JP2011211120A - Solid-state imaging element, and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子及び撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging apparatus.
図10は、従来のCCD(Charge Coupled Device)型の固体撮像素子の出力部付近の拡大図である。 FIG. 10 is an enlarged view of the vicinity of an output portion of a conventional CCD (Charge Coupled Device) type solid-state imaging device.
半導体基板内には、水平電荷転送路101と、フローティングディフュージョンFDとが形成されている。水平電荷転送路101は、その電荷転送方向下流側の端部(終端)において、電荷転送方向に直交する方向の幅が電荷転送方向に向かうほど狭くなっている。フローティングディフュージョンFDは、この幅が狭められた水平電荷転送路101の終端の隣に設けられている。
A horizontal
水平電荷転送路101上方には、サブ電極102とサブ電極103をペアとする転送電極105が複数、電荷転送方向に沿って配列されている。
Above the horizontal
フローティングディフュージョンFDと水平電荷転送路101との間の半導体基板上方には、出力ゲート電極OGが設けられている。
An output gate electrode OG is provided above the semiconductor substrate between the floating diffusion FD and the horizontal
図10では、複数の転送電極105のうち、水平電荷転送路101の電荷転送方向の最も下流側にある転送電極105と重なる水平電荷転送路101の領域が最終転送段104となる。最終転送段104は、水平電荷転送路101の幅の狭くなった部分に形成されている。
In FIG. 10, among the plurality of
図11は、図10に示したB−B’線断面における半導体基板内のポテンシャルを示した図である。図11は、最終転送段104に電子を蓄積させた状態を示している。
FIG. 11 is a diagram showing the potential in the semiconductor substrate in the cross section along line B-B ′ shown in FIG. 10. FIG. 11 shows a state where electrons are accumulated in the
図示しない垂直電荷転送路から水平電荷転送路101に転送された電子は、最終転送段104まで転送されてくる。最終転送段104はその幅が狭くなっているため、転送されてくる電子量が強い光によって多くなる場合には、この電子の一部が、図11の矢印で示したようにフローティングディフュージョンFDに漏れる。この結果、フローティングディフュージョンFDをリセットした後、最終転送段104の電子をフローティングディフュージョンFDに転送する前に、フローティングディフュージョンFDには、最終転送段104から漏れ出した電子が蓄積されることになり、固体撮像素子から出力される信号波形のフィードスルーレベルが沈んでしまう。
Electrons transferred from a vertical charge transfer path (not shown) to the horizontal
固体撮像素子を搭載する撮像装置では、最終転送段104の電荷をフローティングディフュージョンFDに転送した後の信号出力レベルから上記フィードスルーレベルを減算することで、被写体光に応じた撮像信号を得ている。このため、上記フィードスルーレベルが沈んでしまうと、撮像信号のレベルも沈んでしまう。この結果、図12に示すように、高輝度被写体Hの周囲120が、本来は白飛びするべきところ黒沈みしてしまい、不自然な画像になってしまう。
In an imaging apparatus equipped with a solid-state imaging device, an imaging signal corresponding to subject light is obtained by subtracting the feedthrough level from the signal output level after the charge of the
このような現象は、これまではあまり問題になっていなかった。しかし、近年の固体撮像素子は、微細化により、フォトダイオードやCCDで発生するノイズ電荷(スミア電荷)が増加してきており、高輝度被写体があったときに、最終転送段104からフローティングディフュージョンFDに漏れ出す電荷量は多くなっている。このため、上述した黒沈みが目立つようになってきており、画質改善が望まれていた。
Such a phenomenon has not been a problem so far. However, in recent solid-state imaging devices, noise charges (smear charges) generated in photodiodes and CCDs have increased due to miniaturization, and when there is a high-luminance subject, the
特許文献1には、画素列の両側方にそれぞれ電荷転送路を設け、片方の電荷転送路の最終転送段の隣に、この最終転送段に転送された電荷をドレインに排出する電荷排出ゲート部を設けた固体撮像素子が開示されている。この固体撮像素子は、低解像度モード時においては、2つの電荷転送路のうちの片方で転送した電荷に応じた信号のみを用い、もう片方の電荷転送路に読み出した電荷は上記ドレインに排出することで、画質劣化を防ぎながら高速駆動を実現するものである。 In Patent Document 1, charge transfer paths are provided on both sides of a pixel column, and a charge discharge gate unit that discharges the charge transferred to the final transfer stage to the drain next to the final transfer stage of one of the charge transfer paths. There is disclosed a solid-state imaging device provided with the. In the low-resolution mode, this solid-state imaging device uses only a signal corresponding to the charge transferred on one of the two charge transfer paths, and discharges the charge read to the other charge transfer path to the drain. Thus, high-speed driving is realized while preventing image quality deterioration.
しかし、特許文献1記載の固体撮像素子は、低解像モード時に不要な電荷を全てドレインに排出することを目的とするものであって、上述した黒沈みの発生防止を目的としたものではない。そもそも、この固体撮像素子は、最終転送段の電荷蓄積容量が、その他の転送段の電荷蓄積容量よりも大きくなっており、上述したような黒沈みが発生するような構成になっていない。 However, the solid-state imaging device described in Patent Document 1 is intended to discharge all unnecessary charges to the drain in the low resolution mode, and is not intended to prevent the occurrence of the above-described black sink. . In the first place, the solid-state imaging device has a charge transfer capacity of the final transfer stage larger than that of the other transfer stages, and is not configured to cause the black sun.
また、特許文献2には、画素列の両側方にそれぞれ電荷転送路を設け、片方の電荷転送路の転送段の隣に、この転送段に転送された電荷を排出するオーバーフロードレインを設けた固体撮像素子が開示されている。この固体撮像素子は、片方の電荷転送路の電荷取扱量をオーバーフロードレインによって制限することで、ダイナミックレンジの拡大を実現するものである。
しかし、特許文献2記載の固体撮像素子は、ダイナミックレンジの拡大を目的とするものであって、上述した黒沈みの発生防止を目的としたものではない。また、この固体撮像素子も、最終転送段の電荷蓄積容量が、その他の転送段の電荷蓄積容量より大きくなっており、上述したような黒沈みが発生するような構成になっていない。
However, the solid-state imaging device described in
なお、図10に示した固体撮像素子において、水平電荷転送路101の終端の幅を狭めない構成にすれば、最終転送段104の蓄積容量が増えるため、フローティングディフュージョンFDへの電荷漏れを低減することはできる。しかし、このようにすると、電荷転送速度が低下し、フレームレートを向上させることができなくなる。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 10, if the width of the terminal end of the horizontal
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、フレームレートの低下を防ぎながら、高輝度被写体があった場合の画質劣化を防ぐことが可能な固体撮像素子及びこれを備える撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a solid-state imaging device capable of preventing deterioration in image quality when there is a high-luminance subject while preventing a decrease in frame rate, and an imaging apparatus including the same. The purpose is to do.
本発明の固体撮像素子は、半導体基板内に形成された複数の光電変換素子と、前記各光電変換素子で発生し蓄積された電荷を転送する電荷転送路と、前記電荷転送路を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子であって、前記出力部は、前記電荷転送路の電荷転送方向下流側隣に設けられた転送ゲート領域と、前記転送ゲート領域の隣に設けられた電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する出力回路とを含み、前記電荷転送路の電荷転送方向下流側の端部は、前記電荷転送方向に直交する方向の幅が前記電荷転送方向に向かうほど狭くなっており、前記電荷転送路の側方に形成されたドレイン領域と、前記幅の狭くなっている部分にある少なくとも最終転送段に接して設けられ、前記ドレイン領域と前記電荷転送路との間にポテンシャル障壁を形成するバリア領域とを備え、前記バリア領域の形成するポテンシャル障壁の電荷蓄積状態における前記最終転送段に対する高さが、前記転送ゲート領域によって形成されるポテンシャル障壁の電荷蓄積状態における前記最終転送段に対する高さよりも低いものである。 The solid-state imaging device of the present invention has a plurality of photoelectric conversion elements formed in a semiconductor substrate, a charge transfer path for transferring charges generated and accumulated in each of the photoelectric conversion elements, and the charge transfer path. A solid-state imaging device having an output unit that outputs a signal according to the charge, wherein the output unit includes a transfer gate region provided on the downstream side in the charge transfer direction of the charge transfer path, and the transfer gate region. And an output circuit that outputs a signal corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation unit, and the end of the charge transfer path on the downstream side in the charge transfer direction has the charge The width in the direction orthogonal to the transfer direction becomes narrower toward the charge transfer direction, and the drain region formed on the side of the charge transfer path and at least the final transfer stage in the narrowed portion Provided in contact with A barrier region that forms a potential barrier between the drain region and the charge transfer path, and the height of the potential barrier formed by the barrier region relative to the final transfer stage in the charge accumulation state is determined by the transfer gate region. The potential barrier formed is lower than the height of the final transfer stage in the charge accumulation state.
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子を備えるものである。 The imaging device of the present invention includes the solid-state imaging device.
本発明によれば、フレームレートの低下を防ぎながら、高輝度被写体があった場合の画質劣化を防ぐことが可能な固体撮像素子及びこれを備える撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device capable of preventing deterioration in image quality when there is a high-luminance subject while preventing a decrease in frame rate, and an imaging apparatus including the same.
以下、本発明の一実施形態である固体撮像素子について図面を参照して説明する。この固体撮像素子は、デジタルカメラ及びデジタルビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡及びカメラ付携帯電話機等に搭載される撮像モジュールに用いられる。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. This solid-state imaging device is used for an imaging module mounted on an imaging device such as a digital camera and a digital video camera, an electronic endoscope, a camera-equipped mobile phone, and the like.
図1は、本発明の一実施形態を説明するための固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。 FIG. 1 is a schematic plan view showing a schematic configuration of a solid-state imaging device for explaining an embodiment of the present invention.
図1に示す固体撮像素子50は、半導体基板上の行方向Xとこれに交差(図の例では直交)する列方向Yに二次元状(図の例では正方格子状)に配列された複数の光電変換素子51と、複数の垂直電荷転送部53と、水平電荷転送部54と、出力部55とを備える。
The solid-
垂直電荷転送部53は、各光電変換素子51で発生した電荷を列方向Yに転送するものであり、CCDで構成されている。垂直電荷転送部53は、列方向Yに並ぶ複数の光電変換素子51からなる各光電変換素子列に対応して1つずつ設けられている。光電変換素子列の各光電変換素子51で発生し蓄積された電荷は、この各光電変換素子51に対応する垂直電荷転送部53に読み出されて、列方向Yに転送される。
The vertical
水平電荷転送部54は、複数の垂直電荷転送部53を転送されてきた電荷を、行方向Xに転送するものであり、CCDで構成されている。以下では、水平電荷転送部54の行方向Xの端部のうち、電荷が転送される方向側の端部(図中の左端)を電荷転送方向下流側の端部という。
The horizontal
出力部55は、水平電荷転送部54を転送されてきた電荷を、その電荷量に応じた電圧信号に変換して固体撮像素子50外部に出力する。
The
図2は、図1に示した固体撮像素子における出力部55近傍を拡大した図である。以下では、固体撮像素子50が、光電変換素子51に蓄積された電子に応じた信号を外部に出力するものとして説明する。
FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the
水平電荷転送部54は、行方向Xに電荷を転送する水平電荷転送路1と複数の転送電極8とを備える。
The horizontal
水平電荷転送路1は、半導体基板(n型シリコン基板)表面のpウェル層内に形成されたn型不純物層で構成されている。水平電荷転送路1は、電荷転送方向下流側の端部において、電荷転送方向に直交する方向(列方向Y)の幅が電荷転送方向に向かうほど狭くなっている。 The horizontal charge transfer path 1 is composed of an n-type impurity layer formed in a p-well layer on the surface of a semiconductor substrate (n-type silicon substrate). The horizontal charge transfer path 1 has a narrower width in the direction perpendicular to the charge transfer direction (column direction Y) at the end on the downstream side in the charge transfer direction.
転送電極8は、半導体基板上方に設けられた電極であり、水平電荷転送路1の上方で行方向Xに複数個配列されている。
The
転送電極8は、サブ電極2とサブ電極3とで構成されている。サブ電極3は、平面視においてサブ電極2と一部が重なるように、サブ電極2の左隣に配置されている。また、サブ電極3はサブ電極2よりも上に形成されている。また、サブ電極2とサブ電極3は互いに結線されている。
The
サブ電極2下方の水平電荷転送路1のポテンシャルは、サブ電極3下方の水平電荷転送路1のポテンシャルよりも浅い位置に形成されている。つまり、転送電極8下方の水平電荷転送路1のポテンシャルは、電荷転送方向に向かって階段状になるように、サブ電極2とサブ電極3のそれぞれの下方の不純物濃度が調整されている。
The potential of the horizontal charge transfer path 1 below the
複数の転送電極8のうち、水平電荷転送路1の端部側から数えて奇数番目にある転送電極8と偶数番目にある転送電極8とは、それぞれ独立に転送パルスが印加できるように配線がなされている。水平電荷転送部54では、奇数番目にある転送電極8にローレベルの転送パルスを印加し、偶数番目にある転送電極8にハイレベルの転送パルスを印加する状態と、奇数番目にある転送電極8にハイレベルの転送パルスを印加し、偶数番目にある転送電極8にローレベルの転送パルスを印加する状態とを交互に繰り替えすことにより、電荷を行方向Xに転送できるようになっている。なお、ここでは水平電荷転送部54が2相駆動されるものとしたが、これに限定されない。
Of the plurality of
以下では、各転送電極8と重なる水平電荷転送路1の領域のことを転送段という。各転送段は、電荷蓄積状態(転送電極8にハイレベルの転送パルスを印加している状態)において、サブ電極3下方の領域に電荷が蓄積されるため、この領域を電荷蓄積領域という。また、複数の転送段のうち、水平電荷転送路1の電荷転送方向の最も下流側にある転送段のことを最終転送段と言う。図2では、最終転送段に符号4を付してある。図2の例では、水平電荷転送路1の端部の幅が狭くなった部分に、最終転送段4とその隣の転送段とが形成されている。
Hereinafter, the region of the horizontal charge transfer path 1 that overlaps each
出力部55は、フローティングディフュージョンFDと、転送ゲート領域7と、出力ゲート電極OGと、ソースフォロアアンプSFAと、リセットトランジスタRTとを備える。
The
フローティングディフュージョンFDは、水平電荷転送路1の最終転送段4から転送されてくる電荷を蓄積する電荷蓄積部として機能する。フローティングディフュージョンFDは、半導体基板内において、水平電荷転送路1の端部の隣に少し離間して形成されている。
The floating diffusion FD functions as a charge accumulation unit that accumulates charges transferred from the
転送ゲート領域7は、最終転送段4の電荷蓄積領域とフローティングディフュージョンFDとの間にポテンシャル障壁を形成するものであり、半導体基板内のフローティングディフュージョンFDと水平電荷転送路1との間に形成された不純物層で構成されている。
The
出力ゲート電極OGは、半導体基板上方に設けられた電極であり、転送ゲート領域7の上方に形成されている。この出力ゲート電極OGには、転送ゲート領域7にポテンシャル障壁を形成する固定電圧が印加される。
The output gate electrode OG is an electrode provided above the semiconductor substrate, and is formed above the
ソースフォロアアンプSFAは、フローティングディフュージョンFDに蓄積された電荷を、その電荷量に応じた電圧信号に変換して出力する出力回路であり、MOSトランジスタで構成されている。 The source follower amplifier SFA is an output circuit that converts the charge accumulated in the floating diffusion FD into a voltage signal corresponding to the charge amount and outputs the voltage signal, and is configured by a MOS transistor.
図2には、ソースフォロアアンプSFAを構成するMOSトランジスタのうちの初段MOSトランジスタのみを図示している。 FIG. 2 shows only the first-stage MOS transistor among the MOS transistors constituting the source follower amplifier SFA.
初段MOSトランジスタは、ゲート電極Gと、ドレイン領域Dと、ソース領域Sとを備える。 The first-stage MOS transistor includes a gate electrode G, a drain region D, and a source region S.
ソース領域Sとドレイン領域Dは、半導体基板内において離間して形成されている。ドレイン領域Dには、コンタクト部Daを介して図示しない電源端子が接続されている。 The source region S and the drain region D are formed apart from each other in the semiconductor substrate. A power supply terminal (not shown) is connected to the drain region D via a contact portion Da.
ゲート電極Gは、ソース領域Sとドレイン領域Dの間の半導体基板上方に設けられており、コンタクト部Gaを介してフローティングディフュージョンFDと電気的に接続されている。 The gate electrode G is provided above the semiconductor substrate between the source region S and the drain region D, and is electrically connected to the floating diffusion FD through the contact portion Ga.
リセットトランジスタRTは、フローティングディフュージョンFDの側方に設けられたドレイン領域RDと、フローティングディフュージョンFDとドレイン領域RDとの間の半導体基板上方に設けられたリセットゲート電極RGとで構成されている。 The reset transistor RT includes a drain region RD provided on the side of the floating diffusion FD, and a reset gate electrode RG provided above the semiconductor substrate between the floating diffusion FD and the drain region RD.
この固体撮像素子50は、最終転送段4に転送されてくる電荷量が、高輝度被写体等によって最終転送段4の蓄積容量を超えてしまう場合に、蓄積容量を超えた電荷がフローティングディフュージョンFDに移動しないよう、ドレイン領域5とバリア領域6とを半導体基板内に有している。
In the solid-
ドレイン領域5は、半導体基板内において、水平電荷転送路1の幅の狭くなっている部分から少し離間してその側方に設けられた不純物層で構成されている。図2の例では、水平電荷転送路1の幅の狭くなっている部分の列方向Yの端部のうち、光電変換素子51が配置される側とは反対側の側方に、水平電荷転送路1の幅の狭くなっている部分に沿ってドレイン領域5が形成されている。
The
バリア領域6は、半導体基板内において、水平電荷転送路1の幅の狭くなっている部分にある転送段のうちの最終転送段4に接して設けられた不純物層で構成されている。図2の例では、水平電荷転送路1の幅の狭くなっている部分にある最終転送段4の列方向Yの端部のうち、光電変換素子51が配置される側とは反対側に隣接して、バリア領域6が形成されている。
The
図3は、図2に示すA−A’線断面における半導体基板内のポテンシャルを示した図である。図3では、最終転送段4に電子を蓄積させた状態を示している。
FIG. 3 is a diagram showing the potential in the semiconductor substrate in the cross section along the line A-A ′ shown in FIG. 2. FIG. 3 shows a state where electrons are accumulated in the
図3において、“FD”で示す範囲は、フローティングディフュージョンFDのポテンシャルを示す。“7”で示す範囲は、転送ゲート領域7のポテンシャルを示す。“4”で示す範囲は、最終転送段4の電荷蓄積領域のポテンシャルを示す。“6”で示す範囲は、バリア領域6のポテンシャルを示す。“5”で示す範囲は、ドレイン領域5のポテンシャルを示す。
In FIG. 3, the range indicated by “FD” indicates the potential of the floating diffusion FD. The range indicated by “7” indicates the potential of the
図3に示すように、最終転送段4が電荷蓄積状態にあるときには、転送ゲート領域7が形成するポテンシャル障壁の最終転送段4(電荷蓄積領域のポテンシャルの底部)に対する高さ30が、バリア領域6が形成するポテンシャル障壁の最終転送段4に対する高さ31よりも高くなる。このため、最終転送段4に蓄積しきれずに溢れてしまった電子は、バリア領域6を超えてドレイン領域5へと排出され、ここから半導体基板に排出される。したがって、フローティングディフュージョンFDに電子が漏れるのを防ぐことができる。
As shown in FIG. 3, when the
このように、固体撮像素子50によれば、ドレイン領域5とバリア領域6を備えているため、水平電荷転送路1の各転送段に蓄積される電荷量が高輝度被写体によって多くなる場合でも、最終転送段4からフローティングディフュージョンFDへの電荷漏れを防ぐことができる。この結果、固体撮像素子50から出力される信号のフィードスルーレベルの沈み込みを防ぐことができ、画質劣化を防止することができる。
Thus, according to the solid-
図4は、高輝度被写体があったときの固体撮像素子50の出力信号波形を示した図である。図4において、“R”はリセットレベルを示し、“F”はフィードスルーレベルを示し、“D”はデータレベルを示す。また、破線で示した部分は、固体撮像素子50においてドレイン領域5とバリア領域6を設けない場合の信号波形を示す。
FIG. 4 is a diagram showing an output signal waveform of the solid-
固体撮像素子50の出力信号は、フローティングディフュージョンFDをリセットした後にリセットレベルRとなり、その後、フィードスルーレベルFに安定する。その後、最終転送段4からフローティングディフュージョンFDに電荷が転送されると、その電荷量に応じてデータレベルDまで出力が変化する。
The output signal of the solid-
固体撮像素子50では、ドレイン領域5とバリア領域6を設けたことで、図4中の実線波形で示したように、高輝度被写体があっても、フィードスルーレベルFの沈みこみが防止される(破線部分は、ドレイン領域5とバリア領域6を設けない場合の出力波形を示す)。
In the solid-
図4において、“b”は、ドレイン領域5とバリア領域6を設けない場合の撮像信号のレベルを示し、“a”は、ドレイン領域5とバリア領域6を設けた場合の撮像信号のレベルを示す。このように、固体撮像素子50によれば、ドレイン領域5とバリア領域6により、撮像信号のレベルが低下するのを防ぐことができ、高輝度被写体があった場合の画質劣化を防ぐことができる。
In FIG. 4, “b” indicates the level of the imaging signal when the
次に、固体撮像素子50の変形例について説明する。
Next, a modified example of the solid-
(第一の変形例)
図5は、図1に示した固体撮像素子50の第一の変形例を示す図であり、図2に対応する図である。図5に示した固体撮像素子は、バリア領域5とドレイン領域6の形成範囲を広げた点を除いては、図2に示した固体撮像素子と同じ構成である。
(First modification)
FIG. 5 is a diagram illustrating a first modification of the solid-
図5に示すバリア領域6は、水平電荷転送路1の幅の狭くなっている部分にある転送段のうちの最終転送段4とその隣の転送段に接するように形成されている。またドレイン領域5は、バリア領域6が伸びた分、その伸びた方向に伸びた構成になっている。
The
このように、バリア領域6を最終転送段4の隣の転送段にも隣接して形成することで、最終転送段4の手前の転送段においても、そこから溢れた電荷をドレイン領域6に排出することができる。このため、最終転送段4に転送される電荷量を減少させることができ、フローティングディフュージョンFDへの電荷漏れをより強く防止することができる。
In this way, by forming the
(第二の変形例)
図6は、図1に示した固体撮像素子50の第二の変形例を示す図であり、図2に対応する図である。図6に示した固体撮像素子は、バリア領域5とドレイン領域6のペアを2つ設けた点を除いては、図2に示した固体撮像素子と同じ構成である。
(Second modification)
FIG. 6 is a diagram illustrating a second modification of the solid-
図6に示す固体撮像素子では、半導体基板内において、水平電荷転送路1の幅の狭くなっている部分の列方向Yの端部のうち両方の端部の側方に、当該幅の狭くなっている部分に沿ってドレイン領域5が形成されている。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 6, the width of the horizontal charge transfer path 1 becomes narrower on the side of both ends in the column direction Y of the narrowed portion of the horizontal charge transfer path 1 in the semiconductor substrate. A
また、図6に示す固体撮像素子では、半導体基板内において、水平電荷転送路1の幅の狭くなっている部分の最終転送段4の列方向Yの端部のうちの両方に隣接して、バリア領域6が形成されている。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 6, in the semiconductor substrate, adjacent to both of the end portions in the column direction Y of the
このように、最終転送段4の列方向Yの両端にバリア領域6を隣接して設けることで、フローティングディフュージョンFDへの電荷漏れをより強く防止することができる。
As described above, by providing the
なお、図6に示した構成において、各バリア領域6を最終転送段4の隣の転送段にも隣接するように伸ばし、それに合わせて各ドレイン領域5を伸ばす構成とすることで、電荷漏れ防止効果を更に高めることができる。
In the configuration shown in FIG. 6, each
(第三の変形例)
図7は、図1に示した固体撮像素子50の第三の変形例を示す図であり、図2に対応する図である。図7に示した固体撮像素子は、ドレイン領域6に電源端子を接続した点を除いては、図2に示した固体撮像素子と同じ構成である。
(Third modification)
FIG. 7 is a diagram illustrating a third modification of the solid-
図7に示す固体撮像素子のコンタクト部Daには、配線9が接続されている。この配線9には図示しないソースフォロアアンプ回路SFAのドレイン電源用の電源端子が接続されている。 A wiring 9 is connected to the contact portion Da of the solid-state imaging device shown in FIG. A power source terminal for drain power source of the source follower amplifier circuit SFA (not shown) is connected to the wiring 9.
図7に示す固体撮像素子のリセットドレインRDにはコンタクト部RDaが接続されている。このコンタクト部RDaには配線10が接続され、この配線10にはリセットドレイン電源用の電源端子が接続されている。
A contact portion RDa is connected to the reset drain RD of the solid-state imaging device shown in FIG. A
図7に示す固体撮像素子のドレイン領域5には、コンタクト部5aを介して配線11が接続されている。この配線11には、上記ドレイン電源用の電源端子が接続されている。
A
このような構成により、ドレイン領域5に電圧を印加する構成であっても、電源端子の数を削減することができ、コスト削減が可能となる。
With such a configuration, even if the voltage is applied to the
なお、配線11には、上記ドレイン電源用の電源端子ではなく、上記リセットドレイン電源用の電源端子を接続してもよい。この場合でも、同様に電源端子数の削減が可能となる。
The
また、この構成は、図5及び図6に示した構成にも適用可能である。 This configuration can also be applied to the configurations shown in FIGS.
また、この構成の場合、SFAのドレイン電源用の電源端子又はリセットドレイン電源用の電源端子に供給される電圧から当該電圧とは異なるレベルの電圧を生成する回路をドレイン領域5に接続しておくのが好ましい。
In the case of this configuration, a circuit that generates a voltage having a level different from the voltage supplied from the power supply terminal for the drain power supply or the power supply terminal for the reset drain power supply of the SFA is connected to the
例えば、ドレイン領域5を、図8に示すような抵抗分圧回路を介して、SFAのドレイン電源用の電源端子又はリセットドレイン電源用の電源端子と接続する構成とする。
For example, the
図8に示す抵抗分割回路は、抵抗値Rvの抵抗81と抵抗値Rの抵抗82とを備える。
The resistance dividing circuit shown in FIG. 8 includes a
抵抗81の一端は、この回路の入力端子D1となっている。入力端子D1は、ドレイン電源用の電源端子又はリセット電源用の電源端子と接続されている。
One end of the
抵抗81の他端には、抵抗82の一端が接続されている。抵抗82の他端は接地されている。
One end of a
抵抗81の他端と抵抗82の一端にはこの回路の出力端子D2が接続され、この出力端子D2が配線11及びコンタクト部5aを介して、ドレイン領域5と接続されている。
An output terminal D2 of this circuit is connected to the other end of the
この抵抗分割回路は、入力端子D1に供給される電圧から当該電圧と異なるレベルの電圧を生成して出力端子D2から出力するものである。出力端子D2から出力させる電圧レベルは、抵抗値Rvを変えることで変更することができる。このため、固体撮像素子の製造時に抵抗値Rvを適宜設定することで、バリア領域6が形成するポテンシャル障壁の高さを調整することができる。
This resistance dividing circuit generates a voltage having a level different from the voltage supplied from the input terminal D1, and outputs the voltage from the output terminal D2. The voltage level output from the output terminal D2 can be changed by changing the resistance value Rv. For this reason, the height of the potential barrier formed by the
図9は、図8に示す回路の抵抗値Rvとバリア領域6及びドレイン領域5のポテンシャルとの関係を示した図であり、図3に対応する図である。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the resistance value Rv of the circuit shown in FIG. 8 and the potentials of the
図9に示すように、抵抗値Rvの値が大きくなると、出力端子D2から出力される電圧レベルはそれに応じて小さくなるため、ドレイン領域5のポテンシャルは浅い方向に変化する。ドレイン領域5のポテンシャルが浅い方向に変化すると、これに引きずられて、バリア領域6のポテンシャルも浅い方向に変化する。このように、図8に示す回路を設けた固体撮像素子によれば、抵抗値Rvの値によってバリア領域6のポテンシャル障壁の高さを調整することができる。
As shown in FIG. 9, as the resistance value Rv increases, the voltage level output from the output terminal D2 decreases accordingly, so that the potential of the
抵抗値Rvは、例えばブリーダ回路を用意し、コンタクトマスクを変更するだけで変えることができる。このため、図8に示す回路を設けた固体撮像素子によれば、バリア領域6のポテンシャル障壁の高さを容易に調整することができ、固体撮像素子の機種毎にポテンシャル障壁の高さを変えるような場合でも、製造コストの増大を防ぐことができる。
The resistance value Rv can be changed simply by preparing a bleeder circuit and changing the contact mask, for example. Therefore, according to the solid-state imaging device provided with the circuit shown in FIG. 8, the height of the potential barrier in the
なお、図1に示した光電変換素子51の配列はこれに限らず、公知の配列を採用することができる。また、図1に示した光電変換素子列と垂直電荷転送部53をそれぞれ1つにしてラインセンサとしてもよい。
The arrangement of the
また、水平電荷転送路1の幅が狭まっている部分には、最終転送段4とその隣の1つの転送段とが存在しているが、ここには少なくとも最終転送段4が存在していればよい。また、最終転送段4以外に複数の転送段が存在していてもよい。
Further, in the portion where the width of the horizontal charge transfer path 1 is narrowed, there is the
また、バリア領域6は、最終転送段4の全体に接していなくてもよく、最終転送段4の電荷蓄積領域の一部又は全部に接して設けておけばよい。最終転送段4の隣の転送段にまでバリア領域6を伸ばす場合も、当該隣の転送段のうち電荷蓄積領域の一部又は全部にまでバリア領域6が接するようにすればよい。サブ電極2下方の領域には電荷は蓄積されないため、この領域にバリア領域6が接していなくとも問題はない。
Further, the
また、これまでの説明では、光電変換素子51で発生した電子を信号に変換して読み出すことを前提にしたが、正孔を信号に変換して読み出す場合でも同様に適用できる。
In the description so far, it is assumed that electrons generated in the
以上説明したように、本明細書には次の事項が開示されている。 As described above, the following items are disclosed in this specification.
開示された固体撮像素子は、半導体基板内に形成された複数の光電変換素子と、前記各光電変換素子で発生し蓄積された電荷を転送する電荷転送路と、前記電荷転送路を転送されてきた電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子であって、前記出力部は、前記電荷転送路の電荷転送方向下流側隣に設けられた転送ゲート領域と、前記転送ゲート領域の隣に設けられた電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する出力回路とを含み、前記電荷転送路の電荷転送方向下流側の端部は、前記電荷転送方向に直交する方向の幅が前記電荷転送方向に向かうほど狭くなっており、前記電荷転送路の側方に形成されたドレイン領域と、前記幅の狭くなっている部分にある少なくとも最終転送段に接して設けられ、前記ドレイン領域と前記電荷転送路との間にポテンシャル障壁を形成するバリア領域とを備え、前記バリア領域の形成するポテンシャル障壁の電荷蓄積状態における前記最終転送段に対する高さが、前記転送ゲート領域によって形成されるポテンシャル障壁の電荷蓄積状態における前記最終転送段に対する高さよりも低いものである。 The disclosed solid-state imaging device includes a plurality of photoelectric conversion elements formed in a semiconductor substrate, a charge transfer path that transfers charges generated and accumulated in each of the photoelectric conversion elements, and the charge transfer path. A solid-state imaging device having an output unit that outputs a signal according to the charge, wherein the output unit includes a transfer gate region provided on the downstream side in the charge transfer direction of the charge transfer path, and the transfer gate region. And an output circuit that outputs a signal corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation unit, and the end of the charge transfer path on the downstream side in the charge transfer direction has the charge The width in the direction orthogonal to the transfer direction becomes narrower toward the charge transfer direction, and the drain region formed on the side of the charge transfer path and at least the final transfer stage in the narrowed portion Provided in contact with A barrier region that forms a potential barrier between the drain region and the charge transfer path, and the height of the potential barrier formed by the barrier region with respect to the final transfer stage in the charge accumulation state is the transfer gate region Is lower than the height of the final transfer stage in the charge accumulation state of the potential barrier formed by
開示された固体撮像素子は、前記ドレイン領域が、前記出力回路のトランジスタのドレイン電源用の電源端子に接続されているものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the drain region is connected to a power supply terminal for drain power of a transistor of the output circuit.
開示された固体撮像素子は、前記ドレイン領域が、前記電荷蓄積部の電荷をリセットするリセットトランジスタのドレイン電源用の電源端子に接続されているものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the drain region is connected to a power source terminal for a drain power source of a reset transistor that resets the charge of the charge storage unit.
開示された固体撮像素子は、入力端子に供給される第一の電圧から当該電圧とはレベルの異なる第二の電圧を生成して出力する回路を備え、前記電源端子に前記入力端子が接続され、前記回路の出力端子に前記ドレイン領域が接続されているものである。 The disclosed solid-state imaging device includes a circuit that generates and outputs a second voltage having a level different from the voltage from the first voltage supplied to the input terminal, and the input terminal is connected to the power supply terminal. The drain region is connected to the output terminal of the circuit.
開示された固体撮像素子は、前記幅の狭くなっている部分には、前記最終転送段以外に転送段が少なくとも1つあり、前記バリア領域が、前記最終転送段とその隣の前記転送段とに接して設けられているものである。 The disclosed solid-state imaging device has at least one transfer stage in addition to the final transfer stage in the narrowed portion, and the barrier region includes the final transfer stage and the adjacent transfer stage. It is provided in contact with.
開示された固体撮像素子は、前記バリア領域が、前記幅の狭くなっている部分の前記電荷転送方向に直交する方向の両端部に接して設けられているものである。 In the disclosed solid-state imaging device, the barrier region is provided in contact with both end portions in a direction perpendicular to the charge transfer direction of the narrow portion.
開示された撮像装置は、前記固体撮像素子を備えるものである。 The disclosed imaging device includes the solid-state imaging device.
1 水平電荷転送路
4 最終転送段
5 ドレイン領域
6 バリア領域
7 転送ゲート領域
8 転送電極
50 固体撮像素子
54 水平電荷転送部
55 出力部
FD フローティングディフュージョン
OG 転送ゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Horizontal
Claims (7)
前記出力部は、前記電荷転送路の電荷転送方向下流側隣に設けられた転送ゲート領域と、前記転送ゲート領域の隣に設けられた電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する出力回路とを含み、
前記電荷転送路の電荷転送方向下流側の端部は、前記電荷転送方向に直交する方向の幅が前記電荷転送方向に向かうほど狭くなっており、
前記電荷転送路の側方に形成されたドレイン領域と、
前記幅の狭くなっている部分にある少なくとも最終転送段に接して設けられ、前記ドレイン領域と前記電荷転送路との間にポテンシャル障壁を形成するバリア領域とを備え、
前記バリア領域の形成するポテンシャル障壁の電荷蓄積状態における前記最終転送段に対する高さが、前記転送ゲート領域によって形成されるポテンシャル障壁の電荷蓄積状態における前記最終転送段に対する高さよりも低い固体撮像素子。 A plurality of photoelectric conversion elements formed in a semiconductor substrate, a charge transfer path for transferring charges generated and accumulated in each of the photoelectric conversion elements, and a signal corresponding to the charges transferred through the charge transfer path are output. A solid-state imaging device having an output unit that
The output unit includes a transfer gate region provided on the downstream side in the charge transfer direction of the charge transfer path, a charge storage unit provided adjacent to the transfer gate region, and a charge stored in the charge storage unit. An output circuit that outputs a corresponding signal,
The end of the charge transfer path on the downstream side in the charge transfer direction is narrower as the width in the direction orthogonal to the charge transfer direction is toward the charge transfer direction,
A drain region formed on a side of the charge transfer path;
A barrier region that is provided in contact with at least the final transfer stage in the narrowed portion and forms a potential barrier between the drain region and the charge transfer path;
A solid-state imaging device, wherein a height of the potential barrier formed by the barrier region with respect to the final transfer stage in the charge accumulation state is lower than a height of the potential barrier formed by the transfer gate region with respect to the final transfer stage.
前記ドレイン領域が、前記出力回路のトランジスタのドレイン電源用の電源端子に接続されている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device, wherein the drain region is connected to a power supply terminal for drain power of a transistor of the output circuit.
前記ドレイン領域が、前記電荷蓄積部の電荷をリセットするリセットトランジスタのドレイン電源用の電源端子に接続されている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2,
A solid-state imaging device in which the drain region is connected to a power supply terminal for a drain power supply of a reset transistor that resets the charge in the charge storage unit.
入力端子に供給される第一の電圧から当該電圧とはレベルの異なる第二の電圧を生成して出力する回路を備え、
前記電源端子に前記入力端子が接続され、前記回路の出力端子に前記ドレイン領域が接続されている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2 or 3,
A circuit for generating and outputting a second voltage having a level different from the voltage from the first voltage supplied to the input terminal;
A solid-state imaging device in which the input terminal is connected to the power supply terminal, and the drain region is connected to an output terminal of the circuit.
前記幅の狭くなっている部分には、前記最終転送段以外に転送段が少なくとも1つあり、
前記バリア領域が、前記最終転送段とその隣の前記転送段とに接して設けられている固体撮像素子。 The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 4,
The narrow portion has at least one transfer stage other than the final transfer stage,
A solid-state imaging device in which the barrier region is provided in contact with the final transfer stage and the adjacent transfer stage.
前記バリア領域が、前記幅の狭くなっている部分の前記電荷転送方向に直交する方向の両端部に接して設けられている固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5,
A solid-state imaging device in which the barrier region is provided in contact with both end portions in a direction perpendicular to the charge transfer direction of the narrowed portion.
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CN112331688B (en) * | 2020-11-04 | 2022-07-29 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | CCD structure capable of simultaneously realizing large signal processing and high-frequency transfer |
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