JP2013239866A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサやCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサなどに代表される固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device typified by a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor and a charge coupled device (CCD) image sensor.
CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサなどの固体撮像素子が、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置や、カメラ付き携帯電話機、スキャナ、複写機、ファクシミリなどの撮像機能を備えた様々な電子機器に搭載されている。 Solid-state imaging devices such as CCD image sensors and CMOS image sensors are used in various electronic devices equipped with imaging devices such as digital video cameras and digital still cameras, and mobile phones with cameras, scanners, copiers, and facsimiles. It is installed.
固体撮像素子は、光電変換によって電荷を生成して蓄積する画素部を備え、当該画素部から得られる電荷に基づいて画素データを生成する。この画素部の構造例について、図10及び図11を参照して説明する。図10及び図11は、画素部の構造例について示す断面図である。なお、図10及び図11に例示する画素部は、いずれも光電変換によって生成された電子を蓄積するものである。 The solid-state imaging device includes a pixel unit that generates and accumulates charges by photoelectric conversion, and generates pixel data based on the charges obtained from the pixel unit. An example of the structure of the pixel portion will be described with reference to FIGS. 10 and 11 are cross-sectional views illustrating structural examples of the pixel portion. Note that each of the pixel portions illustrated in FIGS. 10 and 11 accumulates electrons generated by photoelectric conversion.
図10(a)に示す画素部100は、p型の半導体から成る(以下、「p型の」とする)基板101と、基板101の上面に形成される絶縁体から成るゲート絶縁膜102と、基板101中に形成されるn型の半導体から成る(以下、「n型の」とする)領域である蓄積領域103と、基板101中に形成されるn型の領域である読出領域104と、導体から成りゲート絶縁膜102の上面かつ蓄積領域103と読出領域104との間に形成される転送ゲート105と、を備える。なお、読出領域104のn型不純物の濃度は、蓄積領域103よりも大きくなっている。
10A includes a
画素部100では、基板101及び蓄積領域103(フォトダイオード)の光電変換によって生じた電子が、蓄積領域103に蓄積される。そして、転送ゲート105を正の電位にすることで、基板101中の蓄積領域103と読出領域104との間に反転層が形成され、当該反転層を通じて蓄積領域103から読出領域104に電子が転送される。
In the
また、図10(b)に示す画素部200は、p型の基板201と、基板201の上面に形成されるゲート絶縁膜202と、基板201中に形成されるn型の領域である蓄積領域203と、基板201中に形成されるn型の領域である読出領域204と、導体から成りゲート絶縁膜202の上面かつ蓄積領域203と読出領域204との間に形成される転送ゲート205と、基板201中に形成されるp型の領域であり基板201の上面と蓄積領域203との間に位置する表面領域206と、を備える。なお、読出領域204のn型不純物の濃度は、蓄積領域203よりも大きくなっている。
10B includes a p-
画素部200では、基板201及び蓄積領域203(フォトダイオード)の光電変換によって生じた電子が、蓄積領域203に蓄積される。そして、転送ゲート205を正の電位にすることで、基板201中の蓄積領域203と読出領域204との間に反転層が形成され、当該反転層を通じて蓄積領域203から読出領域204に電子が転送される。画素部200では、表面領域206を形成することによって、蓄積領域203を基板201の上面から離間させる。これにより、基板201の上面の欠陥等に電子がトラップされ難くなるため、蓄積領域203から読出領域204に電子を転送し易くすることが可能になる。
In the
また、図11(a)に示す画素部300は、p型の基板301と、基板301の上面に形成されるゲート絶縁膜302と、基板301中に形成されるn型の領域である読出領域303と、導体から成りゲート絶縁膜302の上面かつ読出領域303と隣接する位置に形成される転送ゲート304と、導体から成りゲート絶縁膜302の上面かつ転送ゲートと隣接する位置に形成されるとともに光を透過する(例えば、膜厚が薄い、透光性の材料から成るなど、以下同じ)フォトゲート305と、を備える。
11A includes a p-
画素部300では、フォトゲート305を正の電位にすることで、フォトゲート305の直下に蓄積領域306が形成され、この蓄積領域306に基板301の光電変換によって生じた電子が蓄積される。そして、転送ゲート304を正の電位にすることで、基板301中の蓄積領域306と読出領域303との間に反転層が形成され、当該反転層を通じて蓄積領域306から読出領域303に電子が転送される。なお、この画素部300と同様の構造の画素部を備える固体撮像素子が、特許文献1で提案されている。
In the
また、図11(b)に示す画素部400は、p型の基板401と、基板401の上面に形成される絶縁体から成るゲート絶縁膜402と、基板401中に形成されるn型の領域である蓄積領域403と、基板401中に形成されるn型の領域である読出領域404と、導体から成りゲート絶縁膜402の上面かつ蓄積領域403と読出領域404との間に形成される転送ゲート405と、導体から成りゲート絶縁膜302の上面かつ蓄積領域403の直上に形成されるとともに光を透過するフォトゲート406と、を備える。なお、読出領域404のn型不純物の濃度は、蓄積領域403よりも大きくなっている。
A
画素部400では、基板401及び蓄積領域403(フォトダイオード)の光電変換によって生じた電子が、蓄積領域403に蓄積される。そして、転送ゲート405を正の電位にすることで、基板401中の蓄積領域403と読出領域404との間に反転層が形成され、当該反転層を通じて蓄積領域403から読出領域404に電子が転送される。画素部400では、フォトゲート406を負の電位にすることで、蓄積領域403に蓄積される電子を、基板401の上面から離間させる。これにより、基板401の上面の欠陥等に電子がトラップされ難くなるため、蓄積領域403から読出領域404に電子を転送し易くすることが可能になる。
In the
上述のような画素部を、所定の方向(例えば、直線状やマトリクス状)に並べることによって、固体撮像素子が得られる。例えば、特許文献2では、画素部を直線状に並べた固体撮像素子(ラインセンサ)が提案されている。なお、この固体撮像素子の画素部では、各画素部における電荷の転送方向(この場合、画素部の整列方向に対して垂直な方向)に対して、蓄積領域を長くしている。このように、蓄積領域を長くする(蓄積領域の面積を大きくする)と、高感度化を図ることができるため、好ましい。
A solid-state imaging device can be obtained by arranging the pixel portions as described above in a predetermined direction (for example, linear or matrix). For example,
しかしながら、特許文献2で提案されている固体撮像素子のように、電荷の転送方向に対して蓄積領域を長くすると、高感度化を図ることはできるが、読出領域から離間した転送が困難な位置にまで電荷が存在するようになるため、問題となる。
However, as in the solid-state imaging device proposed in
そこで、本発明は、読出領域に電荷を容易に転送することが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a solid-state imaging device capable of easily transferring charges to a readout region.
上記目的を達成するため、本発明は、第1導電型の半導体から成る基板と、前記基板の上面に形成される絶縁体から成るゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上面に形成されるフォトゲートと、前記フォトゲートと電気的に接続する第1電極及び第2電極と、前記基板中の領域であり、前記第1導電型とは異なる第2導電型の半導体から成る読出領域と、前記ゲート絶縁膜の上面であり、前記フォトゲートと前記読出領域との間に形成される転送ゲートと、を備え、前記第1電極は、前記フォトゲートの前記転送ゲート側の端部に形成され、前記第2電極は、前記フォトゲートの前記転送ゲート側とは反対側の端部に形成されて、相互に離間していることを特徴とする固体撮像素子を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a substrate made of a first conductivity type semiconductor, a gate insulating film made of an insulator formed on the upper surface of the substrate, and a photo film formed on the upper surface of the gate insulating film. A gate, a first electrode and a second electrode electrically connected to the photogate, a region in the substrate, and a readout region made of a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type; A transfer gate formed on an upper surface of a gate insulating film and between the photogate and the readout region, wherein the first electrode is formed at an end of the photogate on the transfer gate side, The second electrode is formed at an end of the photogate opposite to the transfer gate, and is separated from each other.
この固体撮像素子によれば、フォトゲートの両端に設けられた第1電極及び第2電極の電位をそれぞれ制御することによって、フォトゲートの電位に勾配をつけることが可能になる。そのため、フォトゲートの直下の領域に蓄積された電荷を、容易に移動させることが可能になる。 According to this solid-state imaging device, the potential of the photogate can be graded by controlling the potentials of the first electrode and the second electrode provided at both ends of the photogate, respectively. Therefore, it is possible to easily move the charge accumulated in the region immediately below the photogate.
なお、「第1導電型の基板」とは、基板の素子構造が形成される部分が第1導電型であることを示したものであり、全体が第1導電型である基板のみに限られず、ウエルが第1導電型である基板(例えば、全体が第2導電型である基板に第1導電型の不純物を注入することで第1導電型のウエルが形成された基板)も、当然に含まれる。 The “first conductivity type substrate” means that the portion of the substrate where the element structure is formed is the first conductivity type, and is not limited to the substrate of the first conductivity type as a whole. Naturally, a substrate whose well is of the first conductivity type (for example, a substrate in which the first conductivity type well is formed by implanting the first conductivity type impurity into the substrate of the second conductivity type as a whole) is also natural. included.
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型である場合、前記基板内の前記フォトゲートの直下の領域に蓄積された電子が前記読出領域に転送される際に、前記第1電極の電位が前記第2電極の電位以上になり、
前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型である場合、前記基板内の前記フォトゲートの直下の領域に蓄積された正孔が前記読出領域に転送される際に、前記第1電極の電位が前記第2電極の電位以下になると、好ましい。
Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, when the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type, electrons accumulated in a region immediately below the photogate in the substrate are When transferred to the readout region, the potential of the first electrode becomes equal to or higher than the potential of the second electrode;
When the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, holes accumulated in the region immediately below the photogate in the substrate are transferred to the readout region. It is preferable that the potential of the first electrode is equal to or lower than the potential of the second electrode.
この固体撮像素子によれば、フォトゲートの直下の領域に蓄積された電荷を読出領域に転送する際に、フォトゲートの直下の領域に蓄積された電荷が転送ゲート側に寄せられるように、フォトゲートの電位に勾配をつけることが可能になる。 According to this solid-state imaging device, when transferring the charge accumulated in the region immediately below the photogate to the readout region, the charge accumulated in the region immediately below the photogate is drawn to the transfer gate side. It becomes possible to give a gradient to the potential of the gate.
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、第1電位を供給する第1電源と、前記第1電位よりも低い第2電位を供給する第2電源と、をさらに備え、前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型である場合、前記基板内の前記フォトゲートの直下の領域に蓄積された電子が前記読出領域に転送される際に、前記第1電極に前記第1電位が供給されるとともに前記第2電極に前記第2電位が供給されない状態となる第1動作と、前記第2電極に前記第2電位が供給されるとともに前記第1電極に前記第1電位が供給されない状態となる第2動作と、が少なくとも1回ずつ行われ、前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型である場合、前記基板内の前記フォトゲートの直下の領域に蓄積された正孔が前記読出領域に転送される際に、前記第1電極に前記第2電位が供給されるとともに前記第2電極に前記第1電位が供給されない状態となる第3動作と、前記第2電極に前記第1電位が供給されるとともに前記第1電極に前記第2電位が供給されない状態となる第4動作と、が少なくとも1回ずつ行われると、好ましい。 Furthermore, the solid-state imaging device having the above characteristics further includes: a first power source that supplies a first potential; and a second power source that supplies a second potential lower than the first potential, wherein the first conductivity type is p. And the second conductivity type is n-type, the electrons accumulated in the region immediately below the photogate in the substrate are transferred to the readout region, and the first electrode is connected to the first electrode. A first operation in which one potential is supplied and the second potential is not supplied to the second electrode; and the second potential is supplied to the second electrode and the first potential is applied to the first electrode. And the second operation in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, at least once. Holes accumulated in the area immediately below are transferred to the readout area. A third operation in which the second potential is supplied to the first electrode and the first potential is not supplied to the second electrode, and the first potential is supplied to the second electrode. In addition, it is preferable that the fourth operation in which the second potential is not supplied to the first electrode is performed at least once.
この固体撮像素子によれば、第1動作及び第2動作の双方によって、電子を転送ゲート側に寄せることが可能になる。また、この固体撮像素子によれば、第3動作及び第4動作の双方によって、正孔を転送ゲート側に寄せることが可能になる。 According to this solid-state imaging device, electrons can be brought to the transfer gate side by both the first operation and the second operation. Further, according to this solid-state imaging device, it is possible to bring holes to the transfer gate side by both the third operation and the fourth operation.
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型である場合、前記第1動作の後に前記第2動作が行われ、前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型である場合、前記第3動作の後に前記第4動作が行われると、好ましい。 Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, when the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type, the second operation is performed after the first operation, and the first operation is performed. When the conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, it is preferable that the fourth operation is performed after the third operation.
この固体撮像素子によれば、第2動作において、フォトゲートの電位が全体的に低くなるため、転送ゲート側に寄せられた電子が読出領域に転送される。したがって、第1動作の後に第2動作を行うことによって、第1動作及び第2動作で転送ゲート側に寄せた電子を、効果的に読出領域へ転送することが可能になる。また、この固体撮像素子によれば、第4動作において、フォトゲートの電位が全体的に高くなるため、転送ゲート側に寄せられた正孔が読出領域に転送される。したがって、第3動作の後に第4動作を行うことによって、第3動作及び第4動作で転送ゲート側に寄せた正孔を、効果的に読出領域へ転送することが可能になる。 According to this solid-state imaging device, in the second operation, since the potential of the photogate is lowered as a whole, electrons brought to the transfer gate side are transferred to the readout region. Therefore, by performing the second operation after the first operation, it is possible to effectively transfer the electrons brought to the transfer gate side in the first operation and the second operation to the reading region. Further, according to this solid-state imaging device, in the fourth operation, since the potential of the photogate increases as a whole, holes brought toward the transfer gate are transferred to the readout region. Therefore, by performing the fourth operation after the third operation, holes brought to the transfer gate side in the third operation and the fourth operation can be effectively transferred to the reading region.
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、ドレインが前記第1電源に電気的に接続されたpチャネル型のトランジスタである第1トランジスタと、ソースが前記第2電源に電気的に接続されゲートが前記第1トランジスタのゲートと電気的に接続されるnチャネル型のトランジスタである第2トランジスタと、をさらに備え、前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型である場合、前記第1トランジスタのソースが前記第1電極に電気的に接続され、前記第2トランジスタのドレインが前記第2電極に電気的に接続され、
前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型である場合、前記第1トランジスタのソースが前記第2電極に電気的に接続され、前記第2トランジスタのドレインが前記第1電極に電気的に接続されると、好ましい。
Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, a first transistor that is a p-channel transistor whose drain is electrically connected to the first power source, and a source that is electrically connected to the second power source and a gate is the A second transistor that is an n-channel transistor electrically connected to a gate of the first transistor, wherein the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type The source of the first transistor is electrically connected to the first electrode, the drain of the second transistor is electrically connected to the second electrode,
When the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, the source of the first transistor is electrically connected to the second electrode, and the drain of the second transistor is the first It is preferable to be electrically connected to one electrode.
この固体撮像素子によれば、第1トランジスタ及び第2トランジスタのそれぞれのゲートに供給する1つの制御電位を制御するだけで、上記の第1動作及び第2動作、または、第3動作及び第4動作を実行することが可能になる。したがって、固体撮像素子の動作の制御を簡略化することが可能になる。 According to this solid-state imaging device, the first operation and the second operation, or the third operation and the fourth operation can be performed only by controlling one control potential supplied to the gates of the first transistor and the second transistor. It becomes possible to execute the operation. Therefore, it is possible to simplify the control of the operation of the solid-state imaging device.
さらに、上記特徴の固体撮像素子において、前記基板中の前記フォトゲートの直下の領域が、前記第2導電型の半導体から成るようにしてもよい。 Furthermore, in the solid-state imaging device having the above characteristics, a region immediately below the photogate in the substrate may be made of the second conductivity type semiconductor.
上記特徴の固体撮像素子によれば、フォトゲートの両端に設けられた第1電極及び第2電極のそれぞれの電位を制御することによってフォトゲートの電位に勾配をつけ、フォトゲートの直下の領域に蓄積された電荷を容易に移動させることが可能になる。そのため、読出領域に電荷を容易に転送することが可能になる。 According to the solid-state imaging device having the above characteristics, a gradient is applied to the potential of the photogate by controlling the potential of each of the first electrode and the second electrode provided at both ends of the photogate, so that the region immediately below the photogate The accumulated charge can be easily moved. Therefore, charges can be easily transferred to the reading region.
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像素子について、図面を参照して説明する。なお、以下では説明の具体化のため、本発明の実施形態に係る固体撮像素子が、p型の基板中にn型の蓄積領域が形成されている画素部を備える場合について例示する。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, for the sake of concrete explanation, a case where the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention includes a pixel portion in which an n-type accumulation region is formed in a p-type substrate will be exemplified.
なお、「p型の基板」とは、素子構造が形成される部分がp型である基板を示したものであり、全体がp型となる基板のみに限られず、ウエルがp型である基板(例えば、全体がn型となる基板にp型不純物を注入してp型のウエルが形成された基板)も当然に含まれる。ただし、以下の説明において参照する各図では、基板の全体がp型であるかのように図示するものとする。 The “p-type substrate” refers to a substrate in which a portion where an element structure is formed is p-type, and is not limited to a substrate that is entirely p-type, and a substrate in which a well is p-type. (For example, a substrate in which a p-type well is formed by implanting a p-type impurity into a substrate that is entirely n-type) is naturally included. However, in each drawing referred to in the following description, the entire substrate is illustrated as if it is p-type.
また、基板の材料として、シリコンを用いることができる。この場合、p型不純物として、ホウ素などを用いることができる。またこの場合、n型不純物として、リンやヒ素などを用いることができる。さらに、これらの不純物は、例えばイオン注入などの方法を適用することで、基板内に注入することができる。 Further, silicon can be used as a material for the substrate. In this case, boron or the like can be used as the p-type impurity. In this case, phosphorus, arsenic, or the like can be used as the n-type impurity. Further, these impurities can be implanted into the substrate by applying a method such as ion implantation.
本発明の実施形態に係る固体撮像素子について、以下図面を参照して説明する。最初に、本発明の実施形態に係る固体撮像素子が備える画素部の構造例について、図1を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子が備える画素部の構造例について示す平面図及び断面図である。なお、図1(a)は、固体撮像素子が有する1つの画素部の平面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A断面を示す断面図である。 A solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, a structural example of a pixel portion included in a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a structural example of a pixel unit included in a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. 1A is a plan view of one pixel portion included in the solid-state imaging device, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line AA in FIG.
図1(a)及び図1(b)に示すように、画素部10は、p型の基板11と、基板11の上面に形成される絶縁体から成るゲート絶縁膜12と、基板11中に形成されるn型の領域である蓄積領域13と、基板11中に形成されるn型の領域である読出領域14と、導体から成りゲート絶縁膜12の上面かつ蓄積領域13と読出領域14との間に形成される転送ゲート15と、導体から成りゲート絶縁膜12の上面かつ蓄積領域13の直上に形成されるとともに光を透過するフォトゲート16と、フォトゲート16と電気的に接続する第1フォトゲートコンタクト17P(第1電極)及び第2フォトゲートコンタクト17N(第2電極)と、第1フォトゲートコンタクト17Pと電気的に接続する第1フォトゲート配線18Pと、第2フォトゲートコンタクト17Nと電気的に接続する第2フォトゲート配線18Nと、転送ゲート15と電気的に接続する転送ゲートコンタクト19と、転送ゲートコンタクト19と電気的に接続する転送ゲート配線20と、基板11の上面で読出領域14と電気的に接続する読出領域コンタクト21と、読出領域コンタクト21と電気的に接続する読出領域配線22と、を備える。なお、読出領域14のn型不純物の濃度は、蓄積領域13よりも大きくなっている。また、図1(a)及び図1(b)では、図示の簡略化のため、ゲート絶縁膜12上に形成される層間絶縁膜を省略している。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
例えば、基板11はシリコンから成り、ゲート絶縁膜12は酸化シリコンから成り、転送ゲート15及びフォトゲート16はポリシリコンから成り、各種コンタクト17P,17N,19,21及び各種配線18P,18N,20,22は金属から成る。
For example, the
第1フォトゲートコンタクト17Pは、フォトゲート16の転送ゲート15側の端部に形成される。また、第2フォトゲートコンタクト17Nは、フォトゲート16の転送ゲート15側とは反対側の端部に形成される。したがって、第1フォトゲートコンタクト17P及び第2フォトゲートコンタクト17Nは、相互に離間している。
The
画素部10では、基板11及び蓄積領域13(フォトダイオード)の光電変換によって生じた電子が、蓄積領域13に蓄積される。そして、転送ゲート15を正の電位にすることで、基板11中の蓄積領域13と読出領域14との間に反転層が形成され、当該反転層を通じて蓄積領域13から読出領域14に電子が転送される。このとき、フォトゲート16を負の電位にすることで、蓄積領域13に蓄積される電子を、基板11の上面から離間させることができる。この場合、基板11の上面の欠陥等に電子がトラップされ難くなり、蓄積領域13から読出領域14に電子を転送し易くすることが可能になる。
In the
フォトゲートの電位の分布の経時変化について、図2〜図4を参照して説明する。図2は、蓄積領域、ゲート絶縁膜及びフォトゲートをモデル化した回路図である。また、図3は、第1フォトゲートコンタクトに所定の電位を供給したときのフォトゲートの電位の分布の経時変化を示すグラフである。また、図4は、第2フォトゲートコンタクトに所定の電位を供給したときのフォトゲートの電位の分布の経時変化を示すグラフである。なお、図3及び図4のグラフは、第1フォトゲートコンタクト17P及び第2フォトゲートコンタクト17Nの距離を100μmと仮定した場合のものであり、縦軸を電位(V)、横軸を第1フォトゲートコンタクト17Pからの距離としている。したがって、これらのグラフの横軸において、第1フォトゲートコンタクト17Pの位置が0μm、第2フォトゲートコンタクト17Nの位置が100μmとなる。
Changes with time in the distribution of the potential of the photogate will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a circuit diagram modeling the storage region, the gate insulating film, and the photogate. FIG. 3 is a graph showing the change over time in the distribution of the potential of the photogate when a predetermined potential is supplied to the first photogate contact. FIG. 4 is a graph showing the change over time in the distribution of the potential of the photogate when a predetermined potential is supplied to the second photogate contact. 3 and 4 are graphs when the distance between the
図2に示すように、蓄積領域13、ゲート絶縁膜12及びフォトゲート16を積層した構造は、フォトゲート16の抵抗成分Rとゲート絶縁膜12の容量成分Cから成るRC回路としてモデル化される。そのため、フォトゲート16は、部分的に電位を変動させた場合において、即座に全体の電位が変動するのではなく、所定の時間をかけて過渡的に変動することになる。
As shown in FIG. 2, the structure in which the
図3は、フォトゲート16の電位が0Vで一様となっているときに、第1フォトゲートコンタクト17Pに5Vの電位を供給するとともに、第2フォトゲートコンタクト17Nには外部から電位が供給されない状態にした場合のグラフである。なお、このグラフでは、上記のRC回路の時定数を、1.75×10−12と想定している。また、図3中に示す各グラフは、第1フォトゲートコンタクト17Pに5Vの電位を供給し始めてから所定の時間(0.1ns、0.8ns、6ns及び20ns)が経過した時点におけるフォトゲート16の電位の分布を示すものである。
FIG. 3 shows that when the potential of the
図3に示すように、第1フォトゲートコンタクト17Pに5Vの電位を供給すると、フォトゲート16の第1フォトゲートコンタクト17P側ほど速く電位が増大し、その反対側ほど遅く電位が増大する。そのため、いずれの時点においても、フォトゲート16の第1フォトゲートコンタクト17P側ほど電位が高くなる(それぞれのグラフが、第1フォトゲートコンタクト17Pから第2フォトゲートコンタクト17Nに向かって、単調減少する)。なお、十分に長い時間が経過すれば、フォトゲート16の電位は5Vで一様になる。
As shown in FIG. 3, when a potential of 5 V is supplied to the
図4は、フォトゲート16の全体の電位が5Vで一様となっているときに、第2フォトゲートコンタクト17Nに0Vの電位を供給するとともに、第1フォトゲートコンタクト17Pには外部から電位が供給されない状態にした場合のグラフである。なお、このグラフでも、上記のRC回路の時定数を、1.75×10−12と想定している。また、図4中に示す各グラフは、第2フォトゲートコンタクト17Nに0Vの電位を供給し始めてから所定の時間(0.1ns、0.8ns、6ns及び20ns)が経過した時点におけるフォトゲート16の電位の分布を示すものである。
In FIG. 4, when the entire potential of the
図4に示すように、第2フォトゲートコンタクト17Nに0Vの電位を供給すると、フォトゲート16の第2フォトゲートコンタクト17N側ほど速く電位が低下し、その反対側ほど遅く電位が低下する。そのため、いずれの時点においても、フォトゲート16の第2フォトゲートコンタクト17N側ほど電位が低くなる(それぞれのグラフが、第1フォトゲートコンタクト17Pから第2フォトゲートコンタクト17Nに向かって、単調減少する)。なお、十分に長い時間が経過すれば、フォトゲート16の電位は0Vで一様になる。
As shown in FIG. 4, when a potential of 0 V is supplied to the
次に、図1に示した画素部10を備える本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構成例について、図5を参照して説明する。図5は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の構成例について示す回路図である。なお、図5に例示する固体撮像素子1は、複数の画素部10を、電子の転送方向(蓄積領域13、転送ゲート15及び読出領域14が並ぶ方向であり、図1(a)、図1(b)及び図5中の左右方向)に対して垂直な方向に並べたラインセンサである。
Next, a configuration example of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention including the
図5に示すように、固体撮像素子1は、複数の画素部10と、第1電位VPを供給する第1電源EPと、第1電位よりも低い第2電位VNを供給する第2電源ENと、ドレインが第1電源EPに電気的に接続されソースがそれぞれの画素部10の第1フォトゲートコンタクト17Pに電気的に接続されるpチャネル型のトランジスタである第1トランジスタTPと、ソースが第2電源ENに電気的に接続されドレインがそれぞれの画素部10の第2フォトゲートコンタクト17Nに電気的に接続されゲートが第1トランジスタTPのゲートと電気的に接続されるnチャネル型のトランジスタである第2トランジスタTNと、ソースにリセット電位VRが供給されドレインがそれぞれの画素部10の読出領域コンタクト21に電気的に接続されゲートにリセット制御電位VRSTが供給されるnチャネル型のトランジスタであり画素部10と同数設けられるリセットトランジスタTRと、ソースにリセット電位VRが供給されドレインから出力信号が出力されゲートがそれぞれの画素部10の読出領域コンタクト21に電気的に接続されるnチャネル型のトランジスタであり画素部10と同数設けられる出力トランジスタTDと、を備える。
As shown in FIG. 5, the solid-
画素部10の第1フォトゲート配線18Pは、それぞれの画素部10で共通化され、第1トランジスタTPのソースと接続されている。また、画素部10の第2フォトゲート配線18Nは、それぞれの画素部10で共通化され、第2トランジスタTNのドレインと接続されている。また、画素部10の転送ゲート配線20は、それぞれの画素部10で共通化され、転送制御電位VTXが供給される。また、第1トランジスタTP及び第2トランジスタTNのそれぞれのゲートには、フォトゲート制御電位VGXが供給される。
The
固体撮像素子1の動作例について、図6〜図9を参照して説明する。図6は、本発明の実施形態に係る固体撮像素子の動作例について示すタイミングチャートである。また、図7〜図9は、図6に示す所定の期間(転送期間の初期期間、転送期間の第1期間及び転送期間の第2期間)における画素部の電位の状態を示す図である。
An example of the operation of the solid-
図6に示すように、最初に、固体撮像素子1は、リセット期間P1において、読出領域14のリセットを行う。このリセット期間P1では、リセット制御電位VRSTがハイになる。これにより、リセットトランジスタTRがオンになり、読出領域14がリセット電位VRになる。
As shown in FIG. 6, first, the solid-
次に、固体撮像素子1は、基準設定期間P2において、基準となる出力信号を出力する。この基準設定期間P2では、リセット制御電位VRSTがローになり、読出領域14が初期電位VSになる。そのため、初期電位VSがゲートに供給される出力トランジスタTDのドレインから、初期電位VSに対応した出力信号が出力される。なお、読出領域14の電位は、リセット制御電位VRSTがハイからローに変動する際に、容量結合によって低下する(フィードスルーが生じる)。そのため、初期電位VSは、リセット電位VRよりも低くなる。
Next, the solid-
リセット期間P1及び基準設定期間P2では、転送制御電位VTXがローになる。そのため、蓄積領域13から読出領域14への電子の転送は、行われない。また、リセット期間P1及び基準設定期間P2では、フォトゲート制御電位VGXがハイ(第1電位VP)になる。そのため、第1トランジスタTPがオフになり、第1フォトゲートコンタクト17Pに第1電位VPが供給されない状態となる。一方、第2トランジスタTNはオンになり、第2フォトゲートコンタクト17Nに第2電位VNが供給される。
In the reset period P1 and the reference setting period P2, the transfer control potential V TX is low. Therefore, transfer of electrons from the
次に、固体撮像素子1は、転送期間P3において、蓄積領域13から読出領域14への電子の転送を行う。転送期間P3では、転送制御電位VTXがハイになる。そのため、蓄積領域13内の電子が、読出領域14へ転送される。
Next, the solid-
冒頭の初期期間Q0では、フォトゲート制御電位VGXがハイ(第1電位VP)のまま維持される。この初期期間Q0では、図7に示すように、蓄積領域13から読出領域14へと電子が転送される。
In the initial period Q0 at the beginning, the photogate control potential V GX is maintained high (first potential V P ). In this initial period Q0, as shown in FIG. 7, electrons are transferred from the
初期期間Q0の次の第1期間Q1では、フォトゲート制御電位VGXがロー(第2電位VN)になる。そのため、第1トランジスタTPがオンになり、第1フォトゲートコンタクト17Pに第1電位VPが供給される。一方、第2トランジスタTNはオフになり、第2フォトゲートコンタクト17Nに第2電位VNが供給されない状態となる。
In the first period Q1 following the initial period Q0, the photogate control potential V GX becomes low (second potential V N ). Therefore, the first transistor TP is turned on, the first potential V P is supplied to the first
この第1期間Q1では、フォトゲート16の第1フォトゲートコンタクト17P側ほど速く電位が増大し、その反対側ほど遅く電位が増大する。そのため、いずれの時点においても、フォトゲート16の第1フォトゲートコンタクト17P側ほど電位が高くなる(図3参照)。したがって、第1期間Q1では、蓄積領域13内の電子が、第1フォトゲートコンタクト17P側(転送ゲート15側)に寄せられる。なお、十分に長い時間が経過すれば、フォトゲート16の電位は第1電位VPで一様になる。
In the first period Q1, the potential increases faster toward the
第1期間Q1の次の第2期間Q2では、フォトゲート制御電位VGXがハイ(第1電位VP)になる。そのため、第1トランジスタTPがオフになり、第1フォトゲートコンタクト17Pに第1電位VPが供給されない状態となる。一方、第2トランジスタTNはオンになり、第2フォトゲートコンタクト17Nに第2電位VNが供給される。
In the second period Q2 following the first period Q1, the photogate control potential V GX becomes high (first potential V P ). Therefore, the first transistor TP is turned off, the first potential V P is a state of not being supplied to the first
この第2期間Q2では、フォトゲート16の第2フォトゲートコンタクト17N側ほど速く電位が低下し、その反対側ほど遅く電位が低下する。そのため、いずれの時点においても、フォトゲート16の第1フォトゲートコンタクト17P側ほど電位が高くなる(図4参照)。したがって、第2期間Q2では、蓄積領域13内の電子が、第1フォトゲートコンタクト17P側(転送ゲート15側)に寄せられる。なお、十分に長い時間が経過すれば、フォトゲート16の電位は第2電位VNで一様になる。
In the second period Q2, the potential decreases more rapidly toward the
第2期間Q2では、フォトゲート16の電位が全体的に低くなるため、第1フォトゲートコンタクト17P側(転送ゲート15側)に寄せられた電子が、読出領域14に転送される。そのため、第1期間Q1の後に第2期間Q2を設けることによって、第1期間Q1及び第2期間Q2において、蓄積領域13内で第1フォトゲートコンタクト17P側(転送ゲート15側)に寄せた電子を、効果的に読出領域14へ転送することが可能になる。
In the second period Q2, since the potential of the
図6に示す動作例では、1つの転送期間P3において、第1期間Q1及び第2期間Q2を2回繰り返す。なお、第1期間Q1及び第2期間Q2は、1つの転送期間P3に1回ずつ含まれてもよいし、3回以上ずつ含まれてもよい。 In the operation example shown in FIG. 6, the first period Q1 and the second period Q2 are repeated twice in one transfer period P3. The first period Q1 and the second period Q2 may be included once in one transfer period P3, or may be included three or more times.
次に、固体撮像素子1は、出力期間P4において、画素部10が生成及び蓄積した電子に対応した出力信号を出力する。この出力期間P4では、転送制御電位VTXがローになり、読出領域14に転送された電子に対応した電位がゲートに供給される出力トランジスタTDのドレインから、当該電位に対応した出力信号が出力される。ただし、読出領域14の電位は、転送制御電位VTXがハイからローに変動する際に、容量結合によって低下する(フィードスルーが生じる)。
Next, the solid-
転送期間P3及び出力期間P4では、リセット制御電位VRSTがローのまま維持される。また、出力期間P4では、フォトゲート制御電位VGXがハイ(第1電位VP)になる。そのため、第1トランジスタTPがオフになり、第1フォトゲートコンタクト17Pに第1電位VPが供給されない状態となる。一方、第2トランジスタTNはオンになり、第2フォトゲートコンタクト17Nに第2電位VNが供給される。
In the transfer period P3 and the output period P4, the reset control potential V RST is kept low. In the output period P4, the photogate control potential V GX becomes high (first potential V P ). Therefore, the first transistor TP is turned off, the first potential V P is a state of not being supplied to the first
固体撮像素子1は、上述のリセット期間P1、基準設定期間P2、転送期間P3及び出力期間P4を繰り返し行うことで、画素データを生成する。このとき、基準設定期間P2で得られる基準となる出力信号と、出力期間P4で得られる画素部10が生成及び蓄積した電子に対応した出力信号と、の差分を求める(相関二重サンプリングを行う)ことで、画素データを生成する。このように画素データを生成することによって、例えば上述の容量結合(フィードスルー)等によるノイズがキャンセルされた画素データを生成することが可能になる。
The solid-
以上のように、固体撮像素子1では、フォトゲート16の両端に設けられた第1フォトゲートコンタクト17P及び第2フォトゲートコンタクト17Nのそれぞれの電位を制御することによって、フォトゲート16の電位に勾配を付けることが可能になる。そのため、蓄積領域13に蓄積された電子を容易に移動させることが可能になり、読出領域14に電子を容易に転送することが可能になる。
As described above, in the solid-
特に、固体撮像素子1では、蓄積領域13に蓄積された電子を読出領域14に転送する転送期間P3において、蓄積領域13に蓄積された電子が転送ゲート15側に寄せられるように、フォトゲート16の電位に勾配をつけることが可能になる。具体的には、第1期間Q1及び第2期間Q2の双方において、電子を転送ゲート15側に寄せることが可能になる。
In particular, in the solid-
また、固体撮像素子1は、第1トランジスタTP及び第2トランジスタTNのそれぞれのゲートに供給する1つのフォトゲート制御電位VGXを制御するという簡易な制御のみで、第1期間Q1及び第2期間Q2における動作を実行することが可能である。
In addition, the solid-
<変形等>
本発明の実施形態に係る固体撮像素子1として、図11(b)に示したようなn型の蓄積領域13を有する構造の画素部10を備える場合について例示したが、固体撮像素子1はこれ以外の構造の画素部を備えてもよい。例えば、固体撮像素子1が、図11(a)に示したようなn型の蓄積領域13を有しない構造の画素部を備えてもよい。
<Deformation, etc.>
As an example of the solid-
p型の基板11中に、n型の蓄積領域12及びn型の読出領域14を形成する場合(蓄積領域13及び読出領域14に電子を蓄積する場合)について例示したが、これらのp型及びn型を逆にしてもよい。即ち、n型の基板中に、p型の蓄積領域及び読出領域を形成(蓄積領域及び読出領域に正孔を蓄積)してもよい。この場合であっても、上述の固体撮像素子1と同様の効果を得ることができる。ただし、この場合、図5に示す回路図において、第1フォトゲートコンタクト17Pと第2トランジスタTNのドレインとが接続され、第2フォトゲートコンタクト17Nと第2トランジスタTPのソースとが接続されるように変更するとともに、図6に示すフローチャートにおいて、転送制御電位VTXのハイ及びローを逆にする。
The case where the n-
本発明の実施形態に係る固体撮像素子1として、画素部10を直線状に並べたラインセンサを例示したが、本発明に係る固体撮像素子は、例えば画素部10をマトリクス状に並べたエリアセンサであってもよい。また、本発明に係る固体撮像素子は、上述のようなCMOSイメージセンサであってもよいし、CMOSイメージセンサ以外(例えば、CCDイメージセンサ)であってもよい。
As the solid-
本発明に係る固体撮像素子は、例えば撮像機能を有する各種電子機器に搭載される固体撮像素子に利用され得るものであり、特にラインセンサに好適に利用され得る。 The solid-state image pickup device according to the present invention can be used for a solid-state image pickup device mounted on various electronic devices having an image pickup function, for example, and can be preferably used particularly for a line sensor.
1 : 固体撮像素子
10 : 画素部
11 : 基板
12 : ゲート絶縁膜
13 : 蓄積領域
14 : 読出領域
15 : 転送ゲート
16 : フォトゲート
17P : 第1フォトゲートコンタクト(第1電極)
17N : 第2フォトゲートコンタクト(第2電極)
18P : 第1フォトゲート配線
18N : 第2フォトゲート配線
19 : 転送ゲートコンタクト
20 : 転送ゲート配線
21 : 読出領域コンタクト
22 : 読出領域配線
TP : 第1トランジスタ
TN : 第2トランジスタ
EP : 第1電源
EN : 第2電源
TR : リセットトランジスタ
TD : 出力トランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Solid-state image sensor 10: Pixel part 11: Substrate 12: Gate insulating film 13: Storage area 14: Read-out area 15: Transfer gate 16:
17N: second photogate contact (second electrode)
18P:
Claims (6)
前記基板の上面に形成される絶縁体から成るゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上面に形成されるフォトゲートと、
前記フォトゲートと電気的に接続する第1電極及び第2電極と、
前記基板中の領域であり、前記第1導電型とは異なる第2導電型の半導体から成る読出領域と、
前記ゲート絶縁膜の上面であり、前記フォトゲートと前記読出領域との間に形成される転送ゲートと、を備え、
前記第1電極は、前記フォトゲートの前記転送ゲート側の端部に形成され、前記第2電極は、前記フォトゲートの前記転送ゲート側とは反対側の端部に形成されて、相互に離間していることを特徴とする固体撮像素子。 A substrate made of a first conductivity type semiconductor;
A gate insulating film made of an insulator formed on the upper surface of the substrate;
A photogate formed on an upper surface of the gate insulating film;
A first electrode and a second electrode electrically connected to the photogate;
A readout region comprising a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type, which is a region in the substrate;
A transfer gate formed on the top surface of the gate insulating film and between the photogate and the readout region;
The first electrode is formed at an end portion of the photogate on the transfer gate side, and the second electrode is formed at an end portion of the photogate on the opposite side to the transfer gate side, and separated from each other. A solid-state imaging device.
前記基板内の前記フォトゲートの直下の領域に蓄積された電子が前記読出領域に転送される際に、前記第1電極の電位が前記第2電極の電位以上になり、
前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型である場合、
前記基板内の前記フォトゲートの直下の領域に蓄積された正孔が前記読出領域に転送される際に、前記第1電極の電位が前記第2電極の電位以下になることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 When the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type,
When electrons accumulated in the region immediately below the photogate in the substrate are transferred to the readout region, the potential of the first electrode becomes equal to or higher than the potential of the second electrode,
When the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type,
The potential of the first electrode becomes equal to or lower than the potential of the second electrode when holes accumulated in a region immediately below the photogate in the substrate are transferred to the readout region. Item 2. The solid-state imaging device according to Item 1.
前記第1電位よりも低い第2電位を供給する第2電源と、をさらに備え、
前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型である場合、
前記基板内の前記フォトゲートの直下の領域に蓄積された電子が前記読出領域に転送される際に、前記第1電極に前記第1電位が供給されるとともに前記第2電極に前記第2電位が供給されない状態となる第1動作と、前記第2電極に前記第2電位が供給されるとともに前記第1電極に前記第1電位が供給されない状態となる第2動作と、が少なくとも1回ずつ行われ、
前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型である場合、
前記基板内の前記フォトゲートの直下の領域に蓄積された正孔が前記読出領域に転送される際に、前記第1電極に前記第2電位が供給されるとともに前記第2電極に前記第1電位が供給されない状態となる第3動作と、前記第2電極に前記第1電位が供給されるとともに前記第1電極に前記第2電位が供給されない状態となる第4動作と、が少なくとも1回ずつ行われることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。 A first power supply for supplying a first potential;
A second power source for supplying a second potential lower than the first potential;
When the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type,
The first potential is supplied to the first electrode and the second potential is applied to the second electrode when electrons accumulated in the region immediately below the photogate in the substrate are transferred to the readout region. And a second operation in which the second potential is supplied to the second electrode and the first potential is not supplied to the first electrode at least once. Done,
When the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type,
When the holes accumulated in the region immediately below the photogate in the substrate are transferred to the readout region, the second potential is supplied to the first electrode and the first potential is applied to the second electrode. A third operation in which no potential is supplied and a fourth operation in which the first potential is supplied to the second electrode and the second potential is not supplied to the first electrode are at least once. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is performed step by step.
前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型である場合、前記第3動作の後に前記第4動作が行われることを特徴とする請求項3に記載の固体撮像素子。 When the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type, the second operation is performed after the first operation,
4. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein when the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, the fourth operation is performed after the third operation. 5. .
ソースが前記第2電源に電気的に接続されゲートが前記第1トランジスタのゲートと電気的に接続されるnチャネル型のトランジスタである第2トランジスタと、をさらに備え、
前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型である場合、
前記第1トランジスタのソースが前記第1電極に電気的に接続され、前記第2トランジスタのドレインが前記第2電極に電気的に接続され、
前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型である場合、
前記第1トランジスタのソースが前記第2電極に電気的に接続され、前記第2トランジスタのドレインが前記第1電極に電気的に接続されることを特徴とする請求項3または4に記載の固体撮像素子。 A first transistor that is a p-channel transistor having a drain electrically connected to the first power source;
A second transistor that is an n-channel transistor having a source electrically connected to the second power supply and a gate electrically connected to the gate of the first transistor;
When the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type,
A source of the first transistor is electrically connected to the first electrode; a drain of the second transistor is electrically connected to the second electrode;
When the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type,
5. The solid according to claim 3, wherein a source of the first transistor is electrically connected to the second electrode, and a drain of the second transistor is electrically connected to the first electrode. Image sensor.
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