JP2015037096A - Solid-state imaging element and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子および撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging apparatus.
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型やCMOS型などの増幅型の固体撮像素子が使用されており、一般的な半導体プロセスを通じて製造される。 In recent years, video cameras and electronic still cameras have been widely used. These cameras use an amplification type solid-state imaging device such as a CCD type or a CMOS type, and are manufactured through a general semiconductor process.
固体撮像素子は、画素が二次元状に複数配置された画素領域と、画素から光信号を外部に出力する周辺回路とを有している。各画素に配置される光電変換部(たとえば、フォトダイオード)などで入射光に応じた電荷が蓄積され、転送トランジスタにより電荷検出部に転送された後、周辺回路を通じて外部へ読み出される。 The solid-state imaging device has a pixel region in which a plurality of pixels are arranged two-dimensionally and a peripheral circuit that outputs an optical signal from the pixel to the outside. Charges corresponding to incident light are accumulated in a photoelectric conversion unit (for example, a photodiode) disposed in each pixel, transferred to the charge detection unit by a transfer transistor, and then read out to the outside through a peripheral circuit.
固体撮像素子は、入射光に応じた出力が読み出される事が望ましいが、入射光が無くても出力が生ずる現象が起きることが知られている。この現象は、一般に暗電流と呼ばれている。暗電流は、蓄積時間に応じて増大するため、たとえば夜景撮影において長時間露光するときなどに特に問題となる。 The solid-state imaging device desirably reads out an output corresponding to incident light, but it is known that a phenomenon occurs in which output occurs even without incident light. This phenomenon is generally called dark current. Since the dark current increases with the accumulation time, it becomes a problem particularly when, for example, long-time exposure is performed in night scene photography.
暗電流の主な原因は、半導体と絶縁体との界面(境界)に存在する結晶の未結合手(ダングリングボンド)から発生する電子の流入である。たとえば、光電変換部の周囲に絶縁体である素子分離領域を設けた場合、光電変換部と素子分離領域との境界は大きな暗電流発生源となる。この暗電流成分の対策として、光電変換部と素子分離領域との境界付近に逆導電型のガード層を設け、光電変換部の空乏層が界面に到達するのを防ぐ技術が知られている(特許文献1)。 The main cause of dark current is an inflow of electrons generated from dangling bonds of crystals existing at the interface (boundary) between the semiconductor and the insulator. For example, when an element isolation region which is an insulator is provided around the photoelectric conversion unit, the boundary between the photoelectric conversion unit and the element isolation region becomes a large dark current generation source. As a countermeasure against this dark current component, a technique is known in which a reverse conductivity type guard layer is provided near the boundary between the photoelectric conversion unit and the element isolation region to prevent the depletion layer of the photoelectric conversion unit from reaching the interface ( Patent Document 1).
ガード層は、光電変換部と素子分離領域との境界に設けるものであり、光電変換部の外周のうち素子分離領域が形成されない転送トランジスタの近傍にはガード層を形成させる必要がない。そのため、特許文献1では、光電変換部の外周のうち転送トランジスタの周囲にだけガード層が形成されておらず、非対称な形状となっている。以降、転送方向をY軸方向と称し、転送方向に直交する方向をX軸方向と称する。
The guard layer is provided at the boundary between the photoelectric conversion unit and the element isolation region, and it is not necessary to form a guard layer in the vicinity of the transfer transistor in which the element isolation region is not formed on the outer periphery of the photoelectric conversion unit. Therefore, in
固体撮像素子では、素子特性が均一となるように、アライメントや寸法のずれに対してロバスト性を有する設計にしておくことが望まれる。たとえば、光電変換部やガード層注入時のアライメントや寸法のずれに対してもロバスト性を有する設計にしておくことが望まれている。 In a solid-state imaging device, it is desired to have a design that is robust against alignment and dimensional deviation so that the device characteristics are uniform. For example, it is desired to have a design that is robust against alignment and dimensional deviations when the photoelectric conversion part and the guard layer are injected.
ガード層は、光電変換部と素子分離領域との境界を跨ぐように設けられるが、ガード層の幅全体(A0とする)のうち境界から光電変換部側の幅に応じて暗電流の抑制能力が変化する。この境界から光電変換部側の幅(A1とする)は、ガード層注入時のアライメントや寸法のずれにより変化する。たとえば、Y軸方向にアライメントのずれが発生すると、Y軸方向の片側では境界から光電変換部側の幅A1が増加し暗電流が減少するが、その反対側では境界から光電変換部側の幅A1が減少し暗電流が増加する。 The guard layer is provided so as to straddle the boundary between the photoelectric conversion unit and the element isolation region, but the dark current suppression capability according to the width from the boundary to the photoelectric conversion unit side of the entire guard layer width (A0). Changes. The width (referred to as A1) on the photoelectric conversion portion side from this boundary changes due to alignment and dimensional deviation at the time of guard layer injection. For example, when misalignment occurs in the Y-axis direction, the width A1 on the photoelectric conversion unit side from the boundary increases on one side in the Y-axis direction and the dark current decreases, but on the opposite side, the width on the photoelectric conversion unit side from the boundary. A1 decreases and dark current increases.
特許文献1のように、転送トランジスタの周囲にガード層が形成されておらずガード層が非対称な形状である場合、非対称な形状がY軸方向にアライメントや寸法のずれが発生すると、幅A1の変化に伴い光電変換部に流入する暗電流の総量が増減してしまう。この暗電流の総量の増減は、素子特性のばらつきとして現れる。
When a guard layer is not formed around the transfer transistor and the guard layer has an asymmetric shape as in
本発明の一態様による固体撮像素子は、撮像面に複数の画素が2次元配列され、複数の画素の各々に、入射光量に応じた信号電荷を蓄積する光電変換部と、信号電荷を検出する電荷検出部と、光電変換部から電荷検出部に信号電荷を転送する転送トランジスタとが設けられるアクティブ領域と、アクティブ領域の周囲に形成される分離領域と、光電変換部の周囲の一部に設けられ、アクティブ領域と分離領域との境界部に形成されるガード層と、を有し、光電変換部は、第1端に転送トランジスタが接続され、ガード層は、境界部のうち、第1端に対向する光電変換部の第2端の周辺の一部には形成されないことを特徴とする。
本発明の別の一態様による撮像装置は、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の固体撮像素子を備えることを特徴とする。
In a solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention, a plurality of pixels are two-dimensionally arranged on an imaging surface, a photoelectric conversion unit that accumulates signal charges corresponding to the amount of incident light in each of the plurality of pixels, and a signal charge is detected. Provided in an active region provided with a charge detection unit, a transfer transistor for transferring signal charges from the photoelectric conversion unit to the charge detection unit, a separation region formed around the active region, and a part around the photoelectric conversion unit And a guard layer formed at a boundary portion between the active region and the isolation region, the photoelectric conversion unit has a transfer transistor connected to the first end, and the guard layer has a first end of the boundary portion. It is characterized in that it is not formed in a part of the periphery of the second end of the photoelectric conversion portion opposite to.
The imaging device by another one aspect | mode of this invention is equipped with the solid-state image sensor as described in any one of Claims 1-8, It is characterized by the above-mentioned.
本発明によれば、アライメントや寸法のずれによる暗電流の増減を抑制することができる。 According to the present invention, increase / decrease in dark current due to alignment or dimensional deviation can be suppressed.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電子カメラ1を示す概略ブロック図である。電子カメラ1には撮影レンズ2が装着される。この撮影レンズ2は、レンズ制御部2aによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ2の像空間には、固体撮像装置3の構成の一つであるイメージセンサ30の撮像面が配置される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic block diagram showing an
固体撮像装置3は、撮像制御部4から出力される駆動信号によって駆動され、信号を出力する。固体撮像装置3から出力される信号は、信号処理部5、及び、A/D変換部6を介して処理された後、メモリ7に一旦蓄積される。
The solid-
メモリ7は、バス8に接続される。バス8には、レンズ制御部2a、撮像制御部4、マイクロプロセッサ9、焦点演算部10、記録部11、画像圧縮部12及び画像処理部13なども接続される。撮像制御部4は、図面には示していないがタイミングジェネレータ等で構成され、固体撮像装置3の各部に駆動信号等を供給する。マイクロプロセッサ9には、レリーズ釦などの操作部9aが接続される。また、上記の記録部11には記録媒体11aが着脱自在に装着される。
The memory 7 is connected to the bus 8. The bus 8 is also connected with a
図2は、本固体撮像装置3に搭載されるイメージセンサ30の構成の一部を示す概略回路図である。イメージセンサ30は、シリコン基板で形成されており、CMOS型のイメージセンサとして構成されている。イメージセンサ30は、入射光量に対応する電気信号を出力する複数の画素20と、画素20から信号を出力するための周辺回路とを有している。複数の画素20は、イメージセンサ30の画素領域31に二次元状に配置される。
FIG. 2 is a schematic circuit diagram showing a part of the configuration of the
図2には、画素20から信号を出力するための周辺回路として、垂直走査回路21と、水平走査回路22と、これらと接続されている駆動信号線23および24と、画素列ごとに画素20と接続され、各画素20からの電気信号を受け取る垂直信号線25と、垂直信号線25ごとに設けられ垂直信号線25に一定電流を供給する画素電流源26と、垂直信号線25ごとに設けられる相関二重サンプリング回路(CDS)27と、相関二重サンプリング回路27から出力される信号を受け取る水平信号線28と、出力アンプ29とが図示されている。
In FIG. 2, as a peripheral circuit for outputting a signal from the
垂直走査回路21および水平走査回路22は、電子カメラ1の撮像制御部4からの指令に基づいて駆動信号を出力する。各画素20は、垂直走査回路21から出力される駆動信号を所定の駆動信号線23から受け取って駆動され、入射光に対応する信号を垂直信号線25に出力する。垂直走査回路21から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動信号線23も複数ある。
The
画素20から出力された信号は、相関二重サンプリング回路27にて所定のノイズ除去が施される。そして、水平走査回路22から駆動信号が駆動信号線24を介して出力され、信号は水平信号線28および出力アンプ29を介して外部に出力される。
The signal output from the
垂直信号線25に出力された電気信号は、垂直信号線25ごとに配置されるCDS回路27にて周知の相関二重サンプリングが行われて、ノイズが除去される。CDS回路27は、水平走査回路22から駆動信号線24を介して入力される駆動信号によって動作される。
The electrical signal output to the
ノイズが除去され、真の画像信号の成分にされた後の電気信号は、順次垂直信号線25から水平信号線28に出力され、出力アンプ29を介してイメージセンサ30の外部に出力される。なお、図2には図示されていないが、実際には水平信号線28をリセットするリセット部が水平信号線28に接続され、出力アンプ29から信号が外部に出力される毎に水平信号線28がリセットされる。
The electric signal after the noise is removed and converted into a true image signal component is sequentially output from the
図3は、画素20の等価回路図である。画素20は、図3に示すように、フォトダイオードPDと、フローティングディフュージョンFDと、転送トランジスタTaと、ソースフォロアの増幅トランジスタTbと、リセットトランジスタTcと、選択トランジスタTdとを有している。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the
転送トランジスタTa、増幅トランジスタTb、リセットトランジスタTc、および選択トランジスタTdは、NチャネルMOSトランジスタで構成されている。各トランジスタは、そのゲートがHレベル(ハイレベル)になるとオン状態となり、そのゲートがLレベル(ローレベル)になるとオフ状態となる。なお、VDDは電源である。 The transfer transistor Ta, the amplification transistor Tb, the reset transistor Tc, and the selection transistor Td are N-channel MOS transistors. Each transistor is turned on when its gate becomes H level (high level), and turned off when its gate becomes L level (low level). VDD is a power source.
フォトダイオードPDは、入射光量に応じた電荷を生成し蓄積する。転送トランジスタTaがオン状態となると、フォトダイオードPDに蓄積された電荷は、フローティングディフュージョンFDに転送される。 The photodiode PD generates and accumulates charges according to the amount of incident light. When the transfer transistor Ta is turned on, the charge accumulated in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD.
フローティングディフュージョンFDは、転送トランジスタTaを介して転送された電荷を電圧に変換する。その電圧は、増幅トランジスタTbのゲートに印加される。増幅トランジスタTbは、その電圧に応じた電気信号を生成し出力する。 The floating diffusion FD converts the charge transferred through the transfer transistor Ta into a voltage. The voltage is applied to the gate of the amplification transistor Tb. The amplification transistor Tb generates and outputs an electrical signal corresponding to the voltage.
転送トランジスタTaは、そのゲートに入力される駆動信号φTGによってオン・オフされる。駆動信号φTGは、垂直走査回路21から出力され駆動信号線23を介して転送トランジスタTaのゲートに印加される。
The transfer transistor Ta is turned on / off by a drive signal φTG input to its gate. The drive signal φTG is output from the
選択トランジスタTdは、オン状態とされることによって当該画素と垂直信号線とを電気的に接続状態にする。そして、選択トランジスタTdは、増幅トランジスタTbにて生成された電気信号を垂直信号線に出力させる。選択トランジスタTdは、そのゲートに入力される駆動信号φSによってオン・オフされる。駆動信号φSは、垂直走査回路21から出力され駆動信号線23を介して選択トランジスタTdのゲートに印加される。
The selection transistor Td is turned on to electrically connect the pixel and the vertical signal line. The selection transistor Td outputs the electric signal generated by the amplification transistor Tb to the vertical signal line. The selection transistor Td is turned on / off by a drive signal φS input to its gate. The drive signal φS is output from the
リセットトランジスタTcは、オン状態とされることによってフローティングディフュージョンFDや増幅トランジスタTbのゲートに転送された電荷を排出し、リセット状態にする。リセットトランジスタTcは、そのゲートに入力される駆動信号φFDRによってオン・オフされる。駆動信号φFDRは、垂直走査回路21から出力され駆動信号線23を介してリセットトランジスタTcのゲートに印加される。
When the reset transistor Tc is turned on, the reset transistor Tc discharges the charge transferred to the floating diffusion FD and the gate of the amplification transistor Tb, and resets the reset transistor Tc. The reset transistor Tc is turned on / off by a drive signal φFDR input to its gate. The drive signal φFDR is output from the
画素20に配置される転送トランジスタTaのゲートは、行方向で共通接続される。リセットトランジスタTc、及び、選択トランジスタTdの各ゲートも同様に行方向でそれぞれ共通接続される。そして、行方向の画素20は同時に駆動される。したがって、行方向に配置される画素20は、対応する垂直信号線25に同時に電気信号を出力する。
The gates of the transfer transistors Ta arranged in the
図4(a)は、画素20の拡大画素平面図である。図4(a)には、イメージセンサ30の撮像面に並べて配置されている二つの画素20が並べて図示されている。図4(b)は、図4(a)のY0−Y0断面図である。
FIG. 4A is an enlarged pixel plan view of the
画素20は、図4(a)にて太線で囲われているアクティブ領域41を有する。アクティブ領域41の内側には、N型のフォトダイオードPDと、N型のフローティングディフュージョンFDと、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへ電荷をY軸方向に転送する転送トランジスタTaとが設けられている。
The
図4(b)に示されるように、イメージセンサ30は、半導体基板の上にエピタキシャル層が形成され、そのエピタキシャル層の上にP型ウエルが形成されている。フォトダイオードPDは、P型ウエルにN型の不純物を注入することにより形成されている。N型のフォトダイオードPDの上には、P型の表面層42が形成されている。表面層42のP型の不純物濃度は、P型ウエルよりも高い。表面層42は、半導体表面に存在する結晶の未結合手(タングリングボンド)からフォトダイオードPDへ暗電流が流入することを防ぐ。
As shown in FIG. 4B, the
図4(a)および(b)に示すように、アクティブ領域41の周囲には、酸化膜による分離領域43が形成され、複数の画素20の間が電気的に分離されている。図4(a)において、分離領域43とアクティブ領域41との境界は太線で表されている。酸化膜による分離領域43は絶縁体であって、分離領域43とアクティブ領域41との境界はフォトダイオードPDへの暗電流の流入の原因となり得る。
As shown in FIGS. 4A and 4B, an
分離領域43とアクティブ領域41との境界からフォトダイオードPDへ暗電流が流入することを抑制するため、分離領域43とアクティブ領域41との境界のうち、フォトダイオードPDの近傍には、一部を除いてP型のガード層44が注入される。
In order to suppress the dark current from flowing into the photodiode PD from the boundary between the
分離領域43とアクティブ領域41との境界のうち、フォトダイオードPDの近傍にある境界の中でガード層44が注入されないのは、たとえば、転送トランジスタTaの近傍である。転送トランジスタTaの近傍には、電荷の転送不良を防止するため、ガード層44が注入されない。
Of the boundary between the
また、分離領域43とアクティブ領域41との境界のうち、転送トランジスタTaに接続されるフォトダイオードPDの第1端51に対向する第2端52の近傍の一部にもガード層44が注入されない。第2端52の近傍側においてガード層44が注入されない境界の部分は、第1端51においてフォトダイオードPDが転送トランジスタTaに接続される接続部に対向する位置に設けられる。
Further, the
ガード層44が暗電流を抑制する能力は、分離領域43とアクティブ領域41との境界からアクティブ領域41側に注入されているガード層44の幅A1が大きくなるほど高くなる。ガード層44を注入する際にアライメントがY軸方向(転送方向)にずれた場合、ガード層44の全体の幅A0は変化しないが、境界からアクティブ領域41側に注入されているガード層44の幅A1は変化する。
The ability of the
図4(a)に示された断面Y1−Y1では、ガード層44は、分離領域43とアクティブ領域41との境界のうち、フォトダイオードPDの第1端51側の境界と第2端52側の境界の両方に設けられている。ガード層44を注入する際にアライメントがY軸方向にΔAだけずれた場合、フォトダイオードPDの第1端51側の境界と第2端52側の境界のいずれか片方のガード層44の幅A1がΔAだけ小さくなり、他方のガード層44の幅A1がΔAだけ大きくなる。換言すると、ガード層44を注入する際にアライメントがY軸方向にずれた場合、フォトダイオードPDの第1端51側の境界と第2端52側の境界のいずれか片方から流入する暗電流は増加し、他方から流入する暗電流は減少する。すなわち、断面Y1−Y1においてフォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流と、第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。
In the cross section Y1-Y1 shown in FIG. 4A, the
図4(a)に示された断面Y2−Y2では、ガード層44は、分離領域43とアクティブ領域41との境界のうち、フォトダイオードPDの第1端51側の境界には無く、第2端52側の境界には設けられている。フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流は、第1端51側の境界にガード層44が無いため、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。フォトダイオードPDの第2端52側の境界から流入する暗電流は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化する。すなわち、断面Y2−Y2においてフォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流と、第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化する。
In the cross section Y2-Y2 shown in FIG. 4A, the
断面Y0−Y0では、フォトダイオードPDの第1端51の近傍にアクティブ領域41と分離領域43との境界が存在しない。すなわち、断面Y0−Y0において、フォトダイオードPDの第1端51側からはフォトダイオードPDに暗電流が流入しない。そして、分離領域43とアクティブ領域41との境界のうち、フォトダイオードPDの第2端52側の境界には、ガード層44が設けられていない。すなわち、断面Y0−Y0において、フォトダイオードPDの第2端52側から流入する暗電流はY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。したがって、断面Y0−Y0においてフォトダイオードPDに流入する暗電流の合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。
In the cross section Y0-Y0, the boundary between the
従来は、図5(a)に示す拡大画素平面図のように、第2端52の近傍にガード層44が注入されていた。すなわち、図5(a)の断面Y3−Y3のように、フォトダイオードPDの第2端52側の境界にガード層44が設けられていない箇所がない。
Conventionally, the
図5(a)に示された断面Y4−Y4は、図4(a)に示された断面Y1−Y1と同一である。そして、断面Y5−Y5は、図4(a)に示された断面Y2−Y2と同一である。すなわち、ガード層44を注入する際にアライメントがY軸方向にずれた場合、第1端51側の境界から流入する暗電流と第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は、断面Y4−Y4に関しては変化せず、断面Y5−Y5に関しては変化する。
The cross section Y4-Y4 shown in FIG. 5A is the same as the cross section Y1-Y1 shown in FIG. The cross section Y5-Y5 is the same as the cross section Y2-Y2 shown in FIG. That is, when the alignment is shifted in the Y-axis direction when the
従来の固体撮像素子の断面Y3−Y3は、図4(a)に示されたイメージセンサ30の断面Y0−Y0と異なっており、断面Y2−Y2と同一である。すなわち、断面Y3−Y3では、ガード層44を注入する際にアライメントがY軸方向にずれた場合に、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流と、第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化してしまう。
A cross section Y3-Y3 of the conventional solid-state imaging device is different from the cross section Y0-Y0 of the
なお、図5(b)は、図5(a)のY3−Y3断面図である。分離領域43とフォトダイオードPDとの間にP型のガード層44が注入されている点が図4(b)と異なっている。
FIG. 5B is a Y3-Y3 cross-sectional view of FIG. 4B is different from FIG. 4B in that a P-
図4(a)および(b)に示した本発明の第1の実施の形態によるイメージセンサ30によれば、図5(a)および(b)に示した従来の固体撮像素子と比べて次の作用効果が得られる。
本発明の第1の実施の形態によるイメージセンサ30では、第2端52の近傍の一部にガード層44を注入しないようにすることで、図5(a)の断面Y3−Y3のようにガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれにより暗電流の合計が変化する箇所を減らし、そのずれによる暗電流の総量の変化を低減することができる。
According to the
In the
(第2の実施の形態)
図6(a)は、本発明の第2の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20の拡大画素平面図である。図6(a)には、イメージセンサ30の撮像面に並べて配置されている二つの画素20が並べて図示されている。図6(b)は、図6(a)のY6−Y6断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 6A is an enlarged pixel plan view of the
第2の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20は、第1の実施の形態と比べて、第2端52の近傍に設けられたガード層44を注入しない領域が拡大している点が異なる。具体的には、第2端52の近傍に設けられたガード層44を注入しない領域の長さB1を転送トランジスタTaの近傍に設けられたガード層44を注入しない領域の長さB0と同一にする。
Compared with the first embodiment, the
第2端52の近傍に設けられたガード層44を注入しない領域を拡大することにより、図4の断面Y2−Y2のように、第2端52の近傍側にのみガード層44が設けられている箇所がなくなっている。すなわち、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流と第2端52側の境界から流入する暗電流との合計がガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化する箇所がなくなっている。
By enlarging the region where the
図6(a)に示された断面Y7−Y7は、図4(a)に示された断面Y1−Y1と同一である。すなわち、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流と、第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。
A cross section Y7-Y7 shown in FIG. 6A is the same as the cross section Y1-Y1 shown in FIG. That is, the sum of the dark current flowing from the boundary on the
図6(a)に示された断面Y8−Y8では、ガード層44は、分離領域43とアクティブ領域41との境界のうち、フォトダイオードPDの第1端51側と第2端52側の境界の両方に設けられていない。そのため、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流も、第2端52側の境界から流入する暗電流も、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。したがって、断面Y8−Y8において、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流と、第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。
In the cross section Y8-Y8 shown in FIG. 6A, the
図6(a)に示された断面Y6−Y6は、図4(a)に示された断面Y0−Y0と同一である。すなわち、フォトダイオードPDの第1端51側からは暗電流が流入せず、第2端52側から流入する暗電流はY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。したがって、断面Y6−Y6においてフォトダイオードPDに流入する暗電流の合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。
The cross section Y6-Y6 shown in FIG. 6A is the same as the cross section Y0-Y0 shown in FIG. That is, no dark current flows from the
なお、フォトダイオードPDの第2端52側の境界からフォトダイオードPDに流入する暗電流そのものの大きさは、ガード層44を注入しない領域を拡大したため、第1の実施の形態におけるイメージセンサ30より増加する。イメージセンサ30の設計段階において、暗電流の総量と、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによる暗電流の総量の変化との双方を考慮して第2端52の近傍に設けられたガード層44を注入しない領域の長さB1を定めることが好ましい。
Note that the magnitude of the dark current itself flowing into the photodiode PD from the boundary on the
図6(a)および(b)に示した本発明の第2の実施の形態によるイメージセンサ30によれば、図4(a)および(b)に示した第1の実施の形態と比べて次のような作用効果が得られる。
本発明の第2の実施の形態によるイメージセンサ30では、第2端52の近傍に設けられたガード層44を注入しない領域を第1の実施の形態と比べて拡大することで、図4(a)の断面Y2−Y2のようにガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって暗電流の合計が変化する箇所を減らし、そのずれによる暗電流の総量の変化をさらに低減することができる。
According to the
In the
(第3の実施の形態)
図7(a)は、本発明の第3の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20の拡大画素平面図である。図7(a)には、イメージセンサ30の撮像面に並べて配置されている二つの画素20が並べて図示されている。図7(b)は、図7(a)のY9−Y9断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 7A is an enlarged pixel plan view of the
第3の実施の形態に係るイメージセンサ30の各画素20は、各々のアクティブ領域41がフォトダイオードPDの第2端52側の一部から各画素20に隣接する画素20のフローティングディフュージョンFDまで延在している点が異なっている。換言すると、図7(a)を見て明らかなように、第3の実施の形態に係るイメージセンサ30では、Y軸方向に並べて配置された画素20のアクティブ領域41が一体となっている。以降、各画素20のフォトダイオードPDの第2端52側の一部から各画素20に隣接する画素20まで延在するこのアクティブ領域41の部分領域61を非分離領域61と称する。
In each
図7(a)において、非分離領域61は、P型ウエルの一部である。非分離領域61は、第2端52上の位置であって第1端51に設けられているフォトダイオードPDと転送トランジスタTaとの接続部に対向する位置から隣接画素に向けて延在する。
In FIG. 7A, the
非分離領域61は、Y軸方向に互いに隣接する画素20の間のアクティブ領域41を物理的に接続するが、電気的には二つの画素20の間を分離している。なお、非分離領域61が二つの画素20の間を電気的に分離する性能は、分離領域43などのような絶縁体には劣る。
The
フォトダイオードPDの第2端52と非分離領域61との境界は、アクティブ領域41と分離領域43との境界ではないため、ガード層44は設けられない。
Since the boundary between the
図7(a)に示された断面Y10−Y10は、図4(a)に示された断面Y1−Y1と同一である。すなわち、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流と、第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。
A cross section Y10-Y10 shown in FIG. 7A is the same as the cross section Y1-Y1 shown in FIG. That is, the sum of the dark current flowing from the boundary on the
断面Y11−Y11は、図4(a)に示された断面Y2−Y2と同一である。すなわち、断面Y11−Y11において、ガード層44を注入する際にアライメントがY軸方向にずれた場合、第1端51側の境界から流入する暗電流と第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は変化する。
The cross section Y11-Y11 is the same as the cross section Y2-Y2 shown in FIG. That is, in the cross section Y11-Y11, when the alignment is shifted in the Y-axis direction when the
断面Y9−Y9は、図4(a)に示されたイメージセンサ30の断面Y0−Y0と異なっており、フォトダイオードPDの第1端51と第2端52の双方にアクティブ領域41と分離領域43との境界が存在しない。すなわち、断面Y9−Y9においては、フォトダイオードPDに暗電流が流入しない。
The cross section Y9-Y9 is different from the cross section Y0-Y0 of the
断面Y12−Y12において、フォトダイオードPDの第1端51側の境界からはフォトダイオードPDに暗電流が流入せず、フォトダイオードPDの第2端52側から流入する暗電流はY軸方向のアライメントのずれによって変化する。したがって、断面Y12−Y12においてフォトダイオードPDに流入する暗電流の合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化する。
In the cross section Y12-Y12, dark current does not flow into the photodiode PD from the boundary on the
図7(a)および(b)に示した本発明の第3の実施の形態によるイメージセンサ30によれば、図4(a)および(b)に示した第1の実施の形態と比べて次のような作用効果が得られる。
第3の実施の形態によるイメージセンサ30は、転送トランジスタTaに接続される接続部に対向する第2端52上の位置から隣接画素に向けて延在する非分離領域61を有する。第3の実施の形態によるイメージセンサ30は、非分離領域61を有することにより、フォトダイオードPDの第2端52側からフォトダイオードPDに流入する暗電流の総量を第1の実施の形態よりも低減することができる。
また、第3の実施の形態によるイメージセンサ30は、第2端52の近傍のうち非分離領域61が設けられた領域にガード層44を注入しないようにすることで、図5(a)の断面Y3−Y3のようにガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって暗電流の合計が変化する箇所を減らし、そのずれによる暗電流の総量の変化を低減することができる。
According to the
The
Further, in the
(第4の実施の形態)
図8(a)は、本発明の第4の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20の拡大画素平面図である。図8(a)には、イメージセンサ30の撮像面に並べて配置されている二つの画素20が並べて図示されている。図8(b)は、図8(a)のY13−Y13断面図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 8A is an enlarged pixel plan view of the
第4の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20は、第3の実施の形態と比べて、非分離領域61の長さC1を拡大する。具体的には、非分離領域61の長さC1を転送トランジスタTaのゲート幅Wと同一にしている。
The
非分離領域61の長さC1を転送トランジスタTaのゲート幅Wまで拡大することにより、図7の断面Y11−Y11のように、第2端52の近傍側にのみガード層44が設けられている箇所を無くす。すなわち、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流と第2端52側の境界から流入する暗電流との合計がガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化する箇所をなくしている。
By extending the length C1 of the
図8(a)に示された断面Y14−Y14は、図4(a)に示された断面Y1−Y1と同一である。そして、断面Y15−Y15は、図4(a)に示された断面Y2−Y2と同一である。すなわち、ガード層44を注入する際にアライメントがY軸方向にずれた場合、第1端51側の境界から流入する暗電流と第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は、断面Y14−Y14に関しては変化せず、断面Y15−Y15に関しては変化する。
A cross section Y14-Y14 shown in FIG. 8A is the same as the cross section Y1-Y1 shown in FIG. The section Y15-Y15 is the same as the section Y2-Y2 shown in FIG. That is, when the alignment is shifted in the Y-axis direction when the
図8(a)に示された断面Y13−Y13は、図7(a)に示された断面Y9−Y9と同一である。すなわち、断面Y13−Y13においては、フォトダイオードPDに暗電流が流入しない。 A cross section Y13-Y13 shown in FIG. 8A is the same as the cross section Y9-Y9 shown in FIG. That is, dark current does not flow into the photodiode PD in the cross section Y13-Y13.
図8(a)に示された断面Y16−Y16は、図7(a)に示された断面Y12−Y12と異なり、図7(a)に示された断面Y9−Y9と同一である。すなわち、断面Y13−Y13においても、フォトダイオードPDに暗電流が流入しない。 A cross section Y16-Y16 shown in FIG. 8A is different from the cross section Y12-Y12 shown in FIG. 7A, and is the same as the cross section Y9-Y9 shown in FIG. That is, dark current does not flow into the photodiode PD even in the cross section Y13-Y13.
図8(a)および(b)に示した本発明の第4の実施の形態によるイメージセンサ30によれば、図7(a)および(b)に示した第3の実施の形態と比べて次のような作用効果が得られる。
第4の実施の形態によるイメージセンサ30は、非分離領域61の長さC1を第3の実施の形態と比べて拡大することで、図7(a)の断面Y12−Y12のようにガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによってフォトダイオードPDに流入する暗電流が変化する箇所を減らし、そのずれによる暗電流の総量の変化をさらに低減することができる。
According to the
The
(第5の実施の形態)
図9(a)は、本発明の第5の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20の拡大画素平面図である。図9(a)には、イメージセンサ30の撮像面に並べて配置されている二つの画素20が並べて図示されている。図9(b)は、図9(a)のY17−Y17断面図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 9A is an enlarged pixel plan view of the
第5の実施の形態は、第2の実施の形態と第4の実施の形態の組み合わせである。すなわち、第5の実施の形態は、第4の実施の形態に対して、フォトダイオードPDの第2端52の近傍に設けられたガード層44を注入しない領域の長さB1を転送トランジスタTaの近傍に設けられたガード層44を注入しない領域の長さB0と同一にしたものである。
The fifth embodiment is a combination of the second embodiment and the fourth embodiment. That is, the fifth embodiment is different from the fourth embodiment in that the length B1 of the region where the
図9(a)に示された断面Y18−Y18は、図4(a)に示された断面Y1−Y1と同一である。すなわち、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流と、第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。
A cross section Y18-Y18 shown in FIG. 9A is the same as the cross section Y1-Y1 shown in FIG. That is, the sum of the dark current flowing from the boundary on the
図9(a)に示された断面Y19−Y19では、ガード層44は、分離領域43とアクティブ領域41との境界のうち、フォトダイオードPDの第1端51側と第2端52側の境界の両方に設けられていない。そのため、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流も、第2端52側の境界から流入する暗電流も、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。したがって、断面Y19−Y19において、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から流入する暗電流と、第2端52側の境界から流入する暗電流との合計は、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって変化しない。
In the cross section Y19-Y19 shown in FIG. 9A, the
図9(a)に示された断面Y17−Y17および断面Y20−Y20は、図8(a)に示された断面Y13−Y13と同一である。すなわち、断面Y17−Y17および断面Y20−Y20においては、フォトダイオードPDに暗電流が流入しない。 The cross section Y17-Y17 and the cross section Y20-Y20 shown in FIG. 9A are the same as the cross section Y13-Y13 shown in FIG. That is, no dark current flows into the photodiode PD in the cross sections Y17-Y17 and Y20-Y20.
図9(a)および(b)に示した本発明の第5の実施の形態によるイメージセンサ30によれば、図8(a)および(b)に示した第4の実施の形態と比べて次のような作用効果が得られる。
本発明の第2の実施の形態によるイメージセンサ30では、第2端52の近傍に設けられたガード層44を注入しない領域を第4の実施の形態と比べて拡大することで、図8(a)の断面Y15−Y15のようにガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによって暗電流の合計が変化する箇所を減らし、そのずれによる暗電流の総量の変化を第4の実施の形態よりもさらに低減することができる。
According to the
In the
(第6の実施の形態)
図10(a)は、本発明の第6の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20の拡大画素平面図である。図10(a)には、イメージセンサ30の撮像面に並べて配置されている二つの画素20が並べて図示されている。図10(b)は、図10(a)のY21−Y21断面図である。
(Sixth embodiment)
FIG. 10A is an enlarged pixel plan view of the
第6の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20は、非分離領域61にP型の不純物を注入して、P型注入層62を形成する。P型注入層62は、不純物の濃度がP型ウエルよりも高く、P型ウエルよりも二つの画素20の間を電気的に分離する性能が高い。
In the
図10(a)および(b)に示した本発明の第6の実施の形態によるイメージセンサ30によれば、第3〜5の実施の形態と比べて次のような作用効果が得られる。
イメージセンサ30を小型化する場合や画素密度を高くする場合に、非分離領域61を挟んで向かい合うフォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFDとの間の距離を短くすることが考えられる。導電型が共にN型であるフォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFDとの間の距離を短くすると、フォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFDとの間に予期せぬリーク電流が流れる確率が上がる。非分離領域61に不純物濃度がP型ウエルよりも高いP型注入層62を設けることにより、非分離領域61を挟んで向かい合うフォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFDとの間のリーク電流の発生確率を低減することができる。
According to the
When the
(第7の実施の形態)
図11(a)は、本発明の第7の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20の拡大画素平面図である。図11(a)には、イメージセンサ30の撮像面に並べて配置されている二つの画素20が並べて図示されている。図11(b)は、図11(a)のY22−Y22断面図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 11A is an enlarged pixel plan view of the
第7の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20では、フォトダイオードPDの上に形成されていた表面層42を非分離領域61まで延伸させる。非分離領域61の上の表面層42は、非分離領域61の半導体表面に存在する未結合手(タングリングボンド)からフォトダイオードPDへの暗電流の流入を防ぐと共に、非分離領域61を挟んで向かい合うフォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFDとの間のリーク電流の発生確率を低減することができる。
In the
(第8の実施の形態)
図12(a)は、本発明の第8の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20の拡大画素平面図である。図12(a)には、イメージセンサ30の撮像面に並べて配置されている二つの画素20が並べて図示されている。図12(b)は、図12(a)のY23−Y23断面図である。
(Eighth embodiment)
FIG. 12A is an enlarged pixel plan view of the
第8の実施の形態は、第5の実施の形態と第6の実施の形態の組み合わせである。すなわち、第8の実施の形態は、第5の実施の形態の非分離領域61にP型注入層62を設けたものである。このようにすることで、ガード層44を注入する際のY軸方向のアライメントのずれによる暗電流の総量の変化を第5の実施の形態と同様に低減することができると共に、非分離領域61を挟んで向かい合うフォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFDとの間のリーク電流の発生確率を第6の実施の形態と同様に低減することができる。
The eighth embodiment is a combination of the fifth embodiment and the sixth embodiment. That is, in the eighth embodiment, the P-
(第9の実施の形態)
図13(a)は、本発明の第9の実施の形態に係るイメージセンサ30の画素20の拡大画素平面図である。図13(a)には、イメージセンサ30の撮像面に並べて配置されている二つの画素20が並べて図示されている。図13(b)は、図13(a)のY24−Y24断面図である。
(Ninth embodiment)
FIG. 13A is an enlarged pixel plan view of the
第9の実施の形態に係るイメージセンサ30では、第5の実施の形態におけるフォトダイオードPDの形状をY軸方向に対称(左右対称)な形状とすると共に、アクティブ領域41におけるフォトダイオードPDの位置を変更している。具体的には、フォトダイオードPDの第1端51側の境界から第1端51までのX軸寸法D1と第2端52側の境界から第2端52までのX軸寸法D2とが同一になる位置にフォトダイオードPDを設けている。このようにすることで、フォトダイオードPDを注入する際のY軸方向のアライメントのずれによる暗電流の総量の変化を低減することができる。
In the
以上で説明した実施形態は、以下のように変形して実施できる。 The embodiment described above can be implemented with the following modifications.
(変形例1)
上記の各実施の形態では、イメージセンサ30の画素20は、転送トランジスタTa、増幅トランジスタTb、リセットトランジスタTc、および選択トランジスタTdをそれぞれ有していた。しかし、複数の画素の間で一または複数のトランジスタを共用することにしてもよい。増幅トランジスタTb、リセットトランジスタTc、および選択トランジスタTdを二つの画素で共有する場合の等価回路図を図14に示す。
(Modification 1)
In each of the above embodiments, the
(変形例2)
上記の各実施の形態では、イメージセンサ30の画素20は、フローティングディフュージョンFDをそれぞれ有していた。しかし、複数の画素でフローティングディフュージョンFDを共用することにしてもよい。たとえば、二つの画素の転送トランジスタTaを向い合せに配置し、それら二つの転送トランジスタTaの間にフローティングディフュージョンFDを配置して、そのフローティングディフュージョンFDを二つの画素間で共用することにしてもよい。
(Modification 2)
In each of the above embodiments, the
本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。 As long as the characteristics of the present invention are not impaired, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and other forms conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention. .
1:電子カメラ、3:固体撮像装置、20:画素、30:イメージセンサ、31:非分離領域、41:アクティブ領域、42:表面層、43:分離領域、44:ガード層、51:第1端、52:第2端、61:非分離領域、62:P型注入層 1: electronic camera, 3: solid-state imaging device, 20: pixel, 30: image sensor, 31: non-separation region, 41: active region, 42: surface layer, 43: separation region, 44: guard layer, 51: first End 52: Second end 61: Non-isolation region 62: P-type injection layer
Claims (9)
前記複数の画素の各々に、
入射光量に応じた信号電荷を蓄積する光電変換部と、前記信号電荷を検出する電荷検出部と、前記光電変換部から前記電荷検出部に前記信号電荷を転送する転送トランジスタとが設けられるアクティブ領域と、
前記アクティブ領域の周囲に形成される分離領域と、
前記光電変換部の周囲の一部に設けられ、前記アクティブ領域と前記分離領域との境界部に形成されるガード層と、を有し、
前記光電変換部は、第1端に前記転送トランジスタが接続され、
前記ガード層は、前記境界部のうち、前記第1端に対向する前記光電変換部の第2端の周辺の一部には形成されないことを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of pixels are two-dimensionally arranged on the imaging surface,
For each of the plurality of pixels,
An active region provided with a photoelectric conversion unit that accumulates signal charges according to the amount of incident light, a charge detection unit that detects the signal charges, and a transfer transistor that transfers the signal charges from the photoelectric conversion unit to the charge detection unit When,
An isolation region formed around the active region;
A guard layer provided at a part of the periphery of the photoelectric conversion unit and formed at a boundary between the active region and the separation region;
The photoelectric conversion unit is connected to the transfer transistor at a first end,
The said guard layer is not formed in a part of periphery of the 2nd end of the said photoelectric conversion part facing the said 1st end among the said boundary parts, The solid-state image sensor characterized by the above-mentioned.
前記光電変換部の周囲のうち、前記ガード層が形成されない前記第1端側の長さは、前記ガード層が形成されない前記第2端側の長さと等しいことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The length of the first end side where the guard layer is not formed in the periphery of the photoelectric conversion unit is equal to the length of the second end side where the guard layer is not formed.
前記複数の画素の各々の前記アクティブ領域は、当該画素の前記第2端の一部から当該画素に隣接する画素の前記アクティブ領域まで延在する非分離領域を有することを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1 or 2,
The active region of each of the plurality of pixels has a non-separation region extending from a part of the second end of the pixel to the active region of a pixel adjacent to the pixel. .
前記非分離領域の延在方向と深さ方向とに直交する方向の幅は、前記光電変換部と前記転送トランジスタの幅と等しいことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 3,
A solid-state imaging device, wherein a width in a direction orthogonal to an extending direction and a depth direction of the non-isolation region is equal to a width of the photoelectric conversion unit and the transfer transistor.
前記非分離領域は、前記ガード層と同一の導電型の分離注入層を有することを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 3 or 4,
The solid-state imaging device, wherein the non-isolation region has a separate injection layer of the same conductivity type as the guard layer.
前記ガード層と同一の導電型であって、前記光電変換部の上部に形成される表面層をさらに備え、
前記表面層は、前記非分離領域の上部にも形成されることを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 3 or 4,
The same conductivity type as the guard layer, further comprising a surface layer formed on the photoelectric conversion portion,
The surface layer is also formed on the non-separation region.
前記非分離領域の延在方向と深さ方向とに直交する方向の幅は、前記光電変換部と前記転送トランジスタとの接続部の幅と等しいことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 3,
A solid-state imaging device, wherein a width of the non-isolation region in a direction perpendicular to the extending direction and the depth direction is equal to a width of a connection portion between the photoelectric conversion unit and the transfer transistor.
前記第1端から前記第1端側の前記境界部までの距離と、前記第2端から前記第2端側の前記境界部までの距離とが同一であることを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7,
The solid-state imaging device, wherein a distance from the first end to the boundary portion on the first end side is the same as a distance from the second end to the boundary portion on the second end side.
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