JP2011040536A - Solid-state image pickup element, and method for driving same - Google Patents

Solid-state image pickup element, and method for driving same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a backside illuminated solid-state imaging element which has a back surface as a receiving surface for incident light from forming an afterimage, causing crosstalk and so on. <P>SOLUTION: In a semiconductor substrate 10, a P-type light receiving top surface layer 12, an N-type photodiode 11 in which photoelectrically converted signal charges are stored, a P-type potential barrier layer 14, and an N-type charge storage layer 13 in which the signal charges transferred from the photodiode 11 are stored are provided in order from the back surface to the top surface. The light receiving top surface layer 12 is applied with a voltage of 0V by a back surface bias generating circuit 7 except when the signal charges are transferred from the photodiode 11 to the charge storage layer 13, and applied with a negative pulse signal when the signal charges are transferred. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method thereof.

ビデオカメラやデジタルスチルカメラ用の固体撮像素子として、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等の固体撮像素子が広く用いられている。これらの固体撮像素子は、2次元状に配列された単位セルを有するが、撮像された画像の高解像度化または固体撮像素子の小型化のため、一般に単位セルサイズが縮小される傾向にある。固体撮像素子の単位セルは、光電変換素子であるフォトダイオードと、フォトダイオードに蓄積された信号電荷を読み出すための信号読み出し回路等から構成される。   Solid-state image sensors such as CCD image sensors and CMOS image sensors are widely used as solid-state image sensors for video cameras and digital still cameras. These solid-state imaging devices have unit cells arranged in a two-dimensional manner, but the unit cell size generally tends to be reduced in order to increase the resolution of the captured image or to reduce the size of the solid-state imaging device. The unit cell of the solid-state imaging device includes a photodiode that is a photoelectric conversion element, a signal readout circuit that reads out signal charges accumulated in the photodiode, and the like.

従来、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ用の固体撮像素子は、フォトダイオードと信号読み出し回路等のデバイスを半導体基板の一面に形成し、このデバイス形成面を受光面とした、いわゆる表面照射型固体撮像素子が主流であった。
しかしながら、近年、単位セルの縮小に伴い、単位セルサイズに対するフォトダイオードの開口面積(開口率)が低下する弊害を回避するため、デバイス形成面とは反対側の面を受光面とした、いわゆる裏面照射型の固体撮像素子が実用化され始めている。
2. Description of the Related Art Conventional solid-state image sensors for video cameras and digital still cameras are so-called surface-illuminated solid-state image sensors in which devices such as photodiodes and signal readout circuits are formed on one surface of a semiconductor substrate and this device formation surface is used as a light-receiving surface Was the mainstream.
However, in recent years, in order to avoid the adverse effect of reducing the opening area (aperture ratio) of the photodiode with respect to the unit cell size due to the reduction of the unit cell, a so-called back surface in which the surface opposite to the device formation surface is the light receiving surface Irradiation-type solid-state imaging devices are beginning to be put into practical use.

図12は、従来の裏面照射型の固体撮像素子における単位セルの構造を示す断面図である(特許文献1の図1)。
同図に示すように、半導体基板101の第1面(同図上側の面)上に配線層が設けられ、半導体基板101内の第1面に近い側に画素毎に信号読み出し回路となる転送MOSトランジスタ110と信号電荷伝達路111が設けられており、第1面とは反対側の第2面(同図下側)を受光面として、半導体基板101内の第2面に近い側にフォトダイオードN層102とフォトダイオードP層103が設けられている。隣接する画素間は、P型の分離領域104によって仕切られている。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of a unit cell in a conventional back-illuminated solid-state imaging device (FIG. 1 of Patent Document 1).
As shown in the figure, a wiring layer is provided on the first surface (upper surface in the figure) of the semiconductor substrate 101, and transfer that becomes a signal readout circuit for each pixel on the side close to the first surface in the semiconductor substrate 101. A MOS transistor 110 and a signal charge transfer path 111 are provided, and a second surface (the lower side in the figure) opposite to the first surface is used as a light receiving surface, and a photo is formed on the side close to the second surface in the semiconductor substrate 101. A diode N layer 102 and a photodiode P layer 103 are provided. Adjacent pixels are partitioned by a P-type separation region 104.

この特許文献1では、フォトダイオードN層102に蓄積された信号電荷を読み出す際に、転送MOSトランジスタ110の制御電極112に正の電圧を印加して、転送MOSトランジスタ110をON状態にすることにより、転送MOSトランジスタ110のソースに相当するフォトダイオードN層102から、ドレインに相当する拡散浮遊領域113に信号電荷を転送するようになっている。   In this patent document 1, when reading the signal charge accumulated in the photodiode N layer 102, a positive voltage is applied to the control electrode 112 of the transfer MOS transistor 110 to turn on the transfer MOS transistor 110. The signal charge is transferred from the photodiode N layer 102 corresponding to the source of the transfer MOS transistor 110 to the diffusion floating region 113 corresponding to the drain.

また、特許文献2には、裏面照射型の固体撮像素子において、受光面から入射した光電子を、受光面とは反対面側に設けられた光電変換領域に誘導するため、受光面側に配置した電極に電圧を印加することによって、半導体基板の深さ方向の電場を発生させる技術が開示されている。   Further, in Patent Document 2, in a back-illuminated solid-state imaging device, photoelectrons incident from the light receiving surface are arranged on the light receiving surface side in order to guide the photoelectric electrons to a photoelectric conversion region provided on the opposite surface side of the light receiving surface. A technique for generating an electric field in the depth direction of a semiconductor substrate by applying a voltage to an electrode is disclosed.

特開2005−150521号公報JP-A-2005-150521 特開2003−338615号公報JP 2003-338615 A

しかしながら、特許文献1の固体撮像素子の構成では、いわゆる残像やランダムノイズ、クロストークが発生するという問題がある。
すなわち、光電変換された信号電荷のより多くをフォトダイオードN層102に蓄積させるには、フォトダイオードN層102の電位井戸をより深くすれば良く、電位井戸を深くするには、フォトダイオードN層102のN型の不純物濃度を濃くすれば良い。
However, the configuration of the solid-state imaging device of Patent Document 1 has a problem that so-called afterimages, random noise, and crosstalk occur.
That is, in order to accumulate more of the photoelectrically converted signal charge in the photodiode N layer 102, the potential well of the photodiode N layer 102 may be deepened. To deepen the potential well, the photodiode N layer The N-type impurity concentration of 102 may be increased.

しかしながら、不純物濃度を濃くすることで電位井戸を深くして、フォトダイオードN層102の電位を同じN型の信号電荷伝達路111と同程度の電位またはこれ以上に上げてしまうと、フォトダイオードN層102に蓄積された信号電荷が信号電荷伝達路111に導かれ難くなる。また、信号電荷伝達路111の幅がフォトダイオードN層102に対して極端に狭く、信号電荷が信号電荷伝達路111に入り難い構成になっている。   However, if the potential well is deepened by increasing the impurity concentration and the potential of the photodiode N layer 102 is raised to the same level as or higher than that of the same N-type signal charge transfer path 111, the photodiode N It becomes difficult for the signal charge accumulated in the layer 102 to be guided to the signal charge transfer path 111. Further, the width of the signal charge transfer path 111 is extremely narrow with respect to the photodiode N layer 102, and the signal charge hardly enters the signal charge transfer path 111.

そのため、転送MOSトランジスタ110をONにしても、そのON期間にフォトダイオードN層102に蓄積された信号電荷の全てを、信号電荷伝達路111を通過させて拡散浮遊領域113まで転送させることができず、ある程度の量の信号電荷がフォトダイオードN層102に残ってしまい、これが残像やランダムノイズを発生させることになる。
このような信号電荷が残ることを防止するために、フォトダイオードN層102のN型の不純物濃度をできるだけ、例えば真性半導体と同程度にまで下げて、フォトダイオードN層102の電位を下げる構成をとることもできる。
Therefore, even if the transfer MOS transistor 110 is turned on, all the signal charges accumulated in the photodiode N layer 102 during the ON period can be transferred to the diffusion floating region 113 through the signal charge transmission path 111. Accordingly, a certain amount of signal charge remains in the photodiode N layer 102, which generates afterimages and random noise.
In order to prevent such signal charges from remaining, the N-type impurity concentration of the photodiode N layer 102 is lowered as much as possible, for example, to the same level as that of an intrinsic semiconductor, and the potential of the photodiode N layer 102 is lowered. It can also be taken.

しかしながら、このようにすればフォトダイオードN層102の電位井戸が浅くなり、事実上フォトダイオードN層102に信号電荷を蓄積する機能を有しなくなる。結果として、光電変換された信号電荷のうち電位井戸から溢れるものが生じ、その溢れた信号電荷とフォトダイオードN層102近傍で発生した信号電荷とが隣接する画素に拡散することが生じ易くなり、これがクロストークを発生させることになる。   However, if this is done, the potential well of the photodiode N layer 102 becomes shallow, and the function of accumulating signal charges in the photodiode N layer 102 is practically lost. As a result, the photoelectrically converted signal charge overflows from the potential well, and the overflowed signal charge and the signal charge generated near the photodiode N layer 102 are likely to diffuse to adjacent pixels, This will cause crosstalk.

一方、特許文献2に開示されている固体撮像素子では、受光面側に配置した電極に負の直流バイアス電圧を印加するため、固体撮像素子の動作期間中は常時、反対側の面のP型ウエルから受光面側に配置した電極に電流が流れることになる。これにより消費電力が増加してこれに伴う温度上昇によるランダムノイズが増加するという問題がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、残像やランダムノイズおよびクロストークなどを防止することができる固体撮像素子およびこれの駆動方法を提供することを目的としている。
On the other hand, in the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 2, since a negative DC bias voltage is applied to the electrode arranged on the light receiving surface side, the P-type on the opposite surface is always applied during the operation period of the solid-state imaging device. A current flows from the well to the electrode arranged on the light receiving surface side. As a result, there is a problem that power consumption increases and random noise due to a temperature rise associated therewith increases.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of preventing afterimages, random noise, crosstalk, and the like, and a driving method thereof.

上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像素子は、半導体基板の一方の主面である裏面を受光面とした単位セルが複数、行列状に配列されてなる裏面照射型の固体撮像素子であって、前記各単位セルは、前記半導体基板内において厚み方向に前記裏面に最も近い位置に設けられた第1導電型の受光表面層と、前記半導体基板内において前記受光表面層よりも前記半導体基板の他方の主面である表面に近い側に設けられ、前記受光表面層に入射された光を光電変換して得られた信号電荷を蓄積する、第1導電型とは逆極性の第2導電型の光電変換領域と、前記半導体基板内において前記光電変換領域よりも前記表面に近い側に設けられ、前記光電変換領域から転送された信号電荷を蓄積する第2導電型の電荷蓄積層と、前記半導体基板内において前記光電変換領域と前記電荷蓄積層との間に介在する第1導電型の電位障壁層と、前記光電変換領域に蓄積される信号電荷を前記電位障壁層の電位障壁により前記電荷蓄積層に転送させないための第1電圧と、前記信号電荷を前記電位障壁層を介して前記電荷蓄積層に転送するための第2電圧を選択的に前記受光表面層に印加する電極と、を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a solid-state image pickup device according to the present invention is a back-illuminated solid-state image pickup device in which a plurality of unit cells having a light receiving surface as a back surface, which is one main surface of a semiconductor substrate, are arranged in a matrix. Each unit cell includes a light receiving surface layer of a first conductivity type provided at a position closest to the back surface in the thickness direction in the semiconductor substrate, and the light receiving surface layer in the semiconductor substrate than the light receiving surface layer. The first conductivity type is provided on the side close to the surface which is the other main surface of the semiconductor substrate and accumulates signal charges obtained by photoelectrically converting the light incident on the light receiving surface layer. A second-conductivity-type photoelectric conversion region, and a second-conductivity-type charge storage layer that is provided closer to the surface than the photoelectric conversion region in the semiconductor substrate and accumulates signal charges transferred from the photoelectric conversion region And in the semiconductor substrate A potential barrier layer of a first conductivity type interposed between the photoelectric conversion region and the charge storage layer, and a signal charge stored in the photoelectric conversion region is transferred to the charge storage layer by the potential barrier of the potential barrier layer. And a first voltage for preventing the signal charge from being transferred to the charge storage layer via the potential barrier layer, and an electrode for selectively applying a second voltage for transferring the signal charge to the light receiving surface layer. It is characterized by.

このようにすれば、光電変換された信号電荷を光電変換領域に蓄積する期間に第1電圧を電極に印加して、電位障壁層に電位障壁を形成して光電変換領域に形成される電位井戸に信号電荷を蓄積しつつ、光電変換領域から信号電荷を電荷蓄積層に転送する期間になると、転送のための第2電圧を電極に印加することにより転送を行わせることができる。
これにより、光電変換領域の電位井戸をある程度深くしても蓄積された信号電荷を全て転送することができ、拡散により生じるクロストークや残像、ランダムノイズの発生を防止することができる。
In this way, a potential well is formed in the photoelectric conversion region by applying the first voltage to the electrode during the period in which the photoelectrically converted signal charge is accumulated in the photoelectric conversion region, thereby forming a potential barrier in the potential barrier layer. In the period in which the signal charge is stored in the photoelectric conversion region and the signal charge is transferred to the charge storage layer, the transfer can be performed by applying the second voltage for transfer to the electrode.
As a result, even if the potential well in the photoelectric conversion region is deepened to some extent, all accumulated signal charges can be transferred, and the occurrence of crosstalk, afterimages, and random noise caused by diffusion can be prevented.

また、前記電極に前記電圧を供給するバイアス回路を備え、前記バイアス回路は、前記第1電圧として、前記光電変換領域に信号電荷を蓄積する蓄積期間に、前記電位障壁層に電位障壁が形成される電圧を供給し、前記第2電圧として、前記信号電荷の転送期間には、前記第1導電型がP型、前記第2導電型がN型の場合に前記光電変換領域から前記電荷蓄積層に向かって電位が単調増加する電圧を供給し、前記第1導電型がN型、前記第2導電型がP型の場合に前記光電変換領域から前記電荷蓄積層に向かって電位が単調減少する電圧を供給するとしても良い。   In addition, a bias circuit for supplying the voltage to the electrode is provided, and the bias circuit has a potential barrier formed in the potential barrier layer during the accumulation period in which signal charges are accumulated in the photoelectric conversion region as the first voltage. As the second voltage, during the signal charge transfer period, when the first conductivity type is P type and the second conductivity type is N type, the charge accumulation layer is supplied from the photoelectric conversion region. When the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type, the potential monotonously decreases from the photoelectric conversion region toward the charge storage layer. A voltage may be supplied.

また、前記転送期間は、垂直ブランキング期間中の所定の期間であり、前記蓄積期間は、前記所定の期間を除く期間であり、水平走査期間と水平ブランキング期間を含む垂直走査期間の少なくとも一部を含む期間であるとしても良い。
このような構成において、全単位セルについて転送期間を所定の期間に設定すると共に蓄積期間を同一期間に設定することにより、いわゆるグローバルシャッターを実現することができる。
The transfer period is a predetermined period in the vertical blanking period, and the accumulation period is a period excluding the predetermined period, and is at least one of a horizontal scanning period and a vertical scanning period including a horizontal blanking period. It may be a period including parts.
In such a configuration, a so-called global shutter can be realized by setting the transfer period to a predetermined period and setting the accumulation period to the same period for all unit cells.

さらに、前記転送期間は、水平ブランキング期間中の所定の期間であり、前記蓄積期間は、前記所定の期間を除く期間であり、少なくとも水平走査期間を含む期間であるとしても良い。
このようにすれば、各単位セルが、水平ブランキング期間毎にその水平ブランキング期間中の所定の期間になると光電変換領域に蓄積された信号電荷を電荷蓄積層に転送して電荷蓄積層に信号電荷を蓄積しつつ、蓄積された信号電荷を出力する選択行になると、それまでに電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を出力することができると共に、その蓄積期間を選択行になってから次の選択行までの期間とすることにより、蓄積期間が一行毎に一水平走査周期ずつずれる、いわゆるローリングシャッターを実現することができる。
Further, the transfer period may be a predetermined period in a horizontal blanking period, and the accumulation period may be a period excluding the predetermined period, and a period including at least a horizontal scanning period.
In this way, each unit cell transfers the signal charge accumulated in the photoelectric conversion region to the charge accumulation layer when it reaches a predetermined period in the horizontal blanking period for each horizontal blanking period to the charge accumulation layer. When the selected row outputs the accumulated signal charge while accumulating the signal charge, the signal charge accumulated in the charge accumulation layer can be output and the accumulation period becomes the selected row. By setting the period until the next selected row, it is possible to realize a so-called rolling shutter in which the accumulation period is shifted by one horizontal scanning cycle for each row.

ここで、前記転送期間の少なくとも一部が前記電荷蓄積層から信号電荷を出力する期間に重なり、前記転送期間と前記出力する期間が略同時に終了するとしても良い。
このようにすれば、光電変換領域に蓄積された信号電荷の電荷蓄積層への転送と、電荷蓄積層に蓄積された信号電荷の出力とを同時に並行して行うことができる。
また、前記半導体基板内において前記電荷蓄積層よりも前記表面に近い側に第1導電型の蓄積表面層が設けられているとしても良い。
Here, at least a part of the transfer period may overlap with a period in which signal charges are output from the charge storage layer, and the transfer period and the output period may be ended substantially simultaneously.
In this way, the transfer of the signal charge accumulated in the photoelectric conversion region to the charge accumulation layer and the output of the signal charge accumulated in the charge accumulation layer can be performed simultaneously in parallel.
In addition, a storage surface layer of a first conductivity type may be provided on the side closer to the surface than the charge storage layer in the semiconductor substrate.

このようにすれば、電荷蓄積層における前記表面側の面の電位を安定しつつ界面準位による暗電流の発生を抑制することができる。
さらに、前記電極は、前記半導体基板の裏面上に設けられ、当該受光表面層と電気的に接続された透明電極であるとしても良い。
このようにすれば、半導体基板の裏面に面方向に均一に電圧を印加することができる。
In this way, it is possible to suppress the occurrence of dark current due to the interface state while stabilizing the potential of the surface side surface of the charge storage layer.
Furthermore, the electrode may be a transparent electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the light receiving surface layer.
In this way, a voltage can be uniformly applied to the back surface of the semiconductor substrate in the surface direction.

また、前記第1電圧が接地電位であるとしても良い。
このようにすれば、信号電荷の転送時以外のときにおける消費電力の低減を図ることができる。
また、本発明に係る固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板の一方の主面である裏面を受光面とした単位セルが複数、行列状に配列されてなる裏面照射型の固体撮像素子の駆動方法であって、前記各単位セルは、前記半導体基板内において厚み方向に前記裏面に最も近い位置に設けられた第1導電型の受光表面層と、前記半導体基板内において前記受光表面層よりも前記半導体基板の他方の主面である表面に近い側に設けられ、前記受光表面層に入射された光を光電変換して得られた信号電荷を蓄積する、第1導電型とは逆極性の第2導電型の光電変換領域と、前記半導体基板内において前記光電変換領域よりも前記表面に近い側に設けられ、前記光電変換領域から転送された信号電荷を蓄積する第2導電型の電荷蓄積層と、前記半導体基板内において前記光電変換領域と前記電荷蓄積層との間に介在する第1導電型の電位障壁層と、を備え、当該駆動方法は、前記光電変換領域に信号電荷を蓄積する蓄積期間に、前記光電変換領域に蓄積される信号電荷を前記電位障壁層の電位障壁により前記電荷蓄積層に転送させないための第1電圧を前記受光表面層に印加する第1ステップと、前記信号電荷の転送期間に、前記信号電荷を前記電位障壁層を介して前記電荷蓄積層に転送するための第2電圧として、前記第1導電型がP型、前記第2導電型がN型の場合には前記光電変換領域から前記電荷蓄積層に向かって電位が単調増加する電圧を、前記第1導電型がN型、前記第2導電型がP型の場合には前記光電変換領域から前記電荷蓄積層に向かって電位が単調減少する電圧を前記受光表面層に印加する第2ステップと、を含むステップを実行することを特徴とする。
The first voltage may be a ground potential.
In this way, power consumption can be reduced when the signal charge is not transferred.
In addition, the solid-state imaging device driving method according to the present invention drives a back-illuminated solid-state imaging device in which a plurality of unit cells having a light receiving surface on the back surface, which is one main surface of a semiconductor substrate, are arranged in a matrix. The unit cell includes a light receiving surface layer of a first conductivity type provided at a position closest to the back surface in the thickness direction in the semiconductor substrate, and a light receiving surface layer in the semiconductor substrate than the light receiving surface layer. Provided on the side close to the surface that is the other main surface of the semiconductor substrate, and accumulates signal charges obtained by photoelectrically converting light incident on the light receiving surface layer, and having a polarity opposite to that of the first conductivity type A second conductivity type photoelectric conversion region, and a second conductivity type charge storage that is provided closer to the surface than the photoelectric conversion region in the semiconductor substrate, and accumulates signal charges transferred from the photoelectric conversion region. Layer and said semiconductor substrate A potential barrier layer of a first conductivity type interposed between the photoelectric conversion region and the charge storage layer, and the driving method includes the photoelectric conversion during the storage period in which signal charges are stored in the photoelectric conversion region. A first step of applying a first voltage to the light receiving surface layer to prevent the signal charge accumulated in the conversion region from being transferred to the charge accumulation layer by the potential barrier of the potential barrier layer; and during the transfer period of the signal charge, As the second voltage for transferring the signal charge to the charge storage layer through the potential barrier layer, the photoelectric conversion region when the first conductivity type is P type and the second conductivity type is N type. When the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type, the potential increases monotonically from the photoelectric conversion region toward the charge storage layer. Is a monotonically decreasing voltage. And executes a step of including a second step for applying the surface layer.

このようにすれば、光電変換された信号電荷を光電変換領域に蓄積する期間に第1電圧を印加して、電位障壁層に電位障壁を形成して光電変換領域に形成される電位井戸に信号電荷を蓄積しつつ、光電変換領域から信号電荷を電荷蓄積層に転送する期間になると、転送のための第2電圧を印加することにより転送を行わせることができる。
これにより、光電変換領域の電位井戸をある程度深くしても蓄積された信号電荷を全て転送することができ、拡散により生じるクロストークや残像、ランダムノイズの発生を防止することができる。
According to this configuration, the first voltage is applied during the period in which the photoelectrically converted signal charges are accumulated in the photoelectric conversion region, the potential barrier is formed in the potential barrier layer, and the signal is supplied to the potential well formed in the photoelectric conversion region. When the period for transferring the signal charge from the photoelectric conversion region to the charge storage layer while accumulating the charge is reached, the transfer can be performed by applying the second voltage for the transfer.
As a result, even if the potential well in the photoelectric conversion region is deepened to some extent, all accumulated signal charges can be transferred, and the occurrence of crosstalk, afterimages, and random noise caused by diffusion can be prevented.

また、前記転送期間は、垂直ブランキング期間中の所定の期間であり、前記蓄積期間は、前記所定の期間を除く期間であり、水平走査期間と水平ブランキング期間を含む垂直走査期間の少なくとも一部を含む期間であるとしても良い。
このような構成において、全単位セルについて転送期間を所定の期間に設定すると共に蓄積期間を同一期間に設定することにより、いわゆるグローバルシャッターを実現することができる。
The transfer period is a predetermined period in the vertical blanking period, and the accumulation period is a period excluding the predetermined period, and is at least one of a horizontal scanning period and a vertical scanning period including a horizontal blanking period. It may be a period including parts.
In such a configuration, a so-called global shutter can be realized by setting the transfer period to a predetermined period and setting the accumulation period to the same period for all unit cells.

さらに、前記転送期間は、水平ブランキング期間中の所定の期間であり、前記蓄積期間は、前記所定の期間を除く期間であり、少なくとも水平走査期間を含む期間であるとしても良い。
このようにすれば、各単位セルが、水平ブランキング期間毎にその水平ブランキング期間中の所定の期間になると光電変換領域に蓄積された信号電荷を電荷蓄積層に転送して電荷蓄積層に信号電荷を蓄積しつつ、蓄積された信号電荷を出力する選択行になると、それまでに電荷蓄積層に蓄積された信号電荷を出力することができると共に、その蓄積期間を選択行になってから次の選択行までの期間とすることにより、蓄積期間が一行毎に一水平走査周期ずつずれる、いわゆるローリングシャッターを実現することができる。
Further, the transfer period may be a predetermined period in a horizontal blanking period, and the accumulation period may be a period excluding the predetermined period, and a period including at least a horizontal scanning period.
In this way, each unit cell transfers the signal charge accumulated in the photoelectric conversion region to the charge accumulation layer when it reaches a predetermined period in the horizontal blanking period for each horizontal blanking period to the charge accumulation layer. When the selected row outputs the accumulated signal charge while accumulating the signal charge, the signal charge accumulated in the charge accumulation layer can be output and the accumulation period becomes the selected row. By setting the period until the next selected row, it is possible to realize a so-called rolling shutter in which the accumulation period is shifted by one horizontal scanning cycle for each row.

ここで、前記転送期間の少なくとも一部が前記電荷蓄積層から信号電荷を出力する期間に重なり、前記転送期間と前記出力する期間が略同時に終了するとしても良い。
このようにすれば、光電変換領域に蓄積された信号電荷の電荷蓄積層への転送と、電荷蓄積層に蓄積された信号電荷の出力とを同時に並行して行うことができる。
さらに、前記第1電圧が接地電位であるとしても良い。
Here, at least a part of the transfer period may overlap with a period in which signal charges are output from the charge storage layer, and the transfer period and the output period may be ended substantially simultaneously.
In this way, the transfer of the signal charge accumulated in the photoelectric conversion region to the charge accumulation layer and the output of the signal charge accumulated in the charge accumulation layer can be performed simultaneously in parallel.
Furthermore, the first voltage may be a ground potential.

このようにすれば、信号電荷の転送時以外のときにおける消費電力の低減を図ることができる。
本発明に係る固体撮像素子の駆動方法は、半導体基板内において厚み方向に当該半導体基板の一方の主面である裏面に最も近い位置に設けられた第1導電型の受光表面層に入射された光を光電変換し、光電変換された信号電荷を当該半導体基板内において前記受光表面層よりも当該半導体基板の他方の主面である表面に近い側に設けられた、第1導電型とは逆極性の第2導電型の蓄積領域に蓄積し、蓄積された信号電荷を信号読み出し期間に当該半導体基板内で前記受光表面層よりも前記表面に近い側に設けられた読み出し回路により前記蓄積領域から読み出す単位セルが複数、行列状に配列されてなる裏面照射型の固体撮像素子の駆動方法であって、信号電荷の蓄積期間に、信号電荷の蓄積のための第1電圧として接地電位を前記受光表面層に印加し、前記蓄積期間を除く期間であり、水平ブランキング期間中における所定の期間に、前記第1導電型がP型、前記第2導電型がN型の場合には前記第1電圧よりも電位が低い第2電圧を前記受光表面層に印加し、前記第1導電型がN型、前記第2導電型がP型の場合には前記第1電圧よりも電位が高い第2電圧を前記受光表面層に印加することを特徴とする。
In this way, power consumption can be reduced when the signal charge is not transferred.
The solid-state imaging device driving method according to the present invention is incident on the light-receiving surface layer of the first conductivity type provided in the thickness direction in the semiconductor substrate at a position closest to the back surface which is one main surface of the semiconductor substrate. Opposite to the first conductivity type, which photoelectrically converts light and the photoelectrically converted signal charge is provided in the semiconductor substrate closer to the surface which is the other main surface of the semiconductor substrate than the light receiving surface layer. Accumulated in the accumulation region of the second conductivity type of polarity, the accumulated signal charge from the accumulation region by a readout circuit provided closer to the surface than the light receiving surface layer in the semiconductor substrate in the signal readout period A method of driving a back-illuminated solid-state imaging device in which a plurality of unit cells to be read are arranged in a matrix form, wherein the ground potential is received as a first voltage for signal charge accumulation during a signal charge accumulation period. surface The first voltage is applied to the first voltage and the second voltage is determined to be less than the first voltage during a predetermined period in the horizontal blanking period, when the first conductivity type is P type and the second conductivity type is N type. A second voltage having a lower potential than the first voltage is applied to the light receiving surface layer when the first conductivity type is N type and the second conductivity type is P type. It is applied to the light receiving surface layer.

このようにすれば、信号電荷の蓄積期間を含めて常に半導体基板に信号電荷の転送のための電圧を印加し続ける従来の構成に比べて消費電力を抑制して、高消費電力に伴う温度上昇によるランダムノイズの発生を防止することができる。
また、前記蓄積期間は、少なくとも水平走査期間を含む期間であるとしても良い。
さらに、前記所定の期間の少なくとも一部が前記信号読み出し期間に重なり、前記所定の期間と前記信号読み出し期間が略同時に終了するとしても良い。
In this way, the power consumption is suppressed compared to the conventional configuration in which the voltage for signal charge transfer is always applied to the semiconductor substrate including the signal charge accumulation period, and the temperature rise due to high power consumption. The generation of random noise due to can be prevented.
The accumulation period may be a period including at least a horizontal scanning period.
Furthermore, at least a part of the predetermined period may overlap with the signal readout period, and the predetermined period and the signal readout period may be ended almost simultaneously.

このようにすれば、蓄積領域に蓄積された信号電荷を信号読み出し回路に送るための電界を形成しつつ、同時に信号電荷の読み出しを実行することができ、蓄積された信号電荷の残留の防止を図ることができる。   In this way, it is possible to simultaneously read out the signal charges while forming an electric field for sending the signal charges accumulated in the accumulation region to the signal readout circuit, and to prevent the accumulated signal charges from remaining. Can be planned.

実施の形態1に係る固体撮像素子の全体構成を示す図である。1 is a diagram illustrating an overall configuration of a solid-state imaging element according to Embodiment 1. FIG. 固体撮像素子の単位セルの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the unit cell of a solid-state image sensor. 単位セルの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a unit cell. 固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the drive method of a solid-state image sensor. 固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the drive method of a solid-state image sensor. 固体撮像素子の電位分布図である。It is an electric potential distribution diagram of a solid-state image sensor. 実施の形態2に係る固体撮像素子の単位セルの要部断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of a unit cell of a solid-state imaging device according to a second embodiment. 実施の形態3に係る固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。10 is a timing chart illustrating a method for driving a solid-state imaging element according to Embodiment 3. 実施の形態3に係る固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。10 is a timing chart illustrating a method for driving a solid-state imaging element according to Embodiment 3. 実施の形態4に係る固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。6 is a timing chart illustrating a method for driving a solid-state imaging element according to Embodiment 4. 実施の形態4に係る固体撮像素子の電位分布図である。6 is a potential distribution diagram of a solid-state imaging element according to Embodiment 4. FIG. 従来の固体撮像素子の単位セルの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the unit cell of the conventional solid-state image sensor.

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
<実施の形態1>
図1は、本実施形態に係る固体撮像素子の一例を示す全体構成図である。
同図に示すように、固体撮像素子は、撮像領域1と、垂直走査回路2と、水平走査回路3と、列読み出し回路4と、出力回路5と、タイミングジェネレータ6と、裏面バイアス発生回路7などを有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Embodiment 1>
FIG. 1 is an overall configuration diagram illustrating an example of a solid-state imaging device according to the present embodiment.
As shown in the figure, the solid-state imaging device includes an imaging region 1, a vertical scanning circuit 2, a horizontal scanning circuit 3, a column readout circuit 4, an output circuit 5, a timing generator 6, and a back bias generating circuit 7. Etc.

撮像領域1は、CMOSセンサからなる複数の画素(単位セル)8が行方向(同図左右方向)と列方向(同図上下方向)に複数、行列状に配列されてなる画素アレイであり、単位セル毎に入射光を光電変換して画素信号を生成する。
垂直走査回路2は、水平信号線L1〜Lnを制御して、各行を順次選択し、選択した行の各単位セル8の画素信号を読み出す。読み出された各単位セル8の画素信号は、垂直信号線VL1〜VLnを介して列読み出し回路4に送られる。この読み出しは、水平ブランキング期間に行われる。
The imaging region 1 is a pixel array in which a plurality of pixels (unit cells) 8 composed of CMOS sensors are arranged in a matrix in the row direction (left-right direction in the figure) and the column direction (up-down direction in the figure). For each unit cell, incident light is photoelectrically converted to generate a pixel signal.
The vertical scanning circuit 2 controls the horizontal signal lines L1 to Ln, sequentially selects each row, and reads the pixel signal of each unit cell 8 in the selected row. The read pixel signal of each unit cell 8 is sent to the column readout circuit 4 via the vertical signal lines VL1 to VLn. This reading is performed during the horizontal blanking period.

列読み出し回路4は、水平走査回路3の制御に基づき、選択行の各単位セル8から送られて来る画素信号を画素単位で順次、出力回路5に出力する。この信号出力は、水平走査期間に行なわれる。
出力回路5は、列読み出し回路3から送られて来る画素信号を後段に出力する。
裏面バイアス発生回路7は、裏面バイアスパルスφBBを各画素8に出力する。この裏面バイアスパルスφBBの内容については、後述する。
The column readout circuit 4 sequentially outputs pixel signals sent from the unit cells 8 in the selected row to the output circuit 5 in units of pixels based on the control of the horizontal scanning circuit 3. This signal output is performed during the horizontal scanning period.
The output circuit 5 outputs the pixel signal sent from the column readout circuit 3 to the subsequent stage.
The back surface bias generation circuit 7 outputs a back surface bias pulse φBB to each pixel 8. The contents of the back bias pulse φBB will be described later.

タイミングジェネレータ6は、垂直走査回路2、水平走査回路3、列読み出し回路4、裏面バイアス発生回路7を駆動させるための信号を各回路に供給する。なお、タイミングジェネレータ6および裏面バイアス発生回路7のどちらかもしくは両方は、撮像領域と同一の半導体基板に設けられていてもよいし、別の半導体基板に設けられていてもよい。
図2は、1つの単位セル8の要部断面図である。
The timing generator 6 supplies signals for driving the vertical scanning circuit 2, the horizontal scanning circuit 3, the column readout circuit 4, and the backside bias generation circuit 7 to each circuit. Note that either or both of the timing generator 6 and the backside bias generation circuit 7 may be provided on the same semiconductor substrate as the imaging region, or may be provided on another semiconductor substrate.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of one unit cell 8.

同図に示すように、単位セル8は、半導体基板10の一方の面である上面を第1面(表(おもて)面)、他方の面である下面を第2面(裏面)として、第1面上に配線層26と支持基板28がこの順に配されると共に、第2面が入射光を受光する受光面となる裏面照射型のものである。なお、同図の構成は、他の単位セル8について同じである。
半導体基板10内において、厚み方向に第2面に最も近い位置には、入射光を受光するP型の受光表面層12が設けられており、P型の受光表面層12よりも第1面に近い側には、N型の光電変換領域11が設けられている。
As shown in the figure, the unit cell 8 has an upper surface that is one surface of the semiconductor substrate 10 as a first surface (front surface) and a lower surface that is the other surface as a second surface (back surface). The wiring layer 26 and the support substrate 28 are arranged on the first surface in this order, and the second surface is a back-illuminated type in which the second surface serves as a light-receiving surface that receives incident light. The configuration shown in FIG. 6 is the same for the other unit cells 8.
In the semiconductor substrate 10, a P-type light-receiving surface layer 12 that receives incident light is provided at a position closest to the second surface in the thickness direction, and is closer to the first surface than the P-type light-receiving surface layer 12. An N-type photoelectric conversion region 11 is provided on the near side.

P型の受光表面層12は、N型の光電変換領域11における第2面側の面の電位を固定すると共に、第2面の半導体界面近傍をホールで充満させて、界面準位による暗電流の発生を抑制する。受光表面層12は、半導体基板10の第2面を含む内部領域に設けられ、半導体基板10の第2面を形成する構成になっている。
N型の光電変換領域11は、受光された入射光を光電変換すると共に光電変換された信号電荷を蓄積するフォトダイオードとして機能する。以下、光電変換領域11をフォトダイオード11という。
The P-type light-receiving surface layer 12 fixes the potential of the surface on the second surface side in the N-type photoelectric conversion region 11 and fills the vicinity of the semiconductor interface on the second surface with holes, thereby dark current due to the interface state. Suppresses the occurrence of The light receiving surface layer 12 is provided in an internal region including the second surface of the semiconductor substrate 10 and is configured to form the second surface of the semiconductor substrate 10.
The N-type photoelectric conversion region 11 functions as a photodiode that photoelectrically converts received incident light and accumulates signal charges that have been photoelectrically converted. Hereinafter, the photoelectric conversion region 11 is referred to as a photodiode 11.

半導体基板10内において厚み方向にフォトダイオード11よりも第1面に近い側には、フォトダイオード11から転送される信号電荷を蓄積するN型の電荷蓄積層13が設けられている。
半導体基板10内においてN型のフォトダイオード11とN型の電荷蓄積層13との間には、フォトダイオード11から電荷蓄積層13への信号電荷を転送するとき以外の期間に信号電荷に対する電位障壁を形成するP型の電位障壁層14が設けられている。
In the semiconductor substrate 10, an N-type charge accumulation layer 13 for accumulating signal charges transferred from the photodiode 11 is provided on the side closer to the first surface than the photodiode 11 in the thickness direction.
Between the N-type photodiode 11 and the N-type charge storage layer 13 in the semiconductor substrate 10, a potential barrier against the signal charge during a period other than when the signal charge is transferred from the photodiode 11 to the charge storage layer 13. A P-type potential barrier layer 14 is formed.

また、半導体基板10内において電位障壁層14よりも第1面に近い側には、N型の電荷蓄積層13をソース、N型の浮遊拡散層15をドレイン、トランスファゲート16をゲートとしたMOS型の読み出しトランジスタM41(図3)が設けられている。
読み出しトランジスタM41は、電荷蓄積層13に蓄積された信号電荷を読み出して、これを画素信号として、画素アンプとしての増幅トランジスタM43(図3)、選択トランジスタM44(図3)を介して垂直信号線VLにより列読み出し回路4に送る。
Further, in the semiconductor substrate 10, on the side closer to the first surface than the potential barrier layer 14, a MOS having an N-type charge storage layer 13 as a source, an N-type floating diffusion layer 15 as a drain, and a transfer gate 16 as a gate. A type read transistor M41 (FIG. 3) is provided.
The read transistor M41 reads the signal charge stored in the charge storage layer 13, and uses this as a pixel signal, and a vertical signal line through an amplification transistor M43 (FIG. 3) as a pixel amplifier and a selection transistor M44 (FIG. 3). The data is sent to the column readout circuit 4 by VL.

読み出しトランジスタM41や画素アンプは、半導体基板10内において厚み方向に電位障壁層14よりも第1面に近い側に設けられたP型ウエル18内に設けられている。
N型の電荷蓄積層13における第1面側の面上には、P型の蓄積表面層17が設けられており、P型の蓄積表面層17は、隣接する他の単位セルとの境界の機能を有するP型の第1の分離領域19に接している。P型の分離領域19は、接地されている。
The read transistor M41 and the pixel amplifier are provided in a P-type well 18 provided in the semiconductor substrate 10 in the thickness direction on the side closer to the first surface than the potential barrier layer 14.
A P-type accumulation surface layer 17 is provided on the first surface side of the N-type charge accumulation layer 13, and the P-type accumulation surface layer 17 is a boundary between other adjacent unit cells. It is in contact with the P-type first separation region 19 having a function. The P-type isolation region 19 is grounded.

P型の蓄積表面層17は、半導体基板10の第1面を含む内部領域に設けられ、半導体基板10の第1面の一部を形成する構成になっている。
P型の蓄積表面層17も、P型の受光表面層12と同様に、N型の電荷蓄積層13における第1面側の面の電位を固定すると共に、第1面の半導体界面近傍をホールで充満させ、界面準位による暗電流の発生を抑制する。
The P-type accumulation surface layer 17 is provided in an internal region including the first surface of the semiconductor substrate 10 and forms a part of the first surface of the semiconductor substrate 10.
Similarly to the P-type light-receiving surface layer 12, the P-type storage surface layer 17 fixes the potential of the surface on the first surface side of the N-type charge storage layer 13, and also opens a hole near the semiconductor interface on the first surface. To suppress the generation of dark current due to interface states.

また、N型のフォトダイオード11を第2面側から平面視したとき、半導体基板10内にはフォトダイオード11における第2面側に位置する部分の周囲を取り囲むようにP型の第2の分離領域20が設けられている。このP型の第2の分離領域20は、隣接する他の単位セルのフォトダイオード11との間を区画分離する機能を有する。
さらに、半導体基板10内においてフォトダイオード11の周囲を取り囲む領域には、第1面に近いP型ウエル18と第2面に近い第2の分離領域20とをつなぐように第3の分離領域21が設けられている。第3の分離領域21も隣接する他の単位セルとの境界の機能を有している。また、信号電荷がP型ウエル18内に形成される読み出し回路に混入しないように、P型ウエル18の深部にはP型高濃度層22が設けられている。
Further, when the N-type photodiode 11 is viewed from the second surface side, the P-type second separation is performed so as to surround the periphery of the portion of the photodiode 11 located on the second surface side in the semiconductor substrate 10. Region 20 is provided. The P-type second isolation region 20 has a function of partitioning the photodiode 11 of another adjacent unit cell.
Further, in the region surrounding the periphery of the photodiode 11 in the semiconductor substrate 10, the third isolation region 21 is connected so as to connect the P-type well 18 close to the first surface and the second isolation region 20 close to the second surface. Is provided. The third separation region 21 also has a function of a boundary with other adjacent unit cells. Further, a P-type high concentration layer 22 is provided in the deep part of the P-type well 18 so that signal charges are not mixed into the readout circuit formed in the P-type well 18.

P型の受光表面層12は、半導体基板10内の単位セル(画素)間への光を遮光するための金属遮光膜23を介して裏面バイアス発生回路7に接続される。金属遮光膜23は、裏面バイアス発生回路7と電気的にP型の受光表面層12を接続するための電極としての機能を有する。なお、電極として機能する部材が存在すれば良いので、金属遮光膜23に限られることはなく、他の部材が用いられるとしても良い。   The P-type light receiving surface layer 12 is connected to the back surface bias generation circuit 7 through a metal light shielding film 23 for shielding light between unit cells (pixels) in the semiconductor substrate 10. The metal light-shielding film 23 has a function as an electrode for electrically connecting the P-type light-receiving surface layer 12 to the backside bias generation circuit 7. In addition, since the member which functions as an electrode should just exist, it is not restricted to the metal light shielding film 23, Another member may be used.

後述するように、受光表面層12には信号電荷の転送時に裏面バイアス発生回路7により負のバイアス電圧が印加されるようになっている。その際、接地される第1の分離領域19から第3の分離領域21を経由して受光表面層12に電流が流れるが、この電流を少なくして一層の低消費電力化を行うためには、第3の分離領域21におけるP型の不純物濃度を受光表面層12や第2の分離領域20の不純物濃度より低くすることが望ましい。   As will be described later, a negative bias voltage is applied to the light-receiving surface layer 12 by the back surface bias generation circuit 7 when the signal charge is transferred. At this time, a current flows from the grounded first isolation region 19 to the light receiving surface layer 12 via the third isolation region 21. In order to reduce this current and further reduce power consumption, It is desirable that the P-type impurity concentration in the third isolation region 21 is lower than the impurity concentration in the light receiving surface layer 12 and the second isolation region 20.

さらに、受光表面層12の上には、カラーフィルタ層24、マイクロレンズ25が設けられ、配線層26内には配線27が設けられ、配線層26上には支持基板28が張り合わされている。
なお、後述する(図4、図5を用いて説明している)駆動方法では、特に垂直走査を連続して行う動画撮像の場合において、入射光の受光時にフォトダイオード11を透過し、電荷蓄積層13近傍で光電変換され、電荷蓄積層13に蓄積された電荷は、フォトダイオード11に蓄積された信号電荷より早いタイミングで読み出され、偽信号となる可能性がある。また、垂直走査を一回のみ行う静止画撮像の場合においては、フォトダイオード11に蓄積された信号電荷を読み出す前に電荷蓄積層13に蓄積された電荷を排出することにより、上記偽信号は防止できるが、この場合電荷蓄積層13に蓄積された電荷は信号電荷として利用されないことになる。
Further, a color filter layer 24 and a microlens 25 are provided on the light receiving surface layer 12, a wiring 27 is provided in the wiring layer 26, and a support substrate 28 is bonded on the wiring layer 26.
In the driving method described later (described with reference to FIGS. 4 and 5), in particular, in the case of moving image imaging in which vertical scanning is continuously performed, the photodiode 11 is transmitted when incident light is received, and charge accumulation is performed. The charge that is photoelectrically converted in the vicinity of the layer 13 and accumulated in the charge accumulation layer 13 may be read out at a timing earlier than the signal charge accumulated in the photodiode 11 and may become a false signal. Further, in the case of still image imaging in which vertical scanning is performed only once, the false signal can be prevented by discharging the charge accumulated in the charge accumulation layer 13 before reading out the signal charge accumulated in the photodiode 11. In this case, however, the charges accumulated in the charge accumulation layer 13 are not used as signal charges.

従って、上記偽信号の発生を防止し、かつ入射光のフォトン数に対して発生した信号電荷の電子数の比で定義される量子効率を高くし、感度を高くするためには、フォトダイオード11の層厚はある程度厚い方が好ましい。可視光を受光するための固体撮像素子として、フォトダイオード11の層厚は、2ないし10マイクロメートルであることが好ましい。   Therefore, in order to prevent the generation of the false signal and to increase the quantum efficiency defined by the ratio of the number of electrons of the signal charge generated with respect to the number of photons of the incident light and increase the sensitivity, the photodiode 11 It is preferable that the thickness of the layer is somewhat thick. As a solid-state imaging device for receiving visible light, the layer thickness of the photodiode 11 is preferably 2 to 10 micrometers.

図3は、単位セル8の等価回路を示す図である。
同図において、N型のフォトダイオード11、P型の受光表面層12、N型の電荷蓄積層13、N型の浮遊拡散層15、P型の蓄積表面層17およびトランスファゲート16に対応するノードには、同一の番号を付している。
同図に示すように、P型の受光表面層12とN型のフォトダイオード11、およびP型の蓄積表面層17とN型の電荷蓄積層13とは、それぞれPNダイオードD41およびD42を構成し、P型の受光表面層12と蓄積表面層17との間をつなぐ第3の分離領域21、P型ウエル18、第1の分離領域19および第2の分離領域20は、等価抵抗R41およびR42で示されている。
FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of the unit cell 8.
In the figure, nodes corresponding to an N-type photodiode 11, a P-type light-receiving surface layer 12, an N-type charge storage layer 13, an N-type floating diffusion layer 15, a P-type storage surface layer 17 and a transfer gate 16. Are given the same number.
As shown in the figure, the P-type light receiving surface layer 12 and the N-type photodiode 11, and the P-type storage surface layer 17 and the N-type charge storage layer 13 constitute PN diodes D41 and D42, respectively. The third isolation region 21, the P-type well 18, the first isolation region 19 and the second isolation region 20 that connect the P-type light-receiving surface layer 12 and the storage surface layer 17 have equivalent resistances R41 and R42. It is shown in

N型のフォトダイオード11、P型の電位障壁層14およびN型の電荷蓄積層13は、NPN型のバイポーラトランジスタQ41で示される。後述するように、バイポーラトランジスタQ41のベースに相当するP型の電位障壁層14は、固体撮像素子の動作状態において、信号電荷が通過するとき以外には空乏化により信号電荷に対する電位障壁として機能する。バイポーラトランジスタQ41のベース抵抗をR43で示す。   The N-type photodiode 11, the P-type potential barrier layer 14, and the N-type charge storage layer 13 are represented by an NPN-type bipolar transistor Q41. As will be described later, the P-type potential barrier layer 14 corresponding to the base of the bipolar transistor Q41 functions as a potential barrier against the signal charge by depletion except when the signal charge passes in the operating state of the solid-state imaging device. . The base resistance of the bipolar transistor Q41 is indicated by R43.

さらに、単位セル8は、トランスファパルスΦTGが印加されるトランスファゲート16をゲートとしたMOS型の読み出しトランジスタM41、N型の浮遊拡散層15の電位をリセットするためのリセットパルスΦRSが印加されるMOS型のリセットトランジスタM42、浮遊拡散層15がゲートに接続された増幅トランジスタM43、および行選択パルスΦSELが印加される選択トランジスタM44を信号読み出し回路として備える。   Further, the unit cell 8 includes a MOS read transistor M41 having a transfer gate 16 to which a transfer pulse ΦTG is applied as a gate, and a MOS to which a reset pulse ΦRS for resetting the potential of the N-type floating diffusion layer 15 is applied. A reset transistor M42 of the type, an amplification transistor M43 having a floating diffusion layer 15 connected to the gate, and a selection transistor M44 to which a row selection pulse ΦSEL is applied are provided as a signal readout circuit.

トランスファパルスΦTG、リセットパルスΦRS、行選択パルスΦSELは、垂直走査回路2から水平信号線Lを介して単位セル8に供給される。
リセットトランジスタM42のドレインと増幅トランジスタM43のドレインは、共に電源VDDに接続され、増幅トランジスタM43のソースは、選択トランジスタM44のドレインに接続され、選択トランジスタM44のソースは、垂直信号線VLを介して列読み出し回路4に接続される。
The transfer pulse ΦTG, the reset pulse ΦRS, and the row selection pulse ΦSEL are supplied from the vertical scanning circuit 2 to the unit cell 8 through the horizontal signal line L.
The drain of the reset transistor M42 and the drain of the amplification transistor M43 are both connected to the power supply VDD, the source of the amplification transistor M43 is connected to the drain of the selection transistor M44, and the source of the selection transistor M44 is connected via the vertical signal line VL. Connected to the column readout circuit 4.

図4と図5は、固体撮像素子の駆動方法の一例を示すタイミングチャートであり、図4は、垂直ブランキング期間における駆動方法を、図5は、水平ブランキング期間における駆動方法を示す図である。
図4は、垂直ブランキング期間において、P型の受光表面層12に印加される裏面バイアスパルスΦBB、および裏面バイアスパルスΦBBの印加に伴うフォトダイオード11の電位(フォトダイオード電位)と電荷蓄積層13の電位(電荷蓄積層電位)のそれぞれの変動を示している。
4 and 5 are timing charts showing an example of a driving method of the solid-state imaging device. FIG. 4 shows a driving method in the vertical blanking period, and FIG. 5 shows a driving method in the horizontal blanking period. is there.
FIG. 4 shows the back surface bias pulse ΦBB applied to the P-type light receiving surface layer 12 in the vertical blanking period, and the potential of the photodiode 11 (photodiode potential) and the charge storage layer 13 accompanying the application of the back surface bias pulse ΦBB. The respective fluctuations of the potential (charge storage layer potential) are shown.

裏面バイアスパルスΦBBは、垂直走査期間(時刻T1以前および時刻T4以降)、垂直ブランキング期間内の時刻T2以前および時刻T3以降の期間ではハイレベル(VBB−high)、垂直ブランキング期間内の時刻T2からT3までの期間では、ローレベル(VBB−low)の電圧値をとる。なお、後述のように裏面バイアスパルスΦBBのハイレベルとは0ボルト(接地電位)であり、ローレベルとは、負の電圧である。   The backside bias pulse ΦBB is at a high level (VBB-high) during the vertical scanning period (before time T1 and after time T4), before time T2 within the vertical blanking period, and after time T3, and the time within the vertical blanking period. In the period from T2 to T3, a low level (VBB-low) voltage value is taken. As described later, the high level of the back bias pulse ΦBB is 0 volt (ground potential), and the low level is a negative voltage.

この時刻T2からT3までの期間が、信号電荷をフォトダイオード11から電荷蓄積層13に転送する第1の電荷転送期間に相当する。すなわち、裏面バイアスパルスΦBBがローレベルのときに信号電荷のフォトダイオード11から電荷蓄積層13への転送が実行される。この転送の仕組みについては後述する。
なお、垂直走査を連続して行う動画撮像の場合は、受光された入射光を光電変換すると共に光電変換された信号電荷をフォトダイオード11に蓄積するフォトダイオード蓄積期間が上記の時刻T2からT3までの期間以外の期間、すなわち任意の垂直ブランキング期間中の時刻T3から、次回の垂直ブランキング期間中の時刻T2までの期間に含まれる。
This period from time T2 to T3 corresponds to a first charge transfer period in which signal charges are transferred from the photodiode 11 to the charge storage layer 13. That is, transfer of signal charges from the photodiode 11 to the charge storage layer 13 is executed when the back bias pulse ΦBB is at a low level. The mechanism of this transfer will be described later.
In the case of moving image capturing in which vertical scanning is continuously performed, the photodiode accumulation period in which the received incident light is photoelectrically converted and the photoelectrically converted signal charge is accumulated in the photodiode 11 is from the above time T2 to T3. This period is included in a period from time T3 in any vertical blanking period to time T2 in the next vertical blanking period.

特に、露光期間もしくは蓄積期間を別途制御するための手段を用いない場合には、上記フォトダイオード蓄積期間は、任意の垂直ブランキング期間中の時刻T3から、次の垂直ブランキング期間中の時刻T2までの期間に相当する。一方、垂直走査を一回のみ行う静止画撮像の場合は、フォトダイオード蓄積期間は、時刻T2からT3までの期間以前の期間に設定される。この意味で、フォトダイオード蓄積期間は、垂直ブランキング期間中の第1の電荷転送期間を除いて、各行における水平走査期間と水平ブランキング期間を含む垂直走査期間の少なくとも1部を含む期間とすることができる。但し、転送期間中にも入射光を受光する場合には、転送期間に光電変換された信号電荷は、同じ転送期間にフォトダイオード11から電荷蓄積層13に転送されることになり、転送期間も光電変換に寄与する期間となる。   In particular, when a means for separately controlling the exposure period or the accumulation period is not used, the photodiode accumulation period starts from the time T3 in an arbitrary vertical blanking period to the time T2 in the next vertical blanking period. It corresponds to the period until. On the other hand, in the case of still image capturing in which vertical scanning is performed only once, the photodiode accumulation period is set to a period before the period from time T2 to T3. In this sense, the photodiode accumulation period is a period including at least one part of the horizontal scanning period and the vertical scanning period including the horizontal blanking period in each row, except for the first charge transfer period in the vertical blanking period. be able to. However, when incident light is received during the transfer period, the signal charge photoelectrically converted during the transfer period is transferred from the photodiode 11 to the charge storage layer 13 during the same transfer period. This is a period that contributes to photoelectric conversion.

図5は、水平ブランキング期間において、読み出しが選択された行の各単位セル(各画素)に印加される行選択パルスΦSEL、リセットパルスΦRS、トランスファパルスΦTG、裏面バイアスパルスΦBB、および電荷蓄積層13の電位(電荷蓄積層電位)と、浮遊拡散層15の電位(浮遊拡散層電位)のそれぞれの変動を示している。
同図に示すように、行選択パルスΦSELがハイレベルとなる時刻T5からT10までの期間において、時刻T6からT7の期間にリセットパルスΦRSがハイレベルとなり、これにより浮遊拡散層電位が基準電位にリセットされる。そして、時刻T8からT9の期間にトランスファパルスΦTGがハイレベルとなる。これにより、電荷蓄積層13に蓄積された信号電荷が浮遊拡散層15に転送(出力)され、増幅トランジスタM43、選択トランジスタM44を介して、列読み出し回路4に送られる。
FIG. 5 shows a row selection pulse ΦSEL, a reset pulse ΦRS, a transfer pulse ΦTG, a backside bias pulse ΦBB, and a charge storage layer applied to each unit cell (each pixel) in a row selected for reading in the horizontal blanking period. 13 shows fluctuations in the potential of 13 (charge storage layer potential) and the potential of the floating diffusion layer 15 (floating diffusion layer potential).
As shown in the figure, during the period from time T5 to T10 when the row selection pulse ΦSEL becomes high level, the reset pulse ΦRS becomes high level during the period from time T6 to T7, so that the floating diffusion layer potential becomes the reference potential. Reset. Then, the transfer pulse ΦTG becomes high level during the period from time T8 to T9. As a result, the signal charge accumulated in the charge accumulation layer 13 is transferred (output) to the floating diffusion layer 15 and sent to the column readout circuit 4 via the amplification transistor M43 and the selection transistor M44.

この時刻T8からT9までの期間が信号電荷を電荷蓄積層13から浮遊拡散層15に転送(出力)する第2の電荷転送期間に相当する。なお、水平ブランキング期間を通して、裏面バイアスパルスΦBBは、ハイレベルに維持される。
図4および図5に示すように、裏面バイアスパルスΦBBは、全ての単位セルについて、垂直ブランキング期間内の特定の期間にのみ同じタイミングでローレベルになり、水平ブランキング期間を通してハイレベルになっている。また、図示していないが裏面バイアスパルスΦBBは、水平走査期間を通してもハイレベルになっている。
This period from time T8 to T9 corresponds to a second charge transfer period in which signal charges are transferred (output) from the charge storage layer 13 to the floating diffusion layer 15. Note that the back surface bias pulse ΦBB is maintained at a high level throughout the horizontal blanking period.
As shown in FIG. 4 and FIG. 5, the back side bias pulse ΦBB becomes a low level at the same timing only in a specific period within the vertical blanking period and becomes a high level throughout the horizontal blanking period for all unit cells. ing. Although not shown, the back surface bias pulse ΦBB is at a high level even during the horizontal scanning period.

このような電位レベルをとる固体撮像素子の構成において、1つの単位セル8における信号電荷の転送の様子をまず図6を用いて説明し、次に図4と図5に示す電位レベルの具体的な内容を説明する。
図6は、図2中のA−A’線、およびC−C’線に沿った電位分布を示す図である。
同図は、横軸が第1面側の蓄積表面層17〜第2面側の受光表面層12までの各領域の位置を示しており、縦軸が電位(下向きが正)を示しており、裏面バイアスパルスΦBBのハイレベルVBB−highが0V、ローレベルVBB−lowが負の電圧値である場合の電位分布の例を示している。図6(a)は、図4中の時刻t1における電位分布を、図6(b)は、時刻t2における電位分布を、図6(c)は、時刻t3における電位分布をそれぞれ示している。
In the configuration of the solid-state imaging device having such a potential level, the state of signal charge transfer in one unit cell 8 will be described first with reference to FIG. 6, and then the specific potential levels shown in FIG. 4 and FIG. Explain the contents.
FIG. 6 is a diagram showing a potential distribution along the AA ′ line and the CC ′ line in FIG. 2.
In this figure, the horizontal axis indicates the position of each region from the accumulation surface layer 17 on the first surface side to the light-receiving surface layer 12 on the second surface side, and the vertical axis indicates the potential (downward is positive). The example of potential distribution when the high level VBB-high of the backside bias pulse ΦBB is 0 V and the low level VBB-low is a negative voltage value is shown. 6A shows the potential distribution at time t1 in FIG. 4, FIG. 6B shows the potential distribution at time t2, and FIG. 6C shows the potential distribution at time t3.

図6(a)に示すように、時刻t1(フォトダイオード蓄積期間の一時点)に、P型の受光表面層12には裏面バイアスパルスΦBBのハイレベルの信号、ここでは0V(第1のバイアス電圧)が印加されており、P型の受光表面層12の電位は、P型の第1の分離領域19を介して接地されているP型の蓄積表面層17の接地電位と等しくなっている。図中実線(A−A’線に沿った電位分布)で示すようにフォトダイオード11には、受光された入射光が光電変換されたことにより得られた信号電荷を蓄積するための電位井戸(グラフの谷の部分)が形成され、この電位井戸に蓄積された信号電荷が電荷蓄積層13に流出しないように、電位障壁層14に電位障壁(グラフの山の部分)が形成される。この意味で第1のバイアス電圧は、信号電荷を電位障壁により電荷蓄積層13に転送させないための第1電圧ということができる。   As shown in FIG. 6A, at time t1 (one point in the photodiode accumulation period), the P-type light-receiving surface layer 12 has a high-level signal of the back surface bias pulse ΦBB, here 0 V (first bias). Voltage) is applied, and the potential of the P-type light-receiving surface layer 12 is equal to the ground potential of the P-type accumulation surface layer 17 that is grounded via the P-type first isolation region 19. . As indicated by a solid line (potential distribution along the line AA ′) in the figure, the photodiode 11 has a potential well (in which a signal charge obtained by photoelectric conversion of received incident light is accumulated ( The potential barrier (the peak portion of the graph) is formed in the potential barrier layer 14 so that the signal charge accumulated in the potential well does not flow out to the charge storage layer 13. In this sense, the first bias voltage can be said to be a first voltage for preventing signal charges from being transferred to the charge storage layer 13 through the potential barrier.

この電位障壁は、N型のフォトダイオード11、P型の電位障壁層14、N型の電荷蓄積層13が順次、半導体基板10の第2面から第1面に向かう方向に沿って並ぶように設けられ、P型の電位障壁層14がN型のフォトダイオード11とN型の電荷蓄積層13との間に挟まれて空乏化されることにより形成される。
また、図中破線(C−C’線に沿った電位分布)で示すように、隣接する単位セル(画素)との素子分離領域においては、半導体基板10内において第1面に近いP型ウエル18と第2面に近い第2の分離領域20をつなぐように設けられた第3の分離領域21では、電位井戸に蓄積した信号電荷が隣接する単位セルの電位井戸に流出しないように約0Vの電位障壁が形成される。この図6(a)に示す電位分布の状態は、フォトダイオード蓄積期間に維持され続ける。
The potential barrier is such that the N-type photodiode 11, the P-type potential barrier layer 14, and the N-type charge storage layer 13 are sequentially arranged along the direction from the second surface to the first surface of the semiconductor substrate 10. The P-type potential barrier layer 14 is provided between the N-type photodiode 11 and the N-type charge storage layer 13 and is depleted.
Further, as indicated by a broken line (potential distribution along the line CC ′) in the figure, a P-type well close to the first surface in the semiconductor substrate 10 in the element isolation region with the adjacent unit cell (pixel). In the third isolation region 21 provided so as to connect 18 and the second isolation region 20 close to the second surface, the signal charge accumulated in the potential well is about 0 V so as not to flow out to the potential well of the adjacent unit cell. Potential barrier is formed. The state of the potential distribution shown in FIG. 6A is continuously maintained during the photodiode accumulation period.

半導体基板10内に第2面から厚み方向に第1面に亘って、隣り合うもの同士の極性が異なるように受光表面層12〜蓄積表面層17を設ける構成をとっているので、電位分布のグラフがN型のフォトダイオード11のところで、両側に位置するP型の受光表面層12と電位障壁層14の山型の部分に対して谷の部分(電位井戸)ができる。フォトダイオード11と電荷蓄積層13の間の電位障壁(山の部分)は、フォトダイオード蓄積期間に存在し続けるので、半導体基板10内において光電変換された信号電荷は、フォトダイオード11内に存在するものはもちろんのこと、フォトダイオード11の近傍に存在するものも含めて、フォトダイオード11に形成された電位井戸のところに集まり易くなる。   Since the light receiving surface layer 12 to the storage surface layer 17 are provided in the semiconductor substrate 10 so that the polarities of adjacent ones differ from the second surface to the first surface in the thickness direction, At the N-type photodiode 11 in the graph, a valley portion (potential well) is formed with respect to the peak-shaped portions of the P-type light-receiving surface layer 12 and the potential barrier layer 14 located on both sides. Since the potential barrier (crest portion) between the photodiode 11 and the charge storage layer 13 continues to exist during the photodiode storage period, the signal charges photoelectrically converted in the semiconductor substrate 10 exist in the photodiode 11. Of course, not only those that exist in the vicinity of the photodiode 11 but also those that exist in the vicinity of the photodiode 11 are likely to gather at the potential well formed in the photodiode 11.

図6(b)に示すように、時刻t2(第1の電荷転送期間中の一時点)には、裏面バイアスパルスΦBBのローレベル、すなわちフォトダイオード11から電荷蓄積層13に向かって電位が単調増加するような負の電圧値(第2のバイアス電圧)が印加される。
これにより電位障壁層14の電位障壁がなくなって、フォトダイオード11から電荷蓄積層13に信号電荷を転送するための電界が形成され、時刻t2までのフォトダイオード蓄積期間においてフォトダイオード11に蓄積された信号電荷が電荷蓄積層13に転送される。フォトダイオード11から電荷蓄積層13に向かって電位が単調増加しているため、フォトダイオード11に蓄積されていた信号電荷を完全転送することができ、フォトダイオード11に一部が残ることによる残像やランダムノイズなどの発生が防止される。この意味で、第2のバイアス電圧は、信号電荷を電位障壁層14を介して電荷蓄積層13に転送するための第2電圧ということができる。フォトダイオード11から電荷蓄積層13への信号電荷の転送は、全単位セルについて同時に実行される。
As shown in FIG. 6B, at time t2 (one point in the first charge transfer period), the back side bias pulse ΦBB is at a low level, that is, the potential is monotonic from the photodiode 11 toward the charge storage layer 13. A negative voltage value (second bias voltage) that increases is applied.
As a result, the potential barrier of the potential barrier layer 14 disappears, and an electric field for transferring signal charges from the photodiode 11 to the charge storage layer 13 is formed. The electric field is stored in the photodiode 11 during the photodiode storage period up to time t2. The signal charge is transferred to the charge storage layer 13. Since the potential monotonously increases from the photodiode 11 toward the charge storage layer 13, the signal charge stored in the photodiode 11 can be completely transferred, and an afterimage caused by a part of the photodiode 11 remaining. Generation of random noise is prevented. In this sense, the second bias voltage can be said to be a second voltage for transferring the signal charge to the charge storage layer 13 via the potential barrier layer 14. The transfer of signal charges from the photodiode 11 to the charge storage layer 13 is performed simultaneously for all unit cells.

第1の電荷転送期間では受光表面層12には、半導体基板10の第1面に設けられた第1の分離領域19に印加される電圧よりも低い第2のバイアス電圧が印加される。このため、第1の分離領域19から受光表面層12に向かって、主に隣接するフォトダイオード間を区画分離するP型の分離領域21等を経由して電流が流れるが、第2のバイアス電圧が印加される期間は、垂直ブランキング期間内の所定の期間に限られており、消費電力を抑制しつつ、消費電力の増加に伴う温度上昇に起因するランダムノイズなどの増加を防止できる。このことは、後述する他の実施の形態において同様である。   In the first charge transfer period, a second bias voltage lower than the voltage applied to the first isolation region 19 provided on the first surface of the semiconductor substrate 10 is applied to the light receiving surface layer 12. For this reason, a current flows from the first isolation region 19 toward the light-receiving surface layer 12 mainly via the P-type isolation region 21 that partitions and separates adjacent photodiodes, but the second bias voltage The period during which is applied is limited to a predetermined period within the vertical blanking period, and while suppressing power consumption, it is possible to prevent an increase in random noise or the like due to a temperature rise accompanying an increase in power consumption. This is the same in other embodiments described later.

図6(c)に示すように、時刻t3(第1の電荷転送期間の終了後の時刻)では、信号電荷のフォトダイオード11から電荷蓄積層13への転送が完了している。フォトダイオード蓄積期間の開始時期の設定によって、時刻t3では既に次の蓄積期間に入っている場合もあるし、これ以降に開始される場合もあり得る。また、露光期間の設定等によって、時刻t3では既に次の信号電荷の蓄積が開始されている場合もあるし、これ以降に開始される場合もあり得る。   As shown in FIG. 6C, at time t3 (time after the end of the first charge transfer period), the transfer of the signal charge from the photodiode 11 to the charge storage layer 13 is completed. Depending on the setting of the start time of the photodiode accumulation period, there may be a case where the next accumulation period has already been entered at time t3, or it may be started after that. Further, depending on the setting of the exposure period or the like, the accumulation of the next signal charge may already be started at time t3, or may be started thereafter.

上述の信号電荷の転送に伴う、垂直ブランキング期間中のフォトダイオード11および電荷蓄積層13の電位変動の様子を具体的に図4を用いて説明する。
図4において、フォトダイオード電位は、時刻T2において、裏面バイアスパルスΦBBのローレベルへの電位変化による受光表面層12の電位変化に伴い、受光表面層12との容量結合により、ΔVPD1だけ電位が負方向にシフトし、その直後からフォトダイオード11に蓄積されている信号電荷がフォトダイオード11から流出するために、信号電荷の流出分(ΔVPD2)だけ電位が上昇する。
The state of potential fluctuations in the photodiode 11 and the charge storage layer 13 during the vertical blanking period accompanying the above-described transfer of signal charges will be specifically described with reference to FIG.
In FIG. 4, the photodiode potential is negative by ΔVPD1 due to capacitive coupling with the light receiving surface layer 12 due to the potential change of the light receiving surface layer 12 due to the potential change to the low level of the back surface bias pulse ΦBB at time T2. Since the signal charge accumulated in the photodiode 11 flows out from the photodiode 11 immediately after that, the potential rises by the amount of outflow of signal charge (ΔVPD2).

そして、時刻T3では、裏面バイアスパルスΦBBのローからハイレベルへの電位変化による受光表面層12の電位変化に伴い、受光表面層12との容量結合により、ΔVPD1だけ電位が正方向にシフトする。結果として、フォトダイオード電位は、転送前後でΔVPD2だけ上昇する。
一方、電荷蓄積層電位は、時刻T2において、受光表面層12の電位変化に伴い、受光表面層12との容量結合により、ΔVST1だけ電位が負方向にシフトし、その直後からフォトダイオード11から電位障壁層14を介して送られてくる信号電荷が流入するために、その信号電荷の流入分(ΔVST2)だけ電位が降下する。そして、時刻T3では、受光表面層12の電位変化に伴い、受光表面層12との容量結合により、ΔVST1だけ電位が正方向にシフトする。結果として、電荷蓄積層電位は、転送前後でΔVST2だけ下降する。
At time T3, the potential shifts in the positive direction by ΔVPD1 due to capacitive coupling with the light receiving surface layer 12 due to the potential change of the light receiving surface layer 12 due to the potential change from the low level to the high level of the back surface bias pulse ΦBB. As a result, the photodiode potential rises by ΔVPD2 before and after the transfer.
On the other hand, at time T2, the potential of the charge storage layer shifts in the negative direction by ΔVST1 due to capacitive coupling with the light receiving surface layer 12 due to the potential change of the light receiving surface layer 12. Since the signal charge sent through the barrier layer 14 flows in, the potential drops by an amount corresponding to the inflow of the signal charge (ΔVST2). At time T 3, the potential is shifted in the positive direction by ΔVST 1 due to capacitive coupling with the light receiving surface layer 12 in accordance with the potential change of the light receiving surface layer 12. As a result, the charge storage layer potential drops by ΔVST2 before and after the transfer.

次に、上述の信号電荷の転送に伴う、水平ブランキング期間中における電荷蓄積層13および浮遊拡散層15の電位変動について、図5を用いて説明する。ここで、図5に示す電位変動は、撮像領域のうち、行選択パルスΦSELがハイレベルとなる選択行に対応する画素におけるものである。
電荷蓄積層電位は、時刻T8において、トランスファパルスΦTGがハイレベルとなることにより、信号電荷が電荷蓄積層13から浮遊拡散層15に向けて転送(読み出し)が行われるために、その信号電荷の転送分(ΔVST2)だけ電位が上昇する。
Next, potential fluctuations of the charge storage layer 13 and the floating diffusion layer 15 during the horizontal blanking period accompanying the above-described transfer of signal charges will be described with reference to FIG. Here, the potential fluctuation shown in FIG. 5 is in a pixel corresponding to a selected row in which the row selection pulse ΦSEL is at a high level in the imaging region.
The charge storage layer potential is transferred (read) from the charge storage layer 13 to the floating diffusion layer 15 when the transfer pulse ΦTG becomes a high level at time T8. The potential increases by the amount of transfer (ΔVST2).

一方、浮遊拡散層電位は、時刻T6において、リセットパルスΦRSがハイレベルとなることにより、それまで浮遊拡散層15に蓄積していた信号電荷が浮遊拡散層15から排出されるため、信号電荷排出分(ΔVFD1)だけ電位が上昇する。そして、時刻T8ではトランスファパルスΦTGがハイレベルとなることにより、信号電荷が電荷蓄積層13から転送されて浮遊拡散層15に入るために、その信号電荷の転送分(ΔVFD2)だけ電位が降下する。   On the other hand, since the signal charge accumulated in the floating diffusion layer 15 is discharged from the floating diffusion layer 15 until the reset pulse ΦRS becomes a high level at time T6, the floating diffusion layer potential is discharged from the floating diffusion layer 15. The potential rises by the amount (ΔVFD1). At time T8, the transfer pulse ΦTG becomes high level, so that the signal charge is transferred from the charge storage layer 13 and enters the floating diffusion layer 15, so that the potential drops by the amount of transfer of the signal charge (ΔVFD2). .

図5において、浮遊拡散層15から前の信号電荷が排出され、次の信号電荷が電荷蓄積層13から転送されるまでの期間内に基準電位出力期間を設定し、信号電荷の転送が完了した期間内に信号出力期間を設定している。基準電位出力期間と信号出力期間との浮遊拡散層15の電位差ΔVFD2に相当する信号電荷を、増幅トランジスタM43などの画素アンプを介して順次読み出すことにより、列読み出し回路4に出力することができる。   In FIG. 5, the reference potential output period is set within the period from the previous signal charge being discharged from the floating diffusion layer 15 until the next signal charge is transferred from the charge storage layer 13, and the transfer of the signal charge is completed. The signal output period is set within the period. The signal charge corresponding to the potential difference ΔVFD2 of the floating diffusion layer 15 between the reference potential output period and the signal output period can be output to the column readout circuit 4 by sequentially reading out through the pixel amplifier such as the amplification transistor M43.

図4および図5に示した駆動方法により、1画面分の画像信号に寄与するすべてのフォトダイオード11の信号電荷が、フォトダイオード11から電荷蓄積層13に第1の電荷転送期間に同一タイミングで転送される。これにより、光電変換された信号電荷をフォトダイオード11に蓄積するフォトダイオード蓄積期間が1画面分の画像信号に寄与するすべてのフォトダイオード11で同一の期間となり、いわゆるグローバルシャッターを実現することができる。   4 and 5, the signal charges of all the photodiodes 11 that contribute to the image signal for one screen are transferred from the photodiodes 11 to the charge storage layer 13 at the same timing in the first charge transfer period. Transferred. As a result, the photodiode accumulation period for accumulating the photoelectrically converted signal charges in the photodiode 11 is the same for all the photodiodes 11 that contribute to the image signal for one screen, and a so-called global shutter can be realized. .

このように半導体基板10内に第2面から厚み方向に第1面に向かって、P型、N型、P型、N型、P型の各層(受光表面層12、フォトダイオード11、電位障壁層14、電荷蓄積層13、蓄積表面層17)を順に設けることにより、信号電荷の転送以外のときには、電位分布グラフが第2面から第1面に亘って山、谷、山、谷、山の部分が形成されるグラフになり、フォトダイオード11に形成される谷の部分(電位井戸)に、光電変換された信号電荷が集まり易くなる。電位井戸に導く電界強度をより強くすることができ、フォトダイオード11の電位井戸をある程度深くしても信号電荷を全て転送することが可能になり、拡散により生じるクロストーク不良を防止することができる。   As described above, the P-type, N-type, P-type, N-type, and P-type layers (light-receiving surface layer 12, photodiode 11, potential barrier) are formed in the semiconductor substrate 10 from the second surface toward the first surface in the thickness direction. By providing the layer 14, the charge storage layer 13, and the storage surface layer 17) in this order, the potential distribution graph extends from the second surface to the first surface in the case of other than signal charge transfer. This is a graph in which the signal charges are formed, and the photoelectrically converted signal charges are easily collected in the valley portions (potential wells) formed in the photodiode 11. The electric field strength guided to the potential well can be further increased, and even if the potential well of the photodiode 11 is deepened to some extent, it is possible to transfer all signal charges and to prevent crosstalk failure caused by diffusion. .

そして、信号電荷の転送時には、第2面側から第1面側に亘って電位が単調増加するような電圧をかけて、信号電荷を転送するための電界を形成させるので、フォトダイオード11のところに形成された電位井戸に蓄積されていた信号電荷を電位障壁層14を介して電荷蓄積層13に転送させることができる。これにより、従来のようにフォトダイオードと信号電荷転送路が同極性でありフォトダイオードから信号電荷伝達路に向けて信号電荷を送るための電界を形成できないためにフォトダイオードに転送電荷の一部が残るといったことが生じなくなり、残像やランダムノイズの発生を防止することができる。   At the time of transferring the signal charge, an electric field for transferring the signal charge is formed by applying a voltage whose potential increases monotonously from the second surface side to the first surface side. The signal charges accumulated in the potential well formed in (1) can be transferred to the charge accumulation layer 13 via the potential barrier layer 14. As a result, the photodiode and the signal charge transfer path have the same polarity as in the prior art, and an electric field for sending the signal charge from the photodiode toward the signal charge transfer path cannot be formed. It is possible to prevent afterimages and random noise from occurring.

また、第1の電荷転送期間に電圧を印加して信号電荷を転送するための電界を形成させるので、従来の構成において蓄積された信号電荷を信号電荷伝達路に導く電界を形成するために、半導体基板を例えば真性に近いものにすることにより電位井戸が浅くなってしまいクロストークが生じるといったことも防止される。
さらに、光電変換された信号電荷を転送以外のときにはフォトダイオード11のところに形成された電位井戸に集めておき、転送時にだけ転送のための電圧を印加することによりフォトダイオード11に蓄積された信号電荷を出力できるので、従来のように転送のための電圧を常時、印加し続けなくても良くなり、低消費電力を実現しつつ、温度上昇に伴うランダムノイズなどの発生を防止することもできる。なお、上記では第1のバイアス電圧とこれよりも低い第2のバイアス電圧とが選択的に電極(金属遮光膜23)から受光表面層12に印加される構成をとると共に、第1のバイアス電圧を0Vとして転送時以外のときにおける電力消費をより抑制できる構成例を説明したが、電圧値がこれに限られることはなく、上述の効果を得られる範囲で適した値を設定することができる。
Further, since an electric field for transferring a signal charge is formed by applying a voltage during the first charge transfer period, in order to form an electric field for guiding the signal charge accumulated in the conventional configuration to the signal charge transfer path, By making the semiconductor substrate close to intrinsic, for example, it is possible to prevent the potential well from becoming shallow and causing crosstalk.
Further, the signal charges photoelectrically converted are collected in a potential well formed at the photodiode 11 at times other than the transfer, and a signal stored in the photodiode 11 is applied by applying a voltage for transfer only at the time of transfer. Since electric charges can be output, it is not necessary to always apply a voltage for transfer as in the conventional case, and it is possible to prevent the occurrence of random noise accompanying temperature rise while realizing low power consumption. . In the above description, the first bias voltage and the second bias voltage lower than the first bias voltage are selectively applied from the electrode (metal light shielding film 23) to the light receiving surface layer 12, and the first bias voltage is used. However, the voltage value is not limited to this, and a suitable value can be set within a range where the above-described effects can be obtained. .

<実施の形態2>
上記実施の形態では、信号電荷の転送用の電圧を受光表面層12に供給するための電極として金属遮光膜23を用いる例を説明したが、本実施の形態では、透明電極を設けるとしており、この点が実施の形態1と異なっている。以下、説明の重複を避けるため、実施の形態1と同じ内容についてはその説明を省略し、同じ構成要素については、同符号を付すものとする。
<Embodiment 2>
In the above embodiment, the example in which the metal light-shielding film 23 is used as an electrode for supplying a voltage for transferring a signal charge to the light receiving surface layer 12 has been described. However, in this embodiment, a transparent electrode is provided. This point is different from the first embodiment. Hereinafter, in order to avoid duplication of description, the description of the same contents as those of Embodiment 1 is omitted, and the same components are denoted by the same reference numerals.

図7は、実施の形態2に係る固体撮像素子の撮像領域を構成する単位セルの要部断面図である。
同図に示すように、半導体基板10内および第1面側の構造は、実施の形態1と同じである。実施の形態1との違いは、受光表面層12上に、電子注入防止層31および透明電極32が設けられている点にある。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part of a unit cell constituting an imaging region of the solid-state imaging device according to the second embodiment.
As shown in the figure, the structures in the semiconductor substrate 10 and on the first surface side are the same as those in the first embodiment. The difference from the first embodiment is that an electron injection preventing layer 31 and a transparent electrode 32 are provided on the light receiving surface layer 12.

透明電極32は、裏面バイアス発生回路7に接続されており、裏面バイアス発生回路7からのバイアス電圧は、透明電極32と電子注入防止層31を介して受光表面層12に印加される。電子注入防止層31を設けることにより、裏面バイアス発生回路7により裏面バイアスパルスΦBBが印加されたときに、半導体基板10内に透明電極32からの電子の注入を防止することができる。   The transparent electrode 32 is connected to the back surface bias generation circuit 7, and the bias voltage from the back surface bias generation circuit 7 is applied to the light receiving surface layer 12 through the transparent electrode 32 and the electron injection prevention layer 31. By providing the electron injection prevention layer 31, it is possible to prevent injection of electrons from the transparent electrode 32 into the semiconductor substrate 10 when the back surface bias pulse ΦBB is applied by the back surface bias generation circuit 7.

そして、金属遮光膜23に代えて透明電極32を設けることにより、単位セル8の受光面の全面が遮光されない開口領域となり、すなわち開口率100%となり、感度がさらに向上すると共に、受光表面層12全体に均一にバイアス電圧を印加することができる。
例えば、受光表面層12の面方向に電極の近傍位置と離れた位置とで印加電圧の値に差が生じる構成では、受光表面層12がP型の場合、電極から離れた位置で受光表面層12の電位が高くなり、半導体界面近傍をホールで充満させることができず、暗電流が増加するおそれがあるが、本実施の形態のように面方向に均一に電圧を印加する構成をとることにより、受光表面層12の電位が高くなるところを生じさせないようにして、確実に暗電流の発生を抑制することが可能になる。
Then, by providing the transparent electrode 32 in place of the metal light shielding film 23, the entire light receiving surface of the unit cell 8 becomes an open region where light is not shielded, that is, the aperture ratio is 100%, and the sensitivity is further improved and the light receiving surface layer 12 is provided. A bias voltage can be applied uniformly throughout.
For example, in the configuration in which the applied voltage value is different between the position near and away from the electrode in the surface direction of the light receiving surface layer 12, when the light receiving surface layer 12 is P-type, the light receiving surface layer is located away from the electrode. The potential of 12 becomes high, and the vicinity of the semiconductor interface cannot be filled with holes, and the dark current may increase. However, the voltage is applied uniformly in the plane direction as in this embodiment. Thus, it is possible to reliably suppress the occurrence of dark current without causing a place where the potential of the light receiving surface layer 12 becomes high.

また、同様に受光表面層12がP型の場合、受光表面層12の面方向に電極の近傍位置と離れた位置とで印加電圧の値に差が生じる構成では、信号電荷転送期間に、電極から離れた位置で受光表面層12の電位がローレベルVBB−lowより高くなり、フォトダイオード11から電荷蓄積層13に向かう電界が弱くなるために転送が劣化するおそれがあるが、本実施の形態のように面方向に均一に電圧を印加する構成をとることにより、受光表面層12の電位を均一にローレベルVBB−lowにすることができ、転送劣化を防止することが可能になる。   Similarly, when the light-receiving surface layer 12 is P-type, in the configuration in which a difference occurs in the value of the applied voltage between the position in the vicinity of the electrode and the position away from the electrode in the plane direction of the light-receiving surface layer 12, during the signal charge transfer period Although the potential of the light-receiving surface layer 12 becomes higher than the low level VBB-low at a position away from, and the electric field from the photodiode 11 toward the charge storage layer 13 is weakened, there is a possibility that the transfer is deteriorated. By adopting a configuration in which the voltage is uniformly applied in the surface direction as described above, the potential of the light receiving surface layer 12 can be uniformly set to the low level VBB-low, and transfer deterioration can be prevented.

<実施の形態3>
上記実施の形態では、垂直ブランキング期間内における一定期間にのみフォトダイオード11に蓄積された信号電荷を電荷蓄積層13に転送させるとしたが、これに代えて、本実施の形態では、水平ブランキング期間毎に、その期間内に転送させるとしており、この点が異なっている。
<Embodiment 3>
In the above embodiment, the signal charge stored in the photodiode 11 is transferred to the charge storage layer 13 only for a certain period within the vertical blanking period. Each ranking period is transferred within the period, and this is different.

概略すると、各単位セル8が、その単位セルの属する行が選択されるまでの間、水平ブランキング期間毎にフォトダイオード11に蓄積された信号電荷を電荷蓄積層13に転送して電荷蓄積層13に蓄積していく。水平ブランキング期間において行が選択されると、その選択行に属する各単位セル8において、それまでの間に電荷蓄積層13に蓄積されてきた信号電荷を浮遊拡散層15から増幅トランジスタM43、選択トランジスタM44を介して垂直信号線VLに出力するものである。   In summary, each unit cell 8 transfers the signal charge accumulated in the photodiode 11 to the charge accumulation layer 13 for each horizontal blanking period until the row to which the unit cell belongs is selected, and the charge accumulation layer 13 13 will be accumulated. When a row is selected in the horizontal blanking period, in each unit cell 8 belonging to the selected row, the signal charge accumulated so far in the charge accumulation layer 13 is selected from the floating diffusion layer 15 to the amplification transistor M43. The signal is output to the vertical signal line VL via the transistor M44.

図8と図9は、本実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートであり、図8は、選択されていない行(非選択行)に属する単位セル8におけるものであり、図9は、選択された行(選択行)に属する単位セル8におけるものである。
図8に示すように、非選択行については水平ブランキング期間内において、行選択パルスΦSEL、リセットパルスΦRS、トランスファパルスΦTGがローレベルのままになっているが、裏面バイアスパルスΦBBは、時刻T31からT32までの期間だけローレベルに変化している。
8 and 9 are timing charts showing a method of driving the solid-state imaging device according to the present embodiment. FIG. 8 is for the unit cell 8 belonging to an unselected row (non-selected row). Reference numeral 9 denotes the unit cell 8 belonging to the selected row (selected row).
As shown in FIG. 8, for the non-selected rows, the row selection pulse ΦSEL, the reset pulse ΦRS, and the transfer pulse ΦTG remain at a low level within the horizontal blanking period, but the back surface bias pulse ΦBB is at the time T31. To the low level only during the period from T32 to T32.

この裏面バイアスパルスΦBBがローレベルとなる期間(第1の電荷転送期間)に、上述の図6に基づいて説明したメカニズムにより、フォトダイオード11に蓄積されている信号電荷がフォトダイオード11から電荷蓄積層13に転送される。上記実施の形態と同様に、負の裏面バイアスパルスΦBB(ローレベルの信号)は、撮像領域を構成するすべての単位セル(画素)8に共通して同時に印加される。   During the period when the backside bias pulse ΦBB is at a low level (first charge transfer period), the signal charge accumulated in the photodiode 11 is accumulated from the photodiode 11 by the mechanism described with reference to FIG. Transferred to layer 13. Similar to the above-described embodiment, the negative back bias pulse ΦBB (low level signal) is simultaneously applied in common to all the unit cells (pixels) 8 constituting the imaging region.

このため、選択行、非選択行に関わらず、一水平走査期間に蓄積されたすべてのフォトダイオード11の信号電荷が、各水平ブランキング期間毎に電荷蓄積層13に転送されることになる。この信号電荷の転送に伴い、フォトダイオード電位は、信号電荷の流出分(ΔVPD2)だけ電位が上昇し、電荷蓄積層電位は、信号電荷の流入分(ΔVST2)だけ電位が降下する。なお、裏面バイアスパルスΦBBの変化時である時刻T31および時刻T32において、フォトダイオード電位および電荷蓄積層電位がΔVPD1またはΔVST1だけシフトする現象は、図4を用いて上述した通りである。   For this reason, regardless of the selected row and the non-selected row, the signal charges of all the photodiodes 11 accumulated in one horizontal scanning period are transferred to the charge accumulation layer 13 every horizontal blanking period. As the signal charges are transferred, the potential of the photodiode increases by the amount of signal charge flowing out (ΔVPD2), and the potential of the charge storage layer potential decreases by the amount of flowing in signal charge (ΔVST2). Note that the phenomenon that the photodiode potential and the charge storage layer potential shift by ΔVPD1 or ΔVST1 at time T31 and time T32 when the backside bias pulse ΦBB changes is as described above with reference to FIG.

水平ブランキング期間毎に非選択行において、図8に示す信号電荷の転送が繰り返し実行される。
一方、選択行では、図9に示すように水平ブランキング期間内の行選択パルスΦSELがハイレベルとなる時刻T11からT18までの期間において、時刻T12からT13の期間にリセットパルスΦRSがハイレベルとなり、時刻T16からT17の期間にトランスファパルスΦTGがハイレベルとなる。また、リセットパルスΦRSのハイレベル期間後、かつトランスファパルスΦTGのハイレベル期間前の、時刻T14からT15の期間に裏面バイアスパルスΦBBがローレベルとなる。
The signal charge transfer shown in FIG. 8 is repeatedly executed in a non-selected row every horizontal blanking period.
On the other hand, in the selected row, as shown in FIG. 9, in the period from time T11 to T18 when the row selection pulse ΦSEL in the horizontal blanking period becomes high level, the reset pulse ΦRS becomes high level in the period from time T12 to T13. In the period from time T16 to T17, the transfer pulse ΦTG becomes high level. Further, the back surface bias pulse ΦBB becomes low level during the period from time T14 to T15 after the high level period of the reset pulse ΦRS and before the high level period of the transfer pulse ΦTG.

これにより、現にフォトダイオード11に蓄積されている信号電荷がフォトダイオード11から電荷蓄積層13に転送される。なお、同図では、フォトダイオード電位をΔVPD2´として、図8のものと区別しているが、これはフォトダイオード11に光電変換により蓄積される信号電荷が水平ブランキング期間毎に電荷蓄積層13に転送されるため、フォトダイオード11に蓄積される信号電荷が水平ブランキング期間毎に同じものとはいえないからである。ΔVST2についても同様である。   As a result, the signal charge actually stored in the photodiode 11 is transferred from the photodiode 11 to the charge storage layer 13. In the figure, the photodiode potential is ΔVPD2 ′, which is distinguished from that in FIG. 8, but this is because the signal charge accumulated in the photodiode 11 by photoelectric conversion is applied to the charge accumulation layer 13 every horizontal blanking period. This is because the signal charges accumulated in the photodiode 11 are not the same every horizontal blanking period because they are transferred. The same applies to ΔVST2.

そして、時刻T16になると、トランスファパルスΦTGの印加により、現に電荷蓄積層13に蓄積されている信号電荷が浮遊拡散層15にすべて転送され、トランスファパルスΦTGの印加後、電荷蓄積層13の信号電荷は空となる。これに伴い、電荷蓄積層電位は、ΔVST3だけ上昇し、浮遊拡散層電位は、ΔVFD3だけ下降する。
垂直走査を連続して行う動画撮像の場合は、電荷蓄積層13は、選択行となったタイミングのトランスファパルスΦTGの印加後から、次のタイミングで選択行となり、再びトランスファパルスΦTGが印加されるまでの期間にわたり、各水平ブランキング期間毎に少しずつ信号電荷を蓄積する。
At time T16, application of the transfer pulse ΦTG causes all signal charges currently stored in the charge storage layer 13 to be transferred to the floating diffusion layer 15. After application of the transfer pulse ΦTG, signal charges in the charge storage layer 13 are transferred. Becomes empty. Accordingly, the charge storage layer potential increases by ΔVST3, and the floating diffusion layer potential decreases by ΔVFD3.
In the case of moving image capturing in which vertical scanning is continuously performed, the charge storage layer 13 is selected at the next timing after the transfer pulse ΦTG at the timing of the selected row is applied, and the transfer pulse ΦTG is applied again. The signal charge is accumulated little by little for each horizontal blanking period.

光電変換された信号電荷をフォトダイオード11に蓄積するフォトダイオード蓄積期間は、選択行となった水平ブランキング期間中の、負の裏面バイアスパルスΦBBの印加終了時刻T15から、次のタイミングで選択行となった水平ブランキング期間中の、負の裏面バイアスパルスΦBBの印加終了時刻T14までとなる。この意味で、フォトダイオード蓄積期間は、第1の電荷転送期間を除く期間であり、少なくとも水平走査期間を含む期間とすることができる。   The photodiode accumulation period in which the photoelectrically converted signal charges are accumulated in the photodiode 11 is selected at the next timing from the application end time T15 of the negative back bias pulse ΦBB during the horizontal blanking period that is the selected line. The time until the application end time T14 of the negative back bias pulse ΦBB during the horizontal blanking period is reached. In this sense, the photodiode accumulation period is a period excluding the first charge transfer period, and can be a period including at least a horizontal scanning period.

すなわち、フォトダイオード蓄積期間は、一行毎に一水平走査周期ずつずれる、いわゆるローリングシャッターとなる。
このように水平ブランキング期間毎に非選択行のときにはフォトダイオード11に蓄積された信号電荷を転送して電荷蓄積層13に蓄積していき、選択行となったときに電荷蓄積層13にそれまでの間に蓄積されていた信号電荷を出力する構成をとることもでき、これにより、ローリングシャッターを実現することができる。
That is, the photodiode accumulation period is a so-called rolling shutter that is shifted by one horizontal scanning period for each row.
As described above, the signal charge accumulated in the photodiode 11 is transferred and accumulated in the charge accumulation layer 13 in the non-selected row every horizontal blanking period, and is stored in the charge accumulation layer 13 in the selected row. It is also possible to take a configuration in which the signal charges accumulated until then are output, thereby realizing a rolling shutter.

<実施の形態4>
上記実施の形態3では、選択行において負の裏面バイアスパルスΦBBと正のトランスファパルスΦTGとが重ならないようにタイミングをずらす構成であったが、本実施の形態では、負の裏面バイアスパルスΦBBと正のトランスファパルスΦTGの印加時期が重なる、具体的には最初に負の裏面バイアスパルスΦBBが印加され、続いて正のトランスファパルスΦTGの印加が開始され、その後、両者の印加が同時に終了する構成になっており、この点が異なっている。
<Embodiment 4>
In the third embodiment, the timing is shifted so that the negative backside bias pulse ΦBB and the positive transfer pulse ΦTG do not overlap in the selected row. However, in this embodiment, the negative backside bias pulse ΦBB The application timing of the positive transfer pulse ΦTG overlaps, specifically, the negative back surface bias pulse ΦBB is first applied, then the application of the positive transfer pulse ΦTG is started, and then the application of both ends simultaneously. This point is different.

図10は、実施の形態4に係る固体撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。同図では、選択行と非選択行の両方を併せて示している。
非選択行においては、同図には示していないが、上記実施の形態3の非選択行と同様に、水平ブランキング期間に行選択パルスΦSEL、リセットパルスΦRS、トランスファパルスΦTGが印加されず、裏面バイアスパルスΦBBだけが印加される。フォトダイオード電位と電荷蓄積層電位(非選択行)における電位の変化は、図8と同じである。
FIG. 10 is a timing chart illustrating a driving method of the solid-state imaging device according to the fourth embodiment. In the figure, both the selected row and the non-selected row are shown together.
In the non-selected row, although not shown in the figure, the row selection pulse ΦSEL, the reset pulse ΦRS, and the transfer pulse ΦTG are not applied during the horizontal blanking period, as in the non-selected row of the third embodiment. Only the back bias pulse ΦBB is applied. The change in potential between the photodiode potential and the charge storage layer potential (non-selected row) is the same as in FIG.

一方、選択行では、図10に示すように水平ブランキング期間内に行選択パルスΦSEL、リセットパルスΦRS、トランスファパルスΦTG、裏面バイアスパルスΦBBが印加される。この際、トランスファパルスΦTGがハイレベルである期間が、裏面バイアスパルスΦBBがローレベルである期間に重なるようになっている。
すなわち、時刻T22に裏面バイアスパルスΦBBが立ち下がり、次に時刻T23にトランスファパルスΦTGが立ち上がり、それから時刻T24になると同時に裏面バイアスパルスΦBBが立ち上がると共にトランスファパルスΦTGが立ち下がる。
On the other hand, in the selected row, as shown in FIG. 10, the row selection pulse ΦSEL, the reset pulse ΦRS, the transfer pulse ΦTG, and the back bias pulse ΦBB are applied within the horizontal blanking period. At this time, the period in which the transfer pulse ΦTG is at a high level overlaps the period in which the back surface bias pulse ΦBB is at a low level.
That is, the back surface bias pulse ΦBB falls at time T22, and then the transfer pulse ΦTG rises at time T23. Then, at time T24, the back surface bias pulse ΦBB rises and the transfer pulse ΦTG falls.

このように、選択行になったときに裏面バイアスパルスΦBBの印加を先に開始し、その直後にトランスファパルスΦTGの印加を開始する構成をとることにより、単位セル8においてフォトダイオード11に蓄積されている信号電荷を電荷蓄積層13に転送しつつ、電荷蓄積層13から信号電荷を浮遊拡散層15、画素アンプを介して単位セルの外に出力するという動作を一度に実行することができる。この動作を図11を用いて説明する。   As described above, the application of the back surface bias pulse ΦBB is started first when the selected row is selected, and the application of the transfer pulse ΦTG is started immediately thereafter, so that the unit cell 8 accumulates the photodiode 11. The operation of transferring the signal charge from the charge storage layer 13 to the outside of the unit cell via the floating diffusion layer 15 and the pixel amplifier can be performed at a time while transferring the signal charge to the charge storage layer 13. This operation will be described with reference to FIG.

図11は、図2中のA−A’線、およびC−C’線に沿った電位分布を示す図であり、図11(a)、(b)および(c)は、それぞれ図10中の時刻t4、時刻t5および時刻t6における電位分布図である。裏面バイアスパルスΦBBのハイレベル(VBB−high)が0V、ローレベル(VBB−low)が負の電圧値である場合の例である。
図11(a)に示すように、時刻t4(光電変換により発生した信号電荷を蓄積する期間の一時点)では、P型の受光表面層12には裏面バイアスパルスΦBBのハイレベル(0V)が印加されており、P型の受光表面層12の電位は、P型の第1の分離領域19を介して接地されているP型の蓄積表面層17の電位と等しい。図中実線で示すように、フォトダイオード11および電荷蓄積層13には、信号電荷を蓄積するための電位井戸が形成されており、信号電荷は、フォトダイオード11と電荷蓄積層13の両方に蓄積されている様子が示されている。
11 is a diagram showing potential distributions along the lines AA ′ and CC ′ in FIG. 2, and FIGS. 11A, 11B, and 11C are respectively shown in FIG. FIG. 6 is a potential distribution diagram at time t4, time t5, and time t6. In this example, the high level (VBB-high) of the back bias pulse ΦBB is 0 V and the low level (VBB-low) is a negative voltage value.
As shown in FIG. 11A, at time t4 (one point in the period for accumulating signal charges generated by photoelectric conversion), the high level (0 V) of the back surface bias pulse ΦBB is applied to the P-type light receiving surface layer 12. The potential of the P-type light-receiving surface layer 12 that is applied is equal to the potential of the P-type accumulation surface layer 17 that is grounded via the P-type first isolation region 19. As shown by the solid line in the figure, the photodiode 11 and the charge storage layer 13 have potential wells for storing signal charges, and the signal charges are stored in both the photodiode 11 and the charge storage layer 13. The state of being done is shown.

本実施の形態の単位セルは、図2に示す単位セル8の構成と基本的に同じであるが、受光時に、光電変換により発生した信号電荷がフォトダイオード11と電荷蓄積層13の両方に蓄積可能なように、半導体基板10の各層の厚みや濃度などが工夫されている。
このようにフォトダイオード11と電荷蓄積層13の両方に分けて信号電荷を蓄積できるようにすれば、信号電荷の最大蓄積電荷量がフォトダイオード11の最大蓄積電荷量と電荷蓄積層13の最大蓄積電荷量との和となるので、フォトダイオード11と電荷蓄積層13それぞれについては最大蓄積電荷量をそれほど大きくとる必要がなくなる。
The unit cell of the present embodiment is basically the same as the configuration of the unit cell 8 shown in FIG. 2, but the signal charge generated by photoelectric conversion during light reception is stored in both the photodiode 11 and the charge storage layer 13. As possible, the thickness and concentration of each layer of the semiconductor substrate 10 are devised.
If the signal charge can be stored separately for both the photodiode 11 and the charge storage layer 13 in this way, the maximum stored charge amount of the signal charge is the maximum stored charge amount of the photodiode 11 and the maximum storage charge of the charge storage layer 13. Since this is the sum of the charge amount, it is not necessary to make the maximum accumulated charge amount so large for each of the photodiode 11 and the charge accumulation layer 13.

このため、一旦フォトダイオード11に信号電荷を蓄積し、蓄積された全ての信号電荷を転送して電荷蓄積層13に蓄積する構造に比べて、フォトダイオード11と電荷蓄積層13のN型不純物濃度を低くし、それぞれの領域について電位井戸の深さおよび最大蓄積電荷量を少なく設計できるというメリットがある。
なお、C−C’線に沿った素子分離領域においては、P型ウエル18と第2の分離領域20をつなぐように設けられた第3の分離領域21が図中波線で示す電位分布となり、電位井戸に蓄積した信号電荷が隣接画素の電位井戸に流出しない約0Vの電位障壁を形成している。
Therefore, the N-type impurity concentration of the photodiode 11 and the charge storage layer 13 is compared with a structure in which the signal charge is once stored in the photodiode 11 and all the stored signal charges are transferred and stored in the charge storage layer 13. And the potential well depth and the maximum accumulated charge amount can be designed to be small for each region.
In the element isolation region along the line CC ′, a third isolation region 21 provided so as to connect the P-type well 18 and the second isolation region 20 has a potential distribution indicated by a wavy line in the figure. A potential barrier of about 0 V is formed so that the signal charge accumulated in the potential well does not flow out to the potential well of the adjacent pixel.

このように信号電荷の蓄積期間においては、フォトダイオード11および電荷蓄積層13の双方に電位井戸が形成され、各層を囲む隣接画素間の素子分離領域に約0Vの電位障壁が形成され、フォトダイオード11と電荷蓄積層13の近傍で発生した信号電荷を電位井戸に導く電界強度を強くでき、拡散により生じるクロストーク不良を防止できる。
図11(b)に示すように、時刻t5(裏面バイアスパルスΦBBがローレベルかつトランスファパルスΦTGがハイレベルである重複期間の一時点)では、フォトダイオード11から電荷蓄積層13に向かって電位が単調増加する状態となっていると共に、トランスファパルスΦTGがハイレベルになっており、図示していないが電荷蓄積層13から浮遊拡散層15に向かって電荷を転送する電界が形成された状態になっている。
Thus, in the signal charge accumulation period, potential wells are formed in both the photodiode 11 and the charge storage layer 13, and a potential barrier of about 0 V is formed in the element isolation region between adjacent pixels surrounding each layer. 11 and the electric charge intensity which guides the signal charge generated in the vicinity of the charge storage layer 13 to the potential well can be increased, and the crosstalk failure caused by the diffusion can be prevented.
As shown in FIG. 11B, at time t5 (at one point in the overlapping period in which the backside bias pulse ΦBB is at the low level and the transfer pulse ΦTG is at the high level), the potential from the photodiode 11 toward the charge storage layer 13 is increased. While being monotonously increasing, the transfer pulse ΦTG is at a high level, and although not shown, an electric field for transferring charges from the charge storage layer 13 toward the floating diffusion layer 15 is formed. ing.

すなわち、信号電荷をフォトダイオード11から電荷蓄積層13を介して浮遊拡散層15に向けて転送させるための電位勾配が形成されるようになっており、これにより当該期間中にフォトダイオード11と電荷蓄積層13の両方に蓄積されていた信号電荷が同時に浮遊拡散層215に向けて勢い転送される。この転送方法によっても、上記実施の形態と同様に信号電荷を完全転送できるので、ランダムノイズ等の発生を防止できる。   That is, a potential gradient for transferring the signal charge from the photodiode 11 to the floating diffusion layer 15 via the charge storage layer 13 is formed, whereby the photodiode 11 and the charge are charged during the period. The signal charges stored in both storage layers 13 are simultaneously transferred to the floating diffusion layer 215. Also by this transfer method, signal charges can be completely transferred in the same manner as in the above embodiment, so that random noise and the like can be prevented.

図11(c)に示すように、時刻t6では、上述の電荷転送期間の終了後の時刻であるので、信号電荷の浮遊拡散層15への転送が完了し、フォトダイオード11および電荷蓄積層13の電位井戸は共に空(信号電荷が蓄積されていない状態)になり、次の信号電荷の蓄積期間が開始される。
図10に戻って、裏面バイアスパルスΦBBの立ち上がりがフォトダイオード11における信号電荷の蓄積期間の終了時刻を規定し、また、トランスファパルスΦTGの立ち下がりが電荷蓄積層13における信号電荷の蓄積期間の終了時刻を規定しており、両時刻を共に同じ時刻T24に設定することにより、信号電荷の蓄積期間がフォトダイオード11および電荷蓄積層13で完全に同期するようになっている。
As shown in FIG. 11C, since the time t6 is the time after the end of the above-described charge transfer period, the transfer of the signal charge to the floating diffusion layer 15 is completed, and the photodiode 11 and the charge storage layer 13 are completed. Both potential wells are empty (no signal charge is accumulated), and the next signal charge accumulation period is started.
Returning to FIG. 10, the rise of the backside bias pulse ΦBB defines the end time of the signal charge accumulation period in the photodiode 11, and the fall of the transfer pulse ΦTG ends the signal charge accumulation period in the charge storage layer 13. The time is defined, and both times are set to the same time T24, so that the signal charge storage period is completely synchronized between the photodiode 11 and the charge storage layer 13.

このように本実施の形態では、選択行になったときに水平ブランキング期間内において裏面バイアスパルスΦBBのローレベルの期間とトランスファパルスΦTGのハイレベルの期間とがほとんど重複する構成をとることにより、フォトダイオード11と電荷蓄積層13の両方について、N型不純物濃度を低くして電位井戸の深さおよび最大蓄積電荷量が少なくなるように設計を行いつつ、フォトダイオード11と電荷蓄積層13の両方に蓄積されていた信号電荷をそれぞれの領域に残すことなく浮遊拡散層15に転送することができランダムノイズ等の発生を防止することが可能になる。   As described above, in the present embodiment, when the selected row is selected, the low level period of the back surface bias pulse ΦBB and the high level period of the transfer pulse ΦTG overlap each other in the horizontal blanking period. Both the photodiode 11 and the charge storage layer 13 are designed such that the N-type impurity concentration is lowered to reduce the depth of the potential well and the maximum stored charge amount. The signal charges accumulated in both can be transferred to the floating diffusion layer 15 without leaving them in the respective regions, and the occurrence of random noise or the like can be prevented.

また、N型不純物濃度を低くして電位井戸の深さを浅くすることにより、フォトダイオード11から電荷蓄積層13に向かって電位が単調増加するために必要な受光表面層12に印加する負の印加電圧の絶対値を小さくすることができる。
また、半導体基板10の膜厚を薄くすることにより入射光がフォトダイオード11を透過し、電荷蓄積層13近傍で吸収されるようになっても、その近傍で光電変換された電荷も電荷蓄積層13の電位井戸に蓄積されるようになり、信号電荷として利用することができる。従って、一旦フォトダイオード11に単独で信号電荷を蓄積する構造と比較して、半導体基板10の膜厚をより薄くできる。さらに、一旦フォトダイオード11に単独で信号電荷を蓄積する構造と比較して、フォトダイオード11と電荷蓄積層13の電位井戸が浅いので、裏面バイアスパルスΦBBを振幅のより小さな電圧を印加するだけで信号電荷を転送することが可能になり、省電力化を図ることもできるという効果を奏する。
Further, by decreasing the N-type impurity concentration and reducing the depth of the potential well, the negative applied to the light-receiving surface layer 12 necessary for the potential to monotonously increase from the photodiode 11 toward the charge storage layer 13. The absolute value of the applied voltage can be reduced.
Further, even if incident light passes through the photodiode 11 and is absorbed in the vicinity of the charge storage layer 13 by reducing the thickness of the semiconductor substrate 10, the charge photoelectrically converted in the vicinity of the charge storage layer 13 is also absorbed. 13 potential wells can be used as signal charges. Therefore, the thickness of the semiconductor substrate 10 can be made thinner than the structure in which signal charges are once stored in the photodiode 11 alone. Furthermore, since the potential wells of the photodiode 11 and the charge storage layer 13 are shallow as compared with the structure in which the signal charge is once stored in the photodiode 11 alone, the backside bias pulse ΦBB is simply applied with a voltage having a smaller amplitude. It becomes possible to transfer the signal charge, and there is an effect that power saving can be achieved.

なお、裏面バイアスパルスΦBBのローレベルの期間とトランスファパルスΦTGのハイレベルの期間とが重複する期間は、上記に限られない。ただし、フォトダイオード11と電荷蓄積層13で蓄積される信号電荷の発生する期間(露光期間)を、フォトダイオード11と電荷蓄積層13で同じにするために、裏面バイアスパルスΦBBの立ち上がりは、トランスファパルスΦTGの立ち下がりと同じかもしくは遅い必要がある。もし、裏面バイアスパルスΦBBの立ち上がりが、トランスファパルスΦTGの立ち下がりより早い場合には、電荷蓄積層13における信号電荷の一部が先行して出力され、信号電荷の蓄積期間がフォトダイオード11および電荷蓄積層13で一致しなくなる。   The period in which the low-level period of the back bias pulse ΦBB overlaps the high-level period of the transfer pulse ΦTG is not limited to the above. However, in order to make the period (exposure period) in which the signal charges accumulated in the photodiode 11 and the charge storage layer 13 occur the same in the photodiode 11 and the charge storage layer 13, the rise of the back bias pulse ΦBB It must be the same as or slower than the falling edge of the pulse ΦTG. If the rise of the back bias pulse ΦBB is earlier than the fall of the transfer pulse ΦTG, a part of the signal charge in the charge storage layer 13 is output in advance, and the signal charge accumulation period is the photodiode 11 and the charge. The storage layer 13 does not match.

本実施の形態では、単位セル8の構成を図2のものを用いるとしたが、これに限られない。実施の形態2のものにも適用できる。
さらに、本実施の形態に係る図10に示す駆動方法をとる場合、フォトダイオード11と電荷蓄積層13との間に電位障壁を形成しなくても適用することができ、P型の電位障壁層14に代えて、例えば低濃度P型層、I型層、N型層のものを用いる構成をとることもできる。電位障壁を形成しない構成では、フォトダイオードと電荷蓄積層の双方が蓄積領域を形成、またはこれらを一体の蓄積領域とした構成とすることができる。上記の駆動方法を用いれば蓄積領域に蓄積された信号電荷を信号読み出し回路に送るための電界を形成しつつ同時に蓄積領域から信号電荷を読み出すことを実行して、蓄積された信号電荷の一部が残るといったことを防止して信号電荷の読み出しを効率良く行うことができる。
In the present embodiment, the configuration of the unit cell 8 is the same as that of FIG. The present invention can also be applied to the second embodiment.
Furthermore, when the driving method shown in FIG. 10 according to the present embodiment is adopted, the present invention can be applied without forming a potential barrier between the photodiode 11 and the charge storage layer 13, and a P-type potential barrier layer can be applied. For example, a low-concentration P-type layer, an I-type layer, or an N-type layer may be used instead of 14. In the configuration in which the potential barrier is not formed, both the photodiode and the charge storage layer may form a storage region, or these may be configured as an integrated storage region. When the above driving method is used, an electric field for sending the signal charge accumulated in the accumulation region to the signal readout circuit is formed, and at the same time, the signal charge is read from the accumulation region, and a part of the accumulated signal charge is obtained. It is possible to efficiently read out the signal charge by preventing the remaining.

また、画素間を区画分離する第2の分離領域20、第3の分離領域21がない構造であっても当該駆動方法を適用できる。フォトダイオード11と電荷蓄積層13の両方に電荷を蓄積できるため、電荷蓄積層13の周辺の電荷も信号電荷に用いることができ、クロストークが発生し難くなるからである。
なお、上記各実施の形態では、本発明に係る固体撮像素子をC−MOSイメージセンサに適用する場合の構成例を説明したが、これに限られず、例えばCCDイメージセンサなどにも適用することができる。
In addition, the driving method can be applied even in a structure without the second separation region 20 and the third separation region 21 that partition and separate pixels. This is because charges can be stored in both the photodiode 11 and the charge storage layer 13, so that charges around the charge storage layer 13 can also be used as signal charges and crosstalk hardly occurs.
In each of the above embodiments, the configuration example in the case where the solid-state imaging device according to the present invention is applied to a C-MOS image sensor has been described. However, the present invention is not limited to this, and may be applied to a CCD image sensor, for example. it can.

また、固体撮像素子に限られず、当該固体撮像素子における駆動方法であるとしてもよい。さらに、半導体基板10に設けられる、第1導電型である受光表面層12と電位障壁層14をP型、第1導電型とは逆極性の第2導電型であるフォトダイオード11と電荷蓄積層13をN型とした構成例を説明したが、これに限られない。
例えば、N型とP型を入れ替えた構成、具体的には第1導電型をN型、第2導電型をP型とした構成にも適用できる。この場合、バイアス電圧の極性も上記とは逆の極性になり、例えばフォトダイオード11から電荷蓄積層13への信号電荷の転送期間には、フォトダイオード11から電荷蓄積層13に向かって電位が単調減少する電位分布が形成されることになる。
Further, the driving method is not limited to the solid-state imaging device, and may be a driving method in the solid-state imaging device. Furthermore, the light-receiving surface layer 12 and the potential barrier layer 14 of the first conductivity type provided on the semiconductor substrate 10 are P-type, and the photodiode 11 and charge storage layer of the second conductivity type having the opposite polarity to the first conductivity type. Although the configuration example in which 13 is an N type has been described, the present invention is not limited to this.
For example, the present invention can be applied to a configuration in which the N type and the P type are interchanged, specifically, a configuration in which the first conductivity type is the N type and the second conductivity type is the P type. In this case, the polarity of the bias voltage is also opposite to that described above. For example, during the signal charge transfer period from the photodiode 11 to the charge storage layer 13, the potential is monotonic from the photodiode 11 toward the charge storage layer 13. A decreasing potential distribution is formed.

本発明は、低ノイズ、低消費電力などが望まれるビデオカメラやデジタルスチルカメラなどに用いられる固体撮像素子に利用することができる。   The present invention can be used for a solid-state imaging device used in a video camera, a digital still camera, or the like where low noise and low power consumption are desired.

7 裏面バイアス発生回路
8 単位セル
10 半導体基板
11 フォトダイオード
12 受光表面層
13 電荷蓄積層
14 電位障壁層
15 浮遊拡散層
16 トランスファゲート
17 蓄積表面層
19 第1の分離領域
20 第2の分離領域
21 第3の分離領域
26 配線層
31 電子注入防止層
32 透明電極
7 Backside bias generation circuit 8 Unit cell 10 Semiconductor substrate 11 Photodiode 12 Light receiving surface layer 13 Charge storage layer 14 Potential barrier layer 15 Floating diffusion layer 16 Transfer gate 17 Storage surface layer 19 First separation region 20 Second separation region 21 Third separation region 26 Wiring layer 31 Electron injection preventing layer 32 Transparent electrode

Claims (16)

半導体基板の一方の主面である裏面を受光面とした単位セルが複数、行列状に配列されてなる裏面照射型の固体撮像素子であって、
前記各単位セルは、
前記半導体基板内において厚み方向に前記裏面に最も近い位置に設けられた第1導電型の受光表面層と、
前記半導体基板内において前記受光表面層よりも前記半導体基板の他方の主面である表面に近い側に設けられ、前記受光表面層に入射された光を光電変換して得られた信号電荷を蓄積する、第1導電型とは逆極性の第2導電型の光電変換領域と、
前記半導体基板内において前記光電変換領域よりも前記表面に近い側に設けられ、前記光電変換領域から転送された信号電荷を蓄積する第2導電型の電荷蓄積層と、
前記半導体基板内において前記光電変換領域と前記電荷蓄積層との間に介在する第1導電型の電位障壁層と、
前記光電変換領域に蓄積される信号電荷を前記電位障壁層の電位障壁により前記電荷蓄積層に転送させないための第1電圧と、前記信号電荷を前記電位障壁層を介して前記電荷蓄積層に転送するための第2電圧を選択的に前記受光表面層に印加する電極と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。
A back-illuminated solid-state imaging device in which a plurality of unit cells each having a light receiving surface on the back surface, which is one main surface of a semiconductor substrate, are arranged in a matrix,
Each unit cell is
A light receiving surface layer of a first conductivity type provided at a position closest to the back surface in the thickness direction in the semiconductor substrate;
The signal charges obtained by photoelectrically converting light incident on the light-receiving surface layer are stored in the semiconductor substrate closer to the surface that is the other main surface of the semiconductor substrate than the light-receiving surface layer. A second conductivity type photoelectric conversion region having a polarity opposite to that of the first conductivity type;
A charge storage layer of a second conductivity type that is provided on the side closer to the surface than the photoelectric conversion region in the semiconductor substrate and stores the signal charge transferred from the photoelectric conversion region;
A potential barrier layer of a first conductivity type interposed between the photoelectric conversion region and the charge storage layer in the semiconductor substrate;
A first voltage for preventing signal charges accumulated in the photoelectric conversion region from being transferred to the charge accumulation layer by a potential barrier of the potential barrier layer, and transferring the signal charges to the charge accumulation layer through the potential barrier layer. An electrode for selectively applying a second voltage to the light receiving surface layer,
A solid-state imaging device comprising:
前記電極に前記電圧を供給するバイアス回路を備え、
前記バイアス回路は、
前記第1電圧として、
前記光電変換領域に信号電荷を蓄積する蓄積期間に、前記電位障壁層に電位障壁が形成される電圧を供給し、
前記第2電圧として、
前記信号電荷の転送期間には、前記第1導電型がP型、前記第2導電型がN型の場合に前記光電変換領域から前記電荷蓄積層に向かって電位が単調増加する電圧を供給し、前記第1導電型がN型、前記第2導電型がP型の場合に前記光電変換領域から前記電荷蓄積層に向かって電位が単調減少する電圧を供給することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
A bias circuit for supplying the voltage to the electrode;
The bias circuit includes:
As the first voltage,
Supplying a voltage at which a potential barrier is formed in the potential barrier layer during an accumulation period in which signal charges are accumulated in the photoelectric conversion region;
As the second voltage,
In the signal charge transfer period, when the first conductivity type is P type and the second conductivity type is N type, a voltage whose potential increases monotonously from the photoelectric conversion region toward the charge storage layer is supplied. 2. A voltage whose potential decreases monotonously from the photoelectric conversion region toward the charge storage layer when the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type. The solid-state image sensor described in 1.
前記転送期間は、
垂直ブランキング期間中の所定の期間であり、
前記蓄積期間は、
前記所定の期間を除く期間であり、水平走査期間と水平ブランキング期間を含む垂直走査期間の少なくとも一部を含む期間であることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
The transfer period is
A predetermined period during the vertical blanking period,
The accumulation period is
3. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is a period excluding the predetermined period and including at least a part of a vertical scanning period including a horizontal scanning period and a horizontal blanking period.
前記転送期間は、
水平ブランキング期間中の所定の期間であり、
前記蓄積期間は、
前記所定の期間を除く期間であり、少なくとも水平走査期間を含む期間であることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
The transfer period is
A predetermined period during the horizontal blanking period,
The accumulation period is
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging element is a period excluding the predetermined period and a period including at least a horizontal scanning period.
前記転送期間の少なくとも一部が前記電荷蓄積層から信号電荷を出力する期間に重なり、前記転送期間と前記出力する期間が略同時に終了することを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。   5. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein at least a part of the transfer period overlaps with a period in which signal charges are output from the charge storage layer, and the transfer period and the output period end substantially at the same time. 前記半導体基板内において前記電荷蓄積層よりも前記表面に近い側に第1導電型の蓄積表面層が設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。   6. The solid-state imaging according to claim 1, wherein a storage surface layer of a first conductivity type is provided in a side closer to the surface than the charge storage layer in the semiconductor substrate. element. 前記電極は、
前記半導体基板の裏面上に設けられ、当該受光表面層と電気的に接続された透明電極であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
The electrode is
7. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is a transparent electrode provided on a back surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the light receiving surface layer.
前記第1電圧が接地電位であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first voltage is a ground potential. 半導体基板の一方の主面である裏面を受光面とした単位セルが複数、行列状に配列されてなる裏面照射型の固体撮像素子の駆動方法であって、
前記各単位セルは、
前記半導体基板内において厚み方向に前記裏面に最も近い位置に設けられた第1導電型の受光表面層と、
前記半導体基板内において前記受光表面層よりも前記半導体基板の他方の主面である表面に近い側に設けられ、前記受光表面層に入射された光を光電変換して得られた信号電荷を蓄積する、第1導電型とは逆極性の第2導電型の光電変換領域と、
前記半導体基板内において前記光電変換領域よりも前記表面に近い側に設けられ、前記光電変換領域から転送された信号電荷を蓄積する第2導電型の電荷蓄積層と、
前記半導体基板内において前記光電変換領域と前記電荷蓄積層との間に介在する第1導電型の電位障壁層と、を備え、
当該駆動方法は、
前記光電変換領域に信号電荷を蓄積する蓄積期間に、前記光電変換領域に蓄積される信号電荷を前記電位障壁層の電位障壁により前記電荷蓄積層に転送させないための第1電圧を前記受光表面層に印加する第1ステップと、
前記信号電荷の転送期間に、前記信号電荷を前記電位障壁層を介して前記電荷蓄積層に転送するための第2電圧として、前記第1導電型がP型、前記第2導電型がN型の場合には前記光電変換領域から前記電荷蓄積層に向かって電位が単調増加する電圧を、前記第1導電型がN型、前記第2導電型がP型の場合には前記光電変換領域から前記電荷蓄積層に向かって電位が単調減少する電圧を前記受光表面層に印加する第2ステップと、
を含むステップを実行することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
A driving method of a backside illumination type solid-state imaging device in which a plurality of unit cells having a light receiving surface as a back surface which is one main surface of a semiconductor substrate are arranged in a matrix,
Each unit cell is
A light receiving surface layer of a first conductivity type provided at a position closest to the back surface in the thickness direction in the semiconductor substrate;
The signal charges obtained by photoelectrically converting light incident on the light-receiving surface layer are stored in the semiconductor substrate closer to the surface that is the other main surface of the semiconductor substrate than the light-receiving surface layer. A second conductivity type photoelectric conversion region having a polarity opposite to that of the first conductivity type;
A charge storage layer of a second conductivity type that is provided on the side closer to the surface than the photoelectric conversion region in the semiconductor substrate and stores the signal charge transferred from the photoelectric conversion region;
A potential barrier layer of a first conductivity type interposed between the photoelectric conversion region and the charge storage layer in the semiconductor substrate,
The driving method is
In the accumulation period in which the signal charge is accumulated in the photoelectric conversion region, a first voltage for preventing the signal charge accumulated in the photoelectric conversion region from being transferred to the charge accumulation layer by the potential barrier of the potential barrier layer is the light receiving surface layer. A first step applied to
As the second voltage for transferring the signal charge to the charge storage layer through the potential barrier layer during the signal charge transfer period, the first conductivity type is P type, and the second conductivity type is N type. In the case of the above, when the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type, the voltage at which the potential monotonously increases from the photoelectric conversion region toward the charge storage layer. A second step of applying to the light receiving surface layer a voltage whose potential monotonously decreases toward the charge storage layer;
A method for driving a solid-state imaging device, comprising:
前記転送期間は、
垂直ブランキング期間中の所定の期間であり、
前記蓄積期間は、
前記所定の期間を除く期間であり、水平走査期間と水平ブランキング期間を含む垂直走査期間の少なくとも一部を含む期間であることを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の駆動方法。
The transfer period is
A predetermined period during the vertical blanking period,
The accumulation period is
The solid-state imaging device driving method according to claim 9, wherein the driving period is a period excluding the predetermined period and includes at least a part of a vertical scanning period including a horizontal scanning period and a horizontal blanking period.
前記転送期間は、
水平ブランキング期間中の所定の期間であり、
前記蓄積期間は、
前記所定の期間を除く期間であり、少なくとも水平走査期間を含む期間であることを特徴とする請求項9に記載の固体撮像素子の駆動方法。
The transfer period is
A predetermined period during the horizontal blanking period,
The accumulation period is
The method for driving a solid-state imaging device according to claim 9, wherein the driving period is a period excluding the predetermined period and includes at least a horizontal scanning period.
前記転送期間の少なくとも一部が前記電荷蓄積層から信号電荷を出力する期間に重なり、前記転送期間と前記出力する期間が略同時に終了することを特徴とする請求項11に記載の固体撮像素子の駆動方法。   12. The solid-state imaging device according to claim 11, wherein at least a part of the transfer period overlaps with a period in which signal charges are output from the charge storage layer, and the transfer period and the output period end substantially simultaneously. Driving method. 前記第1電圧が接地電位であることを特徴とする請求項9から12のいずれか1項に記載の固体撮像素子の駆動方法。   The solid-state imaging device driving method according to claim 9, wherein the first voltage is a ground potential. 半導体基板内において厚み方向に当該半導体基板の一方の主面である裏面に最も近い位置に設けられた第1導電型の受光表面層に入射された光を光電変換し、光電変換された信号電荷を当該半導体基板内において前記受光表面層よりも当該半導体基板の他方の主面である表面に近い側に設けられた、第1導電型とは逆極性の第2導電型の蓄積領域に蓄積し、蓄積された信号電荷を信号読み出し期間に当該半導体基板内で前記受光表面層よりも前記表面に近い側に設けられた読み出し回路により前記蓄積領域から読み出す単位セルが複数、行列状に配列されてなる裏面照射型の固体撮像素子の駆動方法であって、
信号電荷の蓄積期間に、
信号電荷の蓄積のための第1電圧として接地電位を前記受光表面層に印加し、
前記蓄積期間を除く期間であり、水平ブランキング期間中における所定の期間に、
前記第1導電型がP型、前記第2導電型がN型の場合には前記第1電圧よりも電位が低い第2電圧を前記受光表面層に印加し、
前記第1導電型がN型、前記第2導電型がP型の場合には前記第1電圧よりも電位が高い第2電圧を前記受光表面層に印加することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
In the semiconductor substrate, the light incident on the light receiving surface layer of the first conductivity type provided at the position closest to the back surface which is one main surface of the semiconductor substrate in the thickness direction is photoelectrically converted, and the photoelectrically converted signal charge Is stored in a second conductivity type accumulation region having a polarity opposite to that of the first conductivity type, which is provided in the semiconductor substrate closer to the surface which is the other main surface of the semiconductor substrate than the light receiving surface layer. In the signal readout period, a plurality of unit cells are read out from the accumulation region by a readout circuit provided closer to the surface than the light receiving surface layer in the signal readout period. A back-illuminated solid-state image sensor driving method comprising:
During the signal charge accumulation period,
Applying a ground potential to the light receiving surface layer as a first voltage for accumulation of signal charge;
It is a period excluding the accumulation period, and in a predetermined period in the horizontal blanking period,
When the first conductivity type is P type and the second conductivity type is N type, a second voltage having a lower potential than the first voltage is applied to the light receiving surface layer,
When the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type, a second voltage having a higher potential than the first voltage is applied to the light-receiving surface layer. Driving method.
前記蓄積期間は、
少なくとも水平走査期間を含む期間であることを特徴とする請求項14に記載の固体撮像素子の駆動方法。
The accumulation period is
The method for driving a solid-state imaging device according to claim 14, wherein the period includes at least a horizontal scanning period.
前記所定の期間の少なくとも一部が前記信号読み出し期間に重なり、前記所定の期間と前記信号読み出し期間が略同時に終了することを特徴とする請求項14または15に記載の固体撮像素子の駆動方法。   16. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 14, wherein at least a part of the predetermined period overlaps with the signal readout period, and the predetermined period and the signal readout period end substantially at the same time.
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