JP2010225769A - Solid-state imaging element and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子及び撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging apparatus.
CCDイメージセンサ等の固体撮像素子では、フォトダイオードの過剰電荷を排出するために、オーバーフロードレイン(OFD)を設けるのが一般的である。 In a solid-state imaging device such as a CCD image sensor, an overflow drain (OFD) is generally provided in order to discharge an excessive charge of a photodiode.
特許文献1には、フォトダイオードの隣にOFDを設けた、いわゆる横型OFDが開示されている。このような横型OFDは、フォトダイオードとは別にOFDを形成するためのスペースが必要であるため、微細化に不利となる。また、特許文献1には、OFDとフォトダイオードの間のオーバーフローゲート上に電極を設け、この電極でオーバーフローゲートの電位を制御することで、フォトダイオードの飽和容量を変更可能にした構成も開示されている。しかし、微細化が進むにしたがって、この電極の形成も難しくなっていた。
こういった事情から、近年の微細化が進んだ固体撮像素子においては、横型OFDが採用されることはなくなっており、フォトダイオードの真下にOFDを設けた、いわゆる縦型OFDを採用するのが主流となっている(特許文献2参照)。 For these reasons, the horizontal OFD is no longer used in solid-state imaging devices that have been miniaturized in recent years, and a so-called vertical OFD in which an OFD is provided directly below the photodiode is used. It has become mainstream (see Patent Document 2).
図5は、縦型OFDを有する画素部の断面模式図である。図5に示す画素部は、n型シリコン基板100上のpウェル層101内に形成されたn型不純物層102と、その表面に設けられたp型不純物層103とを有する構成となっている。n型不純物層102とpウェル層101とのpn接合により、フォトダイオードが構成されている。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a pixel portion having a vertical OFD. The pixel portion shown in FIG. 5 has a configuration having an n-
図6は、図5に示すa−a’断面における基板深さ方向に沿った電位を示した図である。図6に示すように、pウェル層101がフォトダイオードの基板側の電位障壁ピークを形成しており、この電位障壁ピークよりも深い位置に入射した光に応じて発生した電荷は、フォトダイオードのn型不純物層102に蓄積されることなく、n型シリコン基板100へと排出される。
FIG. 6 is a diagram showing the potential along the substrate depth direction in the a-a ′ cross section shown in FIG. 5. As shown in FIG. 6, the p-
一方、図7は、横型OFDを有する画素部の断面模式図である。図7に示す画素部は、p型シリコン基板200内に形成されたn型不純物層202と、その表面に設けられたp型不純物層203とを有する構成となっている。n型不純物層202とp型シリコン基板200とのpn接合により、フォトダイオードが構成されている。
On the other hand, FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a pixel portion having a horizontal OFD. The pixel portion shown in FIG. 7 has an n-
図8は、図7に示すb−b’断面における基板深さ方向に沿った電位を示した図である。図8に示すように、フォトダイオードの基板側の電位障壁ピークが、縦型OFDよりも深い位置に存在している。このため、横型OFDを採用した構造によれば、縦型OFDを採用した構造よりも、p型シリコン基板200深くで発生した電荷をフォトダイオードのn型不純物層202に蓄積することができ、感度を向上させることができるという利点がある。
FIG. 8 is a diagram showing the potential along the substrate depth direction in the b-b ′ cross section shown in FIG. 7. As shown in FIG. 8, the potential barrier peak on the substrate side of the photodiode exists at a position deeper than the vertical OFD. Therefore, according to the structure employing the horizontal OFD, charges generated deeper in the p-
このように、横型OFDは感度向上の点でメリットがあるが、上述したように微細化への対応が難しいため、近年では、縦型OFDを採用しつつ、転送路の形状を工夫する等してフォトダイオード開口を拡げて飽和容量を増やすことにより、感度向上を図っていた。しかし、この飽和容量の拡大も限界に近づいており、更なる高感度化に向けての新しい構造が求められていた。 As described above, the horizontal OFD is advantageous in terms of sensitivity improvement. However, since it is difficult to cope with miniaturization as described above, in recent years, the vertical OFD has been adopted and the shape of the transfer path has been devised. The sensitivity was improved by expanding the photodiode aperture and increasing the saturation capacitance. However, the expansion of the saturation capacity is approaching its limit, and a new structure for further enhancement of sensitivity has been demanded.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、チップサイズを維持しながら更なる高感度化を図ることのできる固体撮像素子及びそれを備えた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 above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of further increasing the sensitivity while maintaining the chip size and an imaging apparatus including the same.
本発明の固体撮像素子は、半導体基板内に列方向に配設された複数の光電変換部からなる光電変換部列が、前記列方向と直交する行方向に複数配列された固体撮像素子であって、前記光電変換部列の各光電変換部で発生した電荷を前記列方向に転送する電荷転送部と、前記光電変換部列の各光電変換部に蓄積された過剰電荷を排出するためのオーバーフロードレインとを備え、前記複数の光電変換部列同士の間には、前記電荷転送部と前記オーバーフロードレインのいずれかが配置され、前記電荷転送部と前記オーバーフロードレインは、前記複数の光電変換部列同士の間を前記行方向に交互に配置され、前記電荷転送部に隣接する2つの前記光電変換部列で該電荷転送部を共用し、前記オーバーフロードレインに隣接する2つの前記光電変換部列で該オーバーフロードレインを共用している。 The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device in which a plurality of photoelectric conversion unit columns each including a plurality of photoelectric conversion units arranged in a column direction in a semiconductor substrate are arranged in a row direction orthogonal to the column direction. A charge transfer unit that transfers charges generated in each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit column in the column direction, and an overflow for discharging excess charge accumulated in each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit column A drain, and between the plurality of photoelectric conversion unit rows, any one of the charge transfer unit and the overflow drain is disposed, and the charge transfer unit and the overflow drain include the plurality of photoelectric conversion unit rows The two photoelectric conversion units arranged adjacent to each other in the row direction are shared by the two photoelectric conversion unit columns adjacent to the charge transfer unit and adjacent to the overflow drain. Share the said overflow drain in parts column.
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備える。 The imaging device of the present invention includes the solid-state imaging device.
本発明によれば、チップサイズを維持しながら更なる高感度化を図ることのできる固体撮像素子及びそれを備えた撮像装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid-state image sensor which can achieve further high sensitivity, maintaining an chip size, and an imaging device provided with the same can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。この固体撮像素子は、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡やカメラ付き携帯電話機に搭載される撮像装置に搭載して用いられる。 FIG. 1 is a schematic plan view of a solid-state imaging device for explaining an embodiment of the present invention. The solid-state imaging device is used by being mounted on an imaging device such as a digital camera or a video camera, an electronic endoscope or a camera-equipped mobile phone.
図1に示す固体撮像素子10は、p型シリコン基板11内の列方向とこれに直交する行方向に二次元状に配設された複数の光電変換部1を備える。複数の光電変換部1の配置は、列方向に配設された複数の光電変換部1からなる光電変換部列を行方向に複数配列したものとなっている。
A solid-
固体撮像素子10は、光電変換部列の各光電変換部1で発生した電荷を列方向に転送する電荷転送部である垂直電荷転送路3と、光電変換部列の各光電変換部1に蓄積された過剰電荷を排出するためのオーバーフロードレイン(以下、OFDと略す)4とを備える。
The solid-
行方向に並ぶ光電変換部列同士の間には、垂直電荷転送路3とOFD4とが行方向に交互に配置されている。この固体撮像素子10では、垂直電荷転送路3に隣接する2つの光電変換部列で該垂直電荷転送路3を共用し、OFD4に隣接する2つの光電変換部列で該OFD4を共用したことを特徴としている。
The vertical charge transfer paths 3 and
“垂直電荷転送路3に隣接する2つの光電変換部列で該垂直電荷転送路3を共用する”とは、この2つの光電変換部列の各光電変換部1で発生して蓄積された電荷については、この垂直電荷転送路3で列方向に転送するということを意味する。このため、垂直電荷転送路3と、それに隣接する2つの光電変換部列の各光電変換部1との間には読み出しゲート2が形成されており、この読み出しゲート2を介して、2つの光電変換部列から、それらの間にある垂直電荷転送路3に電荷を読み出すことができるようになっている。なお、読み出しゲート2は、行方向に隣り合う光電変換部1同士で列方向に互いに異なる位置に形成されており、1つの垂直電荷転送路3に対し、それを共用する2つの光電変換部列からそれぞれ独立に電荷を読み出せるようになっている。
“Two photoelectric conversion unit columns adjacent to the vertical charge transfer channel 3 share the vertical charge transfer channel 3” means that the charge generated and accumulated in each
“OFD4に隣接する2つの光電変換部列で該OFD4を共用する”とは、この2つの光電変換部列の各光電変換部1に蓄積された過剰電荷については、このOFD4に排出することを意味する。このため、OFD4と、それに隣接する2つの光電変換部列の各光電変換部1との間にはオーバーフローゲート(以下、OFGと略す)5が形成されており、このOFG5を介して、2つの光電変換部列から、それらの間にあるOFD4に過剰電荷を排出することができるようになっている。
“Two photoelectric conversion unit rows adjacent to
固体撮像素子10は、更に、垂直電荷転送路3を転送されてきた電荷を行方向に転送するための水平電荷転送路6と、水平電荷転送路6を転送されてきた電荷を、その電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部7とを備える。
The solid-
図2は、図1に示す固体撮像素子のB−B’線の断面模式図である。図2に示すように、光電変換部1はp型シリコン基板11内に形成されている。p型シリコン基板11内には、n型不純物層1bが形成されており、このn型不純物層1bとp型シリコン基板11とのpn接合により、入射した光に応じた電荷を発生してこれを蓄積する光電変換部1(フォトダイオード)が構成される。この光電変換部1は、n型不純物層1bの表面に高濃度のp型不純物層1aが設けられた、いわゆる埋め込み型フォトダイオードとなっている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line B-B ′ of the solid-state imaging device shown in FIG. 1. As shown in FIG. 2, the
垂直電荷転送路3を共用している2つの光電変換部1の間にはn型不純物層が形成され、これが垂直電荷転送路3を構成している。垂直電荷転送路3と、それに隣接する2つの光電変換部1のうち左側の光電変換部1との間にはp型不純物層が形成され、これが読み出しゲート2を構成している。垂直電荷転送路3と、それに隣接する2つの光電変換部1のうち右側の光電変換部1との間には、高濃度のp型不純物層からなる素子分離領域8が形成されている。素子分離領域8は、光電変換部1、読み出しゲート2、垂直電荷転送路3、OFD4、及びOFG5が形成された領域以外の部分にも形成されている。
An n-type impurity layer is formed between the two
読み出しゲート2及び垂直電荷転送路3上には、絶縁膜14を介して転送電極12が形成されている。この転送電極12は、光電変換部1あたり例えば2つ設けられ、ここに印加するパルスを制御することで、垂直電荷転送路3に読み出した電荷を列方向に転送することができる。また、転送電極12は、読み出しゲート2と重なる部分も有しているため、ここに読み出しパルスを印加することで、光電変換部1から垂直電荷転送路3に電荷を読み出すことができる。
A
OFD4を共用している2つの光電変換部1の間にはn型不純物層が形成され、これがOFD4を構成している。OFD4と、それに隣接する2つの光電変換部1との間には、それぞれp型不純物層が形成され、これがOFG5を構成している。OFG5は、光電変換部1の電荷蓄積部となるn型不純物層1bと反対導電型で構成されており、光電変換部1とOFD4との間に電位障壁を形成する。光電変換部1は素子分離領域8と読み出しゲート2によって覆われているため、転送電極12に読み出しパルスが印加されていない状態では、光電変換部1とその周りにある素子との間の電位障壁は、OFG5によって形成されるものが最も深くなり、光電変換部1に蓄積しきれなくなった過剰電荷(飽和容量を超えた電荷)は、この電位障壁を越えてOFD4へと排出される。
An n-type impurity layer is formed between the two
絶縁膜14上には、光電変換部1の上方に開口Kが形成されたタングステン等から構成された遮光膜9が設けられている。遮光膜9上には、図示しないカラーフィルタやマイクロレンズ等が設けられている。
On the insulating film 14, a
以上のように構成された固体撮像素子10では、光が入射すると、これに応じて光電変換部1で電荷が発生してこれが蓄積される。光電変換部1の飽和容量を超えた過剰電荷はOFG5を介してOFD4へと排出される。露光終了後は、転送電極12に読み出しパルスが印加され、光電変換部1から読み出しゲート2を介して垂直電荷転送路3に電荷が読み出される。読み出された電荷は水平電荷転送路6を経由して出力部7まで転送され、ここから信号として出力される。
In the solid-
以上のように、この固体撮像素子10によれば、垂直電荷転送路3に隣接する2つの光電変換部列で該垂直電荷転送路3を共用しているため、1つの光電変換部列に対して1つの垂直電荷転送路を設けている従来構成と比較して、垂直電荷転送路の数を約半分にすることができ、スペースを確保することができる。このスペースには、隣接する2つの光電変換部列で共用されたOFD4が形成されており、いわゆる横型OFDが実現されている。この結果、シリコン基板11深くで発生した電荷を光電変換部1に蓄積することができるようになり、縦型OFDを採用した構成と比べて感度向上を図ることができる。このように、固体撮像素子10によれば、1つの光電変換部列に対して1つの垂直電荷転送路を設け且つ縦型OFDを採用している微細化された従来構成とチップサイズを同レベルにしつつ、感度向上を図ることができるようになる。
As described above, according to the solid-
なお、固体撮像素子10では、従来構成において素子分離領域8、垂直電荷転送路3、及び読み出しゲート2を形成していた領域に、OFD4及び2つのOFG5を形成した構成となっている。OFD4及び2つのOFG5は、垂直電荷転送路3とは異なり、電荷蓄積容量等を考慮する必要がない。このため、OFD4及び2つのOFG5を併せた行方向の幅は、素子分離領域8、垂直電荷転送路3、及び読み出しゲート2を併せた行方向の幅よりも狭くすることが可能である。
The solid-
そこで、固体撮像素子10では、OFD4及び2つのOFG5を併せた行方向の幅を、素子分離領域8、垂直電荷転送路3、及び読み出しゲート2を併せた行方向の幅よりも狭くしている。つまり、OFD4を挟んで隣接する2つの光電変換部1間の行方向の距離d1を、垂直電荷転送路3を挟んで隣接する2つの光電変換部1間の行方向の距離d2よりも小さくしている。このようにすることで、固体撮像素子10の行方向の幅を従来構成よりも小さくすることができ、チップサイズの縮小化を図ることができる。また、チップサイズを変えないのであれば、画素数を増やすことができる。
Therefore, in the solid-
また、チップサイズを変えないのであれば、光電変換部1をOFD4及び2つのOFG5の形成された領域側に拡大して更なる感度向上を図ることもできる。例えば、光電変換部1を拡大した分、遮光膜9の開口KもOFD4及び2つのOFG5の形成された領域に向かって拡大することで感度を向上させることができる。なお、光電変換部1の拡大に合わせて遮光膜9の開口KもOFD4及び2つのOFG5の形成された領域に向かって拡大する場合、図2に示したように、垂直電荷転送路3を挟んで隣接する2つの光電変換部1上方の開口Kの中心同士の行方向の距離P1が、OFD4を挟んで隣接する2つの光電変換部1上方の開口Kの中心同士の行方向の距離P2よりも大きくなり、行方向でのサンプリングポイントが等間隔とならない。
If the chip size is not changed, the
そこで、d1=d2とすることが好ましい。これにより、P1=P2となって行方向でのサンプリングポイントを等間隔とすることができるため、良好な撮像が可能となる。このようにした場合でも、従来構成において垂直電荷転送路3を省略したスペースにOFD4及びOFG5を設けたことになるため、画素数及びチップサイズを従来と同等にしながら、感度を向上させることができる。
Therefore, it is preferable to set d1 = d2. As a result, P1 = P2 and sampling points in the row direction can be equally spaced, so that good imaging is possible. Even in this case, since the
なお、OFD4及びOFG5の代わりに縦型OFDを採用した場合、上記距離d1を更に小さくすることができるため、開口Kをより広げて更なる高感度を図ることができる。しかし、この場合、上記距離P2がより小さくなり、サンプリングポイントのずれが顕著となってしまう。本発明者は、横型OFDを採用することで縦型OFDよりも感度向上させられる点に着目し、横型OFDによって感度が向上した分、距離d1を距離d2と同じにしてサンプリングポイントのずれを抑えることに注力することにより、高感度且つ高画質の素子を実現している。 When the vertical OFD is used instead of OFD4 and OFG5, the distance d1 can be further reduced, so that the opening K can be further widened to achieve higher sensitivity. However, in this case, the distance P2 becomes smaller, and the sampling point shift becomes remarkable. The present inventor pays attention to the fact that the horizontal OFD can improve the sensitivity compared to the vertical OFD, and the sensitivity is improved by the horizontal OFD, so that the distance d1 is made the same as the distance d2 to suppress the deviation of the sampling point. By focusing on this, high-sensitivity and high-quality elements have been realized.
以下、図1に示す固体撮像素子10の変形例を説明する。
Hereinafter, modifications of the solid-
(第一の変形例)
この変形例の固体撮像素子は、図1に示した固体撮像素子10のOFG5上方に、OFG5の電位を制御するための制御電極13を設けた構成となっている。なお、固体撮像素子の平面図は、図1と同じである。
(First modification)
The solid-state imaging device of this modification has a configuration in which a
図3は、第一の変形例の固体撮像素子の図1に示すB−B’線に相当する断面模式図である。図2と異なる点は、OFD4及びOFG5の上に、絶縁膜14を介して制御電極13が設けられ、この制御電極13が遮光膜9によって遮光されている点である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view corresponding to the line B-B ′ shown in FIG. 1 of the solid-state imaging device of the first modification. The difference from FIG. 2 is that a
OFD4を挟んで隣接する2つのOFG5の各々の上方に設けられた制御電極13は、該2つのOFG5の一方の上方から、OFD4を跨いで、該2つのOFG5の他方の上方まで形成された1つの電極となっている。制御電極13は、列方向に延びるOFD4及びOFG5と重なるように列方向に延在した直線形状となっている。
The
以上のような構成の第一の変形例の固体撮像素子によれば、制御電極13に印加する電圧によりOFG5の電位を制御することができる。例えば、OFG5の電位を深くすることで、光電変換部1の飽和容量を減らすことができ、OFG5の電位を浅くすることで、光電変換部1の飽和容量を増やすことができる。撮像条件によってOFG5の電位を制御することで、条件に合った最適な撮像を行うことが可能となる。また、OFG5の電位が制御可能となるため、電子シャッタ機能を実現することもできる。
According to the solid-state imaging device of the first modified example configured as described above, the potential of the
また、この制御電極13は、OFD4を挟んで隣接する2つのOFG5で共通化されているため、1つの光電変換部列に対して1つのOFD4、OFG5、及び制御電極13を設けている従来構成と比較すると、制御電極13の数を大幅に減らすことができる。結果として、OFD4、OFG5の幅が従来構成と同一であっても、第一の変形例の構成の方が制御電極13の行方向の幅が広くなる。このため、制御電極13の電気抵抗が小さくなってパルスの遅延が少なくなり、光電変換部1からの過剰電荷の排出速度を速くすることができる。また、制御電極13の行方向の幅が広くなることで、現在の微細化が進んだチップサイズであっても、制御電極13を容易に形成することができる。
Further, since the
(第二の変形例)
第二の変形例の固体撮像素子は、図1に示す固体撮像素子10の複数の光電変換部列のうち、奇数番目の光電変換部列と偶数番目の光電変換部列とを、光電変換部列の各光電変換部の列方向の配列ピッチの1/2だけ列方向にずらして配置したものとなっている。
(Second modification)
The solid-state imaging device of the second modification includes an odd-numbered photoelectric conversion unit row and an even-numbered photoelectric conversion unit row among the plurality of photoelectric conversion unit rows of the solid-
図4は、図1に示す固体撮像素子の第二の変形例を示す平面模式図である。図4に示す固体撮像素子20は、p型シリコン基板28内の列方向とこれに直交する行方向に二次元状に配設された複数の光電変換部21を備える。複数の光電変換部21の配置は、列方向に配設された複数の光電変換部21からなる光電変換部列を行方向に複数配列したものとなっている。複数の光電変換部列のうち、奇数番目の光電変換部列と偶数番目の光電変換部列とは、光電変換部列の各光電変換部の列方向の配列ピッチの1/2だけ列方向にずれて配置されている。また、行方向に配設された複数の光電変換部21からなる光電変換部行のうち、奇数番目の光電変換部行と偶数番目の光電変換部行とは、光電変換部行の各光電変換部の行方向の配列ピッチの1/2だけ行方向にずれた配置となっている。
FIG. 4 is a schematic plan view showing a second modification of the solid-state imaging device shown in FIG. A solid-
固体撮像素子20は、光電変換部列の各光電変換部1で発生した電荷を列方向に転送する電荷転送部である垂直電荷転送路23と、光電変換部列の各光電変換部21に蓄積された過剰電荷を排出するためのOFD24とを備える。
The solid-
行方向に並ぶ光電変換部列同士の間には、垂直電荷転送路23とOFD24とが行方向に交互に配置されている。この固体撮像素子20では、垂直電荷転送路23に隣接する2つの光電変換部列で該垂直電荷転送路23を共用し、OFD24に隣接する2つの光電変換部列で該OFD24を共用している。
Vertical charge transfer paths 23 and OFDs 24 are alternately arranged in the row direction between the photoelectric conversion unit columns arranged in the row direction. In this solid-
垂直電荷転送路23と、それに隣接する2つの光電変換部列の各光電変換部21との間には読み出しゲート22が形成されており、この読み出しゲート22を介して、2つの光電変換部列から、それらの間にある垂直電荷転送路23に電荷を読み出すことができるようになっている。 A readout gate 22 is formed between the vertical charge transfer path 23 and each photoelectric conversion unit 21 of the two photoelectric conversion unit rows adjacent to the vertical charge transfer path 23, and the two photoelectric conversion unit rows are connected via the read gate 22. Thus, charges can be read out to the vertical charge transfer path 23 between them.
OFD24と、それに隣接する2つの光電変換部列の各光電変換部21との間にはOFG25が形成されており、このOFG25を介して、2つの光電変換部列から、それらの間にあるOFD24に過剰電荷を排出することができるようになっている。 An OFG 25 is formed between the OFD 24 and each of the photoelectric conversion units 21 of the two photoelectric conversion unit columns adjacent to the OFD 24, and the OFD 24 between the two photoelectric conversion unit columns via the OFG 25. Excess charge can be discharged.
固体撮像素子20は、更に、垂直電荷転送路23を転送されてきた電荷を行方向に転送するための水平電荷転送路26と、水平電荷転送路26を転送されてきた電荷を、その電荷量に応じた信号に変換して出力する出力部27とを備える。
The solid-
このような構成の固体撮像素子であっても、固体撮像素子10で説明したような効果を得ることができる。
Even with the solid-state imaging device having such a configuration, the effects described in the solid-
以上説明したように、本明細書には次の事項が開示されている。 As described above, the following items are disclosed in this specification.
開示された固体撮像素子は、半導体基板内に列方向に配設された複数の光電変換部からなる光電変換部列が、前記列方向と直交する行方向に複数配列された固体撮像素子であって、前記光電変換部列の各光電変換部で発生した電荷を前記列方向に転送する電荷転送部と、前記光電変換部列の各光電変換部に蓄積された過剰電荷を排出するためのオーバーフロードレインとを備え、前記複数の光電変換部列同士の間には、前記電荷転送部と前記オーバーフロードレインのいずれかが配置され、前記電荷転送部と前記オーバーフロードレインは、前記複数の光電変換部列同士の間を前記行方向に交互に配置され、前記電荷転送部に隣接する2つの前記光電変換部列で該電荷転送部を共用し、前記オーバーフロードレインに隣接する2つの前記光電変換部列で該オーバーフロードレインを共用している。 The disclosed solid-state imaging device is a solid-state imaging device in which a plurality of photoelectric conversion unit columns each including a plurality of photoelectric conversion units arranged in a column direction in a semiconductor substrate are arranged in a row direction orthogonal to the column direction. A charge transfer unit that transfers charges generated in each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit column in the column direction, and an overflow for discharging excess charge accumulated in each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit column A drain, and between the plurality of photoelectric conversion unit rows, any one of the charge transfer unit and the overflow drain is disposed, and the charge transfer unit and the overflow drain include the plurality of photoelectric conversion unit rows The two photoelectric conversion units arranged adjacent to each other in the row direction and sharing the charge transfer unit between the two photoelectric conversion unit columns adjacent to the charge transfer unit and adjacent to the overflow drain Share the said overflow drain in section column.
この構成によれば、電荷転送部に隣接する2つの光電変換部列で該電荷転送部を共用しているため、1つの光電変換部列に対して1つの電荷転送部を設けている従来構成と比較して、電荷転送部を減らした分のスペースを確保することができる。そして、このスペースには、隣接する2つの光電変換部列で共用されたオーバーフロードレインが形成されており、いわゆる横型OFDが実現されている。この結果、基板深くで発生した電荷を光電変換部に蓄積することができるようになり、感度向上を図ることができる。このように、上記構成によれば、固体撮像素子のチップサイズや画素数は、1つの光電変換部列に対して1つの電荷転送部を設けている従来構成と同じにしつつ、感度向上を図ることができるようになる。 According to this configuration, since the charge transfer unit is shared by two photoelectric conversion unit columns adjacent to the charge transfer unit, one charge transfer unit is provided for one photoelectric conversion unit column. Compared to the above, it is possible to secure a space corresponding to the reduced number of charge transfer portions. In this space, an overflow drain shared by two adjacent photoelectric conversion unit rows is formed, and a so-called horizontal OFD is realized. As a result, charges generated deep in the substrate can be accumulated in the photoelectric conversion unit, and sensitivity can be improved. Thus, according to the above configuration, the chip size and the number of pixels of the solid-state imaging device are the same as those in the conventional configuration in which one charge transfer unit is provided for one photoelectric conversion unit column, and the sensitivity is improved. Will be able to.
開示された固体撮像素子は、前記オーバーフロードレインを挟んで隣接する2つの前記光電変換部列同士の距離d1と、前記電荷転送部を挟んで隣接する2つの前記光電変換部列同士の距離d2とが同じとなっている。 The disclosed solid-state imaging device includes a distance d1 between two photoelectric conversion unit columns adjacent to each other with the overflow drain interposed therebetween, and a distance d2 between two photoelectric conversion unit columns adjacent to each other with the charge transfer unit interposed therebetween. Are the same.
この構成により、高感度を実現しながら、サンプリングポイントを等間隔にすることができる。 With this configuration, the sampling points can be equally spaced while realizing high sensitivity.
開示された固体撮像素子は、前記オーバーフロードレインとそれに隣接する前記光電変換部列との間に設けられ、前記オーバーフロードレインと前記光電変換部との間の電位障壁を形成するためのオーバーフローゲートと、前記半導体基板の前記オーバーフローゲート上方に設けられ、前記オーバーフローゲートの電位を制御するための制御電極とを備え、前記オーバーフロードレインを挟んで隣接する2つの前記オーバーフローゲートの各々の上方に設けられた前記制御電極は、2つの前記オーバーフローゲートの一方の上方から、前記オーバーフロードレインを跨いで、2つの前記オーバーフローゲートの他方の上方まで形成された1つの電極となっている。 The disclosed solid-state imaging device is provided between the overflow drain and the photoelectric conversion unit row adjacent thereto, and an overflow gate for forming a potential barrier between the overflow drain and the photoelectric conversion unit, A control electrode for controlling the potential of the overflow gate provided above the overflow gate of the semiconductor substrate, and provided above each of the two adjacent overflow gates across the overflow drain The control electrode is a single electrode formed from one upper side of the two overflow gates to the upper side of the other two overflow gates across the overflow drain.
この構成により、オーバーフローゲートの電位を制御することができ、電子シャッタ機能や、光電変換部の飽和容量の制御等を実現することができる。また、制御電極がオーバーフロードレインを挟んで隣接する2つのオーバーフローゲートで共通化されているため、1つの光電変換部列に対して1つのオーバーフロードレイン、オーバーフローゲート、及び制御電極を設けている従来構成と比較すると、制御電極の数を大幅に減らすことができる。結果として、オーバーフロードレイン、オーバーフローゲートの幅が従来構成と同一であっても、上記構成の方が制御電極の行方向の幅が広くなるため、制御電極の電気抵抗が小さくなってパルスの遅延が少なくなり、光電変換部からの過剰電荷の排出速度を速くすることができる。また、制御電極の行方向の幅が広くなることで、現在の微細化が進んだチップサイズであっても、制御電極を容易に形成することができる。特にd1=d2のときには、制御電極の幅を充分に大きくすることができるため、その製造が容易である。 With this configuration, the potential of the overflow gate can be controlled, and an electronic shutter function, control of the saturation capacity of the photoelectric conversion unit, and the like can be realized. Further, since the control electrode is shared by two overflow gates adjacent to each other with the overflow drain interposed therebetween, a conventional configuration in which one overflow drain, overflow gate, and control electrode are provided for one photoelectric conversion unit row As compared with, the number of control electrodes can be greatly reduced. As a result, even if the width of the overflow drain and the overflow gate is the same as the conventional configuration, the width of the control electrode in the row direction is wider in the above configuration, so that the electrical resistance of the control electrode is reduced and the pulse delay is reduced As a result, the discharge rate of excess charges from the photoelectric conversion unit can be increased. In addition, since the width of the control electrode in the row direction is increased, the control electrode can be easily formed even if the chip size is currently miniaturized. In particular, when d1 = d2, the width of the control electrode can be made sufficiently large, so that its manufacture is easy.
開示された固体撮像素子は、前記複数の光電変換部列のうち、奇数番目の光電変換部列と偶数番目の光電変換部列とが、前記光電変換部列の各光電変換部の前記列方向の配列ピッチの1/2だけ前記列方向にずれて配置されている。 In the disclosed solid-state imaging device, among the plurality of photoelectric conversion unit columns, odd-numbered photoelectric conversion unit columns and even-numbered photoelectric conversion unit columns are arranged in the column direction of each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit column. Are arranged so as to be shifted in the column direction by ½ of the arrangement pitch.
この構成により、光電変換部の開口を大きくすることができるため、光電変換部の隣にオーバーフロードレインを設けたことによる感度向上と併せた高感度化が可能となる。 With this configuration, since the opening of the photoelectric conversion unit can be increased, it is possible to increase the sensitivity in combination with the improvement in sensitivity by providing the overflow drain adjacent to the photoelectric conversion unit.
開示された撮像装置は前記固体撮像素子を備える。 The disclosed imaging device includes the solid-state imaging device.
この構成により、小型且つ高感度の撮像装置を実現することができる。 With this configuration, a small and highly sensitive imaging device can be realized.
1 光電変換部
3 垂直電荷転送路
4 オーバーフロードレイン
10 固体撮像素子
11 p型シリコン基板
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記光電変換部列の各光電変換部で発生した電荷を前記列方向に転送する電荷転送部と、
前記光電変換部列の各光電変換部に蓄積された過剰電荷を排出するためのオーバーフロードレインとを備え、
前記複数の光電変換部列同士の間には、前記電荷転送部と前記オーバーフロードレインのいずれかが配置され、
前記電荷転送部と前記オーバーフロードレインは、前記複数の光電変換部列同士の間を前記行方向に交互に配置され、
前記電荷転送部に隣接する2つの前記光電変換部列で該電荷転送部を共用し、
前記オーバーフロードレインに隣接する2つの前記光電変換部列で該オーバーフロードレインを共用している固体撮像素子。 A plurality of photoelectric conversion unit columns formed of a plurality of photoelectric conversion units disposed in a column direction in a semiconductor substrate are solid-state imaging devices arranged in a row direction orthogonal to the column direction,
A charge transfer unit that transfers charges generated in each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit column in the column direction;
An overflow drain for discharging excess charge accumulated in each photoelectric conversion unit of the photoelectric conversion unit row,
Between the plurality of photoelectric conversion unit rows, either the charge transfer unit or the overflow drain is disposed,
The charge transfer unit and the overflow drain are alternately arranged in the row direction between the plurality of photoelectric conversion unit columns,
Sharing the charge transfer unit between two photoelectric conversion unit rows adjacent to the charge transfer unit;
A solid-state image pickup device in which the two drains adjacent to the overflow drain share the overflow drain.
前記オーバーフロードレインを挟んで隣接する2つの前記光電変換部列同士の距離d1と、前記電荷転送部を挟んで隣接する2つの前記光電変換部列同士の距離d2とが同じになっている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
Solid-state imaging in which the distance d1 between the two photoelectric conversion unit columns adjacent to each other with the overflow drain interposed therebetween is the same as the distance d2 between the two photoelectric conversion unit columns adjacent to each other with the charge transfer unit interposed therebetween element.
前記オーバーフロードレインとそれに隣接する前記光電変換部列との間に設けられ、前記オーバーフロードレインと前記光電変換部との間の電位障壁を形成するためのオーバーフローゲートと、
前記半導体基板の前記オーバーフローゲート上方に設けられ、前記オーバーフローゲートの電位を制御するための制御電極とを備え、
前記オーバーフロードレインを挟んで隣接する2つの前記オーバーフローゲートの各々の上方に設けられた前記制御電極は、2つの前記オーバーフローゲートの一方の上方から、前記オーバーフロードレインを跨いで、2つの前記オーバーフローゲートの他方の上方まで形成された1つの電極となっている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1 or 2,
An overflow gate provided between the overflow drain and the photoelectric conversion unit row adjacent to the overflow drain to form a potential barrier between the overflow drain and the photoelectric conversion unit;
Provided above the overflow gate of the semiconductor substrate, and a control electrode for controlling the potential of the overflow gate;
The control electrode provided above each of the two overflow gates adjacent to each other across the overflow drain extends from one of the two overflow gates across the overflow drain. The solid-state image sensor which becomes one electrode formed up to the other.
前記複数の光電変換部列のうち、奇数番目の光電変換部列と偶数番目の光電変換部列とが、前記光電変換部列の各光電変換部の前記列方向の配列ピッチの1/2だけ前記列方向にずれて配置されている固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 3,
Of the plurality of photoelectric conversion unit columns, odd-numbered photoelectric conversion unit columns and even-numbered photoelectric conversion unit columns are only ½ of the arrangement pitch in the column direction of the photoelectric conversion units of the photoelectric conversion unit column. A solid-state imaging device arranged so as to be shifted in the column direction.
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