JP2010177594A - Solid-state imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging apparatus capable of electrically controlling light receiving sensitivity of a long wavelength band. <P>SOLUTION: An imaging portion 10A uses one surface of a p-type Si substrate as an imaging surface. Then, the imaging portion 10A has a plurality of pixels 10 each of which contains a first n-type impurity layer formed near the imaging surface of the p-type Si substrate, is generated in the p-type Si substrate by photoelectric conversion, and outputs a pixel signal showing electric charges accumulated in the first n-type impurity layer. In addition, the imaging portion 10A has a second impurity layer at a position deeper from the imaging surface rather than the first n-type impurity layer. A collection range control means 51 of a timing generator 50 controls a collection range of the electric charges generated by the photoelectric conversion in the p-type Si substrate by controlling control voltage Vsb to be provided in the second n-type impurity layer. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、長波長帯域の受光感度の制御が可能な固体撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device capable of controlling light receiving sensitivity in a long wavelength band.

カラー固体撮像装置は、一般的に画素毎にR、G、Bのいずれかのカラーフィルタを設け、カラーフィルタを通過した光を電気信号である画素信号に変換する構成となっている。また、必要な色再現性を得るため、光電変換素子がRGB以外の波長帯域を受光しないように、IR(InfraRed;赤外)カットフィルタをR、G、Bのカラーフィルタと併用するのが普通である。一方、車載・監視用途のカメラでは、暗闇等での低照度での感度を向上させる必要があるため、NIR(Near InfraRed;近赤外)帯域の光を受光する必要があり、NIR帯域の成分をカットしないで被写体からの光を光電変換素子に与えて撮像を行うことが多い。しかし、このようにNIR帯域をカットしないで撮像を行うと、色再現性が損なわれる。そこで、色再現性を犠牲にすることなく、低照度での撮像の感度を向上させるため、IRカットフィルタを機械的に着脱することができるようにした撮像装置が提供されている。   In general, a color solid-state imaging device has a configuration in which any one of R, G, and B color filters is provided for each pixel, and light that has passed through the color filter is converted into a pixel signal that is an electrical signal. In order to obtain the required color reproducibility, it is common to use an IR (InfraRed) cut filter in combination with R, G, and B color filters so that the photoelectric conversion element does not receive wavelengths other than RGB. It is. On the other hand, in-vehicle / surveillance cameras need to improve sensitivity at low illuminance in the dark, so it is necessary to receive light in the NIR (Near InfraRed) band. In many cases, imaging is performed by applying light from a subject to a photoelectric conversion element without cutting the light. However, when image capturing is performed without cutting the NIR band in this way, color reproducibility is impaired. Therefore, an imaging apparatus is provided in which an IR cut filter can be mechanically attached and detached to improve the sensitivity of imaging at low illuminance without sacrificing color reproducibility.

特開2008−91753号公報JP 2008-91753 A

ところで、上述したIRカットフィルタを着脱可能にした撮像装置は、IRカットフィルタを着脱するための機械的構成が複雑であり、高価なものとなるため、小型で安価なカメラには採用されていない。このため、車載や監視用途に適した大衆製品として、色再現性を犠牲にすることなく、安価にNIR帯域の受光感度を調整することができる撮像装置が望まれている。   By the way, the above-described imaging device in which the IR cut filter is detachable has a complicated mechanical configuration for attaching and detaching the IR cut filter and is expensive, and thus is not adopted for a small and inexpensive camera. . For this reason, an imaging device that can adjust the light receiving sensitivity in the NIR band at low cost without sacrificing color reproducibility is desired as a popular product suitable for in-vehicle use or monitoring.

この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、長波長帯域の受光感度を電気的に制御することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object thereof is to provide a solid-state imaging device capable of electrically controlling the light receiving sensitivity in the long wavelength band.

この発明は、第1の導電型の半導体基板の一表面を撮像面とし、前記半導体基板の前記撮像面近傍に画素毎に形成された第2の導電型の第1の不純物層を各々含み、光電変換により前記半導体基板内に生成され、前記第1の不純物層に蓄積された電荷を示す画素信号を各々出力する撮像部であって、前記第1の不純物層よりも前記撮像面から深い位置に第2の導電型の第2の不純物層を有する撮像部と、前記第2の不純物層に与える制御電圧を制御することにより、前記第1の不純物層と前記半導体基板との接合により生じる第1の空乏層に対して、前記第2の不純物層と前記半導体基板との接合により生じる第2の空乏層を接続させるとともに、前記第1の空乏層と前記第2の空乏層の接続部の前記半導体基板の表面からの深さ方向の位置を制御し、前記半導体基板内において光電変換により生じた電荷の収集範囲を制御する収集範囲制御手段とを具備することを特徴とする固体撮像装置を提供する。   The present invention includes a first conductivity type first impurity layer formed for each pixel in the vicinity of the imaging surface of the semiconductor substrate, wherein one surface of the first conductivity type semiconductor substrate is an imaging surface, An imaging unit that outputs pixel signals each indicating a charge generated in the semiconductor substrate by photoelectric conversion and accumulated in the first impurity layer, at a position deeper from the imaging surface than the first impurity layer By controlling the imaging unit having the second impurity layer of the second conductivity type and the control voltage applied to the second impurity layer, the first impurity layer and the semiconductor substrate are joined. A first depletion layer connected to the second depletion layer formed by the junction of the second impurity layer and the semiconductor substrate, and a connection portion between the first depletion layer and the second depletion layer; Position in the depth direction from the surface of the semiconductor substrate Controlled, to provide a solid-state imaging apparatus characterized by comprising a collecting range controlling means for controlling the acquisition range of charges generated by photoelectric conversion in said semiconductor substrate.

かかる固体撮像装置において、半導体基板表面への入射光のうち波長の短い光は、基板深奥部に到達しないが、波長の長い光は、基板深部に到達して光電変換により電荷を生じさせる。従って、収集範囲制御手段が、第2の不純物層に与える制御電圧を制御して半導体基板内における電荷の収集範囲を制御することにより、画素信号が表す受光量のうち波長の長い帯域の成分の占める割合を制御することができる。   In such a solid-state imaging device, light having a short wavelength out of light incident on the surface of the semiconductor substrate does not reach the deep part of the substrate, but light having a long wavelength reaches the deep part of the substrate and generates electric charge by photoelectric conversion. Accordingly, the collection range control means controls the control voltage applied to the second impurity layer to control the charge collection range in the semiconductor substrate, so that the component of the band having a long wavelength out of the received light amount represented by the pixel signal can be obtained. The proportion occupied can be controlled.

なお、特許文献1は、固体撮像装置における長波長帯域の受光感度の改善に関する技術を開示するものであるが、本発明のように電気的な制御により長波長帯域の受光感度の制御を行う技術を開示するものではない。   Patent Document 1 discloses a technique related to improvement of light reception sensitivity in a long wavelength band in a solid-state imaging device, but a technique for controlling light reception sensitivity in a long wavelength band by electrical control as in the present invention. Is not disclosed.

ところで、低照度における撮像では、光電変換により発生する電荷が極めて少ないため、所望の画質を得るためには、画素信号に占めるリークノイズの割合を低減することが強く望まれる。   By the way, in imaging at low illuminance, the amount of charge generated by photoelectric conversion is extremely small. Therefore, in order to obtain a desired image quality, it is strongly desired to reduce the ratio of leak noise in the pixel signal.

そこで、この発明は、第1の導電型の半導体基板の一表面を撮像面とし、前記半導体基板の前記撮像面近傍に形成された第2の導電型の第1の不純物層を各々含み、光電変換により前記半導体基板内に生成され、前記第1の不純物層に蓄積された電荷を示す画素信号を各々出力する複数の画素を有する固体撮像装置において、前記第1の不純物層と前記半導体基板との間に通常使用時における最大の逆方向バイアスが印加された状態において前記第1の不純物層と前記半導体基板との接合により生じる空乏層の境界面における前記第1の導電型の不純物濃度を他の領域における前記第1の導電型の不純物濃度よりも高くしたことを特徴とする固体撮像装置を提供する。   Therefore, the present invention uses a first conductivity type semiconductor substrate as an imaging surface, and includes a second conductivity type first impurity layer formed in the vicinity of the imaging surface of the semiconductor substrate. In a solid-state imaging device having a plurality of pixels each outputting a pixel signal indicating charges generated in the semiconductor substrate by conversion and accumulated in the first impurity layer, the first impurity layer, the semiconductor substrate, The impurity concentration of the first conductivity type at the boundary surface of the depletion layer generated by the junction between the first impurity layer and the semiconductor substrate in a state where the maximum reverse bias during normal use is applied during The solid-state imaging device is characterized in that it is higher than the impurity concentration of the first conductivity type in the region.

かかる固体撮像装置によれば、空乏層の境界面における第1の導電型の不純物濃度が高いので、その境界面において熱励起によって発生する少数キャリアの電荷密度を減らし、空乏層を経由して第1の不純物層に流れるリーク電流を減らすことができる。   According to such a solid-state imaging device, since the impurity concentration of the first conductivity type at the boundary surface of the depletion layer is high, the charge density of minority carriers generated by thermal excitation at the boundary surface is reduced, and the first density via the depletion layer is reduced. Leakage current flowing in one impurity layer can be reduced.

また、この発明は、第1の導電型の半導体基板の一表面を撮像面とし、前記半導体基板の前記撮像面近傍に形成された第2の導電型の第1の不純物層を各々含み、光電変換により前記半導体基板内に生成され、前記第1の不純物層に蓄積された電荷を示す画素信号を各々出力する複数の画素を有する撮像部を有する固体撮像装置において、前記半導体基板内に、前記第1の不純物層と前記半導体基板との接合により生じる第1の空乏層と繋がり、かつ、前記第1の空乏層内の電界と逆向きの電界を有する第2の空乏層を生じさせるように構成したことを特徴とする固体撮像装置を提供する。   The present invention also includes a first impurity layer of a second conductivity type formed in the vicinity of the imaging surface of the semiconductor substrate, wherein one surface of the first conductivity type semiconductor substrate is an imaging surface, In a solid-state imaging device having an imaging unit having a plurality of pixels each outputting a pixel signal indicating the electric charge generated in the semiconductor substrate by conversion and accumulated in the first impurity layer, the semiconductor substrate includes the A second depletion layer connected to the first depletion layer generated by the junction of the first impurity layer and the semiconductor substrate and having an electric field opposite to the electric field in the first depletion layer is generated. Provided is a solid-state imaging device that is configured.

かかる固体撮像装置において、第1の不純物層へのリークの原因となる電荷の移動を妨げるポテンシャル障壁が第1の空乏層と第2の空乏層との接続部に発生する。従って、第1の不純物層に流れるリーク電流を低減することができる。   In such a solid-state imaging device, a potential barrier that hinders the movement of electric charges that cause leakage to the first impurity layer is generated at the connection between the first depletion layer and the second depletion layer. Therefore, the leakage current flowing through the first impurity layer can be reduced.

この発明の一実施形態であるCMOS固体撮像装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the CMOS solid-state imaging device which is one Embodiment of this invention. 同CMOS固体撮像装置の撮像部10Aを構成する複数の画素10のうちの1個の等価回路を示すとともに、この画素10とその駆動制御を行う各回路との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between this pixel 10 and each circuit which performs the drive control while showing one equivalent circuit of the some pixels 10 which comprise 10 A of imaging parts of the CMOS solid-state imaging device. 一般的なCMOS固体撮像装置の撮像部の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the imaging part of a general CMOS solid-state imaging device. 一般的なCMOS固体撮像装置の撮像部においてPD形成領域の中心を通る仮想軸上の各位置における不純物濃度、電界強度、電子のポテンシャル、エネルギーバンドを示す図である。It is a figure which shows the impurity concentration, electric field strength, electron potential, and energy band in each position on the virtual axis which passes through the center of PD formation area in the imaging part of a general CMOS solid-state imaging device. リーク防止対策を施したCMOS固体撮像装置の撮像部の断面構造を例示する図である。It is a figure which illustrates the cross-section of the image pick-up part of the CMOS solid-state image pick-up device which took the countermeasure against leakage. 同撮像部においてPD形成領域の中心を通る仮想軸上の各位置における不純物濃度、エネルギーバンドを示す図である。It is a figure which shows the impurity concentration and energy band in each position on the virtual axis which passes the center of PD formation area in the imaging part. この発明の一実施形態によるCMOS固体撮像装置の撮像部10Aの断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of 10 A of imaging parts of the CMOS solid-state imaging device by one Embodiment of this invention. 同撮像部10Aにおける転送トランジスタ102の形成領域の中心を通る仮想軸上の各位置における電子のポテンシャルを示す図である。It is a figure which shows the electric potential of the electron in each position on the virtual axis which passes along the center of the formation area of the transfer transistor 102 in the imaging part 10A. 同撮像部10AにおいてPD形成領域の中心を通る仮想軸上の各位置における不純物濃度、エネルギーバンドを示す図である。It is a figure which shows the impurity concentration and energy band in each position on the virtual axis | shaft which passes along the center of PD formation area in the imaging part 10A. 同撮像部10AにおいてPD形成領域の中心を通る仮想軸上の各位置における不純物濃度、電子のポテンシャルを示す図である。It is a figure which shows the impurity concentration in each position on the virtual axis which passes the center of PD formation area in the same imaging part 10A, and the potential of an electron. 同実施形態における画素の濃度プロファイルおよび基板表面からの深さ方向に沿ったポテンシャルカーブの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the potential curve along the density profile of the pixel in the same embodiment, and the depth direction from the substrate surface. 半導体基板における光の波長と吸収係数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the wavelength of the light in a semiconductor substrate, and an absorption coefficient. 青(λ=460nm)、緑(λ=530nm)、赤(λ=700nm)、近赤外帯域の下限波長(λ=780nm)の各光について、基板表面からの深さtを変えたときの入射光量Iに対する到達光量Iの比r=I/Iを算出し、深さtと比rとの関係を示した図である。When the depth t from the substrate surface is changed for each light of blue (λ = 460 nm), green (λ = 530 nm), red (λ = 700 nm), and lower limit wavelength (λ = 780 nm) in the near infrared band. calculating the ratio r = I / I 0 of the reaching light amount I with respect to the amount of incident light I 0, is a diagram showing the relationship between the depth t and the ratio r. 同実施形態によるCMOS固体撮像装置の1フレーム分の動作を示すタイムチャートおよびこの1フレームのうちの1つの水平走査期間内の動作を示すタイムチャートである。4 is a time chart showing an operation for one frame of the CMOS solid-state imaging device according to the embodiment and a time chart showing an operation in one horizontal scanning period of the one frame. この発明の他の実施形態によるCMOS固体撮像装置の撮像部の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the imaging part of the CMOS solid-state imaging device by other Embodiment of this invention. この発明の他の実施形態によるCMOS固体撮像装置の撮像部の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the imaging part of the CMOS solid-state imaging device by other Embodiment of this invention. この発明の他の実施形態によるCMOS固体撮像装置における画像処理の内容を示す図である。It is a figure which shows the content of the image process in the CMOS solid-state imaging device by other embodiment of this invention.

以下、図面を参照し、この発明の一実施形態について説明する。なお、以下説明する実施形態では、第1の導電型をp型、第2の導電型をn型としているが、本発明は、第1の導電型をn型、第2の導電型をp型として実施することも可能である。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiment described below, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. However, in the present invention, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. It can also be implemented as a mold.

<A:全体構成>
図1は、この発明の一実施形態によるCMOS固体撮像装置の構成を示すブロック図である。図2は、図1における撮像部10Aを構成する複数の画素10のうちの1個の等価回路を示すとともに、この画素10とその駆動制御を行う各回路との関係を示す図である。
<A: Overall configuration>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a CMOS solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating an equivalent circuit of one of the plurality of pixels 10 constituting the imaging unit 10A in FIG. 1 and a relationship between the pixel 10 and each circuit that performs drive control thereof.

図2に示すように、1個の画素10は、PD(Photo Diode;フォトダイオード)101と、各々MOS型トランジスタである転送トランジスタ102、リセットトランジスタ103、増幅トランジスタ104および行選択トランジスタ105と、カラーフィルタ106とにより構成されている。   As shown in FIG. 2, each pixel 10 includes a PD (Photo Diode) 101, a transfer transistor 102, a reset transistor 103, an amplification transistor 104, and a row selection transistor 105, each of which is a MOS transistor, a color, The filter 106 is configured.

図2において、PD101は、p型半導体基板に低濃度のn型不純物の埋め込み層を形成してなるものである。このPD101は、光電変換により半導体基板内に発生する電荷をカソード(この場合、n型不純物埋め込み層)に収集し、信号電荷として蓄積する光電変換素子である。このPD101に対する入射光の経路上にはR、GまたはBのいずれかの色に対応したカラーフィルタ106が各々設けられている。ここで、GおよびB色のカラーフィルタ106は、GまたはB色の波長帯域の光を透過させるとともに、NIR帯域以上の波長の光を透過させる透過特性を有している。また、R色のカラーフィルタ106は、NIR帯域を含むR色の波長帯域以上の波長の光を透過させる透過特性を有している。   In FIG. 2, a PD 101 is formed by forming a buried layer of low-concentration n-type impurities on a p-type semiconductor substrate. The PD 101 is a photoelectric conversion element that collects charges generated in the semiconductor substrate by photoelectric conversion in a cathode (in this case, an n-type impurity buried layer) and accumulates the signal charges. On the path of incident light with respect to the PD 101, color filters 106 corresponding to any of R, G, and B are provided. Here, the G and B color filters 106 have a transmission characteristic that transmits light in the G or B wavelength band and transmits light in the NIR band or more. The R color filter 106 has a transmission characteristic that transmits light having a wavelength equal to or greater than the R wavelength band including the NIR band.

転送トランジスタ102は、ソースがPD101のカソードとなっており、ドレインがFD(Floating Diffusion;浮遊拡散層)102dとなっている。この転送トランジスタ102は、ゲートに転送パルスTXiが与えられることにより、PD101に蓄積された信号電荷をFD102dに転送する。リセットトランジスタ103は、ソースが電源電圧VDDに固定されており、ドレインがFD102dとなっている。このリセットトランジスタ103は、ゲートにリセットパルスRTiが与えられることにより、FD102dを電源電圧VDDにリセットする。増幅トランジスタ104は、ドレインが電源電圧VDDに固定され、ゲートがFD102dに接続されている。また、行選択トランジスタ105は、増幅トランジスタ104のソースと列信号線11との間に介挿されており、ゲートに行選択パルスSLiが与えられる。これらの増幅トランジスタ104および行選択トランジスタ105は、行選択パルスSLiが与えられることにより、FD102dに蓄積された電荷に応じた電圧を列信号線11に読み出す読出回路としての役割を果たす。   The transfer transistor 102 has a source serving as a cathode of the PD 101 and a drain serving as an FD (Floating Diffusion) 102d. The transfer transistor 102 transfers the signal charge accumulated in the PD 101 to the FD 102d when a transfer pulse TXi is applied to the gate. The reset transistor 103 has a source fixed to the power supply voltage VDD and a drain FD102d. The reset transistor 103 resets the FD 102d to the power supply voltage VDD when a reset pulse RTi is given to the gate. The amplification transistor 104 has a drain fixed to the power supply voltage VDD and a gate connected to the FD 102d. The row selection transistor 105 is interposed between the source of the amplification transistor 104 and the column signal line 11, and a row selection pulse SLi is given to the gate. The amplification transistor 104 and the row selection transistor 105 serve as a readout circuit that reads out a voltage corresponding to the electric charge accumulated in the FD 102d to the column signal line 11 when the row selection pulse SLi is applied.

以上説明した構成において、カラーフィルタ106を透過し、PD101に向けて入射する光のうち波長の短い光は、運動量が大きいため、半導体基板の表面から浅いところまでしか到達しない。一方、波長の長い光は、運動量が小さいため、基板表面から深いところまで到達する。このため、基板表面から深いところになると、波長の短い光が発生させた電荷は少なくなり、波長の長い光が発生させた電荷が多数を占める。従って、光電変換により半導体基板内に発生した電荷のうち基板表面から浅いところまでの範囲の電荷をPD101のカソ−ドに集めた場合、波長の短い光が発生させた電荷がPD101のカソードに多く集まる。しかし、基板表面から十分に深いところまでの範囲の電荷をPD101のカソ−ドに集めた場合には、波長の短い光が発生させた電荷だけでなく、NIR帯域の光を含む波長の長い光が発生させた電荷が多く集まる。本実施形態の特徴は、このような基板表面からの深さ方向における電荷の収集範囲の切り換えを電気的な制御により行うようにした点にある。その目的は、電気的な制御により図2に示すようにカラーフィルタ106の近赤外帯域における透過率を切り換えるのと同様の効果を得ることにある。図1におけるタイミングジェネレータ50は、この電荷の収集範囲の制御に用いる制御電圧Vsbを発生する収集範囲制御手段51としての機能を有している。そして、本実施形態における撮像部10Aには、このような電荷の収集範囲の電気的な制御を可能にする新規な構成が採用されている。なお、この撮像部10Aの新規な構成については後述する。   In the configuration described above, light having a short wavelength out of light transmitted through the color filter 106 and incident on the PD 101 has a large momentum, and therefore reaches only a shallow portion from the surface of the semiconductor substrate. On the other hand, light having a long wavelength has a small momentum and therefore reaches a deep position from the substrate surface. For this reason, when it goes deep from the substrate surface, the charges generated by the light having a short wavelength are reduced, and the charges generated by the light having a long wavelength occupy a large number. Therefore, when charges in the range from the substrate surface to a shallow portion of the charges generated in the semiconductor substrate by photoelectric conversion are collected on the cathode of the PD 101, a lot of charges generated by light having a short wavelength are generated in the cathode of the PD 101. get together. However, in the case where charges in a range sufficiently deep from the substrate surface are collected on the cathode of the PD 101, light having a long wavelength including light in the NIR band as well as the charge generated by light having a short wavelength is generated. A lot of electric charges generated by. The feature of this embodiment is that the charge collection range in the depth direction from the substrate surface is switched by electrical control. The purpose is to obtain the same effect as switching the transmittance of the color filter 106 in the near-infrared band as shown in FIG. The timing generator 50 in FIG. 1 has a function as a collection range control means 51 that generates a control voltage Vsb used for controlling the charge collection range. The imaging unit 10A according to the present embodiment employs a novel configuration that enables electrical control of such a charge collection range. A new configuration of the imaging unit 10A will be described later.

一般的なCMOS固体撮像装置と同様、撮像部10Aでは、図1に示すように、複数の画素10が行列状に配列されている。各列をなす複数の画素10は、列毎に設けられた列信号線11に接続される。各列信号線11には、図2に示すように、その列信号線11に接続された各画素10の増幅トランジスタ104の負荷となる定電流源11cが接続されている。そして、各列信号線11は、図1に示すように、カラムCDS(Correlated Double Sampling;相関2重サンプリング)部20に接続されている。このカラムCDS部20は、撮像部10Aにおける画素10の列毎に設けられたCDS回路の集合体である。各CDS回路は、タイミングジェネレータ50からサンプリングパルスφrおよびφsが与えられる各タイミングにおいて、撮像部10Aの各列信号線11に読み出される電圧を各々サンプリングして差分を検出し、アナログ画素信号を各々出力する。カラムADC部30は、撮像部10Aにおける画素10の列毎に設けられたADC(Analog to Digital Converter)の集合体である。各ADCは、タイミングジェネレータ50による制御の下、各CDS回路から出力されるアナログ画素信号をデジタル画素信号に変換する。水平走査回路40は、撮像部10Aの列数と同じステージ数のシフトレジスタである。この水平走査回路40は、タイミングジェネレータ50による制御の下、水平走査期間毎にカラムADC部30から出力される1行分のデジタル画素信号を取り込み、画像処理部70にシリアル転送する動作を繰り返す。   Similar to a general CMOS solid-state imaging device, in the imaging unit 10A, as shown in FIG. 1, a plurality of pixels 10 are arranged in a matrix. A plurality of pixels 10 forming each column are connected to a column signal line 11 provided for each column. As shown in FIG. 2, each column signal line 11 is connected to a constant current source 11 c serving as a load of the amplification transistor 104 of each pixel 10 connected to the column signal line 11. Each column signal line 11 is connected to a column CDS (Correlated Double Sampling) unit 20 as shown in FIG. The column CDS unit 20 is an aggregate of CDS circuits provided for each column of the pixels 10 in the imaging unit 10A. Each CDS circuit samples a voltage read to each column signal line 11 of the imaging unit 10A at each timing when the sampling pulses φr and φs are supplied from the timing generator 50, detects a difference, and outputs an analog pixel signal, respectively. To do. The column ADC unit 30 is an aggregate of ADCs (Analog to Digital Converters) provided for each column of the pixels 10 in the imaging unit 10A. Each ADC converts an analog pixel signal output from each CDS circuit into a digital pixel signal under the control of the timing generator 50. The horizontal scanning circuit 40 is a shift register having the same number of stages as the number of columns of the imaging unit 10A. Under the control of the timing generator 50, the horizontal scanning circuit 40 repeats the operation of taking one row of digital pixel signals output from the column ADC unit 30 and transferring them serially to the image processing unit 70 for each horizontal scanning period.

タイミングジェネレータ50は、垂直走査回路60、カラムCDS部20、カラムADC部30、水平走査回路40等、CMOS固体撮像装置の各部のタイミング制御のための信号を発生する回路である。また、タイミングジェネレータ50は、上述した収集範囲制御手段51としての機能を備えている。垂直走査回路60は、タイミングジェネレータ50による制御の下、露光のための撮像部10Aの駆動制御、すなわち、撮像部10Aの各行を選択し、選択した各行に行選択パルスSLi、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiを発生する制御を行う回路である   The timing generator 50 is a circuit that generates signals for timing control of each part of the CMOS solid-state imaging device, such as the vertical scanning circuit 60, the column CDS unit 20, the column ADC unit 30, and the horizontal scanning circuit 40. Further, the timing generator 50 has a function as the collection range control means 51 described above. The vertical scanning circuit 60 controls driving of the imaging unit 10A for exposure under the control of the timing generator 50, that is, selects each row of the imaging unit 10A, and selects the row selection pulse SLi, the reset pulse RTi, and the transfer to each selected row. This circuit performs control to generate the pulse TXi.

本実施形態では、タイミングジェネレータ50による制御の下、1フレーム当たり2回の露光が行われる。第1回目の露光では、露光期間の全期間に亙り、基板表面からの深さ方向における電荷の収集範囲を広くする。また、第2回目の露光では、露光期間中の一部の期間において、基板表面からの深さ方向における電荷の収集範囲を狭くする。   In the present embodiment, exposure is performed twice per frame under the control of the timing generator 50. In the first exposure, the charge collection range in the depth direction from the substrate surface is widened over the entire exposure period. In the second exposure, the charge collection range in the depth direction from the substrate surface is narrowed in a part of the exposure period.

画像処理部70は、水平走査回路40を介して供給されるデジタル画素信号を処理して、フレーム毎に一画面分の画像データを合成する装置である。上述の通り、本実施形態では、1フレーム期間内に2回の露光が行われる。画像処理部70は、第1回の露光において水平走査回路40を介して取得されるデジタル画素信号と、第2回の露光において水平走査回路40を介して取得されるデジタル画素信号とを用いて画像データを合成する。この画像処理部70により合成された画像データは、図示しないモニタに表示され、あるいは図示しないHD(ハードディスク)等の記録媒体に記録される。U/I(ユーザインタフェース)部80は、液晶表示パネル等の表示装置と押しボタン等の各種の操作子により構成されている。U/I部80は、CMOS固体撮像装置の操作に関する各種の案内情報を表示し、操作子を介して撮像条件等に関する各種の情報をユーザから取得する役割を果たす。制御部90は、U/I部80を介して取得されるユーザからの指示に従い、CMOS固体撮像装置の各部の制御を行う装置である。   The image processing unit 70 is a device that processes digital pixel signals supplied via the horizontal scanning circuit 40 and synthesizes image data for one screen for each frame. As described above, in the present embodiment, exposure is performed twice within one frame period. The image processing unit 70 uses the digital pixel signal acquired through the horizontal scanning circuit 40 in the first exposure and the digital pixel signal acquired through the horizontal scanning circuit 40 in the second exposure. Synthesize image data. The image data synthesized by the image processing unit 70 is displayed on a monitor (not shown) or recorded on a recording medium such as an HD (hard disk) (not shown). The U / I (user interface) unit 80 includes a display device such as a liquid crystal display panel and various operators such as push buttons. The U / I unit 80 displays various guidance information related to the operation of the CMOS solid-state imaging device, and plays a role of acquiring various information related to imaging conditions and the like from the user via the operation element. The control unit 90 is a device that controls each unit of the CMOS solid-state imaging device in accordance with an instruction from the user acquired via the U / I unit 80.

<B:撮像部10Aの構成>
<B−1:一般的なCMOS固体撮像装置における撮像部の構成>
本実施形態における撮像部10Aに関する理解を容易にするため、撮像部10Aの構成の説明に先立ち、一般的なCMOS固体撮像装置における撮像部の構成を説明する。図3は、一般的なCMOS固体撮像装置における撮像部の1個の画素の断面構造を模式的に示す図である。なお、この図3では、画素を構成する各素子との対応を分かりやすくするため、図2に示した各素子と対応する素子には図2と共通な符号が使用されている。また、図3では、図面が煩雑になるのを防止するため、図2における増幅トランジスタ104、行選択トランジスタ105およびカラーフィルタ106に相当する部分の図示は省略されている。
<B: Configuration of Imaging Unit 10A>
<B-1: Configuration of Imaging Unit in General CMOS Solid-State Imaging Device>
In order to facilitate understanding of the imaging unit 10A in the present embodiment, the configuration of the imaging unit in a general CMOS solid-state imaging device will be described prior to the description of the configuration of the imaging unit 10A. FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional structure of one pixel of an imaging unit in a general CMOS solid-state imaging device. In FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. 2 are used for the elements corresponding to the elements shown in FIG. 2 for easy understanding of the correspondence with the elements constituting the pixel. Further, in FIG. 3, in order to prevent the drawing from becoming complicated, illustration of portions corresponding to the amplification transistor 104, the row selection transistor 105, and the color filter 106 in FIG. 2 is omitted.

図3に示す例では、画素を構成する各素子は、p型Si基板200に形成されている。なお、本願明細書および図面では、説明の便宜のため、p型Si基板200においてp型不純物がドープされた各領域をpk層(kはp型不純物がドープされた他の領域と区別するためのインデックス)と表記し、n型不純物がドープされた各領域をnk層(kはn型不純物がドープされた他の領域と区別するためのインデックス)と表記する。また、高濃度の不純物がドープされた領域に関しては、例えばn+層という具合に、導電型を示すn等に対して+を添えた表記を用いる場合がある。   In the example shown in FIG. 3, each element constituting the pixel is formed on a p-type Si substrate 200. In the present specification and drawings, for convenience of explanation, each region of the p-type Si substrate 200 doped with a p-type impurity is distinguished from a pk layer (k is different from other regions doped with a p-type impurity). Each region doped with an n-type impurity is denoted as an nk layer (k is an index for distinguishing from other regions doped with an n-type impurity). For a region doped with a high-concentration impurity, for example, an n + layer may be used, and a notation with + added to n indicating the conductivity type may be used.

図3において、p型Si基板200は、裏面側に高濃度のp3層があり、このp3層から基板表面までの区間の殆どの部分は、p3層よりも低濃度のp2層となっている。画素の周辺の領域では、p3層が基板表面から基板裏面まで延びている。そして、p3層は基板表面側において接地されている。PD101は、p2層をアノードとし、基板表面近傍に埋め込まれたn1層をカソードとしている。n1層の直上の基板表面の領域は、p2層よりも濃度の高いp1層となっている。   In FIG. 3, the p-type Si substrate 200 has a high-concentration p3 layer on the back side, and most of the section from the p3 layer to the substrate surface is a p2 layer having a lower concentration than the p3 layer. . In the region around the pixel, the p3 layer extends from the substrate surface to the substrate back surface. The p3 layer is grounded on the substrate surface side. The PD 101 uses the p2 layer as an anode and the n1 layer embedded near the substrate surface as a cathode. The region of the substrate surface immediately above the n1 layer is a p1 layer having a higher concentration than the p2 layer.

転送トランジスタ102は、PD101のカソードであるn1層をソースとし、FD102dであるn+層をドレインとしている。そして、転送パルスTXが与えられる転送トランジスタ102のゲートは、n1層とFD102dであるn+層との間のチャネル形成領域と絶縁膜を挟んで対向している。リセットトランジスタ103は、FD102dであるn+層をドレインとし、基板表面に設けられた他のn+層をソースとしている。ここで、リセットトランジスタ103のソースは、電源電圧VDDに固定されている。そして、リセットパルスRTが与えられるリセットトランジスタ103のゲートは、このドレインおよびソース間のチャネル形成領域と絶縁膜を挟んで対向している。   The transfer transistor 102 uses the n1 layer that is the cathode of the PD 101 as a source and the n + layer that is the FD 102d as a drain. The gate of the transfer transistor 102 to which the transfer pulse TX is applied is opposed to the channel formation region between the n1 layer and the n + layer that is the FD 102d with the insulating film interposed therebetween. The reset transistor 103 uses the n + layer, which is the FD 102d, as a drain and uses another n + layer provided on the substrate surface as a source. Here, the source of the reset transistor 103 is fixed to the power supply voltage VDD. The gate of the reset transistor 103 to which the reset pulse RT is applied is opposed to the channel formation region between the drain and source with the insulating film interposed therebetween.

図4(a)は、PD101が形成されている領域の中心を貫く仮想的な軸に沿った各部の濃度プロファイルを示している。同図において、横軸は基板表面からの深さtであり、縦軸の+方向はアクセプタ濃度、−方向はドナー濃度である。図4(b)〜(d)は図4(a)と横軸を共通にしている。そして、図4(b)は、PD101の形成領域の中心を貫く仮想的な軸に沿った各位置における電界強度を示している。この図4(b)では、基板表面から基板裏面へ向かう電界を正の電界とし、基板裏面から基板表面に向かう電界を負の電界としている。また、図4(c)は、基板表面の電子のポテンシャルを0とし、上記の仮想的に軸に沿った各部の相対的な電子のポテンシャルを示している。なお、本願明細書および図面において、「電子のポテンシャル」は、電子がポテンシャルの高いところから低いところへ移動するようにその高低を定めている。また、図4(d)は上記の仮想的な軸に沿った各位置におけるエネルギーバンドを示している。この図4(d)において、Evは価電子帯の上限のエネルギーレベル、Ecは伝導帯の下限のエネルギーレベルである。そして、図4(b)〜(d)は、n1層が正の電位を持ち、n1層とその周囲のp1層およびp2層との間に逆バイアスが掛かった状態を想定して図示されている。   FIG. 4A shows the concentration profile of each part along a virtual axis passing through the center of the region where the PD 101 is formed. In this figure, the horizontal axis is the depth t from the substrate surface, the + direction on the vertical axis is the acceptor concentration, and the − direction is the donor concentration. 4 (b) to 4 (d) share the horizontal axis with FIG. 4 (a). FIG. 4B shows the electric field strength at each position along a virtual axis passing through the center of the PD101 formation region. In FIG. 4B, the electric field from the substrate surface to the substrate back surface is a positive electric field, and the electric field from the substrate back surface to the substrate surface is a negative electric field. FIG. 4C shows the relative electron potential of each part virtually along the axis, where the electron potential on the substrate surface is zero. In the present specification and drawings, the “electron potential” is determined so that electrons move from a high potential to a low potential. FIG. 4D shows the energy band at each position along the virtual axis. In FIG. 4D, Ev is the upper limit energy level of the valence band, and Ec is the lower limit energy level of the conduction band. 4 (b) to 4 (d) are illustrated assuming that the n1 layer has a positive potential and a reverse bias is applied between the n1 layer and the surrounding p1 and p2 layers. Yes.

図4(a)において、n1層とp2層との接合部では、n1層の多数キャリアである電子がp2層に拡散し、p2層の多数キャリアである正孔がn1層に拡散する。このため、n1層におけるp2層との境界近傍領域は電子が抜けて正に帯電し、p2層におけるn1層との境界近傍領域は正孔が抜けて負に帯電し、n1層とp2層との接合部近傍は空間電荷のみが存在し、キャリアが存在しない空乏層(空間電荷領域)となっている。そして、このn1層とp2層との接合部近傍の空乏層には、図4(b)に示すように、正に帯電しているn1層の電位と負に帯電しているp2層の電位との差である拡散電圧に基づく正の電界が発生する。ここで、n1層とp2層との間に逆バイアスが掛かっている場合には、この逆バイアスが拡散電圧を広げ、拡散電圧に基づく正の電界を強めることとなる。図4(b)に示すように、この正の電界は、n1層とp2層との境界面においてピークとなり、n1層およびp2層の各々において、n1層とp2層との境界面から離れるに従って弱くなる。そして、p2層では、n1層との境界面から離れたところにおいて電界が0となる。この電界が0となる面が空乏層の境界面Sである。   4A, at the junction between the n1 layer and the p2 layer, electrons that are majority carriers in the n1 layer diffuse into the p2 layer, and holes that are majority carriers in the p2 layer diffuse into the n1 layer. For this reason, the region in the vicinity of the boundary with the p2 layer in the n1 layer is positively charged through the removal of electrons, and the region in the vicinity of the boundary with the n1 layer in the p2 layer is negatively charged through the removal of holes. In the vicinity of the junction, only space charge exists, and a depletion layer (space charge region) in which no carrier exists. The depletion layer in the vicinity of the junction between the n1 layer and the p2 layer includes a positively charged potential of the n1 layer and a negatively charged potential of the p2 layer as shown in FIG. 4B. A positive electric field is generated based on the diffusion voltage, which is the difference between. Here, when a reverse bias is applied between the n1 layer and the p2 layer, the reverse bias widens the diffusion voltage and strengthens the positive electric field based on the diffusion voltage. As shown in FIG. 4B, this positive electric field has a peak at the boundary surface between the n1 layer and the p2 layer, and in each of the n1 layer and the p2 layer, as the distance from the boundary surface between the n1 layer and the p2 layer increases. become weak. In the p2 layer, the electric field becomes 0 at a position away from the interface with the n1 layer. The surface where the electric field becomes zero is the depletion layer boundary surface S.

n1層とp2層との接合部近傍の空乏層では、このような電界によって生じるドリフト電流(電界方向の正孔の流れおよび電界と逆方向の電子の流れ)と、上述の拡散に基づく電流とが平衡を保ち、全体として見れば電流の流れていない状態となっている。   In the depletion layer in the vicinity of the junction between the n1 layer and the p2 layer, a drift current (a flow of holes in the direction of the electric field and a flow of electrons in the direction opposite to the electric field) caused by such an electric field, Is balanced, and no current flows when viewed as a whole.

一般的にCMOS固体撮像装置では、図示のように、n1層のドナー濃度よりも高いアクセプタ濃度を持ち、かつ、浅いp1層をn1層の上層として設ける。これは、p2層とn1層との接合により生じる空乏層が、ダングリングボンド(界面準位)の多いp型Si基板200の表面に到達しないようにするとともに、n1層内に発生するポテンシャルの底を余り深いところに位置させないためである。なお、後者のポテンシャルの底については後述する。   In general, in a CMOS solid-state imaging device, as shown in the drawing, an acceptor concentration higher than the donor concentration of the n1 layer and a shallow p1 layer are provided as an upper layer of the n1 layer. This is because the depletion layer generated by the junction between the p2 layer and the n1 layer does not reach the surface of the p-type Si substrate 200 having many dangling bonds (interface states), and the potential generated in the n1 layer is reduced. This is because the bottom is not positioned too deeply. The bottom of the latter potential will be described later.

n1層の上層としてp1層を設けた場合、このn1層とp1層との接合部近傍にも空乏層が生じる。すなわち、n1層とp1層との接合部では、n1層からp1層への電子の拡散およびp1層からn1層への正孔の拡散があり、これらの拡散によりn1層とp1層の接合部近傍には空乏層が生じ、この空乏層には、図4(b)に示すように、n1層からp1層へ向かう負の方向の電界が発生する。図4(b)に示すように、この負の方向の電界は、n1層とp1層との境界面においてピークとなり、n1層およびp1層の各々において、n1層とp1層との境界面から離れるに従って弱くなる。そして、p1層においてn1層との境界面から離れたところにある電界が0の面が空乏層の他の境界面Sとなる。一般的にCMOS固体撮像装置では、基板表面から深さ方向に僅かに進んだところにこのp1層内の空乏層の境界面Sが生じるように、p1層の濃度が調整される。   When the p1 layer is provided as an upper layer of the n1 layer, a depletion layer is also generated near the junction between the n1 layer and the p1 layer. That is, at the junction between the n1 layer and the p1 layer, there is diffusion of electrons from the n1 layer to the p1 layer and diffusion of holes from the p1 layer to the n1 layer, and these diffusions cause a junction between the n1 layer and the p1 layer. A depletion layer is generated in the vicinity, and an electric field in a negative direction from the n1 layer to the p1 layer is generated in the depletion layer as shown in FIG. 4B. As shown in FIG. 4B, the electric field in the negative direction has a peak at the boundary surface between the n1 layer and the p1 layer, and from each of the n1 layer and the p1 layer, the boundary surface between the n1 layer and the p1 layer. It gets weaker as you leave. In the p1 layer, the surface where the electric field is zero away from the boundary surface with the n1 layer becomes the other boundary surface S of the depletion layer. In general, in the CMOS solid-state imaging device, the concentration of the p1 layer is adjusted so that the depletion layer boundary surface S in the p1 layer is generated at a position slightly advanced in the depth direction from the substrate surface.

図4(b)に示す電界の強度を基板の深さ方向に沿って積分すると、図4(c)に示すポテンシャルカーブが得られる。p1層とn1層との境界近傍において基板裏面側から基板表面側へと向かう負の電界が生じている領域では、図4(c)に示すように、基板表面側から基板裏面側に向かうに従って電子のポテンシャルが低下する。そして、負方向の電界がピークとなるp1層とn1層の境界にはポテンシャルカーブの変曲点b1が生じる。一方、n1層とp2層との境界近傍において基板表面側から基板裏面側へと向かう正の電界が生じている領域では、図4(c)に示すように、基板裏面側から基板表面側に向かうに従って電子のポテンシャルが低下する。そして、正方向の電界がピークとなるn1層とp2層の境界にはポテンシャルカーブの変曲点b3が生じる。n1層の内部には、電界が0となる点があり、この点において、ポテンシャルが極小値b2となる。このポテンシャルb2が上述したポテンシャルの底である。基板内において光電効果により発生した電子は、このポテンシャルの底b2に集まる。   When the electric field strength shown in FIG. 4B is integrated along the depth direction of the substrate, a potential curve shown in FIG. 4C is obtained. In a region where a negative electric field from the substrate back side to the substrate surface side is generated near the boundary between the p1 layer and the n1 layer, as shown in FIG. Electron potential decreases. An inflection point b1 of the potential curve occurs at the boundary between the p1 layer and the n1 layer where the negative electric field peaks. On the other hand, in a region where a positive electric field is generated from the substrate surface side to the substrate back surface side in the vicinity of the boundary between the n1 layer and the p2 layer, as shown in FIG. The electron potential decreases as it goes. An inflection point b3 of the potential curve occurs at the boundary between the n1 layer and the p2 layer where the electric field in the positive direction peaks. Inside the n1 layer, there is a point where the electric field becomes 0, and at this point, the potential becomes the minimum value b2. This potential b2 is the bottom of the potential described above. Electrons generated by the photoelectric effect in the substrate gather at the bottom b2 of this potential.

ポテンシャルの底b2に集まる電子が少ない場合、電子は、局所的なポテンシャルの底b2の位置に溜まる。しかし、ポテンシャルの底b2に集まる電子が多くなり、その電荷密度がn1層の不純物濃度と同じになると、電子は、それまで局所的であったポテンシャルの底b2の存在領域を広げつつ、このフラットなポテンシャルの底b2のある領域に溜まる。このようにポテンシャルの底b2の領域が広がるのに伴い、その分だけn1層の周囲の空乏層は小さくなる。   When few electrons collect at the bottom b2 of the potential, the electrons accumulate at the position of the bottom b2 of the local potential. However, when more electrons gather at the bottom b2 of the potential and the charge density becomes the same as the impurity concentration of the n1 layer, the electron expands the existing region of the potential bottom b2 that has been localized until then, and this flat It accumulates in a region with a bottom b2 of a great potential. As the potential bottom b2 region expands in this way, the depletion layer around the n1 layer is reduced accordingly.

n1層内のポテンシャルの底b2に溜まった電子は、図3における転送トランジスタ102がON状態になることにより、FD102dに転送される。そして、このFD102dに転送された電子が電気信号として読み出されるのである。   The electrons accumulated at the bottom b2 of the potential in the n1 layer are transferred to the FD 102d when the transfer transistor 102 in FIG. 3 is turned on. The electrons transferred to the FD 102d are read out as electric signals.

<B−2:リークの低減を図った撮像部の画素の構成>
画素からの信号読み出し時に画素への入射光量が多い場合、読み出される画素信号中のノイズでは光ショットノイズが支配的となり、リークノイズは無視することができる。しかし、画素からの信号読み出し時に画素への入射光がない場合、または入射光があってもその光量が著しく低い場合、画素信号中のノイズではリークノイズが大きなウェイトを占める。このリークノイズを低減するためには、FD102dに電源電圧VDDを与えるリセット動作が行われた後、転送トランジスタ102がONとなってPD101のn1層に電源電圧VDDが与えられ、n1層と周囲のp1層およびp2層との間に最大の逆バイアスが掛かったときのリーク電流を低減する必要がある。
<B-2: Configuration of Pixels in Imaging Unit for Leak Reduction>
If the amount of light incident on the pixel is large when reading a signal from the pixel, the light shot noise is dominant in the noise in the read pixel signal, and the leak noise can be ignored. However, when there is no incident light on the pixel when reading a signal from the pixel, or when the amount of incident light is extremely low even when there is incident light, leak noise occupies a large weight in the noise in the pixel signal. In order to reduce this leakage noise, after the reset operation for applying the power supply voltage VDD to the FD 102d is performed, the transfer transistor 102 is turned on, and the power supply voltage VDD is supplied to the n1 layer of the PD 101. It is necessary to reduce the leakage current when the maximum reverse bias is applied between the p1 layer and the p2 layer.

ここで、n1層と周辺のp2層またはp1層との接合により生じる空乏層において、入射光がない状態または極めて少ない状態では光電効果による価電子帯から伝導帯への電子の励起はない。また、空乏層の内部では、熱による価電子帯から伝導帯への電子の励起の確率も低く、この熱励起に起因したリークの発生は無視することができる。無視し得ないリークとなり得るのは、空乏層の境界面Sを経由したリークである。   Here, in the depletion layer generated by the junction of the n1 layer and the surrounding p2 layer or the p1 layer, there is no excitation of electrons from the valence band to the conduction band due to the photoelectric effect in a state where there is no incident light or a very small amount. Further, inside the depletion layer, the probability of excitation of electrons from the valence band to the conduction band due to heat is low, and the occurrence of leakage due to this thermal excitation can be ignored. A leak that cannot be ignored is a leak that passes through the boundary surface S of the depletion layer.

図4(d)において、p1層内またはp2層内の空乏層の境界面S近傍において熱励起による伝導帯電子が発生した場合、この少数キャリアである電子が空乏層の境界面Sを経由してn1層内のポテンシャルの底b2に移動することが起こり得る(すなわち、基板からn1層へのリーク電流が発生する)。このようにして発生するリーク電流の大きさは、p1層内の空乏層の境界面S近傍およびp2層内の空乏層の境界面S近傍の各々における少数キャリア密度Np1およびNp2に比例する。ここで、各境界面S近傍における少数キャリア密度Np1およびNp2は、それらの各位置におけるフェルミ−ディラク分布関数と伝導帯の状態密度関数の積により与えられる。そして、温度が高くなるほど高くなる程、少数キャリア密度は高くなるが、その際に、各位置での不純物濃度が高くなる程、温度上昇に伴う少数キャリア密度の増加の程度は小さくなる。従って、リーク電流を低減するためには、リセット時においてn1層とp1層およびp2層との間に最大の逆方向バイアスが掛かったときの空乏層の境界面Sの位置を求め、基板内におけるその境界面S近傍のp型不純物の濃度を高くしておくことが効果的である。   In FIG. 4D, when conduction band electrons are generated by thermal excitation near the boundary surface S of the depletion layer in the p1 layer or the p2 layer, the electrons as minority carriers pass through the boundary surface S of the depletion layer. Then, it may occur that the potential moves to the bottom b2 of the potential in the n1 layer (that is, a leak current from the substrate to the n1 layer occurs). The magnitude of the leak current generated in this way is proportional to the minority carrier densities Np1 and Np2 in the vicinity of the boundary surface S of the depletion layer in the p1 layer and in the vicinity of the boundary surface S of the depletion layer in the p2 layer. Here, the minority carrier densities Np1 and Np2 in the vicinity of each boundary surface S are given by the product of the Fermi-Dirac distribution function and the state density function of the conduction band at their respective positions. The higher the temperature, the higher the minority carrier density. At this time, the higher the impurity concentration at each position, the smaller the minority carrier density increases with increasing temperature. Therefore, in order to reduce the leakage current, the position of the boundary surface S of the depletion layer when the maximum reverse bias is applied between the n1 layer, the p1 layer, and the p2 layer at the time of resetting is obtained. It is effective to increase the concentration of the p-type impurity in the vicinity of the boundary surface S.

図5は、このような考えに従ってリーク対策を施した撮像部の画素の構成例を示す断面図である。また、図6は、図5に示す画素において、PD101の形成領域の中心を貫く仮想的な軸に沿った濃度プロファイルおよびエネルギーバンドを示すものである。   FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a pixel of an imaging unit in which leakage countermeasures are taken in accordance with such a concept. FIG. 6 shows a density profile and an energy band along a virtual axis passing through the center of the formation region of the PD 101 in the pixel shown in FIG.

この例における画素では、図3に示す画素よりもp3層のp2層との境界面をn1層側に近づけ、リセット時にn1層とp2層との接合により発生する空乏層の境界面Sがp3層内に発生するようにしている。そして、リセット時に空乏層の境界面Sが発生するp1層およびp3層のアクセプタ濃度をp2層よりも十分に高くし、各層内の各境界面Sに発生する少数キャリア密度Np1およびNp3が十分に低くなるようにしている。従って、図5に示す構成によれば、図3に示す構成よりも、リセット時のリーク電流を低減することができる。   In the pixel in this example, the boundary surface between the p3 layer and the p2 layer is closer to the n1 layer side than the pixel shown in FIG. 3, and the boundary surface S of the depletion layer generated by the junction between the n1 layer and the p2 layer at the reset is p3. To occur in the layer. The acceptor concentration of the p1 layer and the p3 layer where the depletion layer boundary surface S is generated at the time of reset is sufficiently higher than that of the p2 layer, and the minority carrier density Np1 and Np3 generated at each boundary surface S in each layer is sufficiently high. I try to lower it. Therefore, according to the configuration shown in FIG. 5, the leakage current at the time of reset can be reduced as compared with the configuration shown in FIG.

なお、図6では、図示が煩雑になるのを防止するため、p1層およびp2層の不純物濃度分布を正方形状に描いているが、リセット時における空乏層の境界面Sの位置において不純物濃度が最大値となるような不純物濃度プロファイルとすることが好ましい。また、p2層は、p型層であればよく、そのアクセプタ濃度は限りなく0に近くてもよい。   In FIG. 6, in order to prevent the illustration from becoming complicated, the impurity concentration distributions of the p1 layer and the p2 layer are drawn in a square shape. However, the impurity concentration at the position of the boundary surface S of the depletion layer at the time of resetting is illustrated. It is preferable that the impurity concentration profile has a maximum value. The p2 layer may be a p-type layer, and its acceptor concentration may be as close to 0 as possible.

<B−3:本実施形態による撮像部10Aの構成>
図7は、本実施形態による撮像部10Aの画素10の断面構造を示す図である。図7に示すように、本実施形態による画素10では、p3層の下層として、n1層よりも高濃度のn2層が設けられている。このn2層には、前掲図1のタイミングジェネレータ50から制御電圧Vsbが与えられる。n2層は、p型Si基板200の裏面からn型不純物をドーズすることにより形成したものでもよく、p型Si基板200内の埋め込み層であってもよい。また、本実施形態による画素10では、転送トランジスタ102のゲート直下の領域において、p2層が転送トランジスタ102のゲートの方向に向けて突出している。また、p2層が転送トランジスタ102のゲートの直下のp型Si基板200の表面領域から僅かに下方の領域には、p2層よりもアクセプタ濃度の高いp4層が埋め込まれている。
<B-3: Configuration of Imaging Unit 10A According to the Present Embodiment>
FIG. 7 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the pixel 10 of the imaging unit 10A according to the present embodiment. As shown in FIG. 7, in the pixel 10 according to the present embodiment, an n2 layer having a higher concentration than the n1 layer is provided as a lower layer of the p3 layer. A control voltage Vsb is applied to the n2 layer from the timing generator 50 shown in FIG. The n2 layer may be formed by doping n-type impurities from the back surface of the p-type Si substrate 200, or may be a buried layer in the p-type Si substrate 200. In the pixel 10 according to the present embodiment, the p2 layer protrudes toward the gate of the transfer transistor 102 in a region immediately below the gate of the transfer transistor 102. A p4 layer having a higher acceptor concentration than the p2 layer is buried in a region slightly below the surface region of the p-type Si substrate 200 immediately below the gate of the transfer transistor 102.

このp4層の濃度プロファイルは、次の条件を満たすように決定される。
a.転送トランジスタ102のゲートに電源電圧VDDを与えてON状態としたとき、PD101からFD102dへの電流パス上のポテンシャルが単調減少すること。
b.PD101からFD102dへの電流パスが転送トランジスタ102のゲート直下のp型Si基板200の表面に接しないこと。
c.転送トランジスタ102をOFF状態にしたとき、PD101とFD102dとの間に十分なポテンシャル障壁が生じること。
The concentration profile of the p4 layer is determined so as to satisfy the following condition.
a. When the power supply voltage VDD is applied to the gate of the transfer transistor 102 to turn it on, the potential on the current path from the PD 101 to the FD 102d decreases monotonously.
b. The current path from the PD 101 to the FD 102d does not contact the surface of the p-type Si substrate 200 immediately below the gate of the transfer transistor 102.
c. When the transfer transistor 102 is turned off, a sufficient potential barrier is generated between the PD 101 and the FD 102d.

さらに転送トランジスタ102のフリッカノイズを抑えるために、次の条件を満たすようにp4層の濃度プロファイルを決定するのが好ましい。
d.転送トランジスタ102のゲート直下の領域を垂直に貫く仮想的な軸に沿った各位置での電子のポテンシャルが図8に示すようなカーブを描くこと。
すなわち、次の条件を満たすこと。
d1.p型Si基板200の表面の界面電位よりもポテンシャルが低いポテンシャルのディップが基板表面から離れた位置に発生すること。このポテンシャルのディップの生じる領域がPD101からFD102dへの電流パスとなる。
d2.p型Si基板200の表面のポテンシャルDは基板表面の界面準位よりも高く、基板表面近傍では、表面から深さ方向に所定距離だけ進むまでの区間にポテンシャル障壁Vがあること。
Further, in order to suppress flicker noise of the transfer transistor 102, it is preferable to determine the concentration profile of the p4 layer so as to satisfy the following condition.
d. The potential of electrons at each position along a virtual axis that vertically penetrates the region directly below the gate of the transfer transistor 102 draws a curve as shown in FIG.
That is, the following conditions must be satisfied.
d1. A dip having a potential lower than the interface potential on the surface of the p-type Si substrate 200 is generated at a position away from the substrate surface. A region where this potential dip occurs is a current path from the PD 101 to the FD 102d.
d2. The potential D on the surface of the p-type Si substrate 200 is higher than the interface state on the substrate surface, and there is a potential barrier V in the vicinity of the substrate surface in the interval from the surface to the predetermined distance in the depth direction.

ここで、ポテンシャル障壁Vの大きさは次式を満たしていればよい。
V>>kT/e=0.0259(V) ……(1)
ただし、上記式(1)においてkはボルツマン定数、TはCMOS固体撮像装置の使用環境における絶対温度である。ここで、ポテンシャル障壁Vの基板深さ方向の幅が狭くなって、トンネル電流により電子がポテンシャル障壁を通過することのないようにする必要がある。こうすることで、転送トランジスタ102のゲート直下の基板表面において、価電子帯の電子が界面準位を通じて、PD101からFD102dへの電流パスに流れ込むのを防止することができる。
Here, the size of the potential barrier V only needs to satisfy the following equation.
V >> kT / e = 0.0259 (V) (1)
However, in said Formula (1), k is a Boltzmann constant and T is the absolute temperature in the use environment of a CMOS solid-state imaging device. Here, it is necessary to make the width of the potential barrier V in the substrate depth direction narrow so that electrons do not pass through the potential barrier due to the tunnel current. By doing so, it is possible to prevent electrons in the valence band from flowing into the current path from the PD 101 to the FD 102d through the interface state on the substrate surface immediately below the gate of the transfer transistor 102.

図8に示すようなポテンシャルカーブが決定された場合、必要な濃度プロファイルは、例えばポテンシャルカーブ上のポテンシャルφから次式により算出することが可能である。
ρ=εεΔφ ……(2)
ここで、ρは電荷密度(すなわち、不純物濃度)、εは比誘電率、εは真空の誘電率、Δはラプラシアン演算子である。すなわち、図8に示すような必要なポテンシャルカーブを描き、このカーブを深さtにより2回微分すればよい。
When the potential curve as shown in FIG. 8 is determined, the necessary concentration profile can be calculated from the potential φ on the potential curve, for example, by the following equation.
ρ = ε s ε 0 Δφ (2)
Here, ρ is a charge density (that is, impurity concentration), ε s is a relative dielectric constant, ε 0 is a vacuum dielectric constant, and Δ is a Laplacian operator. That is, a necessary potential curve as shown in FIG. 8 is drawn, and this curve may be differentiated twice by the depth t.

図9(a)は、図7に示す構成においてPD101の形成領域の中心を基板表面から基板裏面の方向に横切る仮想軸に沿った濃度プロファイルを示すものである。この図9(a)に示す濃度プロファイルは、p3層の不純物濃度を前掲図5の構成と同様な濃度にした場合を想定している。また、図9(b)は、図7に示す構成において、図9(a)に示す濃度プロファイルを採用した場合のエネルギーバンド図である。   FIG. 9A shows a concentration profile along a virtual axis that crosses the center of the formation region of the PD 101 in the configuration shown in FIG. 7 from the substrate surface to the substrate back surface. The concentration profile shown in FIG. 9A assumes a case where the impurity concentration of the p3 layer is set to the same concentration as that of the configuration shown in FIG. FIG. 9B is an energy band diagram when the concentration profile shown in FIG. 9A is adopted in the configuration shown in FIG.

図9(a)に示す例では、前掲図5の構成と同様、n1層およびp2層の接合に最大の逆バイアス(画素10のリセット直後の逆バイアス)が掛かっている状態において、n1およびp2層の接合より生じる空乏層の界面Sが高濃度のp3層内部に到達している。この空乏層の界面Sには、熱励起による少数キャリアNp3が発生している。p3層が高濃度である場合には、この少数キャリアNp3の密度は低く、これに起因したリーク電流の電流値は小さい。しかし、それでも少数キャリアNp3がある以上は、それに応じたリーク電流は流れる。そこで、本実施形態では、この少数キャリアNp3が発生する空乏層の界面Sをなくす。以下、その詳細を説明する。   In the example shown in FIG. 9A, in the state where the maximum reverse bias (reverse bias immediately after the reset of the pixel 10) is applied to the junction of the n1 layer and the p2 layer as in the configuration of FIG. 5 described above, n1 and p2 The interface S of the depletion layer generated from the junction of the layers reaches the inside of the high concentration p3 layer. Minority carriers Np3 are generated by thermal excitation at the interface S of the depletion layer. When the p3 layer has a high concentration, the density of this minority carrier Np3 is low, and the current value of the leakage current resulting from this is small. However, as long as there is a minority carrier Np3, a leak current corresponding to the minority carrier Np3 flows. Therefore, in this embodiment, the interface S of the depletion layer where the minority carrier Np3 is generated is eliminated. Details will be described below.

本実施形態による画素10では、図7に示すように、p3層の下層にn2層があり、このp3層とn2層との接合部近傍には空乏層が発生している。ここで、p3層の濃度を低くしてゆくと、図9(a)に示すp3層内の空乏層の界面Sはより深い方向(基板裏面のある方向)へと移動する。そして、p3層の濃度を必要なだけ低下させることにより、p3層内において、n1層側から延びた空乏層(n1層とp2層の接合により生じた空乏層)をn2層側から延びた空乏層(p3層とn2層の接合により生じた空乏層)に繋げることができる。   In the pixel 10 according to the present embodiment, as shown in FIG. 7, there is an n2 layer below the p3 layer, and a depletion layer is generated in the vicinity of the junction between the p3 layer and the n2 layer. Here, when the concentration of the p3 layer is lowered, the interface S of the depletion layer in the p3 layer shown in FIG. 9A moves in a deeper direction (a direction with the substrate back surface). Then, by reducing the concentration of the p3 layer as necessary, a depletion layer extending from the n1 layer side (a depletion layer generated by the junction of the n1 layer and the p2 layer) in the p3 layer is extended from the n2 layer side. Layer (a depletion layer generated by the junction of the p3 layer and the n2 layer).

図10(a)はそのような状態における濃度プロファイルを示すものである。図10(b)〜(e)は図10(a)の濃度プロファイルを採用した場合における各部の電子のポテンシャルを示すものである。さらに詳述すると、図10(b)および(c)は、制御電圧Vsbが0Vに極めて近い値である場合の各部のポテンシャルを示すものであり、図10(b)はn1層に電荷が蓄積されておらず、完全空乏状態にある場合のポテンシャルを、図10(c)はn1層に飽和状態付近まで電子が蓄積されている場合のポテンシャルを各々示している。また、図10(d)および(e)は、制御電圧Vsbが0Vよりも十分に高い所定の値である場合の各部のポテンシャルを示すものであり、図10(d)はn1層に電荷が蓄積されておらず、完全空乏状態にある場合のポテンシャルを、図10(e)はn1層に飽和状態付近まで電子が蓄積されている場合のポテンシャルを各々示している。   FIG. 10A shows the density profile in such a state. FIGS. 10B to 10E show the electron potential of each part when the concentration profile of FIG. 10A is adopted. More specifically, FIGS. 10B and 10C show the potential of each part when the control voltage Vsb is very close to 0 V, and FIG. 10B shows the accumulation of charges in the n1 layer. FIG. 10C shows the potential when electrons are accumulated in the n1 layer up to the vicinity of the saturation state. FIGS. 10D and 10E show the potential of each part when the control voltage Vsb is a predetermined value sufficiently higher than 0 V. FIG. 10D shows the charge in the n1 layer. FIG. 10E shows the potential in the case where electrons are accumulated in the n1 layer up to the vicinity of the saturation state.

図10(b)に示す例では、p3層内のn2層との接合部近傍において、n1層側から延びた空乏層D1とn2層側から延びた空乏層D2とが繋がっている。この空乏層D1と空乏層D2との接続箇所は、やはり空乏であるので、ここには熱励起による少数キャリアは発生しない。また、空乏層D1では基板表面側から基板裏面側に向かうに従ってポテンシャルが上昇し、空乏層D2では基板裏面側から基板表面側に向かうに従ってポテンシャルが上昇するため、空乏層D1およびD2の接続部においてポテンシャルのピークが発生する。このポテンシャルのピークは、n1層およびn2層間の電荷の移動を妨げるポテンシャル障壁となるものであり、十分に高いことが好ましい。このような構成によれば、PD101の形成領域において基板深部からn1層へのリークを防止することができる。   In the example shown in FIG. 10B, in the vicinity of the junction with the n2 layer in the p3 layer, the depletion layer D1 extending from the n1 layer side and the depletion layer D2 extending from the n2 layer side are connected. Since the connection portion between the depletion layer D1 and the depletion layer D2 is also depleted, minority carriers due to thermal excitation are not generated here. In the depletion layer D1, the potential increases from the substrate surface side to the substrate back surface side, and in the depletion layer D2, the potential increases from the substrate back surface side to the substrate surface side. Therefore, at the connection portion of the depletion layers D1 and D2 A potential peak occurs. This potential peak serves as a potential barrier that prevents the movement of charges between the n1 layer and the n2 layer, and is preferably sufficiently high. According to such a configuration, it is possible to prevent leakage from the deep portion of the substrate to the n1 layer in the PD101 formation region.

好ましい態様では、同様な原理に基づくリーク防止策が基板表面に平行な水平方向のリークについても適用される。さらに詳述すると、隣接する画素10間において、一方の画素10のPD101のn2層側から延びた空乏層と他方の画素10のPD101のn2層側から延びた空乏層が繋がるようにする。また、各画素10内においてPD101のn2層側から延びた空乏層とFD102d側から延びた空乏層が繋がるようにする。ただし、2つの空乏層の接続部に発生するポテンシャル障壁は十分に高くなるように各部の濃度調整をすることが必要である。   In a preferred embodiment, a leak prevention measure based on the same principle is applied to a horizontal leak parallel to the substrate surface. More specifically, a depletion layer extending from the n2 layer side of the PD 101 of one pixel 10 and a depletion layer extending from the n2 layer side of the PD 101 of the other pixel 10 are connected between adjacent pixels 10. Further, in each pixel 10, the depletion layer extending from the n2 layer side of the PD 101 and the depletion layer extending from the FD 102d side are connected. However, it is necessary to adjust the concentration of each part so that the potential barrier generated at the connection part of the two depletion layers is sufficiently high.

リーク対策を施す対象としては、以上述べた以外に、PD101のn2層からp型Si基板200の表面までの区間が考えられる。CMOS固体撮像装置において短波長域での受光を犠牲にしてもよい場合には、この区間のリークをなくすための構成として次のものを採用可能である。まず、n1層の直上の基板表面領域の上にゲート酸化膜(SiO膜)を設け、その上にn1層の直上の基板表面領域と対向するゲート電極を設ける。そして、このゲート電極に正の電圧を与えることにより、基板表面側から深さ方向に延び、n1層とp1層との接合により生じた空乏層と繋がる空乏層をp1層内に発生させる。これにより基板表面の界面準位とn1層内のポテンシャルの底との間の電子の移動を妨げるポテンシャル障壁が得られる。 In addition to the above, the section from the n2 layer of the PD 101 to the surface of the p-type Si substrate 200 can be considered as a target for taking measures against leakage. In a CMOS solid-state imaging device, when light reception in a short wavelength region may be sacrificed, the following can be adopted as a configuration for eliminating leakage in this section. First, a gate oxide film (SiO 2 film) is provided on the substrate surface region immediately above the n1 layer, and a gate electrode facing the substrate surface region immediately above the n1 layer is provided thereon. By applying a positive voltage to the gate electrode, a depletion layer extending in the depth direction from the substrate surface side and connected to the depletion layer generated by the junction of the n1 layer and the p1 layer is generated in the p1 layer. This provides a potential barrier that prevents the movement of electrons between the interface state on the substrate surface and the bottom of the potential in the n1 layer.

以上の全てのリーク対策を施すことにより、n1層の内部のポテンシャルの底の発生位置を全方位から囲むように、ポテンシャル障壁となる空乏層の接続部の包絡面を形成することができる。従って、p型Si基板200が無欠陥な結晶であり、かつ、価電子帯から
伝導帯への電子の励起がなければリークフリーとなる。
By taking all the above countermeasures against leakage, it is possible to form the envelope surface of the connection portion of the depletion layer serving as the potential barrier so as to surround the generation position of the bottom of the potential inside the n1 layer from all directions. Therefore, if the p-type Si substrate 200 is a defect-free crystal and there is no excitation of electrons from the valence band to the conduction band, the leakage is free.

次に、本実施形態による画素10の最大の特徴である電子の収集範囲の制御機能について説明する。図10(b)において、n1層側から延びた空乏層D1内には基板裏面側から基板表面側に向かう正の電界が発生している。一方、n2層側から延びた空乏層D2内には基板表面側から基板裏面側に向かう負の電界が発生している。従って、光電効果により発生したp型Si基板200内に発生した電子のうち空乏層D1内の電子がn1層内のポテンシャルの底に集まる。すなわち、空乏層D1の範囲が光電効果によって発生した電子の収集範囲となる。   Next, the control function of the electron collection range, which is the greatest feature of the pixel 10 according to the present embodiment, will be described. In FIG. 10B, a positive electric field is generated in the depletion layer D1 extending from the n1 layer side from the substrate back side to the substrate surface side. On the other hand, in the depletion layer D2 extending from the n2 layer side, a negative electric field is generated from the substrate surface side to the substrate back side. Accordingly, among the electrons generated in the p-type Si substrate 200 generated by the photoelectric effect, the electrons in the depletion layer D1 gather at the bottom of the potential in the n1 layer. That is, the range of the depletion layer D1 is a collection range of electrons generated by the photoelectric effect.

制御電圧Vsbが0Vに近く、図10(b)に示すように、空乏層D1が基板表面から深いところまで延びている場合には、波長の短い光が基板表面から浅いところにおいて発生させた電子だけでなく、波長の長い光が基板表面から深いところにおいて発生させた電子もn1層内のポテンシャルの底に集まる。   When the control voltage Vsb is close to 0 V and the depletion layer D1 extends from the substrate surface to a deep position as shown in FIG. 10B, electrons having short wavelengths are generated at a shallow position from the substrate surface. In addition, electrons generated by light having a long wavelength deep from the substrate surface also gather at the bottom of the potential in the n1 layer.

n2層に与える制御電圧Vsbが0Vに近い値から0Vよりも十分に大きな所定の値に切り換えられると、ポテンシャルカーブは図10(b)に示すものから図10(d)に示すものへと変化する。図10(d)に示すように、制御電圧Vsbが大きくなると、深さ方向における空乏層D2の寸法が長くなり、その分だけ空乏層D1の寸法が短くなり、空乏層D1およびD2の接続部はn1層側に移動する。すなわち、光電効果によって発生した電子の収集範囲は、図10(b)に示すものに比べて狭くなる。これは、制御電圧Vsbが大きくなると、n2層とp3層との接合に生じる拡散電圧がその分だけ増加し、空乏層D2が厚みを増すからである。   When the control voltage Vsb applied to the n2 layer is switched from a value close to 0V to a predetermined value sufficiently larger than 0V, the potential curve changes from that shown in FIG. 10 (b) to that shown in FIG. 10 (d). To do. As shown in FIG. 10 (d), when the control voltage Vsb is increased, the dimension of the depletion layer D2 in the depth direction is lengthened, and the dimension of the depletion layer D1 is shortened accordingly, and the connection part of the depletion layers D1 and D2 is increased. Moves to the n1 layer side. That is, the collection range of electrons generated by the photoelectric effect is narrower than that shown in FIG. This is because when the control voltage Vsb increases, the diffusion voltage generated at the junction between the n2 layer and the p3 layer increases correspondingly, and the depletion layer D2 increases in thickness.

制御電圧Vsbが0Vよりも十分に大きく、図10(d)に示すように、空乏層D1が基板表面から浅いところまでしか延びていない場合には、波長の短い光が基板表面から浅いところにおいて発生させた電子のみがn1層内のポテンシャルの底に集まる。   When the control voltage Vsb is sufficiently larger than 0V and the depletion layer D1 extends only to a shallow part from the substrate surface as shown in FIG. 10D, light having a short wavelength is shallow at the substrate surface. Only the generated electrons gather at the bottom of the potential in the n1 layer.

以上のように、本実施形態における画素10では、制御電圧Vsbを変化させることにより光電効果によって発生した電子の収集範囲を変化させ、長波長帯域における受光感度を制御することができる。   As described above, in the pixel 10 according to this embodiment, the collection range of electrons generated by the photoelectric effect can be changed by changing the control voltage Vsb, and the light receiving sensitivity in the long wavelength band can be controlled.

以上の効果は、暗い環境の中で撮影を行ったり、低照度の被写体の撮像を行う場合等、画素のn1層に蓄積される電荷の量が極めて少ない場合に顕著に現れる。画素の照度が高くなると、n1層内に電荷蓄積領域ができるため、図10(c)および(e)に示すように、n1層とp2層との接合により生じる空乏層D1の厚みが減り、基板深部まで届かなくなる。このため、制御電圧Vsbが0Vに近い状態では、図10(c)に示すように、空乏層D1は空乏層D2から離れる。制御電圧Vsbが0Vよりも十分に大きい状態では、空乏層D2自体が十分に厚いため、n1層への電荷の蓄積が多くなって空乏層D1の厚みが減っても空乏層D1およびD2は接続された状態を維持するが、図10(e)に示すように、空乏層D1およびD2の接続部の位置は、n1層に電荷が蓄積されていない場合(図10(d)参照)に比べて、微妙に基板表面方向に移動する。この接続部の移動量は、p2層とp3層の濃度比に依存するが、p2層の濃度がp3層の濃度に比べて十分に高い場合には、無視できる程度の移動量にすることができる。従って、制御電圧Vsbを0Vよりも十分に高くした場合には、n1層への電荷の蓄積量の大小に拘わらず、光電効果により生じた電荷の収集範囲をほぼ一定に保つことができる。   The above effects are prominent when the amount of charge accumulated in the n1 layer of the pixel is extremely small, such as when shooting in a dark environment or when shooting an object with low illuminance. When the illuminance of the pixel is increased, a charge accumulation region is formed in the n1 layer, and as shown in FIGS. 10C and 10E, the thickness of the depletion layer D1 generated by the junction of the n1 layer and the p2 layer is reduced. It will not reach the deep part of the board. For this reason, when the control voltage Vsb is close to 0 V, the depletion layer D1 is separated from the depletion layer D2, as shown in FIG. In the state where the control voltage Vsb is sufficiently larger than 0V, the depletion layer D2 itself is sufficiently thick. Therefore, even if the accumulation of charges in the n1 layer increases and the thickness of the depletion layer D1 decreases, the depletion layers D1 and D2 are connected. However, as shown in FIG. 10E, the position of the connection part of the depletion layers D1 and D2 is compared with the case where no charge is accumulated in the n1 layer (see FIG. 10D). Move slightly toward the substrate surface. The amount of movement of the connecting portion depends on the concentration ratio of the p2 layer and the p3 layer, but if the concentration of the p2 layer is sufficiently higher than the concentration of the p3 layer, the amount of movement should be negligible. it can. Therefore, when the control voltage Vsb is sufficiently higher than 0 V, the charge collection range generated by the photoelectric effect can be kept almost constant regardless of the amount of charge accumulated in the n1 layer.

以上をまとめると、本実施形態の効果は次のようになる。すなわち、本実施形態によれば、制御電圧Vsbを0Vに近い値にすることにより、n1層への電荷の蓄積が少ない期間、電荷の収集範囲を基板表面から深いところまで広げることができ、制御電圧Vsbを0Vより十分高い値にすることにより、n1層における電荷の蓄積量の大小に拘わらず、電荷の収集範囲を基板表面近くの一定位置に維持することができる。従って、本実施形態によれば、制御電圧Vsbを小さくすることにより、画素信号に含まれる長波長域の成分に対応した信号成分の比率を増やし、制御電圧Vsbを大きくすることにより、画素信号に含まれる長波長域の成分に対応した信号成分の比率を減らすことができる。   In summary, the effects of the present embodiment are as follows. That is, according to the present embodiment, by setting the control voltage Vsb to a value close to 0 V, the charge collection range can be extended from the substrate surface to a deep place during a period when the charge accumulation in the n1 layer is small. By setting the voltage Vsb to a value sufficiently higher than 0 V, the charge collection range can be maintained at a certain position near the substrate surface regardless of the amount of charge accumulation in the n1 layer. Therefore, according to the present embodiment, by reducing the control voltage Vsb, the ratio of the signal component corresponding to the component in the long wavelength region included in the pixel signal is increased, and by increasing the control voltage Vsb, It is possible to reduce the ratio of the signal component corresponding to the included component in the long wavelength region.

ここで、具体例を挙げ、本実施形態の作用効果についてさらに詳しく説明する。図11(a)および(b)は、前掲図9の撮像部10AにおいてPD形成領域の中心を通る仮想軸に沿った濃度プロファイルの例を示すものである。ここで、図11(a)では、p型不純物の濃度を正の濃度、n型不純物の濃度を負の濃度として示している。また、図11(b)は、不純物の導電型を無視し、濃度の大きさを常用対数表示している。そして、図11(a)および(b)では、p1層、n1層、p2層、p3層の基板表面からの深さ方向の厚さを明らかにしている。なお、これらの各図では、n2層の濃度は図示が省略されている。   Here, a specific example is given and the effect of this embodiment is demonstrated in detail. FIGS. 11A and 11B show examples of density profiles along a virtual axis passing through the center of the PD formation region in the imaging unit 10A shown in FIG. Here, in FIG. 11A, the p-type impurity concentration is shown as a positive concentration, and the n-type impurity concentration is shown as a negative concentration. FIG. 11B ignores the conductivity type of impurities and displays the magnitude of concentration in common logarithm. In FIGS. 11A and 11B, the thicknesses of the p1, n1, p2, and p3 layers in the depth direction from the substrate surface are clarified. In each of these drawings, the concentration of the n2 layer is not shown.

図11(c)および(d)は、図11(a)および(b)に示す濃度プロファイルを想定して、PD形成領域の中心を通る仮想軸に沿ったポテンシャルカーブをシミュレーションにより求めた結果を示すものであり、図11(c)は制御電圧Vsbが0Vの場合のポテンシャルカーブ、図11(d)は制御電圧Vsbが0.33Vの場合のポテンシャルカーブを各々示している。制御電圧Vsbが0Vの場合、図11(c)に示すように、n1層内のポテンシャルの底の位置から基板深部に進むに従ってポテンシャルは勾配を漸次減少させつつ上昇する。しかし、制御電圧Vsbが0.33Vの場合には、図11(d)に示すように、基板表面から約6μmの深さの位置にポテンシャル障壁の山頂部が生じる。この位置にポテンシャル障壁の山頂部が生じると、近赤外帯域の光が光電効果により発生させた電子がn1層に移動するのを効果的に妨げることができる。以下、その理由を説明する。   11 (c) and 11 (d) show the result of the simulation of the potential curve along the virtual axis passing through the center of the PD formation region, assuming the concentration profile shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b). FIG. 11C shows a potential curve when the control voltage Vsb is 0V, and FIG. 11D shows a potential curve when the control voltage Vsb is 0.33V. When the control voltage Vsb is 0 V, as shown in FIG. 11C, the potential rises while gradually decreasing the gradient as it goes from the bottom position of the potential in the n1 layer to the deep part of the substrate. However, when the control voltage Vsb is 0.33 V, as shown in FIG. 11D, the peak portion of the potential barrier is generated at a depth of about 6 μm from the substrate surface. When the peak portion of the potential barrier is generated at this position, it is possible to effectively prevent electrons generated by the photoelectric effect of light in the near infrared band from moving to the n1 layer. The reason will be described below.

図12は、半導体基板(より具体的にはSi単結晶基板)における光の波長と光の吸収率αとの関係を示している。ここで、半導体基板表面に対して垂直に光が入射した場合において、基板表面に対する入射光量をI、半導体基板の表面から深さtの位置に到達する光量をIとした場合、入射光量Iに対する到達光量Iの比r=I/Iは、図11に示す吸収率αを用い、次式に従って算出することができる。
r=I/I=e−αt ……(3)
上記式(3)における吸収率αは、入射光の波長λに依存し、波長λが短いと吸収率αは大きくなり、波長λが長いと吸収率αは小さくなる。
FIG. 12 shows the relationship between the wavelength of light and the light absorption rate α in a semiconductor substrate (more specifically, a Si single crystal substrate). Here, when light is incident perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, the amount of incident light on the substrate surface is I 0 , and the amount of light reaching the position of the depth t from the surface of the semiconductor substrate is I. the ratio r = I / I 0 of the reaching light amount I to 0, with absorption rate α shown in FIG. 11 can be calculated according to the following equation.
r = I / I 0 = e −αt (3)
The absorptance α in the above formula (3) depends on the wavelength λ of the incident light. The absorptance α increases as the wavelength λ is shorter, and the absorptance α decreases as the wavelength λ is longer.

図13は、青(λ=460nm)、緑(λ=530nm)、赤(λ=700nm)、近赤外帯域の下限波長(λ=780nm)の各光について、基板表面からの深さtを変えたときの入射光量Iに対する到達光量Iの比r=I/I0を式(3)に従って算出し、深さtと比rとの関係を示したものである。なお、式(3)に従って比rを算出するに当たり、各波長λにおける吸収率αは図12から読み取ったものを使用しており、青(λ=460nm)についてはα=2×10cm−1、緑(λ=530nm)についてはα=1×10cm−1、赤(λ=700nm)についてはα=2×10cm−1、近赤外帯域の下限波長(λ=780nm)についてはα=1×10cm−1としている。 FIG. 13 shows the depth t from the substrate surface for each light of blue (λ = 460 nm), green (λ = 530 nm), red (λ = 700 nm), and lower limit wavelength (λ = 780 nm) in the near infrared band. the ratio r = I / I0 of reaching light amount I with respect to the amount of incident light I 0 when changing are those calculated according to equation (3) shows the relationship between the depth t and the ratio r. In calculating the ratio r according to the equation (3), the absorptance α at each wavelength λ is the one read from FIG. 12, and α = 2 × 10 4 cm for blue (λ = 460 nm). 1 , α = 1 × 10 4 cm −1 for green (λ = 530 nm), α = 2 × 10 3 cm −1 for red (λ = 700 nm), lower limit wavelength of near infrared band (λ = 780 nm) Is set to α = 1 × 10 3 cm −1 .

図13において、基板表面からの深さtが6μmである位置に着目すると、入射光量Iに対する到達光量Iの比rは、赤(λ=700nm)では約1/3、緑(λ=530nm)および青(λ=460nm)ではそれよりもさらに低い値となる。従って、基板表面から深さt=6μmの位置に辿りつくまでの間に、赤(λ=700nm)の光は、その約2/3が光電効果により電子を生じさせつつ半導体基板に吸収され、また、緑(λ=530nm)、青(λ=460nm)の入射光は、それ以上の比率のものが光電効果により電子を生じさせつつ半導体基板に吸収される。そして、図11(d)に示すように制御電圧Vsbを0.33Vとして場合には基板表面から深さt=6μmの位置にポテンシャル障壁の山頂部が生じ、基板表面から深さt=6μmまでの範囲が光電効果により生じた電子の収集範囲となる。従って、この場合には、赤(λ=700nm)、緑(λ=530nm)、青(λ=460nm)の入射光が半導体基板内において光電効果に生じさせた電子を高い比率でn1層に収集することとなる。 In FIG. 13, paying attention to the position where the depth t from the substrate surface is 6 μm, the ratio r of the reached light quantity I to the incident light quantity I 0 is about 1/3 for red (λ = 700 nm) and green (λ = 530 nm). ) And blue (λ = 460 nm) are even lower values. Therefore, about 2/3 of the red (λ = 700 nm) light is absorbed by the semiconductor substrate while generating electrons by the photoelectric effect until reaching the position of depth t = 6 μm from the substrate surface, Further, green (λ = 530 nm) and blue (λ = 460 nm) incident light having a ratio higher than that is absorbed by the semiconductor substrate while generating electrons by the photoelectric effect. As shown in FIG. 11D, when the control voltage Vsb is set to 0.33 V, a peak portion of the potential barrier is generated at a position where the depth t = 6 μm from the substrate surface, and the depth t = 6 μm from the substrate surface. This range is the collection range of electrons generated by the photoelectric effect. Therefore, in this case, red (λ = 700 nm), green (λ = 530 nm), and blue (λ = 460 nm) incident light collects electrons generated in the photoelectric effect in the semiconductor substrate at a high ratio in the n1 layer. Will be.

これに対し、近赤外帯域の下限波長(λ=780nm)では、入射光量Iに対する深さt=6μmの位置での到達光量Iの比rは、約1/2である。そして、近赤外帯域の下限波長よりも長い波長λでは、この比rはさらに低い値になる。従って、図11(d)に示すように基板表面から深さt=6μmの位置にポテンシャル障壁の山頂部を生じさせた場合、半導体基板内において近赤外帯域の光が光電効果により生じさせる電子のうち半分以下の電子しかn1層に集まらない。 On the other hand, at the lower limit wavelength (λ = 780 nm) in the near-infrared band, the ratio r of the reached light amount I at the position of the depth t = 6 μm with respect to the incident light amount I 0 is about ½. At a wavelength λ longer than the lower limit wavelength of the near infrared band, the ratio r is even lower. Accordingly, as shown in FIG. 11D, when the peak portion of the potential barrier is generated at a position of depth t = 6 μm from the substrate surface, electrons generated in the semiconductor substrate by light in the near infrared band due to the photoelectric effect. Only less than half of the electrons gather in the n1 layer.

一方、制御電圧Vsbを0Vとした場合には、図10(d)に示すようなポテンシャル障壁は基板表面近くには発生せず、図10(c)に示すように、ポテンシャルはn1層内のポテンシャルの底の位置から基板深部に進むに従って勾配を漸次減少させつつ上昇する。従って、青、緑、赤の入射光が光電効果により発生させた電子のみならず、近赤外帯域の入射光が光電効果により発生させた電子も、高い比率でn1層に集められることとなる。   On the other hand, when the control voltage Vsb is 0 V, the potential barrier as shown in FIG. 10D does not occur near the substrate surface, and the potential is in the n1 layer as shown in FIG. As it goes from the bottom position of the potential to the deep part of the substrate, the gradient gradually increases while decreasing. Accordingly, not only electrons generated by the photoelectric effect of blue, green, and red incident light, but also electrons generated by the photoelectric effect of incident light in the near infrared band are collected in the n1 layer at a high ratio. .

以上のように、本実施形態によれば、制御電圧Vsbにより、近赤外帯域における受光感度を制御することができる。   As described above, according to the present embodiment, the light receiving sensitivity in the near infrared band can be controlled by the control voltage Vsb.

<C:本実施形態の動作>
図14(a)は本実施形態によるCMOS固体撮像装置の1フレーム分の動作を示すタイムチャート、図14(b)はこの1フレームのうちの1つの水平走査期間内の動作を示すタイムチャートである。
<C: Operation of the present embodiment>
FIG. 14A is a time chart showing the operation of one frame of the CMOS solid-state imaging device according to the present embodiment, and FIG. 14B is a time chart showing the operation in one horizontal scanning period of the one frame. is there.

CMOS固体撮像装置では、撮像部10Aを構成する画素10の各行iを順次選択し、選択した行iの各画素10から画素信号を読み出す水平走査が実行される。1つの行iに着目した場合、1フレームは、図14(a)に示すように、第1サブフレームSF1と第2サブフレームSF2とにより構成されており、第1サブフレームSF1の最後および第2サブフレームSF2の最後が各々水平走査期間Rとなっている。   In the CMOS solid-state imaging device, horizontal scanning is performed in which each row i of the pixels 10 constituting the imaging unit 10A is sequentially selected and a pixel signal is read from each pixel 10 in the selected row i. When attention is paid to one row i, as shown in FIG. 14A, one frame is composed of a first subframe SF1 and a second subframe SF2, and the last and first subframes SF1 and SF1 are displayed. The last of the two subframes SF2 is a horizontal scanning period R.

1つの水平走査期間Rにおいて、垂直走査回路60は、1つの行iを選択し、その行iに対応した選択パルスSLiを発生し、行iの各画素10の行選択トランジスタ105をON状態にする。そして、垂直走査回路60は、行iに対応した行選択パルスSLiが発生している期間内に行iに対応したリセットパルスRTiおよび転送パルスTXiを順次発生し、行iの各画素10のリセットトランジスタ103および転送トランジスタ102を順次ON状態にする。   In one horizontal scanning period R, the vertical scanning circuit 60 selects one row i, generates a selection pulse SLi corresponding to the row i, and turns on the row selection transistor 105 of each pixel 10 in the row i. To do. The vertical scanning circuit 60 sequentially generates the reset pulse RTi and the transfer pulse TXi corresponding to the row i within the period in which the row selection pulse SLi corresponding to the row i is generated, and resets each pixel 10 in the row i. The transistor 103 and the transfer transistor 102 are sequentially turned on.

カラムCDS部20は、リセットパルスRTiが立ち下がった後、転送パルスTXiが立ち上がる前のタイミングにおいて各列読み出し線11に読み出された電圧(リセット電圧)をサンプルホールドし(図14(b)におけるS/H(1))、転送パルスTXiが立ち下がった後のタイミングにおいて各列読み出し線11に読み出された電圧をサンプルホールドし(図14(b)におけるS/H(2))、後者の電圧から前者の電圧を差し引いた各電圧を各列のアナログ画素信号として各々出力する。カラムADC部30は、各列のアナログ画素信号をデジタル画素信号に変換し、水平走査回路40は、この各列のデジタル画素信号を画像処理部70に転送する。第1サブフレームSF1の終了タイミングおよび第2サブフレームSF2の終了タイミングでは、以上の水平走査が実行される。   The column CDS section 20 samples and holds the voltage (reset voltage) read to each column readout line 11 at the timing before the transfer pulse TXi rises after the reset pulse RTi falls (in FIG. 14B). S / H (1)), the voltage read to each column readout line 11 at the timing after the transfer pulse TXi falls is sampled and held (S / H (2) in FIG. 14B), the latter Each voltage obtained by subtracting the former voltage from the above voltage is output as an analog pixel signal in each column. The column ADC unit 30 converts the analog pixel signal of each column into a digital pixel signal, and the horizontal scanning circuit 40 transfers the digital pixel signal of each column to the image processing unit 70. At the end timing of the first subframe SF1 and the end timing of the second subframe SF2, the above horizontal scanning is executed.

本実施形態におけるタイミングジェネレータ50は、図14(a)に示すように、最後の行i=nの第1サブフレームSF1の終期となる水平走査期間Rが終了するタイミングから最初の行i=1の第2サブフレームSF1の終期となる水平走査期間Rが始まるまでの期間、制御電圧Vsbを電源電圧VDDとし、それ以外の期間は制御電圧Vsbを0Vとする。   As shown in FIG. 14A, the timing generator 50 according to the present embodiment has the first row i = 1 from the timing when the horizontal scanning period R that is the end of the first subframe SF1 of the last row i = n ends. The control voltage Vsb is set to the power supply voltage VDD during the period until the horizontal scanning period R that is the end of the second subframe SF1 starts, and the control voltage Vsb is set to 0 V during the other periods.

各画素10では、転送パルスTXiが与えられてから次の転送パルスTXiが与えられるまでの時間が露光時間となる。図14(a)に示すように、本実施形態では、1フレーム内の第1サブフレームSF1と第2サブフレームSF2の両方において画素10の露光および画素信号の読み出しが行われる。第1サブフレームSF1における露光時間はtである。この第1サブフィールドSF1では、露光時間tの最初から最後まで制御電圧Vsbは0Vである。第2サブフレームSF2における露光時間は、制御電圧Vsbが0Vよりも高い所定電圧である時間tと、制御電圧Vsbが0Vである時間tとからなり、全体として露光時間はt+tである。ここで、時間t2内において発生する制御電圧Vsbは、基板表面から深さt=6μmの付近にポテンシャル障壁の山頂部を作ることができるように、その大きさが決定される。そして、第1サブフィールドSF1での露光時間tと第2サブフィールドSF2での露光時間t+tとの関係は、t>t+tとなっている。 In each pixel 10, the exposure time is the time from the application of the transfer pulse TXi to the application of the next transfer pulse TXi. As shown in FIG. 14A, in this embodiment, the pixel 10 is exposed and the pixel signal is read in both the first subframe SF1 and the second subframe SF2 in one frame. Exposure time in the first sub-frame SF1 is t 1. In the first subfield SF1, from beginning to end control voltage Vsb exposure time t 1 is 0V. Exposure time in the second sub-frame SF2, the control voltage Vsb is the time t 2 is a predetermined high voltage higher than 0V, the control voltage Vsb is from the time t 3 Metropolitan is 0V, the entire exposure time t 2 + t 3 It is. Here, the magnitude of the control voltage Vsb generated within the time t2 is determined so that the peak portion of the potential barrier can be formed in the vicinity of the depth t = 6 μm from the substrate surface. Then, the exposure time t 1 at the first subfield SF1 relationship between the exposure time t 2 + t 3 in the second sub-field SF2 has a t 1> t 2 + t 3 .

画像処理部70は、各画素10から得られた第1サブフィールドSF1の露光結果であるデジタル画素信号により画像データ1を構成し、第2サブフィールドSF2の露光結果であるデジタル画素信号により画像データ2を構成する。ここで、画像データ1は、制御電圧Vsbが0Vの状態で得られたものである。このため、画像データ1のおける各画素10の画素値(上述したデジタル画素信号の信号値)は、R、GまたはBの各色の帯域とNIR帯域の両方の受光量を示すものとなる。一方、画像データ2は、制御電圧Vsbが0Vより高い所定電圧である状態での露光(露光時間t)と制御電圧Vsbが0Vの状態での露光(露光時間t)を通じて得られたものである。従って、各画素値においてR、G、Bの各成分とNIR帯域の成分との比率は画像データ1と画像データ2とで異なる。本実施形態における画像処理部70は、この画像データ1と画像データ2を用いて、指定された用途に適した画像データを得る。 The image processing unit 70 configures the image data 1 by the digital pixel signal that is the exposure result of the first subfield SF1 obtained from each pixel 10, and the image data by the digital pixel signal that is the exposure result of the second subfield SF2. 2 is configured. Here, the image data 1 is obtained when the control voltage Vsb is 0V. Therefore, the pixel value of each pixel 10 in the image data 1 (the signal value of the above-described digital pixel signal) indicates the amount of received light in both the R, G, and B color bands and the NIR band. On the other hand, the image data 2, which the control voltage Vsb is the control voltage Vsb is exposed in a state that is higher predetermined voltage than 0V (exposure time t 2) was obtained through the exposure in the state of 0V (exposure time t 3) It is. Therefore, the ratio of the R, G, and B components to the NIR band components in each pixel value differs between the image data 1 and the image data 2. The image processing unit 70 according to the present embodiment uses the image data 1 and the image data 2 to obtain image data suitable for the designated application.

低照度の被写体の撮像を行う場合には、R、G、Bの各帯域の成分だけでなくNIR帯域の成分の受光量も画素値に反映されることが好ましい。そこで、低照度の被写体の撮像では、画像処理部70は、画像データ1を最終的な画像データとする。   When imaging an object with low illuminance, it is preferable that the received light amount of not only the R, G, and B band components but also the NIR band components is reflected in the pixel value. Therefore, in the imaging of a low-illuminance subject, the image processing unit 70 sets the image data 1 as final image data.

一方、視認用途では、色再現性が重要であるため、画像データにおける各画素10の画素値は、NIR帯域の成分を除く、R、G、Bの各帯域の成分のみを示すものであることが望まれる。そこで、画像処理部70は、画像データ1と画像データ2とを用いて、NIR成分を除いたR、G、Bの各帯域の成分のみを示す画像データを合成する。この合成の方法には、各種の態様があり得るが、簡単なものとしては次のものが考えられる。   On the other hand, since color reproducibility is important for viewing applications, the pixel value of each pixel 10 in the image data indicates only the components in each of the R, G, and B bands excluding the NIR band components. Is desired. Therefore, the image processing unit 70 uses the image data 1 and the image data 2 to synthesize image data indicating only the components in the R, G, and B bands excluding the NIR component. This synthesis method may have various modes, but the following can be considered as simple ones.

例えばB色のカラーフィルタ106を有する画素10の場合、B色の帯域の単位時間当たりの受光量をB、NIR帯域の単位時間当たりの受光量をNIRとした場合、第1サブフィールドSF1での露光結果である画素値DP1は、例えば次のように表すことができる。
DP1=(B+NIR)・k・t ……(4)
ここで、kは比例定数である。
For example, in the case of the pixel 10 having the B color filter 106, when the received light amount per unit time in the B color band is B and the received light amount per unit time in the NIR band is NIR, the first subfield SF1 The pixel value DP1 that is the exposure result can be expressed as follows, for example.
DP1 = (B + NIR) · k · t 1 (4)
Here, k is a proportionality constant.

一方、第2サブフィールドSF2での露光結果である画素値DP2は、次のように表すことができる。
DP2=(B+NIR)・k・t+B・k・t ……(5)
上記式(4)をB+NIRについて解くと次のようになる。
B+NIR=DP1/(k・t) ……(6)
On the other hand, the pixel value DP2, which is the exposure result in the second subfield SF2, can be expressed as follows.
DP2 = (B + NIR) · k · t 2 + B · k · t 3 (5)
Solving equation (4) for B + NIR yields:
B + NIR = DP1 / (k · t 1 ) (6)

この式(6)を式(5)に適用することにより次式が得られる。
DP2=DP1・(t/t)+B・k・t ……(7)
上記式(7)をBについて解くと次のようになる。
B={DP2−DP1・(t/t)}/(k・t) ……(8)
そこで、画像処理部70は、上記式(8)に従い、画像データ1の画素値DP1と画像データ2の画素値DP2とからB色の帯域の単位時間当たりの受光量Bを算出し、B色成分のみを示す画素値を得るのである。他のR、Gの各色についても同様である。
By applying this equation (6) to equation (5), the following equation is obtained.
DP2 = DP1 · (t 2 / t 1 ) + B · k · t 3 (7)
Solving the above equation (7) for B yields:
B = {DP2-DP1 · (t 2 / t 1 )} / (k · t 3 ) (8)
Therefore, the image processing unit 70 calculates the received light amount B per unit time in the B color band from the pixel value DP1 of the image data 1 and the pixel value DP2 of the image data 2 according to the above equation (8), and the B color The pixel value indicating only the component is obtained. The same applies to the other colors R and G.

<D:本実施形態の効果>
以上のように、本実施形態によれば、長波帯域、具体的にはNIR帯域の受光感度を電気的に制御により切り換えることができる。従って、簡単な構成により、安全およびセキュリティが要求される車両での監視用途、あるいは色再現性が要求される視認用途等、用途に適した画像データを得ることができる。また、本実施形態によれば、画素10のPD101へのリークを減らすことができるため、特に低照度での撮像における画像の品質を高めることができる。
<D: Effect of this embodiment>
As described above, according to the present embodiment, the light receiving sensitivity in the long wave band, specifically, the NIR band can be switched electrically. Therefore, it is possible to obtain image data suitable for a use such as a monitoring use in a vehicle that requires safety and security or a visual use that requires color reproducibility with a simple configuration. In addition, according to the present embodiment, since the leakage of the pixel 10 to the PD 101 can be reduced, the quality of the image particularly in imaging with low illuminance can be improved.

<E:他の実施形態>
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
<E: Other embodiments>
Although one embodiment of the present invention has been described above, other embodiments are conceivable for the present invention. For example:

(1)画素10を図15(a)および(b)に示す構成としてもよい。上述した図7に示す画素では、p3層はp2層の側方の他にp2層の底面の下にも設けられていたが、図15(a)および(b)に示す画素では、p2層の底面の下のp3層は削除されている。また、図15(a)および(b)に示す画素では、p3層はp2層よりも不純物濃度が濃くなっており、p2層を接地電位に固定する役割を任っている。n2層側からn1層側に延びる空乏層の圧さは、p2層の不純物濃度に依存する。図15(a)および(b)において、破線Hは、n2層側からn1層側に延びた空乏層D2とn1層側からn2層側に延びた空乏層D1の接続部を示すものであり、図15(a)はn2層に対して制御電圧Vbsとして0Vを与えた場合を、図15(b)は電源電圧VDDを与えた場合を各々示している。この態様においても、上記実施形態と同様、制御電圧Vbsを変化させることにより、光電効果によって発生した電子の収集範囲である空乏層D1の深さを制御することができる。 (1) The pixel 10 may be configured as shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b). In the pixel shown in FIG. 7 described above, the p3 layer is provided below the bottom surface of the p2 layer in addition to the side of the p2 layer, but in the pixel shown in FIGS. 15A and 15B, the p2 layer is provided. The p3 layer below the bottom of is removed. In the pixels shown in FIGS. 15A and 15B, the p3 layer has a higher impurity concentration than the p2 layer, and has the role of fixing the p2 layer to the ground potential. The pressure of the depletion layer extending from the n2 layer side to the n1 layer side depends on the impurity concentration of the p2 layer. 15 (a) and 15 (b), a broken line H indicates a connection portion between the depletion layer D2 extending from the n2 layer side to the n1 layer side and the depletion layer D1 extending from the n1 layer side to the n2 layer side. FIG. 15A shows the case where 0V is applied as the control voltage Vbs to the n2 layer, and FIG. 15B shows the case where the power supply voltage VDD is applied. Also in this aspect, the depth of the depletion layer D1, which is a collection range of electrons generated by the photoelectric effect, can be controlled by changing the control voltage Vbs as in the above embodiment.

(2)画素10を図16(a)および(b)に示す構成としてもよい。この例では、n2層は基板裏面側から所定距離だけ上に離れた位置にあり、画素10の形成領域の下方に位置する領域が開口している。PD101やトランジスタ102、103等の背景となっているp2層はこの開口部を介して基板の裏面のp2層と繋がっている。n2層は画素10の形成領域の側方を通って基板表面まで延びている。制御電圧Vbsは、基板表面から露出したn2層に与えられる。p3層は、画素10の形成領域の側方のn2層に沿って、基板表面から所定の深さまで埋め込まれている。前掲図15(a)および(b)の態様と同様、このp3層も、p2層を接地電位に固定する役割を担っている。 (2) The pixel 10 may be configured as shown in FIGS. In this example, the n2 layer is located at a position away from the back side of the substrate by a predetermined distance, and an area located below the formation area of the pixel 10 is open. The p2 layer which is the background of the PD 101, the transistors 102, 103, etc. is connected to the p2 layer on the back surface of the substrate through this opening. The n2 layer extends to the substrate surface through the side of the pixel 10 formation region. The control voltage Vbs is applied to the n2 layer exposed from the substrate surface. The p3 layer is buried from the substrate surface to a predetermined depth along the n2 layer on the side of the pixel 10 formation region. Similar to the embodiments shown in FIGS. 15A and 15B, this p3 layer also plays a role of fixing the p2 layer to the ground potential.

図16(a)および(b)において、破線Hは、n2層側からn1層側に延びた空乏層D2とn1層側からn2層側に延びた空乏層D1の接続部を示すものであり、図16(a)はn2層に対して制御電圧Vbsとして0Vを与えた場合を、図16(b)は0Vより大きな所定電圧(深さ6μm付近にポテンシャル障壁の山頂部を形成できる電圧)を与えた場合を各々示している。   In FIGS. 16A and 16B, a broken line H indicates a connection portion between the depletion layer D2 extending from the n2 layer side to the n1 layer side and the depletion layer D1 extending from the n1 layer side to the n2 layer side. 16 (a) shows a case where 0V is applied as the control voltage Vbs to the n2 layer, and FIG. 16 (b) shows a predetermined voltage higher than 0V (a voltage capable of forming a peak portion of the potential barrier in the vicinity of a depth of 6 μm). Each case is shown.

この態様においても、上記実施形態と同様、制御電圧Vbsを変化させることにより、光電効果によって発生した電子の収集範囲を制御することができる。また、この態様では、制御電圧Vbsを基板表面から露出したn2層に与えるので、制御電圧Vbsを発生する回路を構成する各トランジスタをトランジスタ102等と同時に形成することができる。   In this aspect as well, the collection range of electrons generated by the photoelectric effect can be controlled by changing the control voltage Vbs as in the above embodiment. Further, in this aspect, since the control voltage Vbs is applied to the n2 layer exposed from the substrate surface, each transistor constituting a circuit for generating the control voltage Vbs can be formed simultaneously with the transistor 102 and the like.

(3)極端に低照度の被写体を撮像する場合、被写体からの入射光のR、G、Bの帯域の成分のみを画素信号に変換したのでは、画素信号のS/N比が悪く、かつ、階調がなくなり、画素信号の時間的変化(ノイズ)も非常に大きくなって、見難い画像になる。そこで、上記実施形態において極端に低照度の被写体を撮像する場合には、次のような画像処理を画像処理部70に実行させてもよい。 (3) When imaging a subject with extremely low illuminance, if only the R, G, and B band components of incident light from the subject are converted into pixel signals, the S / N ratio of the pixel signals is poor, and The gradation disappears and the temporal change (noise) of the pixel signal becomes very large, resulting in an image that is difficult to see. Therefore, when an extremely low illuminance subject is imaged in the above embodiment, the image processing unit 70 may execute the following image processing.

まず、フレーム毎に、上記実施形態において説明した方法により、NIR成分を含まないRGBの画像データと、NIR成分を示す近赤外強度データVIRを生成する。次にRGBの画像データに所定の変換行列を乗算し、図17に示すような画素の色の明度、彩度および色相を各々示す明度データVAY、彩度データVASおよび色相データVAHに変換する。なお、RGBデータの変換先のデータは、VAY、VASおよびVAHの各データでなくてもよく、YUV、YCbCr、YIQ、Lab、XYZ等の方式のデータでもよい。   First, RGB image data not including an NIR component and near-infrared intensity data VIR indicating the NIR component are generated for each frame by the method described in the above embodiment. Next, the RGB image data is multiplied by a predetermined conversion matrix, and converted into lightness data VAY, saturation data VAS, and hue data VAH respectively indicating the lightness, saturation, and hue of the color of the pixel as shown in FIG. Note that the RGB data conversion destination data may not be VAY, VAS, and VAH data, but may be data of YUV, YCbCr, YIQ, Lab, XYZ, or the like.

そして、各画素の明度データVAYを閾値VAYthと比較し、ある画素の明度データVAYが閾値VAYthよりも低くなった場合には、その明度データVAYをその画素の近赤外強度データVIRに置き換える。また、彩度データVASおよび色相データVAHの各々については、空間的および時間的近傍での平均化を施す。例えば、ある時刻Tにおいて、平面座標xおよびyを有する画素については、例えばx座標がx−Δxからx+Δy、y座標がy−Δyからy+Δyの範囲内の各画素の時刻T−ΔTから時刻Tまでの区間内の彩度データVASおよび色相データVAHの各々の平均値を平均化後の当該画素の彩度データVASおよび色相データVAHとすればよい。また、平均化された彩度データVASを増幅する。その際、彩度が強調され過ぎず、かつ、飽和しないように、S字カーブを描く増幅特性(入出力伝達特性)に従って彩度データVASを増幅する。以上の画像処理を画像処理部70に行わせることにより、極端に低照度の環境でも、視認用として見やすい画像が得られる。   Then, the brightness data VAY of each pixel is compared with the threshold value VAYth, and when the brightness data VAY of a certain pixel becomes lower than the threshold value VAYth, the brightness data VAY is replaced with the near-infrared intensity data VIR of that pixel. Each of the saturation data VAS and the hue data VAH is averaged spatially and temporally. For example, at a certain time T, for a pixel having the plane coordinates x and y, for example, the x coordinate is from x−Δx to x + Δy, and the y coordinate is from time T−ΔT to time T in the range from y−Δy to y + Δy. The average value of each of the saturation data VAS and the hue data VAH in the interval up to the above may be used as the saturation data VAS and the hue data VAH of the pixel after averaging. The averaged saturation data VAS is amplified. At this time, the saturation data VAS is amplified in accordance with an amplification characteristic (input / output transmission characteristic) for drawing an S curve so that the saturation is not overemphasized and saturated. By causing the image processing unit 70 to perform the above image processing, an image that is easy to see for viewing can be obtained even in an extremely low illuminance environment.

(4)上記実施形態では、この発明をカラー撮像を行う固体撮像装置に適用したが、この発明はモノクロ撮像を行う固体撮像装置に適用してもよい。 (4) In the above embodiment, the present invention is applied to a solid-state imaging device that performs color imaging. However, the present invention may be applied to a solid-state imaging device that performs monochrome imaging.

(5)上記実施形態では、この発明による固体撮像装置の一例としてCMOS固体撮像装置を示したが、この発明はCCD固体撮像装置等の他の固体撮像装置にも適用可能である。 (5) In the above embodiment, a CMOS solid-state imaging device is shown as an example of the solid-state imaging device according to the present invention. However, the present invention can also be applied to other solid-state imaging devices such as a CCD solid-state imaging device.

10……画素、10A……撮像部、20……カラムCDS部、30……カラムADC部、40……水平走査回路、50……タイミングジェネレータ、60……垂直走査回路、70……画像処理部、80……U/I部、90……制御部、11……列信号線、101……PD、102……転送トランジスタ、103……リセットトランジスタ、104……増幅トランジスタ、105……行選択トランジスタ、102d……FD、51……収集範囲制御手段、200……p型Si基板。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Pixel, 10A ... Imaging unit, 20 ... Column CDS unit, 30 ... Column ADC unit, 40 ... Horizontal scanning circuit, 50 ... Timing generator, 60 ... Vertical scanning circuit, 70 ... Image processing Part, 80... U / I part, 90... Control part, 11... Column signal line, 101... PD, 102. Selection transistor, 102d ... FD, 51 ... collection range control means, 200 ... p-type Si substrate.

Claims (6)

第1の導電型の半導体基板の一表面を撮像面とし、前記半導体基板の前記撮像面近傍に画素毎に形成された第2の導電型の第1の不純物層を各々含み、光電変換により前記半導体基板内に生成され、前記第1の不純物層に蓄積された電荷を示す画素信号を各々出力する撮像部であって、前記第1の不純物層よりも前記撮像面から深い位置に第2の導電型の第2の不純物層を有する撮像部と、
前記第2の不純物層に与える制御電圧を制御することにより、前記第1の不純物層と前記半導体基板との接合により生じる第1の空乏層に対して、前記第2の不純物層と前記半導体基板との接合により生じる第2の空乏層を接続させるとともに、前記第1の空乏層と前記第2の空乏層の接続部の前記半導体基板の表面からの深さ方向の位置を制御し、前記半導体基板内において光電変換により生じた電荷の収集範囲を制御する収集範囲制御手段と
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
One surface of the semiconductor substrate of the first conductivity type is an imaging surface, and each includes a first impurity layer of a second conductivity type formed for each pixel in the vicinity of the imaging surface of the semiconductor substrate. An image pickup unit that outputs pixel signals generated in the semiconductor substrate and indicating charges accumulated in the first impurity layer, each of which is a second deeper position from the image pickup surface than the first impurity layer. An imaging unit having a second impurity layer of conductivity type;
By controlling a control voltage applied to the second impurity layer, the second impurity layer and the semiconductor substrate with respect to the first depletion layer generated by the junction between the first impurity layer and the semiconductor substrate. And connecting a second depletion layer generated by the junction with the semiconductor substrate, controlling a position in a depth direction from a surface of the semiconductor substrate of a connection portion of the first depletion layer and the second depletion layer, and controlling the semiconductor A solid-state imaging device comprising: a collection range control means for controlling a collection range of charges generated by photoelectric conversion in the substrate.
前記収集範囲制御手段に前記収集範囲を切り換えさせつつ、前記撮像部に画素信号を出力させるとともに前記撮像部の各画素の第1の不純物層の蓄積電荷を空にする露光制御を複数回を行い、波長特性の異なる複数種類の画像データを生成することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。   While performing the collection range control unit to switch the collection range, the pixel signal is output to the imaging unit and the exposure control for emptying the accumulated charge in the first impurity layer of each pixel of the imaging unit is performed a plurality of times. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a plurality of types of image data having different wavelength characteristics are generated. 前記収集範囲制御手段は、前記半導体基板の深部を含み、前記半導体基板の表面への入射光のうち近赤外帯域の光が光電変換により生じさせる電荷が多く存在する第1の範囲と、前記半導体基板の深部を含まず、前記半導体基板の表面への入射光のうち近赤外帯域よりも波長の短い光が光電変換により生じさせる電荷が多く存在する第2の範囲とに前記収集範囲を切り換え、近赤外帯域の成分を多く含む第1の画像データと近赤外帯域の成分の少ない第2の画像データとを生成することを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。   The collection range control means includes a first range that includes a deep portion of the semiconductor substrate, and includes a large amount of charges that are generated by photoelectric conversion of light in the near-infrared band among incident light on the surface of the semiconductor substrate; The collection range is not included in the deep part of the semiconductor substrate, and the collection range is set to a second range in which light having a wavelength shorter than the near-infrared band among incident light on the surface of the semiconductor substrate is present in a large amount due to photoelectric conversion. 3. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the first image data including a large amount of near-infrared band components and the second image data including a small number of near-infrared band components are generated. 前記第2の画像データから明度、彩度、色相の各成分を抽出し、前記第1の画像データと前記第2の画像データから近赤外帯域の成分を抽出し、前記第2の画像データにおける明度成分を前記近赤外帯域の成分により置換することにより高明度の色再現性のよいカラー画像データを合成することを特徴とする請求項3に記載の固体撮像装置。   Lightness, saturation, and hue components are extracted from the second image data, near-infrared band components are extracted from the first image data and the second image data, and the second image data 4. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein color image data with high brightness and good color reproducibility is synthesized by replacing the brightness component in the image with a component in the near infrared band. 第1の導電型の半導体基板の一表面を撮像面とし、前記半導体基板の前記撮像面近傍に形成された第2の導電型の第1の不純物層を各々含み、光電変換により前記半導体基板内に生成され、前記第1の不純物層に蓄積された電荷を示す画素信号を各々出力する複数の画素を有する固体撮像装置において、
前記第1の不純物層と前記半導体基板との間に通常使用時における最大の逆方向バイアスが印加された状態において前記第1の不純物層と前記半導体基板との接合により生じる空乏層の境界面における前記第1の導電型の不純物濃度を他の領域における前記第1の導電型の不純物濃度よりも高くしたことを特徴とする固体撮像装置。
One surface of the first conductivity type semiconductor substrate is used as an imaging surface, and each of the first conductivity type first impurity layers formed in the vicinity of the imaging surface of the semiconductor substrate is included. In a solid-state imaging device having a plurality of pixels that each output a pixel signal indicating a charge generated in the first impurity layer and accumulated in the first impurity layer,
At the boundary surface of the depletion layer generated by the junction between the first impurity layer and the semiconductor substrate in a state where the maximum reverse bias is applied between the first impurity layer and the semiconductor substrate during normal use. A solid-state imaging device, wherein the impurity concentration of the first conductivity type is higher than the impurity concentration of the first conductivity type in another region.
第1の導電型の半導体基板の一表面を撮像面とし、前記半導体基板の前記撮像面近傍に形成された第2の導電型の第1の不純物層を各々含み、光電変換により前記半導体基板内に生成され、前記第1の不純物層に蓄積された電荷を示す画素信号を各々出力する複数の画素を有する撮像部を有する固体撮像装置において、
前記半導体基板内に、前記第1の不純物層と前記半導体基板との接合により生じる第1の空乏層と繋がり、かつ、前記第1の空乏層内の電界と逆向きの電界を有する第2の空乏層を生じさせるように構成したことを特徴とする固体撮像装置。
One surface of the first conductivity type semiconductor substrate is used as an imaging surface, and each of the first conductivity type first impurity layers formed in the vicinity of the imaging surface of the semiconductor substrate is included. In a solid-state imaging device having an imaging unit having a plurality of pixels each outputting a pixel signal indicating a charge accumulated in the first impurity layer,
A second depletion layer connected to the first depletion layer formed by joining the first impurity layer and the semiconductor substrate and having an electric field opposite to the electric field in the first depletion layer in the semiconductor substrate; A solid-state imaging device configured to generate a depletion layer.
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