すなわち、画素サイズの微細化と、飽和電荷量(Qs)の向上が一度に可能とされる構成には至らない。
上述の点に鑑み、本発明は、画素サイズの微細化が可能であると共に、飽和電荷量(Qs)が増加され、感度の向上が図られた固体撮像装置、及び固体撮像装置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 in which the pixel size can be reduced, the saturation charge amount (Qs) is increased, and the sensitivity is improved, and a driving method of the solid-state imaging device. It is to provide. 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、半導体基板内の異なる深さに、第1導電型不純物領域と第2導電型不純物領域との接合面を有して複数形成されたフォトダイオードを有する。そして、ゲート絶縁膜、読み出しゲート電極、転送チャネル、フローティングディフュージョン領域とから構成される縦型トランジスタを有する。電荷読み出しゲート電極は、半導体基板の表面から深さ方向にゲート絶縁膜を介して形成されるものである。また、転送チャネルは、複数のフォトダイオードから読み出された信号電荷を転送するものである。また、フローティングディフュージョン領域は、転送チャネルにより転送された信号電荷を蓄積する領域である。さらに、本発明の固体撮像装置は、フォトダイオードへの電荷蓄積時に、複数のフォトダイオード間、及びフォトダイオードとフローティングディフュージョン領域との間を接続するオーバーフローパスを有する。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the solid-state imaging device of the present invention has a junction surface between the first conductivity type impurity region and the second conductivity type impurity region at different depths in the semiconductor substrate. A plurality of photodiodes are formed. A vertical transistor including a gate insulating film, a read gate electrode, a transfer channel, and a floating diffusion region is included. The charge readout gate electrode is formed through a gate insulating film in the depth direction from the surface of the semiconductor substrate. The transfer channel transfers signal charges read from a plurality of photodiodes. The floating diffusion region is a region for accumulating signal charges transferred by the transfer channel. Furthermore, the solid-state imaging device of the present invention has an overflow path that connects between a plurality of photodiodes and between the photodiodes and the floating diffusion region during charge accumulation in the photodiodes.
本発明の固体撮像装置では、信号電荷の蓄積時に、一方のフォトダイオードの飽和電荷量を超えた信号電荷は、オーバーフローパスを通って、他方のフォトダイオードや、フローティングディフュージョン領域に転送される。また、複数のフォトダイオードを有するので、全体の飽和電荷量を増加させることができる。さらに、複数のフォトダイオードは、半導体基板の深さ方向に形成されるので、画素サイズの微細化が可能とされる。 In the solid-state imaging device of the present invention, when the signal charge is accumulated, the signal charge exceeding the saturation charge amount of one photodiode is transferred to the other photodiode or the floating diffusion region through the overflow path. In addition, since the plurality of photodiodes are provided, the total saturation charge amount can be increased. Further, since the plurality of photodiodes are formed in the depth direction of the semiconductor substrate, the pixel size can be reduced.
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、まず、半導体基板内の深さ方向に複数形成されたフォトダイオードに光照射することにより、フォトダイオードに信号電荷を蓄積する。そして、信号電荷の蓄積時に、一方のフォトダイオードにおいて飽和電荷量を超えた分の信号電荷を、オーバーフローパスを介して、他のフォトダイオード、又はフローティングディフュージョン領域に転送する。信号電荷の蓄積が終了したら、複数のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を同時にフローティングディフュージョン領域に転送する。 In the driving method of the solid-state imaging device of the present invention, first, signal charges are accumulated in the photodiode by irradiating light to a plurality of photodiodes formed in the depth direction in the semiconductor substrate. When the signal charge is accumulated, the signal charge that exceeds the saturation charge amount in one photodiode is transferred to another photodiode or floating diffusion region via the overflow path. When the signal charge accumulation is completed, the signal charges accumulated in the plurality of photodiodes are simultaneously transferred to the floating diffusion region.
本発明の固体撮像装置の駆動方法では、信号電荷の蓄積時において、一方のフォトダイオードの飽和電荷量を超えた信号電荷を、他のフォトダイオード、またはフローティングディフュージョン領域へ転送することができる。これにより、フォトダイオード全体の飽和電荷量が向上し、ダイナミックレンジを大きくすることができる。 In the driving method of the solid-state imaging device of the present invention, the signal charge exceeding the saturation charge amount of one photodiode can be transferred to the other photodiode or the floating diffusion region when the signal charge is accumulated. As a result, the saturation charge amount of the entire photodiode is improved, and the dynamic range can be increased.
また、本発明の電子機器は、光学レンズと、固体撮像装置と、信号処理回路とを有する。そして、この固体撮像装置は、半導体基板内の異なる深さに、第1導電型不純物領域と第2導電型不純物領域との接合面を有して複数形成されたフォトダイオードを有する。そして、ゲート絶縁膜、読み出しゲート電極、転送チャネル、フローティングディフュージョン領域とから構成される縦型トランジスタを有する。電荷読み出しゲート電極は、半導体基板の表面から深さ方向にゲート絶縁膜を介して形成されるものである。また、転送チャネルは、複数のフォトダイオードから読み出された信号電荷を転送するものである。また、フローティングディフュージョン領域は、転送チャネルにより転送された信号電荷を蓄積する領域である。さらに、本発明の固体撮像装置は、フォトダイオードへの電荷蓄積時に、複数のフォトダイオード間、及びフォトダイオードとフローティングディフュージョン領域との間を接続するオーバーフローパスを有する。
信号処理回路は、固体撮像装置の出力信号を処理するものである。
The electronic device of the present invention includes an optical lens, a solid-state imaging device, and a signal processing circuit. The solid-state imaging device includes a plurality of photodiodes formed at different depths in the semiconductor substrate and having a junction surface between the first conductivity type impurity region and the second conductivity type impurity region. A vertical transistor including a gate insulating film, a read gate electrode, a transfer channel, and a floating diffusion region is included. The charge readout gate electrode is formed through a gate insulating film in the depth direction from the surface of the semiconductor substrate. The transfer channel transfers signal charges read from a plurality of photodiodes. The floating diffusion region is a region for accumulating signal charges transferred by the transfer channel. Furthermore, the solid-state imaging device of the present invention has an overflow path that connects between a plurality of photodiodes and between the photodiodes and the floating diffusion region during charge accumulation in the photodiodes.
The signal processing circuit processes an output signal of the solid-state imaging device.
本発明の電子機器では、固体撮像装置において、信号電荷の蓄積時に、一方のフォトダイオードの飽和電荷量を超えた信号電荷は、オーバーフローパスを通って、他方のフォトダイオードや、フローティングディフュージョン領域に転送される。また、複数のフォトダイオードを有するので、全体の飽和電荷量を増加させることができる。 In the electronic device according to the present invention, when the signal charge is accumulated in the solid-state imaging device, the signal charge exceeding the saturation charge amount of one photodiode is transferred to the other photodiode or the floating diffusion region through the overflow path. Is done. In addition, since the plurality of photodiodes are provided, the total saturation charge amount can be increased.
本発明によれば、飽和電荷量(Qs)の増加や、感度の向上が図られ、画素サイズの微細化が容易な固体撮像装置を得ることができる。また、本発明によれば、飽和電荷量(Qs)や感度の向上が可能であり、画素サイズの微細化が可能な固体撮像装置を用いることにより、より高画質化された電子機器を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a solid-state imaging device in which the saturation charge amount (Qs) is increased, the sensitivity is improved, and the pixel size is easily miniaturized. In addition, according to the present invention, an electronic device with higher image quality can be obtained by using a solid-state imaging device capable of improving the saturation charge amount (Qs) and sensitivity and capable of reducing the pixel size. Can do.
以下、図1〜図9を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[固体撮像装置の全体構造]
まず、図1を用いて、以下に説明する第1の実施形態及び第2の実施形態が適用されるCMOS型の固体撮像装置、すなわち、CMOSイメージセンサの全体構造について説明する。
[Overall structure of solid-state imaging device]
First, the overall structure of a CMOS solid-state imaging device, that is, a CMOS image sensor to which the first and second embodiments described below are applied will be described with reference to FIG.
図1に示す固体撮像装置1は、Siからなる基板30上に配列された複数の画素2から構成される撮像領域3と、撮像領域3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。
A solid-
画素2は、光電変換素子であるフォトダイオードと、複数のMOSトランジスタとから構成され、基板30上に、2次元アレイ状に規則的に複数配列される。 The pixels 2 are composed of photodiodes that are photoelectric conversion elements and a plurality of MOS transistors, and a plurality of pixels 2 are regularly arranged in a two-dimensional array on the substrate 30.
撮像領域3は、2次元アレイ状に規則的に複数配列された画素2から構成される。そして、撮像領域3は、実際に光を受光し、光電変換によって生成された信号電荷を蓄積することのできる有効画素領域と、有効画素領域の周囲に形成され、黒レベルの基準になる光学的黒を出力するための黒基準画素領域とから構成される。
The
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、制御回路8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
垂直駆動回路4は、例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、垂直信号線を通してカラム信号処理回路5に供給する。
The
カラム信号処理回路5は、例えば、画素2の列毎に配置されており、1行分の画素2から出力される信号を画素列毎に黒基準画素領域(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31とのあいだに設けられている。 The column signal processing circuit 5 is arranged, for example, for each column of the pixels 2, and a signal output from the pixels 2 for one row is sent to the black reference pixel region (not shown, but around the effective pixel region) for each pixel column. Signal processing such as noise removal and signal amplification. A horizontal selection switch (not shown) is provided between the output stage of the column signal processing circuit 5 and the horizontal signal line 31.
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31に出力させる。 The horizontal drive circuit 6 is constituted by, for example, a shift register, and sequentially outputs horizontal scanning pulses to select each of the column signal processing circuits 5 in order, and the pixel signal is output from each of the column signal processing circuits 5 to the horizontal signal line. 31 to output.
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31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。
以下に説明する固体撮像装置は、図1における固体撮像装置1を構成するものであり、特に有効撮像領域における画素の断面構成を示すものである。
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 31.
The solid-state imaging device described below constitutes the solid-
〈第1の実施形態〉
[固体撮像装置の構成]
図2に本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。図2は、1画素分の断面構成を示すものである。
<First Embodiment>
[Configuration of solid-state imaging device]
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional configuration 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.
[構成]
本実施形態例の固体撮像装置は、半導体基板10内の異なる深さに、第1導電型であるp型不純物領域と、第2導電型であるn型不純物領域との接合面を有して複数層、積層されて形成されたフォトダイオードと、縦型トランジスタTrと、オーバーフローパス21とを有する。
以下に、本実施形態例の固体撮像装置の構成を詳述する。
[Constitution]
The solid-state imaging device according to the present embodiment has a junction surface between a p-type impurity region of the first conductivity type and an n-type impurity region of the second conductivity type at different depths in the
Hereinafter, the configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described in detail.
半導体基板10は、p型の不純物領域(p)からなる半導体材料で構成される。
フォトダイオードPDは、半導体基板10内に形成されたn型低濃度不純物領域(以下、n−領域)11と、そのn−領域11よりも表面側に順に積層された第1のn型不純物領域12、第1のp型高濃度不純物領域13、第2のn型不純物領域14、第2のp型高濃度不純物領域15とから構成される。そして、このフォトダイオードPDでは、第1のn型不純物領域12と第1のp型高濃度不純物領域13との接合面を有して第1のフォトダイオードPD1が構成される。また、第2のn型不純物領域14と第2のp型高濃度不純物領域15との接合面を有して第2のフォトダイオードPD2が形成される。このように、本実施形態例では、半導体基板10内の深さ方向に、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を有するフォトダイオードPDが構成されている。
The
The photodiode PD includes an n-type low-concentration impurity region (hereinafter referred to as an n − region) 11 formed in the
縦型トランジスタは、ゲート絶縁膜17を介して形成された読み出しゲート電極18と、フローティングディフュージョン領域16と、転送チャネル20とにより構成される。
The vertical transistor includes a read
読み出しゲート電極18は、半導体基板10の表面から、第1のフォトダイオードPD1を構成する第1のp型高濃度不純物領域13に達する深さに、柱状に形成される。すなわち、この読み出しゲート電極18は、半導体基板10の表面から深さ方向に形成された第2のフォトダイオードPD2及び第1のフォトダイオードPD1にかけて、縦型に形成されている。図3に示す各層の平面構成からわかるように、本実施形態例においては、読み出しゲート電極18は画素を構成する第1のフォトダイオードPD1及び第2のフォトダイオードPD2の中心部に形成されている。また、ゲート絶縁膜17は、読み出しゲート電極18と半導体基板10との間、及び、半導体基板10の表面に延在して形成されている。
この柱状に形成された読み出しゲート電極18は、半導体基板10の表面側から第1のp型高濃度不純物領域13に達する深さに柱状に形成された溝部に、ゲート絶縁膜17を介して、ポリシリコンが埋め込まれることにより形成されるものである。ゲート絶縁膜17としては、シリコン酸化膜等を用いることができる。
The
The
フローティングディフュージョン領域16は、n型の高濃度不純物領(n+)により構成され、半導体基板10の表面に形成される。
The floating
転送チャネル20は、n型の低濃度不純物領域(n−)により構成され、ゲート絶縁膜17を介して半導体基板10内に形成される読み出しゲート電極18に沿う一部分に形成されている。そしてこの転送チャネル20は、フローティングディフュージョン領域16及び、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型不純物領域12,14に接するように形成されている。そして、第2のn型不純物領域14は、転送チャネル20領域において読み出しゲート電極18に、より近接するように設けられている。第2のn型不純物領域14が、読み出しゲート電極18とゲート絶縁膜17を介して完全に接触してしまうと、接合容量が大きくなり、信号電荷が転送チャネル20を転送される際に効率が下がる。しかしながら、第2のn型不純物領域14を、読み出しゲート電極18に接触させることなく、近接して構成することにより、第2のフォトダイオードPD2の飽和電荷量をさらに増加させることが可能である。
The
この縦型トランジスタTrでは、読み出しゲート電極18に正電圧が印加されることにより、転送チャネル20のポテンシャル(電位)が変化する。このため、フォトダイオードPDを構成する第1及び第2のフォトダイオードPD1,PD2に蓄積された信号電荷が、転送チャネル20内を転送されて、フローティングディフュージョン領域16に読み出される。
In this vertical transistor Tr, the potential of the
図4に、本実施形態例の固体撮像装置の第1のフォトダイオードPD1、第2のフォトダイオードPD2、及びフローティングディフュージョン領域16の不純物濃度を示す。図4の横軸は、半導体基板10表面からの深さであり、縦軸は、不純物濃度である。
FIG. 4 shows the impurity concentrations of the first photodiode PD1, the second photodiode PD2, and the floating
図4に示すように、第1のフォトダイオードPD1を構成する第1のn型不純物領域(n)12の不純物濃度は、1017/cm3である。第1のフォトダイオードPD1を構成する第1のp型高濃度不純物領域(p+)13の不純物濃度は、1017〜1018/cm3である。第2のフォトダイオードPD2を構成する第2のn型不純物領域(n)14の不純物濃度は、1017/cm3である。第2のフォトダイオードPD2を構成する第2のp型高濃度不純物領域(p+)15の不純物濃度は、1018〜1019/cm3である。フローティングディフュージョン領域16を構成するn型の高濃度不純物領域(n+)の不純物濃度は、1020/cm3以上である。図4に示す不純物濃度は、対数表示であるため、第1のn型不純物領域12と、第2のn型不純物領域14のオーダーは同じであるが、実際には、第2のn型不純物領域14の不純物濃度の方が2倍程度濃い。
As shown in FIG. 4, the impurity concentration of the first n-type impurity region (n) 12 constituting the first photodiode PD1 is 10 17 / cm 3 . The impurity concentration of the first p-type high concentration impurity region (p + ) 13 constituting the first photodiode PD1 is 10 17 to 10 18 / cm 3 . The impurity concentration of the second n-type impurity region (n) 14 constituting the second photodiode PD2 is 10 17 / cm 3 . The impurity concentration of the second p-type high concentration impurity region (p + ) 15 constituting the second photodiode PD2 is 10 18 to 10 19 / cm 3 . The impurity concentration of the n-type high concentration impurity region (n + ) constituting the floating
図4に示す不純物濃度分布とすることにより、第2のn型不純物領域14は完全空乏化される。第2のn型不純物領域14を完全空乏化できる不純物濃度分布とすることにより、第2のn型不純物領域14に蓄積される信号電荷が転送される際に、第2のn型不純物領域14を再び完全空乏化することができるので、信号電荷を全て転送することができる。このように、第2のn型不純物領域14を完全空乏化することにより、信号電荷の残留分が、次に蓄積される信号電荷に混じることがなくなり、残像を解消することができる。
With the impurity concentration distribution shown in FIG. 4, the second n-
また、図4に示す濃度分布にすることにより、半導体基板10の深さ方向に形成された第1及び第2のフォトダイオードPD1,PD2に蓄積された信号電荷の、フローティングディフュージョン領域16への読み出し効率を向上させることができる。
Further, by making the concentration distribution shown in FIG. 4, the signal charges accumulated in the first and second photodiodes PD <b> 1 and PD <b> 2 formed in the depth direction of the
さらに、イオン注入により、複数層のp型不純物領域、n型不純物領域を形成する際には、半導体基板10の深い位置の不純物領域は広がり安く、濃度が薄くなる傾向にある。従って、本実施形態例のような不純物濃度分布は製造が容易である。
Further, when a plurality of layers of p-type impurity regions and n-type impurity regions are formed by ion implantation, the impurity regions at deep positions of the
また、第2のフォトダイオードPD2を構成する第2のn型不純物領域14を、読み出しゲート電極18により近接するように形成することにより、読み出しゲート電極18に近いところの不純物濃度が濃くなる。このため、電子を読み出しゲート電極18に近いところにためることができ、転送が容易になる。
In addition, by forming the second n-
そして、本実施形態例では、この転送チャネル20は、オーバーフローパス21を兼ねるものである。オーバーフローパス21とは、フォトダイオードPDへの信号電荷の蓄積時において、一方のフォトダイオードの飽和電荷量を超えた分の信号電荷を他方のフォトダイオード、又はフローティングディフュージョン領域16に転送する為の経路として用いられるものである。すなわち、このオーバーフローパス21により、フォトダイオードPDへの信号電荷の蓄積時に、第1、第2のフォトダイオードPD1,PD2及びフローティングディフュージョン領域16は、電気的に接続される。
ここで、本実施形態例では、一方のフォトダイオードを第1のフォトダイオードPD1とすると、他方のフォトダイオードを第2のフォトダイオードPD2とみることができる。
In this embodiment, the
Here, in the present embodiment example, when one photodiode is the first photodiode PD1, the other photodiode can be regarded as the second photodiode PD2.
半導体基板10の表面には、1画素を構成する他のMOSトランジスタのソース・ドレイン領域が、n型高濃度不純物領域(n+)19により形成されている。このMOSトランジスタとしては、例えば、選択トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等が挙げられる。図2においては、1画素内に形成されるMOSトランジスタを構成するソース・ドレイン領域を代表的に1つだけ図示することとする。
On the surface of the
本実施形態例の固体撮像装置は、裏面照射型の固体撮像装置として用いてもよいし、表面照射型の固体撮像装置として用いてもよい。図5に、裏面照射型の固体撮像装置とした場合の概略断面構成を示す。 The solid-state imaging device of this embodiment may be used as a back-illuminated solid-state imaging device or a front-illuminated solid-state imaging device. FIG. 5 shows a schematic cross-sectional configuration in the case of a back-illuminated solid-state imaging device.
図5に示すように、半導体基板10の表面側には、層間絶縁膜29を介して、所望の配線層を形成する。図5に示す例では、3層の配線1M〜3Mが形成されている。また、コンタクト部を介して、所望の配線同士が接続されている。
半導体基板10の裏面側には、フォトダイオードPDを構成するn−領域11に接するように、p型の高濃度不純物領域25が形成される。さらに、半導体基板10の裏面側には、例えば、SiNからなるパッシベーション膜26、カラーフィルタ27、オンチップレンズ28が順に形成される。
As shown in FIG. 5, a desired wiring layer is formed on the surface side of the
A p-type high
[駆動方法]
以下に、本実施形態例の固体撮像装置を裏面照射型とした場合を例に、駆動方法を説明する。
[Driving method]
Hereinafter, the driving method will be described by taking as an example a case where the solid-state imaging device of the present embodiment is a back-illuminated type.
まず、図5で示す固体撮像装置の裏面側、すなわち、オンチップレンズ28側から光Lを照射する。そうすると、オンチップレンズ28により集光された光は、カラーフィルタ27を介して、フォトダイオードPDに入射される。
First, the light L is irradiated from the back surface side of the solid-state imaging device shown in FIG. Then, the light collected by the on-
そして、フォトダイオードPDに入射した光は、n−領域11や、第1のフォトダイオードPD1、第2のフォトダイオードPD2において光電変換し、信号電荷が生成される。生成された信号電荷は、第1のフォトダイオードPD1を構成する第1のn型不純物領域12、又は、第2のフォトダイオードPD2を構成する第2のn型不純物領域14に蓄積される。本実施形態例の固体撮像装置では、読み出しゲート電極18の底部を、ゲート絶縁膜17を介して第1のp型高濃度不純物領域13に接触するように構成し、信号電荷の蓄積時に、読み出しゲート電極18に、負電圧を印加しておく。そうすることにより、ゲート絶縁膜17を介した読み出しゲート電極18の底部には、ホールがピン留めされる。このように、ホールがピン留めされる、ホールピニングが起こることにより、信号電荷の蓄積時において、読み出しゲート電極18及びゲート絶縁膜17底部から入る暗電流ノイズを第1のp型高濃度不純物領域13内に閉じ込めることができる。これにより、第1のフォトダイオードPD1、第2のフォトダイオードPD2に到達する暗電流を低減することができる。
The light incident on the photodiode PD is photoelectrically converted in the n − region 11, the first photodiode PD1, and the second photodiode PD2, and signal charges are generated. The generated signal charge is accumulated in the first n-
図6A〜Eに、図2のP−P’線上に沿う電位分布図を示し、信号電荷の蓄積時において第1のn型不純物領域12、第2のn型不純物領域14で構成される電位の井戸に蓄積される信号電荷の様子を示す。本実施形態例の固体撮像装置では、図6A〜Eに示すように、半導体基板10の深い側に形成された第1のフォトダイオードPD1の方が、第2のフォトダイオードPD2よりもポテンシャルが高い。また、第1のフォトダイオードPD1で形成される電位の井戸は、第2のフォトダイオードPD2で形成される電位の井戸よりも浅い。
6A to 6E show potential distribution diagrams along the line PP ′ in FIG. 2, and the potential formed by the first n-
フォトダイオードPDにおける光電変換により生成された信号電荷は、図6Aに示すように、まず、第1のn型不純物領域12で構成される電位の井戸に蓄積される。そして、強い光が照射された場合には、生成される信号電荷は多くなり、第1のn型不純物領域12の飽和電荷量を超える。そうした場合に、図6Bに示すように、第1のn型不純物領域12で構成される電位の井戸からあふれた信号電荷eは、オーバーフローパス21を通って、第2のn型不純物領域14で構成される電位の井戸に転送される。このとき、図6A〜Eに示すようなポテンシャルを有するので、第1のn型不純物領域12の飽和電荷量を超える信号電荷eは、第2のn型不純物領域14に完全転送される。
As shown in FIG. 6A, the signal charge generated by photoelectric conversion in the photodiode PD is first accumulated in a potential well formed by the first n-
そして、図6Cに示すように、第1のn型不純物領域12で構成される電位の井戸の飽和電荷量をも超えた信号電荷eは、フローティングディフュージョン領域16に転送される。そうすると、図6Dに示すように、フローティングディフュージョン領域16に転送された信号電荷eは、フローティングディフュージョン領域16に印加されたリセット電圧によりリセットされる。すなわち、本実施形態例では、第1及び第2のフォトダイオードPD1,PD2の飽和電荷量を超えた信号電荷eは、フローティングディフュージョン領域16に転送され、そこにおいて、リセットされる。
Then, as shown in FIG. 6C, the signal charge e exceeding the saturation charge amount of the potential well constituted by the first n-
信号電荷の蓄積後、読み出しゲート電極18に、正電圧を印加する。そうすると、図6Eに示すように、オーバーフローパス21を兼ねる転送チャネル20の電位が深くなる。これにより、第1のn型不純物領域12、第2のn型不純物領域14に蓄積された信号電荷は、転送チャネル20を転送されフローティングディフュージョン領域16に同時に読み出される。
After the signal charge is accumulated, a positive voltage is applied to the read
その後の駆動方法は、通常の固体撮像装置の駆動と同様である。すなわち、フローティングディフュージョン領域16に信号電荷が転送され、そのフローティングディフュージョン領域16の電圧変化を、図示しない増幅トランジスタで増幅して出力する。
The subsequent driving method is the same as that of a normal solid-state imaging device. That is, the signal charge is transferred to the floating
本実施形態例の固体撮像装置では、半導体基板10の深さ方向に、第1及び第2のフォトダイオードPD1,PD2からなる2つのフォトダイオードが形成されている。そして、第1のフォトダイオードPD1、第2のフォトダイオードPD2、及びフローティングディフュージョン領域16との間には、信号蓄積時において、信号電荷の転送が可能な、オーバーフローパス21が形成されている。これにより、一方のフォトダイオードの飽和電荷量を超えてあふれた信号電荷は、他のフォトダイオードに蓄積される。このような構成により、フォトダイオードPD全体の飽和電荷量が増加する。このため、固体撮像装置の感度を向上させることが可能となる。
また、他のフォトダイオードによっても信号電荷があふれた場合には、フローティングディフュージョン領域16に転送され、リセット電圧の印加によりリセットされる。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, two photodiodes including the first and second photodiodes PD1 and PD2 are formed in the depth direction of the
If the signal charge overflows due to another photodiode, it is transferred to the floating
そして、本実施形態例の固体撮像装置では、フォトダイオードPDの深さ方向に埋め込まれた読み出しゲート電極18を有する、縦型トランジスタTrが構成されている。これにより、半導体基板10の深さ方向に形成された第1及び第2のフォトダイオードPD1,PD2に蓄積された信号電荷を、フローティングディフュージョン領域16に完全転送することが可能となる。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the vertical transistor Tr having the
本実施形態例の固体撮像装置では、第1のフォトダイオードPD1及び第2のフォトダイオードPD2からなる2つのフォトダイオードによって構成される例としたが、2つ以上のフォトダイオードを、所望の数だけ、複数積層させることが可能である。画素サイズを微細化した場合でも、複数のフォトダイオードを積層させることにより、飽和電荷量(Qs)を増加させることができ、感度を向上させることができる。このため、飽和電荷量の増加や、感度を向上させながらも、画素サイズの微細化が容易であり、本実施形態例の構造は、画素サイズの微細化に有利である。また、飽和電荷量の増加が可能であり、ダイナミックレンジを大きくすることができるので、コントラストの向上が図られる。 In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the example is configured by two photodiodes including the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2, but a desired number of two or more photodiodes are provided. A plurality of layers can be stacked. Even when the pixel size is miniaturized, the saturation charge amount (Qs) can be increased and the sensitivity can be improved by stacking a plurality of photodiodes. Therefore, it is easy to reduce the pixel size while increasing the saturation charge amount and improving the sensitivity, and the structure of this embodiment is advantageous for reducing the pixel size. Further, the saturation charge amount can be increased and the dynamic range can be increased, so that the contrast can be improved.
さらに、裏面照射型の固体撮像装置とした場合には、固体撮像装置を構成する複数の画素トランジスタが構成される側と、光入射側は、反対側とされる。表面照射型とする場合は、半導体基板10表面に開口面積が必要であるため、半導体基板10表面に形成される画素トランジスタの形成位置は、制限される。しかしながら、裏面照射型の固体撮像装置とする場合、光入射側に、画素トランジスタや配線等が配されないので、フォトダイオードPDの面積を拡大させることができ、画素サイズの縮小時において、デザインルールの影響を受けない。さらに、表面側のフォトダイオードを、半導体基板10の深くに形成可能であるので、半導体基板10表面の欠陥準位の影響を低減することができる。
Furthermore, in the case of a back-illuminated solid-state imaging device, the side on which a plurality of pixel transistors constituting the solid-state imaging device are configured and the light incident side are on the opposite side. In the case of the surface irradiation type, since an opening area is necessary on the surface of the
本実施形態例の固体撮像装置では、読み出しゲート電極18及びゲート絶縁膜17の底部が、第1のp型高濃度不純物領域に達する深さに形成される例とした。しかしながら、読み出しゲート電極18は、第1のフォトダイオードPD1に蓄積された信号電荷を読み出すことが可能な深さにまで形成されればよい。例えば、第1のn型不純物領域12と第1のp型高濃度不純物領域13の接合面に達するように形成することもできる。しかしながら、読み出しゲート電極18と、n型不純物領域とが接する場合には、信号電荷の読み出し時に、結合容量が大きくなるため、読み出し効率が低下する。本実施形態例のように、読み出しゲート電極18及びゲート絶縁膜17の底部が、n型不純物領域と接触しないように構成することにより、読み出し効率を向上させることができる。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, the bottoms of the
なお、本実施形態例では、図7に示すように、半導体基板10の深さ方向に形成されるフォトダイオードPDのうち、第2のn型不純物領域14を、第1の及び第2のp型高濃度不純物領域13,15と同様の距離だけ、読み出しゲート電極18から離して形成する例としてもよい。
In this embodiment, as shown in FIG. 7, in the photodiode PD formed in the depth direction of the
〈第2の実形形態〉
[固体撮像装置の構成]
図8に、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。図8において、図2に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
<Second actual form>
[Configuration of solid-state imaging device]
FIG. 8 shows a schematic cross-sectional configuration of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 8, parts corresponding to those in FIG.
本実施形態例の固体撮像装置は、オーバーフローパス22を、第1のp型高濃度不純物領域13、及び第2のp型高濃度不純物領域15の一部に形成したn型不純物領域で構成する例である。このオーバーフローパス22は、第1及び第2のp型高濃度不純物領域13の一部にn型不純物をイオン注入することにより形成される。第1のp型高濃度不純物領域に形成されたn型不純物領域は、第1のn型不純物領域12と、第2のn型不純物領域14とを電気的に接続するものである。また、第2のp型高濃度不純物領域15に形成されたn型不純物領域は、第2のn型不純物領域14と、フローティングディフュージョン領域16とを電気的に接続するものである。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the
本実施形態例の固体撮像装置では、信号電荷の蓄積時に、第1のn型不純物領域12で構成される電位の井戸からあふれた信号電荷は、第1のp型高濃度不純物領域13に形成されたオーバーフローパス22を通って第2のn型不純物領域14に蓄積される。そして、第2のn型不純物領域14で構成される電位の井戸においてもあふれた信号電荷は、第2のp型高濃度不純物領域15に形成されたオーバーフローパス22を通って、フローティングディフュージョン領域16に転送され、ここにおいてリセットされる。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the signal charge overflowing from the potential well formed by the first n-
そして、信号電荷の蓄積後、読み出しゲート電極18に、正電圧を印加する。そうすると、第1の実施形態と同様、オーバーフローパス21を兼ねる転送チャネル20の電位が深くなる。これにより、第1のn型不純物領域12、第2のn型不純物領域14に蓄積された信号電荷は、転送チャネル20を転送されフローティングディフュージョン領域16に同時に読み出される。
Then, after accumulating signal charges, a positive voltage is applied to the read
本実施形態例の固体撮像装置においても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。本実施形態例では、オーバーフローパス22をn型不純物領域で構成する例としたが、電荷信号の蓄積時において、あふれた信号電荷を転送することができる電位を有する領域であればよく、p型低不純物領域で構成することもできる。
Also in the solid-state imaging device according to this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. In the present embodiment, the
本発明のオーバーフローパスの構成は、上述した第1の実施形態及び第2の実施形態におけるオーバーフローパスの構成に限定されるものではない。信号電荷の蓄積時において、複数のフォトダイオード間において、それぞれのフォトダイオードの飽和電荷量を超えてあふれた信号電荷を転送できる構成であればよい。 The configuration of the overflow path of the present invention is not limited to the configuration of the overflow path in the first embodiment and the second embodiment described above. Any signal charge may be used as long as the signal charge overflows beyond the saturation charge amount of each photodiode during the accumulation of the signal charge.
上述した固体撮像装置の実施形態例では、可視光の光量に応じた信号電荷を物理量として検知する単位画素が行列状に配置されてなるイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明はイメージセンサへの適用に限られるものではなく、画素アレイ部の画素列ごとにカラム回路を配置してなるカラム方式の固体撮像装置全般に対して適用可能である。 In the above-described embodiment of the solid-state imaging device, the case where the present invention is applied to an image sensor in which unit pixels that detect signal charges corresponding to the amount of visible light as physical quantities are arranged in a matrix has been described as an example. However, the present invention is not limited to application to an image sensor, and can be applied to all column-type solid-state imaging devices in which a column circuit is arranged for each pixel column of a pixel array section.
また、本発明は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らず、赤外線やX線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置に適用可能である。また、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置(物理量分布検知装置)全般に対して適用可能である。
さらに、本発明は、画素アレイ部の各単位画素を行単位で順に走査して各単位画素から画素信号を読み出す固体撮像装置に限らない。例えば、画素単位で任意の画素を選択して、当該選択画素から画素単位で信号を読み出すX−Yアドレス型の固体撮像装置に対しても適用可能である。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
In addition, the present invention is not limited to application to a solid-state imaging device that detects the distribution of the amount of incident light of visible light and captures an image as an image. It can be applied to an imaging device. In a broad sense, the present invention can be applied to all solid-state imaging devices (physical quantity distribution detection devices) such as a fingerprint detection sensor that senses other physical quantity distributions such as pressure and capacitance and captures images as images.
Furthermore, the present invention is not limited to a solid-state imaging device that sequentially scans each unit pixel of the pixel array unit in units of rows and reads a pixel signal from each unit pixel. For example, the present invention can also be applied to an XY address type solid-state imaging device that selects an arbitrary pixel in pixel units and reads a signal from the selected pixel in pixel units.
Note that the solid-state imaging device may be formed as a single chip, or may be in a modular form having an imaging function in which an imaging unit and a signal processing unit or an optical system are packaged together. Good.
また、本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。 In addition, the present invention is not limited to application to a solid-state imaging device, but can also be applied to an imaging device. Here, the imaging apparatus refers to a camera system such as a digital still camera or a video camera, or an electronic device having an imaging function such as a mobile phone. Note that the above-described module form mounted on an electronic device, that is, a camera module may be used as an imaging device.
〈第3の実施形態〉
[電子機器]
以下に、上述した本発明の固体撮像装置を、電子機器に用いた場合の実施形態を示す。以下の説明では、一例として、カメラに、第1の実施形態また、第2の実施形態で説明した固体撮像装置を用いる例を説明する。
<Third Embodiment>
[Electronics]
Hereinafter, an embodiment in which the above-described solid-state imaging device of the present invention is used in an electronic apparatus will be described. In the following description, an example in which the solid-state imaging device described in the first embodiment or the second embodiment is used as a camera will be described as an example.
図9に、本発明の第3の実施形態に係るカメラの概略断面構成を示す。本実施形態に係るカメラは、静止画撮影又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。
本実施形態に係るカメラは、固体撮像装置1と、光学レンズ110と、シャッタ装置111と、駆動回路112と、信号処理回路113とを有する。
FIG. 9 shows a schematic cross-sectional configuration of a camera according to the third embodiment of the present invention. The camera according to the present embodiment is an example of a video camera that can shoot a still image or a moving image.
The camera according to this embodiment includes a solid-
光学レンズ110は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置1の撮像面上に結像させる。これにより固体撮像装置1内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。この光学レンズ110は、複数の光学レンズから構成される光学レンズ系としてもよい。
シャッタ装置111は、固体撮像装置1への光照射期間および遮光期間を制御する。
駆動回路112は、固体撮像装置1の転送動作およびシャッタ装置111のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路112から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像装置1の信号転送を行なう。信号処理回路113は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
The
The
The
従来は、画素サイズの微細化により、開口率の低下によるフォトダイオードの飽和電荷量が低下してしまい、電子機器の小型化と、高画質化とは相反する関係であった。しかしながら、本実施形態例のカメラでは、固体撮像装置において、飽和電荷量(Qs)の増加や、感度の向上を図りながらも、画素サイズの微細化可能である。このため、電子機器の小型化が可能であり、かつ、より高画質化された電子機器を得ることができる。すなわち、電子機器の小型化、高解像度化、高画質化が可能とされる。 Conventionally, as the pixel size is reduced, the saturation charge amount of the photodiode due to the decrease in the aperture ratio is reduced, and the downsizing of the electronic device and the improvement in the image quality are contradictory. However, in the camera according to this embodiment, the pixel size can be reduced in the solid-state imaging device while increasing the saturation charge amount (Qs) and improving the sensitivity. For this reason, the electronic device can be reduced in size and an electronic device with higher image quality can be obtained. That is, it is possible to reduce the size, increase the resolution, and improve the image quality of the electronic device.
上述した第1〜第3の実施形態に係る固体撮像装置では、本発明を、信号電荷が電子である固体撮像装置に適用して説明したが、その他、信号電荷が正孔である固体撮像装置にも適用できる。その場合には、第1導電型が、n型、第2導電型がp型として上述の例を実施することができる。 In the above-described solid-state imaging devices according to the first to third embodiments, the present invention is applied to the solid-state imaging device whose signal charge is an electron. However, the solid-state imaging device whose signal charge is a hole. It can also be applied to. In that case, the above-described example can be implemented with the first conductivity type being n-type and the second conductivity type being p-type.
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、7・・出力回路、8・・制御回路、9・・垂直信号線、31・・水平信号線、10・・半導体基板、11・・n−領域、12・・第1のn型不純物領域、13・・第1のp型高濃度不純物領域、14・・第2のn型不純物領域、15・・第2のp型高濃度不純物領域、PD1・・第1のフォトダイオード、PD2・・第2のフォトダイオード、17・・ゲート絶縁膜、18・・読み出しゲート電極、20・・転送チャネル、21・・オーバーフローパス
1 .... Solid-state imaging device 2 ....
Claims (10)
前記半導体基板の表面から深さ方向にゲート絶縁膜を介して形成された縦型の電荷読み出しゲート電極と、前記複数のフォトダイオードから読み出された信号電荷を転送する転送チャネルと、前記転送チャネルにより転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン領域とから構成される縦型トランジスタと、
フォトダイオードへの電荷蓄積時に、前記複数のフォトダイオード間、及び前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン領域との間を接続するオーバーフローパスと、
を有する固体撮像装置。 A plurality of photodiodes having a junction surface between the first conductivity type impurity region and the second conductivity type impurity region at different depths in the semiconductor substrate;
A vertical charge readout gate electrode formed in the depth direction from the surface of the semiconductor substrate via a gate insulating film; a transfer channel for transferring signal charges read from the plurality of photodiodes; and the transfer channel A vertical transistor composed of a floating diffusion region for storing the signal charge transferred by
An overflow path connecting between the plurality of photodiodes and between the photodiodes and the floating diffusion region, when storing charges in the photodiodes;
A solid-state imaging device.
前記信号電荷の蓄積時に、一方のフォトダイオードにおいて飽和電荷量を超えた分の信号電荷を、オーバーフローパスを介して、他のフォトダイオード、又はフローティングディフュージョン領域に転送し、
前記信号電荷の蓄積が終了したら、前記複数のフォトダイオードに蓄積された信号電荷を同時に前記フローティングディフュージョン領域に転送する
固体撮像装置の駆動方法。 By irradiating light to a plurality of photodiodes formed in the depth direction in the semiconductor substrate, signal charges are accumulated in the photodiodes,
When the signal charge is accumulated, the signal charge that exceeds the saturation charge amount in one photodiode is transferred to another photodiode or floating diffusion region through an overflow path,
A method for driving a solid-state imaging device, wherein when the signal charge accumulation is completed, the signal charges accumulated in the plurality of photodiodes are simultaneously transferred to the floating diffusion region.
半導体基板内の異なる深さに、第1導電型不純物領域と第2導電型不純物領域との接合面を有して複数形成されたフォトダイオードと、前記半導体基板の表面から深さ方向にゲート絶縁膜を介して形成された縦型の電荷読み出しゲート電極と、前記複数のフォトダイオードから読み出された信号電荷を転送する転送チャネルと、前記転送チャネルにより転送された信号電荷を蓄積するフローティングディフュージョン領域とから構成される縦型トランジスタと、フォトダイオードへの電荷蓄積時に、前記複数のフォトダイオード間、及び前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョン領域との間を接続するオーバーフローパスと、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回路と
を含む電子機器。 An optical lens,
A plurality of photodiodes having a junction surface of a first conductivity type impurity region and a second conductivity type impurity region at different depths in a semiconductor substrate, and gate insulation in a depth direction from the surface of the semiconductor substrate A vertical charge readout gate electrode formed through a film, a transfer channel for transferring signal charges read from the plurality of photodiodes, and a floating diffusion region for storing signal charges transferred by the transfer channels A solid-state imaging device comprising: a vertical transistor comprising: an overflow path connecting between the plurality of photodiodes and between the photodiode and the floating diffusion region when charge is accumulated in the photodiode; ,
An electronic device comprising: a signal processing circuit that processes an output signal of the solid-state imaging device.
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