JP2017147353A - Solid state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態は、固体撮像装置に関する。 The present embodiment relates to a solid-state imaging device.
従来、固体撮像装置は、撮像画像の各画素に対応して行列状に設けられる複数の光電変換素子を備える。各光電変換素子は、入射光を光量に応じた信号電荷へ変換して蓄積し、蓄積した信号電荷に応じた電圧を各画素の輝度を示す画素信号として出力する。 Conventionally, a solid-state imaging device includes a plurality of photoelectric conversion elements provided in a matrix corresponding to each pixel of a captured image. Each photoelectric conversion element converts incident light into a signal charge corresponding to the amount of light and accumulates it, and outputs a voltage corresponding to the accumulated signal charge as a pixel signal indicating the luminance of each pixel.
かかる固体撮像装置は、小型化および薄型化が進むにつれて、光電変換素子の電荷蓄積領域が縮小され、光電変換素子に蓄積可能な飽和信号電荷数が減少する。これより、固体撮像装置は、撮像可能な輝度のダイナミックレンジが狭くなる。 In such a solid-state imaging device, as the size and thickness of the solid-state imaging device are reduced, the charge accumulation region of the photoelectric conversion element is reduced, and the number of saturation signal charges that can be accumulated in the photoelectric conversion element is reduced. As a result, the solid-state imaging device has a narrow dynamic range of luminance that can be imaged.
一つの実施形態は、ダイナミックレンジを拡張することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 An object of one embodiment is to provide a solid-state imaging device capable of extending a dynamic range.
一つの実施形態によれば、固体撮像装置が提供される。固体撮像装置は、光電変換素子と、拡張ゲートとを備える。前記光電変換素子は、半導体層に設けられ、入射光を信号電荷に変換して蓄積する。前記拡張ゲートは、前記半導体層における前記光電変換素子に隣接する領域上に設けられ、電圧が印加されることによって、前記光電変換素子の電荷蓄積領域を拡張する。前記光電変換素子および前記拡張ゲートは、互いに平面視千鳥格子状に配置される。 According to one embodiment, a solid-state imaging device is provided. The solid-state imaging device includes a photoelectric conversion element and an expansion gate. The photoelectric conversion element is provided in the semiconductor layer and converts incident light into signal charges and accumulates them. The extension gate is provided on a region of the semiconductor layer adjacent to the photoelectric conversion element, and extends a charge accumulation region of the photoelectric conversion element when a voltage is applied thereto. The photoelectric conversion element and the extension gate are arranged in a staggered pattern in plan view.
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置について詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る固体撮像装置14を備えるデジタルカメラ1の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、デジタルカメラ1は、カメラモジュール11と後段処理部12とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a
カメラモジュール11は、撮像光学系13と固体撮像装置14とを備える。撮像光学系13は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置14は、撮像光学系13によって結像される被写体像を撮像し、撮像によって得られた画像信号を後段処理部12へ出力する。かかるカメラモジュール11は、デジタルカメラ1以外に、例えば、カメラ付き携帯端末などの電子機器に適用される。
The camera module 11 includes an imaging optical system 13 and a solid-state imaging device 14. The imaging optical system 13 takes in light from a subject and forms a subject image. The solid-state imaging device 14 captures a subject image formed by the imaging optical system 13 and outputs an image signal obtained by the imaging to the post-processing unit 12. In addition to the
後段処理部12は、ISP(Image Signal Processor)15、記憶部16および表示部17を備える。ISP15は、固体撮像装置14から入力される画像信号の信号処理を行う。かかるISP15は、例えば、ノイズ除去処理、欠陥画素補正処理、解像度変換処理などの高画質化処理を行う。
The post-processing unit 12 includes an ISP (Image Signal Processor) 15, a storage unit 16, and a display unit 17. The
そして、ISP15は、信号処理後の画像信号を記憶部16、表示部17およびカメラモジュール11内の固体撮像装置14が備える後述の信号処理回路21(図2参照)へ出力する。ISP15からカメラモジュール11へフィードバックされる画像信号は、固体撮像装置14の調整や制御に用いられる。
Then, the
記憶部16は、ISP15から入力される画像信号を画像として記憶する。また、記憶部16は、記憶した画像の画像信号をユーザの操作などに応じて表示部17へ出力する。表示部17は、ISP15あるいは記憶部16から入力される画像信号に応じて画像を表示する。かかる表示部17は、例えば、液晶ディスプレイなどである。
The storage unit 16 stores the image signal input from the
次に、図2を参照してカメラモジュール11が備える固体撮像装置14について説明する。図2は、第1実施形態に係る固体撮像装置14の概略構成を示すブロック図である。図2に示すように、固体撮像装置14は、イメージセンサ20と、信号処理回路21とを備える。
Next, the solid-state imaging device 14 included in the camera module 11 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the solid-state imaging device 14 according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the solid-state imaging device 14 includes an
ここでは、イメージセンサ20が、入射光を光電変換する画素における入射光が入射する側の面側に配線層が形成される所謂表面照射型CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサである場合について説明する。なお、イメージセンサ20が、裏面照射型である場合については、第2実施形態で後述する。
Here, a case where the
イメージセンサ20は、周辺回路22と、画素アレイ23とを備える。また、周辺回路22は、垂直シフトレジスタ24、タイミング制御部25、CDS(相関二重サンプリング)26、ADC(アナログデジタル変換部)27、およびラインメモリ28を備え、これらは主にアナログ回路で構成される。
The
画素アレイ23は、イメージセンサ20の撮像領域に設けられる。かかる画素アレイ23には、撮像画像の各画素に対応する複数の光電変換素子が、水平方向(行方向)および垂直方向(列方向)へ2次元アレイ状(マトリックス状)に配置されている。そして、画素アレイ23は、各画素の光電変換素子が入射光量に応じた信号電荷(例えば、電子)を発生させて、各画素内の電荷蓄積領域に蓄積する。
The
ここで、一般的な画素アレイは、小型化および薄型化されると、電荷蓄積領域に蓄積可能な飽和電子数が低減され、撮像可能な輝度のダイナミックレンジが狭くなる。そこで、本実施形態の画素アレイ23は、半導体層における光電変換素子に隣接する領域上に設けられ、電圧が印加されることによって、光電変換素子の電荷蓄積領域を拡張する拡張ゲートを備える。これにより、画素アレイ23は、撮像可能な輝度のダイナミックレンジを拡張することができる。なお、画素アレイ23の具体的構成や動作については、図3A〜図22を参照して後述する。
Here, when a general pixel array is reduced in size and thickness, the number of saturated electrons that can be stored in the charge storage region is reduced, and the dynamic range of luminance that can be captured becomes narrow. Therefore, the
タイミング制御部25は、垂直シフトレジスタ24、CDS26、ADC27およびラインメモリ28に対して動作指示となる制御信号を出力する処理部である。また、タイミング制御部25は、前述した拡張ゲートへの電圧の印加および非印加を切り替える制御や、後述する排出ゲートへの電圧の印加および非印加を切り替える制御も合わせて行う。
The timing control unit 25 is a processing unit that outputs a control signal serving as an operation instruction to the
拡張ゲートや排出ゲートに対する制御信号は、タイミング制御部25から垂直シフトレジスタ24を介して、画素アレイ23中の対応する拡張ゲートや排出ゲートへ入力される。なお、かかる制御信号の流れは一例であり、タイミング制御部25は、拡張ゲートや排出ゲートへ直接、制御信号を出力する構成であってもよい。
Control signals for the expansion gate and the discharge gate are input from the timing control unit 25 to the corresponding expansion gate and discharge gate in the
なお、タイミング制御部25は、後述の転送ゲート、第1リセットゲート、第2リセットゲート、排出ゲート、アンプトランジスタのゲート、およびアドレストランジスタのゲートに対する電圧の印加制御も行う。 The timing control unit 25 also performs voltage application control on a transfer gate, a first reset gate, a second reset gate, a discharge gate, an amplifier transistor gate, and an address transistor gate, which will be described later.
垂直シフトレジスタ24は、アレイ(行列)状に2次元配列された複数の画素の中から信号電荷を読み出す画素を行単位で順次選択するための選択信号を画素アレイ23へ出力する処理部である。
The
画素アレイ23は、垂直シフトレジスタ24から入力される選択信号によって行単位で選択される各画素からCDS26へ、各画素に蓄積された信号電荷に応じた画素信号を出力する。
The
CDS26は、画素アレイ23から入力される画素信号から、相関二重サンプリングによってノイズを除去してADC27へ出力する処理部である。ADC27は、CDS26から入力されるアナログの画素信号をデジタルの画素信号へ変換してラインメモリ28へ出力する処理部である。ラインメモリ28は、ADC27から入力される画素信号を一時的に保持し、画素アレイ23における画素の行毎に信号処理回路21へ出力する処理部である。
The
信号処理回路21は、ラインメモリ28から入力される画素信号に対して所定の信号処理を行って後段処理部12へ出力する処理部であり、主にデジタル回路で構成される。信号処理回路21は、画素信号に対して、例えば、レンズシェーディング補正、傷補正、ノイズ低減処理などの信号処理を行う。
The signal processing circuit 21 is a processing unit that performs predetermined signal processing on the pixel signal input from the
このように、イメージセンサ20では、画素アレイ23に配置される複数の画素が入射光を受光量に応じた量の信号電荷へ光電変換して蓄積し、周辺回路22が各画素に蓄積された信号電荷に応じた画素信号を読み出すことによって撮像を行う。
As described above, in the
次に、図3Aおよび図3Bを参照して、画素アレイ23の平面視による構成について説明する。図3Aは、第1実施形態に係る画素アレイ23の平面視による一部を示す説明図である。図3Bは、第1実施形態に係る画素アレイ23の1画素に対応する回路を示す説明図である。
Next, the configuration of the
図3Aに示すように、画素アレイ23は、例えば、ボロン等のP型の不純物がドープされたシリコンにより形成された半導体層31に、平面視行列状に配列された複数の光電変換素子PDを備える。光電変換素子PDは、例えば、リン等のN型の不純物がドープされた半導体領域である。
As shown in FIG. 3A, the
各光電変換素子PDの受光面上には、例えば、ボロン等のP型の不純物がドープされたP型領域34(図4参照)を介して、光電変換素子PDの受光面よりも面積が大きなマイクロレンズMLが設けられる。 On the light receiving surface of each photoelectric conversion element PD, for example, the area is larger than the light receiving surface of the photoelectric conversion element PD via a P-type region 34 (see FIG. 4) doped with a P-type impurity such as boron. A microlens ML is provided.
具体的には、マイクロレンズMLは、受光面積が光電変換素子PDの平面視における受光面積より大きく、外周が拡張ゲートSTの平面視における中央に達する。これにより、マイクロレンズMLは、拡張ゲートST上へ向けて到来する光まで光電変換素子PDへ集光することができる。光電変換素子PDは、各マイクロレンズMLによって集光される入射光を受光量に応じた信号電荷に変換して蓄積する。 Specifically, the microlens ML has a light receiving area larger than the light receiving area in the plan view of the photoelectric conversion element PD, and the outer periphery reaches the center in the plan view of the extension gate ST. Thereby, the microlens ML can condense the light that comes toward the extension gate ST onto the photoelectric conversion element PD. The photoelectric conversion element PD converts the incident light condensed by each microlens ML into a signal charge corresponding to the amount of received light and accumulates it.
また、画素アレイ23は、半導体層31における各光電変換素子PDに隣接する領域(例えば、各光電変換素子PDの右下斜め45°に位置する領域)にそれぞれ積層される拡張ゲートSTを備える。拡張ゲートSTは、例えば、ポリシリコンによって形成されるゲートであり、電圧が印加されることによって、半導体層31における拡張ゲートST直下の領域に、光電変換素子PDの電荷蓄積領域と連続する電位の井戸を形成する。
In addition, the
これにより、画素アレイ23は、半導体層31における光電変換素子PDの領域に加え、拡張ゲートST直下の領域までが信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域となるので、光電変換素子PDの電荷蓄積領域を拡張することができる。
As a result, the
したがって、画素アレイ23によれば、光電変換素子PDの領域にしか信号電荷を蓄積できない他の画素アレイに比べて、より多くの信号電荷を蓄積することができるので、撮像する輝度のダイナミックレンジを拡張することができる。
Therefore, according to the
また、各光電変換素子PDおよび拡張ゲートSTは、互いに平面視千鳥格子状に配置される。これにより、画素アレイ23は、例えば、光電変換素子PDの行または列のいずれか一方向に、光電変換素子PDと拡張ゲートSTとを交互に配置する場合に比べて、面積を縮小することができ、小型化が可能となる。
The photoelectric conversion elements PD and the expansion gates ST are arranged in a staggered pattern in plan view. Thereby, the
また、各拡張ゲートSTは、互いに隣り合う4つの光電変換素子PDによって四方が囲まれる領域の略中央にそれぞれ積層される。これにより、画素アレイ23は、光電変換素子PDの行または列のいずれか一方向に、光電変換素子PDと拡張ゲートSTとを交互に配置される場合に比べて、画素間の距離を行列方向の両方について均等に縮小することができ、さらなる小型化が可能となる。
In addition, each extension gate ST is stacked at approximately the center of a region surrounded on all sides by four photoelectric conversion elements PD adjacent to each other. As a result, the
なお、光電変換素子PDおよび拡張ゲートSTの配置は、千鳥格子状に限定されるものではなく、格子状であってもよい。光電変換素子PDおよび拡張ゲートSTが格子状に配置される場合の一例については、図27を参照して後述する。 Note that the arrangement of the photoelectric conversion elements PD and the expansion gates ST is not limited to a staggered lattice shape, and may be a lattice shape. An example of the case where the photoelectric conversion elements PD and the expansion gates ST are arranged in a lattice shape will be described later with reference to FIG.
また、画素アレイ23は、転送ゲートTG、第1フローティングディフュージョンFD1、第1リセットゲートRS1、第2フローティングディフュージョンFD2、第2リセットゲートRS2、およびリセットドレインRDを備える。
The
転送ゲートTG、第1フローティングディフュージョンFD1、第1リセットゲートRS1、第2フローティングディフュージョンFD2、第2リセットゲートRS2、リセットドレインRDは、例えば、行方向で隣り合う2つの拡張ゲートSTの間に平面視において一列に並ぶ。 The transfer gate TG, the first floating diffusion FD1, the first reset gate RS1, the second floating diffusion FD2, the second reset gate RS2, and the reset drain RD are, for example, a plan view between two extension gates ST adjacent in the row direction. In a row.
第1フローティングディフュージョンFD1および第2フローティングディフュージョンFD2は、例えば、リン等のN型の不純物がドープされて信号電荷を保持可能な領域である。リセットドレインRDは、例えば、リン等のN型の不純物がドープされた領域であり、信号電荷が排出される領域である。 The first floating diffusion FD1 and the second floating diffusion FD2 are regions that can hold signal charges by being doped with N-type impurities such as phosphorus, for example. The reset drain RD is a region doped with N-type impurities such as phosphorus, and is a region where signal charges are discharged.
転送ゲートTGは、例えば、ポリシリコンによって形成され、電圧が印加されることによって、半導体層31における拡張ゲートST直下の領域から第1フローティングディフュージョンFD1へ信号電荷を転送するゲートである。
The transfer gate TG is a gate that is formed of, for example, polysilicon and transfers signal charges from the region immediately below the extension gate ST in the
第1リセットゲートRS1は、例えば、ポリシリコンによって形成され、電圧が印加されることによって、第1フローティングディフュージョンFD1と第2フローティングディフュージョンFD2とを電気的に導通させるゲートである。 The first reset gate RS1 is a gate formed of, for example, polysilicon, and electrically connects the first floating diffusion FD1 and the second floating diffusion FD2 when a voltage is applied.
第2リセットゲートRS2は、例えば、ポリシリコンによって形成され、電圧が印加されることによって、第2フローティングディフュージョンFD2からリセットドレインRDへ信号電荷を排出するゲートである。 The second reset gate RS2 is formed of, for example, polysilicon, and is a gate that discharges signal charges from the second floating diffusion FD2 to the reset drain RD when a voltage is applied.
そして、転送ゲートTG、第1フローティングディフュージョンFD1、第1リセットゲートRS1、第2フローティングディフュージョンFD2、第2リセットゲートRS2、リセットドレインRDが並ぶ方向と、光電変換素子PDおよび拡張ゲートSTが並ぶ方向とは、平面視において、略45度の角度で交差する。 The direction in which the transfer gate TG, the first floating diffusion FD1, the first reset gate RS1, the second floating diffusion FD2, the second reset gate RS2, and the reset drain RD are arranged, and the direction in which the photoelectric conversion element PD and the extension gate ST are arranged. Intersect at an angle of approximately 45 degrees in plan view.
これにより、画素アレイ23は、例えば、光電変換素子、拡張ゲート、転送ゲート、フローティングディフュージョン、リセットゲート、リセットドレインを一直線上に配置する場合に比べて、一画素の占有面積を低減することができる。
Thereby, the
また、画素アレイ23は、列方向で隣り合う2つの拡張ゲートSTの間に、平面視一列に並ぶアンプトランジスタAMPと、アドレストランジスタADRとを備える。アンプトランジスタAMPは、ゲートに第1フローティングディフュージョンFD1または第2フローティングディフュージョンFD2が後述の多層配線によって接続されて、光電変換素子PDによって光電変換された信号電荷を増幅するトランジスタである。アドレストランジスタADRは、信号電荷を読み出す画素が選択される場合に、ゲートに電圧が印加されるトランジスタである。
Further, the
このように、画素アレイ23は、各画素の境界線上に、アンプトランジスタAMP、アドレストランジスタADRを備える。また、画素アレイ23は、各画素の境界線上に、転送ゲートTG、第1フローティングディフュージョンFD1、第1リセットゲートRS1、第2フローティングディフュージョンFD2、第2リセットゲートRS2、およびリセットドレインRDを備える。これにより、画素アレイ23は、各画素の受光面を可及的に広くすることができる。
As described above, the
また、画素アレイ23は、各画素毎に、排出ゲートICGと、ドレインDDとを備える。排出ゲートICGは、例えば、ポリシリコンによって形成され、半導体層31における各光電変換素子PDに隣接する領域に積層される。
The
ドレインDDは、例えば、リン等のN型の不純物がドープされた領域であり、信号電荷が排出される領域である。かかるドレインDDは、平面視において、排出ゲートICGを介して光電変換素子PDと対向する位置に設けられる。排出ゲートICGは、電圧が印加されることによって、光電変換素子PDからドレインDDへ信号電荷を排出するゲートである。 The drain DD is a region doped with an N-type impurity such as phosphorus, and is a region from which signal charges are discharged. The drain DD is provided at a position facing the photoelectric conversion element PD via the discharge gate ICG in plan view. The discharge gate ICG is a gate that discharges signal charges from the photoelectric conversion element PD to the drain DD when a voltage is applied.
画素アレイ23は、光電変換素子PDに蓄積される信号電荷の一部をドレインDDへ排出することによって、光電変換素子PDの電荷蓄積領域が容易に飽和状態に達することを抑制することがきる。これにより、画素アレイ23は、撮像する輝度のダイナミックレンジをさらに拡張することができる。
The
なお、ここでは、図示を省略したが、マイクロレンズMLの直下には、後述のカラーフィルタCFが設けられ、カラーフィルタCFと半導体層31との間には、層間絶縁膜35が設けられる(図4参照)。層間絶縁膜35内には、多層配線36が設けられる。
Although not shown here, a color filter CF, which will be described later, is provided immediately below the microlens ML, and an
かかる多層配線36は、各光電変換素子PDの受光領域を避けて、平面視垂直方向に延伸する複数の垂直信号線と、平面視水平方向に延伸する複数の水平信号線とを含む。このうち、水平信号線は、垂直シフトレジスタ24(図2参照)から排出ゲートICG、拡張ゲートST、転送ゲートTG、第1リセットゲートRS1、第2リセットゲートRS2、アドレストランジスタADRのゲートへ制御信号を送信する信号線である。
The
具体的には、図3Bに示すように、排出ゲートICGは、排出ゲートICG用の水平信号線に接続される。排出ゲートICGがゲートになるトランジスタは、光電変換素子PDがソースになり、ドレインDDがドレインになる。 Specifically, as shown in FIG. 3B, the discharge gate ICG is connected to a horizontal signal line for the discharge gate ICG. In the transistor whose drain gate ICG is the gate, the photoelectric conversion element PD is the source and the drain DD is the drain.
拡張ゲートSTは、拡張ゲートST用の水平信号線に接続される。拡張ゲートSTがゲートになるトランジスタは、光電変換素子PDがソースになり、転送ゲートTGがゲートになるトランジスタのソースがドレインになる。 The extension gate ST is connected to a horizontal signal line for the extension gate ST. In the transistor whose extension gate ST is the gate, the photoelectric conversion element PD is the source, and the source of the transistor whose transfer gate TG is the gate is the drain.
転送ゲートTGは、転送ゲート用の水平信号線に接続される。転送ゲートTGがゲートになるトランジスタは、拡張ゲートSTがゲートになるトランジスタのドレインがソースになり、第1フローティングディフュージョンFD1がドレインになる。 The transfer gate TG is connected to a horizontal signal line for the transfer gate. In the transistor whose transfer gate TG is a gate, the drain of the transistor whose extension gate ST is a gate becomes a source, and the first floating diffusion FD1 becomes a drain.
第1リセットゲートRS1は、第1リセットゲートRS1用の水平信号線に接続される。第1リセットゲートRS1がゲートになるトランジスタは、第1フローティングディフュージョンFD1がソースになり、第2フローティングディフュージョンFD2がドレインになる。 The first reset gate RS1 is connected to the horizontal signal line for the first reset gate RS1. The transistor whose gate is the first reset gate RS1 has the first floating diffusion FD1 as the source and the second floating diffusion FD2 as the drain.
第2リセットゲートRS2は、第2リセットゲートRS2用の水平信号線に接続される。第2リセットゲートRS2がゲートになるトランジスタは、第2フローティングディフュージョンFD2がソースになり、リセットドレインRDがドレインになる。 The second reset gate RS2 is connected to the horizontal signal line for the second reset gate RS2. In the transistor whose gate is the second reset gate RS2, the second floating diffusion FD2 is the source, and the reset drain RD is the drain.
また、アドレストランジスタADRは、ゲートがアドレストランジスタADR用の水平信号線に接続され、ソースがCDS26(図2参照)に接続され、ドレインがアンプトランジスタAMPのソースに接続される。 The address transistor ADR has a gate connected to the horizontal signal line for the address transistor ADR, a source connected to the CDS 26 (see FIG. 2), and a drain connected to the source of the amplifier transistor AMP.
アンプトランジスタAMPは、ゲートが第1フローティングディフュージョンFD1に接続され、ソースがアドレストランジスタADRのドレインに接続され、ドレインがドレインDDに接続される。 The amplifier transistor AMP has a gate connected to the first floating diffusion FD1, a source connected to the drain of the address transistor ADR, and a drain connected to the drain DD.
次に、図4を参照して、画素アレイ23の断面構造および画素アレイ23内部の電位分布について説明する。図4は、第1実施形態に係る画素アレイ23の断面視による一部と、画素アレイ23内部の電位分布との対応関係を示す説明図である。なお、図4に示す断面は、図3Aに示す画素アレイ23を同図に両向矢印で示す折れ線で切断した断面を模式的に示している。
Next, the cross-sectional structure of the
図4の上段に示すように、画素アレイ23は、順次積層される半導体層31、層間絶縁膜35、カラーフィルタCF、およびマイクロレンズMLを備える。マイクロレンズMLは、受光する光を光電変換素子PDへ集光する平凸レンズである。カラーフィルタCFは、例えば、赤色光、緑色光、および青色光のうちのいずれか一つを選択的に透過させる色フィルタである。カラーフィルタCFは、例えば、ベイヤ配列される。
As shown in the upper part of FIG. 4, the
層間絶縁膜35は、例えば、TEOS(テトラエトキシシラン)によって形成される酸化シリコン層である。層間絶縁膜35は、内部に多層配線36が設けられる。多層配線36は、マイクロレンズMLによって集光される光路を避けた位置に設けられる。また、層間絶縁膜35は、深層部に前述した排出ゲートICG、拡張ゲートST、転送ゲートTG、第1リセットゲートRS1、および第2リセットゲートRS2が設けられる。
The
半導体層31は、表層にドレインDD、P型領域34、光電変換素子PD、ウェル33が設けられる。ウェル33は、例えば、ボロン等のP型の不純物がドープされた領域である。ウェル33の表層には、第1フローティングディフュージョンFD1、第2フローティングディフュージョンFD2、およびリセットドレインRDが設けられる。
The
また、半導体層31は、光電変換素子PDとウェル33との間に、例えば、リン等のN型の不純物がドープされたN型領域32が設けられる。N型領域32は、拡張ゲートSTの下方で、光電変換素子PDよりも第1フローティングディフュージョンFD1寄りの位置に設けられる。これにより、N型領域32は、拡張ゲートSTに電圧が印加されて電荷蓄積領域となる場合に、蓄積した信号電荷が光電変換素子PD側へ逆流することを抑制することができる。
Further, the
かかる半導体層31の内部は、排出ゲートICG、拡張ゲートST、転送ゲートTG、第1リセットゲートRS1、および第2リセットゲートRS2に電圧が印加されない場合、図4の下段に示すような電位分布となる。
When the voltage is not applied to the discharge gate ICG, the extension gate ST, the transfer gate TG, the first reset gate RS1, and the second reset gate RS2, the inside of the
具体的には、半導体層31の内部は、ドレインDD、第1フローティングディフュージョンFD1、第2フローティングディフュージョンFD2、およびリセットドレインRDの電位が所定の上限値(以下、単に、「上限値」と記載する)となる。
Specifically, in the
排出ゲートICGの下方領域、拡張ゲートSTの下方領域のうちN型領域32が設けられていない領域、転送ゲートTGの下方領域、第1リセットゲートRS1、および第2リセットゲートRS2の下方領域の電位が所定の下限値(以下、単に、「下限値」と記載する)となる。
The potential of the region below the discharge gate ICG, the region below the extension gate ST where the N-
ここで、排出ゲートICGの下方領域における電位の下限値をV(IGC)、拡張ゲートSTの下方領域のうちN型領域32が設けられていない領域における電位の下限値をV(STa)、転送ゲートTGの下方領域における電位の下限値をV(TG)とする。
Here, the lower limit value of the potential in the region below the discharge gate ICG is V (IGC), and the lower limit value of the potential in the region below the extension gate ST where the N-
第1リセットゲートRS1、第2リセットゲートRS2における電位の各下限値を、V(RS1)、V(RS2)とすると、各下限値の大小関係は、V(RS1)=V(RS2)=V(IGC)>V(STa)>V(TG)となっている。光電変換素子PD、およびN型領域32の電位は、前述した上限値の電圧よりも低く、下限値の電位よりも高くなる。
When the lower limit values of the potentials in the first reset gate RS1 and the second reset gate RS2 are V (RS1) and V (RS2), the magnitude relationship between the lower limit values is V (RS1) = V (RS2) = V (IGC)> V (STa)> V (TG). The potentials of the photoelectric conversion element PD and the N-
ここで、半導体層31の中で、電位が低い領域に囲まれた電位が高い領域は、信号電荷を蓄積または保持可能な電位の井戸となる領域である。このため、図4の下段に示す状態では、光電変換素子PD、N型領域32、第1フローティングディフュージョンFD1、および第2フローティングディフュージョンFD2が電位の井戸となる領域である。
Here, in the
画素アレイ23は、この状態から、排出ゲートICG、拡張ゲートST、転送ゲートTG、第1リセットゲートRS1、および第2リセットゲートRS2に対する電圧の印加と非印加とを切り替えることによって、複数種類のモードでの動作が可能である。
From this state, the
具体的には、画素アレイ23は、高飽和モード、低ノイズモード、グローバルシャッタモード、およびHDR(High Dynamic Range)モードという4種類のモードでの動作が可能である。以下、画素アレイ23が各モードで行う動作について説明する。
Specifically, the
(高飽和モード)
高飽和モードは、比較的高輝度の画像を撮像するための動作モードであり、光電変換された信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域を、半導体層31における光電変換素子PDの領域から、拡張ゲートST下方の領域まで拡張して撮像するモードである。これにより、画素アレイ23は、電荷蓄積領域の飽和信号電荷数が増大するので、撮像可能な輝度のダイナミックレンジを拡張することができる。
(High saturation mode)
The high saturation mode is an operation mode for capturing an image with relatively high luminance. The charge accumulation region for accumulating the photoelectrically converted signal charge is extended from the region of the photoelectric conversion element PD in the
図5A、図6および図7は、第1実施形態に係る画素アレイ23が高飽和モードで行う動作の説明図である。図5Aには、転送ゲートTG、拡張ゲートST、第1リセットゲートRS1、および第2リセットゲートRS2に電圧が印加されるタイミングを示している。また、図6および図7には、高飽和モードでの半導体層31内の電位分布の推移を示している。図5Bは、第1実施形態に係る画素アレイ23が高飽和モードで行う動作の変形例を示す説明図である。
FIG. 5A, FIG. 6 and FIG. 7 are explanatory diagrams of the operation performed by the
図5Aに示すタイミングチャートでローレベルの期間は、電圧が低い状態であり、ハイレベルの期間は、電圧が高い状態である。以下、タイミングチャートがハイレベルとなっている状態をON、ローレベルとなっている状態をOFFと称する。なお、高飽和モードでは、排出ゲートICGがONになることはない。 In the timing chart shown in FIG. 5A, the low level period is a low voltage state, and the high level period is a high voltage state. Hereinafter, a state where the timing chart is at a high level is referred to as ON, and a state where the timing chart is at a low level is referred to as OFF. In the high saturation mode, the discharge gate ICG is not turned on.
図5Aに示すように、高飽和モードでは、第1リセットゲートRS1は常時ONとなる。このため、図6および図7に示すように、第1フローティングディフュージョンFD1、第1リセットゲートRS1の下方領域、および第2フローティングディフュージョンFD2の電位は、上限値に維持される。 As shown in FIG. 5A, in the high saturation mode, the first reset gate RS1 is always ON. Therefore, as shown in FIGS. 6 and 7, the potentials of the first floating diffusion FD1, the lower region of the first reset gate RS1, and the second floating diffusion FD2 are maintained at the upper limit values.
つまり、高飽和モードでは、第1フローティングディフュージョンFD1、第1リセットゲートRS1の下方領域、および第2フローティングディフュージョンFD2全体が一つのフローティングディフュージョンとして機能する。このため、ここでは、この領域をフローティングディフュージョンと称する。 That is, in the high saturation mode, the first floating diffusion FD1, the lower region of the first reset gate RS1, and the entire second floating diffusion FD2 function as one floating diffusion. For this reason, this region is referred to as a floating diffusion here.
画素アレイ23は、高飽和モードになると、図5Aに示すように、時刻がt10になるまでの間、転送ゲートTGおよび第2リセットゲートRS2がOFF、拡張ゲートSTおよび第1リセットゲートRS1がONとなる。
When the
これにより、半導体層31内の電位分布は、図4の下段に示す状態から図6に(a)で示す状態となる。この状態では、半導体層31における光電変換素子PDに加えて拡張ゲートST下方の領域も電荷蓄積領域となり、両領域内に信号電荷(図中のe-)が蓄積される。
Thereby, the potential distribution in the
その後、図5Aに示すように、時刻がt10になると、転送ゲートTGがONとなり、拡張ゲートSTがOFFとなり、半導体層31内の電位分布が図6に(b)で示す状態となる。これにより、電荷蓄積領域に蓄積されていた信号電荷の一部がフローティングディフュージョンへ転送される。
Thereafter, as shown in FIG. 5A, when the time reaches t10, the transfer gate TG is turned on, the extension gate ST is turned off, and the potential distribution in the
また、排出ゲートIGCの下方領域における電位V(IGC)は、拡張ゲートSTがOFF時の障壁部の電位V(STa)より高くなるように形成し、光電変換素子PDから拡張ゲートST側へ電荷が溢れないようにする。 Further, the potential V (IGC) in the lower region of the discharge gate IGC is formed so as to be higher than the potential V (STa) of the barrier portion when the extension gate ST is OFF, and the charge from the photoelectric conversion element PD to the extension gate ST side. So that it does n’t overflow.
続いて、図5Aに示すように、時刻がt11になると、拡張ゲートSTがONとなり、半導体層31内の電位分布が図6に(c)で示す状態となる。これにより、再度、半導体層31における光電変換素子PDに加えて拡張ゲートST下方の領域も電荷蓄積領域となり、光電変換素子PDに蓄積されていた信号電荷が半導体層31における拡張ゲートST下方のN型領域32に移動する。
Subsequently, as shown in FIG. 5A, when the time reaches t11, the extension gate ST is turned on, and the potential distribution in the
その後、図5Aに示すように、半導体層31内の電位分布は、1フレームの画像の撮像が終了する時刻となるt12になるまで、図6で(b)で示す状態と、図6に(c)で示す状態とを繰り返す。
Thereafter, as shown in FIG. 5A, the potential distribution in the
このように、図6で(b)で示す状態と、図6に(c)で示す状態とを複数回繰り返すことにより、拡張ゲートSTで一度にフローティングディフュージョンFDに転送できる電荷量が小さくても、回数倍の電荷量をフローティングディフュージョンFDに転送することができる。 As described above, even if the amount of charge that can be transferred to the floating diffusion FD at a time by the expansion gate ST is small by repeating the state shown in FIG. 6B and the state shown in FIG. 6C a plurality of times. The amount of charge multiplied by the number of times can be transferred to the floating diffusion FD.
しかも、高飽和モードでは、前述のように、第1フローティングディフュージョンFD1に加え、半導体層31における第1リセットゲートRS1の下方領域および第2フローティングディフュージョンFD2もフローティングディフュージョンとして機能させる。これによっても、フローティングディフュージョンFDの蓄積容量が大きくなるので、画素アレイ23は、フローティングディフュージョンのオーバーフローを抑制することができる。
Moreover, in the high saturation mode, as described above, in addition to the first floating diffusion FD1, the region below the first reset gate RS1 and the second floating diffusion FD2 in the
その後、図5Aに示すように、時刻がt12になると、転送ゲートTGがOFFとなり、拡張ゲートSTがONとなり、半導体層31内の電位分布が図7に(a)で示す状態となる。これにより、画像1フレーム分の信号電荷がフローティングディフュージョンに保持される。そして、画素アレイ23は、各画素からフローティングディフュージョンに保持された信号電荷に応じた画像信号を出力する。
Thereafter, as shown in FIG. 5A, when the time reaches t12, the transfer gate TG is turned off, the extension gate ST is turned on, and the potential distribution in the
続いて、図5Aに示すように、時刻がt13になると、第2リセットゲートRS2がONとなり、半導体層31内の電位分布が図7に(b)で示す状態になる。これにより、フローティングディフュージョンに保持された信号電荷は、リセットドレインRDへ排出される。
Subsequently, as shown in FIG. 5A, when the time reaches t13, the second reset gate RS2 is turned on, and the potential distribution in the
その後、図5Aに示すように、時刻がt14になると、第2リセットゲートRS2がOFFとなり、半導体層31内の電位分布は、再度、図6に(a)で示す状態となる。そして、時刻t15以降、画素アレイ23は、1フレームの画像を撮像する度に、時刻t10からt14までで行った動作を繰り返す。
Thereafter, as shown in FIG. 5A, when the time reaches t14, the second reset gate RS2 is turned OFF, and the potential distribution in the
なお、図5Aに示す画素アレイ23が高飽和モードで行う動作は一例であり、これに限定されるものではない。例えば、図5Bに示すように、画素アレイ23は、高飽和モードで時刻t14とt15との間の時刻t16〜t17間に、電荷排出動作を追加して、実効的な露光時間を時刻t17〜t15間にすることもできる。これにより、露光時間を、図5Aに示す所定周期より短くすることができる。また、電荷排出動作は、排出ゲートICGをONにして行ってもよい。
Note that the operation performed by the
(低ノイズモード)
低ノイズモードは、比較的低輝度の画像を撮像するための動作モードであり、半導体層31における拡張ゲートST下方のN型領域32を電荷蓄積領域として使用せずに、撮像するモードである。これにより、画素アレイ23は、拡張ゲートST近傍で発生するノイズが撮像画像に及ぼす悪影響を低減することができる。
(Low noise mode)
The low noise mode is an operation mode for capturing an image with relatively low luminance, and is an image capturing mode without using the N-
図8〜図11は、第1実施形態に係る画素アレイ23が低ノイズモードで行う動作の説明図である。図8には、転送ゲートTG、拡張ゲートST、第1リセットゲートRS1、および第2リセットゲートRS2がONまたはOFFとなるタイミングを示している。また、図9〜図11には、低ノイズモードでの半導体層31内の電位分布の推移を示している。
8 to 11 are explanatory diagrams of operations performed by the
なお、低ノイズモードでは、排出ゲートICGがONになることはなく、第2リセットゲートRS2がOFFになることはない。そして、低ノイズモードでは、画素アレイ23は、まず、光電変換素子PDに残存している信号電荷をリセットしてから撮像動作を行う。
In the low noise mode, the discharge gate ICG is not turned on, and the second reset gate RS2 is not turned off. In the low noise mode, the
画素アレイ23は、低ノイズモードになると、図8に示すように、時刻がt20になるまでの間、転送ゲートTGおよび第2リセットゲートRS2がONとなり、拡張ゲートSTおよび第1リセットゲートRS1がOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布は、図9に(a)で示す状態になる。この状態では、図9に(a)で示すように、光電変換素子PDに信号電荷が残存している場合がある。
When the
そこで、図8に示すように、時刻がt20になると、拡張ゲートSTがONとなり、続いて、時刻がt21になると、拡張ゲートSTがOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が図9に(b)で示す状態になり、続いて、図9に(c)で示す状態になり、信号電荷が半導体層31における拡張ゲートST下方のN型領域32を経由して、第1フローティングディフュージョンFD1へ転送される。
Therefore, as shown in FIG. 8, when the time reaches t20, the extension gate ST is turned on. Subsequently, when the time reaches t21, the extension gate ST is turned off. As a result, the potential distribution in the
ここでも、排出ゲートIGCの下方領域における電位V(IGC)は、拡張ゲートSTがOFF時の障壁部の電位V(STa)より高くなるように形成し、光電変換素子PDから拡張ゲートST側へ電荷が溢れないようにする。 Also here, the potential V (IGC) in the lower region of the discharge gate IGC is formed to be higher than the potential V (STa) of the barrier portion when the extension gate ST is OFF, and from the photoelectric conversion element PD to the extension gate ST side. Avoid overflowing the charge.
これにより、時刻t20の時点で光電変換素子PDは、一旦リセットされ、時刻t21の時点から撮像した画像の信号電荷を蓄積する。その後、図8に示すように、時刻がt22になると、転送ゲートTGがOFFとなり、半導体層31内の電位分布が図10に(a)で示す状態となる。これにより、光電変換素子PDに残存していた信号電荷が第1フローティングディフュージョンFD1に保持される。
As a result, the photoelectric conversion element PD is temporarily reset at time t20 and accumulates signal charges of an image captured from the time t21. Thereafter, as shown in FIG. 8, when the time reaches t22, the transfer gate TG is turned off, and the potential distribution in the
続いて、図8に示すように、時刻がt23になると、図10に(b)に示すように、拡張ゲートSTがONとなり、光電変換素子PDの信号電荷が拡張ゲートSTの下方領域に移る。その後、図8に示すように、時刻がt24になると、拡張ゲートSTがOFFとなり、図10に(c)で示すように、信号電荷がSTの下方領域に保持される。 Subsequently, as shown in FIG. 8, when the time reaches t23, as shown in FIG. 10B, the extension gate ST is turned on, and the signal charge of the photoelectric conversion element PD moves to a region below the extension gate ST. . Thereafter, as shown in FIG. 8, when the time reaches t24, the extension gate ST is turned off, and the signal charge is held in the region below ST as shown in FIG. 10 (c).
続いて、図8に示すように、時刻がt25になると、第1リセットゲートRS1がONとなり、半導体層31内の電位分布が図11に(a)で示す状態になり、第1フローティングディフュージョンFD1に保持されていた信号電荷が第2フローティングディフュージョンFD2を経由してリセットドレインRDへ排出される。その後、図8に示すように、時刻がt26になると、第1リセットゲートRS1がOFFとなり、半導体層31内の電位分布が図11に(b)で示す状態となる。
Subsequently, as shown in FIG. 8, when the time reaches t25, the first reset gate RS1 is turned ON, and the potential distribution in the
続いて、図8に示すように、時刻がt27になると、転送ゲートTGがONとなり、図11に(c)で示すように、信号電荷が拡張ゲートSTの下方領域から第1フローティングディフュージョンFD1へ移動する。その後、図8に示すように、時刻がt28になると、転送ゲートTGがOFFとなる。 Subsequently, as shown in FIG. 8, when the time reaches t27, the transfer gate TG is turned on, and as shown in FIG. 11C, the signal charge is transferred from the region below the expansion gate ST to the first floating diffusion FD1. Moving. Thereafter, as shown in FIG. 8, when the time reaches t28, the transfer gate TG is turned off.
これにより、半導体層31内の電位分布が、図11に(d)で示す状態の準位に推移して、信号電荷が光電変換素子PDから第1フローティングディフュージョンFD1へ転送されて保持される。そして、画素アレイ23は、各画素の第1フローティングディフュージョンFD1に保持された信号電荷に応じた画像信号を出力する。
Thereby, the potential distribution in the
(グローバルシャッタモード)
グローバルシャッタモードは、比較的高速で動く被写体の画像を撮像するための動作モードであり、全画素から一斉に信号電荷を読み出して撮像するモードである。これにより、画素アレイ23は、動画中で高速で動く被写体の像に歪みが発生することを抑制することができる。
(Global shutter mode)
The global shutter mode is an operation mode for capturing an image of a subject moving at a relatively high speed, and is a mode in which signal charges are read out from all pixels at once. Thereby, the
図12〜図16は、第1実施形態に係る画素アレイ23がグローバルシャッタモードで行う動作の説明図である。図12には、転送ゲートTG、拡張ゲートST、第1リセットゲートRS1、および第2リセットゲートRS2がONまたはOFFとなるタイミングを示している。また、図13〜図16には、グローバルシャッタモードでの半導体層31内の電位分布の推移を示している。なお、グローバルシャッタモードでは、排出ゲートICGがONになることはなく、第2リセットゲートRS2がOFFになることはない。
12 to 16 are explanatory diagrams of operations performed by the
画素アレイ23は、グローバルシャッタモードになると、図12に示すように、時刻がt30になるまでの間、転送ゲートTGおよび第2リセットゲートRS2がONとなり、拡張ゲートSTおよび第1リセットゲートRS1がOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布は、図13に(a)で示す状態になり、光電変換素子PDに信号電荷が蓄積される。
When the
その後、図12に示すように、時刻がt30になると、拡張ゲートSTがONとなり、時刻がt31になると、拡張ゲートSTがOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が図13に(b)示す状態になり、続いて、図13に(c)に示す状態になり、信号電荷が光電変換素子PDから第1フローティングディフュージョンFD1へ転送される。このとき、画素アレイ23は、全画素一斉に、信号電荷が光電変換素子PDから第1フローティングディフュージョンFD1へ転送される。
Thereafter, as shown in FIG. 12, when the time reaches t30, the extension gate ST is turned ON, and when the time becomes t31, the extension gate ST is turned OFF. As a result, the potential distribution in the
続いて、図12に示すように、時刻がt32になると、転送ゲートTGがOFFとなり、同時に拡張ゲートSTがONとなり、続いて、時刻がt33になると、拡張ゲートSTがOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が図14に(a)で示す状態となり、続いて、図14に(b)に示す状態となり、光電変換素子PDから半導体層31における拡張ゲートST下方のN型領域32へ信号電荷が転送される。このとき、画素アレイ23は、全画素一斉に、光電変換素子PDから半導体層31における拡張ゲートST下方のN型領域32へ信号電荷を転送する。
Subsequently, as shown in FIG. 12, when the time reaches t32, the transfer gate TG is turned OFF and at the same time the extension gate ST is turned ON. Subsequently, when the time becomes t33, the extension gate ST is turned OFF. As a result, the potential distribution in the
続いて、図12に示すように、時刻がt34になると、読出し行ごとに、第1リセットゲートRS1がONとなり、続いて、時刻がt35になると、第1リセットゲートRS1がOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が、図14に(c)で示す状態になり、続いて、図15に(a)で示す状態になり、信号電荷が第1フローティングディフュージョンFD1からリセットドレインRDへ排出される。
Subsequently, as shown in FIG. 12, when the time reaches t34, the first reset gate RS1 is turned ON for each read row, and subsequently, when the time becomes t35, the first reset gate RS1 is turned OFF. As a result, the potential distribution in the
その後、図12に示すように、時刻がt36になると、転送ゲートTGがONとなり、続いて、時刻がt37になると、転送ゲートTGがOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が、図15に(b)で示す状態になり、続いて図15に(c)で示す状態になり、信号電荷が半導体層31における拡張ゲートST下方のN型領域32から第1フローティングディフュージョンFD1へ転送されて保持される。
After that, as shown in FIG. 12, when the time reaches t36, the transfer gate TG is turned on. Subsequently, when the time reaches t37, the transfer gate TG is turned off. As a result, the potential distribution in the
このとき、画素アレイ23は、読出し行ごとに、信号電荷が半導体層31における拡張ゲートST下方のN型領域32から第1フローティングディフュージョンFD1へ信号電荷を転送する。そして、画素アレイ23は、各画素の第1フローティングディフュージョンFD1に保持された信号電荷に応じた画像信号を出力する。
At this time, the
その後、図12に示すように、時刻がt38になると、転送ゲートTGがONとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が、図16で示す状態となる。その後、転送ゲートTGがONとなって、半導体層31内の電位分布は、図12に示す時刻t30以前の状態に戻る。
Thereafter, as shown in FIG. 12, when the time reaches t38, the transfer gate TG is turned ON. Thereby, the potential distribution in the
(HDRモード)
HDRモードは、高飽和モードで撮像する画像よりも、さらに高輝度の画像を撮像するための動作モードであり、光電変換される信号電荷をドレインDDへ排出する動作と、半導体層31下方のN型領域32へ転送する動作を繰り返して撮像するモードである。これにより、画素アレイ23は、高飽和モードで撮像する画像よりも、さらに高輝度の画像を撮像することができる。
(HDR mode)
The HDR mode is an operation mode for capturing an image with higher brightness than an image captured in the high saturation mode. The HDR mode is an operation for discharging the signal charge that is photoelectrically converted to the drain DD, and N under the
また、画素アレイ23は、HDRモードで動作を行う場合に、多重露光方式で撮像を行う。なお、本実施形態で画素アレイ23が行う多重露光方式については、図22を参照して後述する。
Further, the
図17〜図22は、第1実施形態に係る画素アレイ23がHDRモードで行う動作の説明図である。図17には、排出ゲートICG、転送ゲートTG、拡張ゲートST、第1リセットゲートRS1、および第2リセットゲートRS2がONまたはOFFとなるタイミングを示している。
FIGS. 17 to 22 are explanatory diagrams of operations performed by the
また、図18〜図21には、HDRモードでの半導体層31内の電位分布の推移を示している。図22には、HDRモードにおける多重露光方式での排出ゲートICGおよび拡張ゲートSTがONまたはOFFとなるタイミングを示している。なお、HDRモードでは、第2リセットゲートRS2は、常時ONの例を示す。
18 to 21 show changes in potential distribution in the
画素アレイ23は、HDRモードになると、図17に示すように、時刻がt41になる直前までの間、排出ゲートICG、転送ゲートTG、拡張ゲートST、第1リセットゲートRS1、および第2リセットゲートRS2が全てONとなり、時刻がt41になる直前に拡張ゲートSTのみOFFになる。これにより、半導体層31内の電位分布が図18に(a)で示す状態となり、光電変換素子PDに蓄積された信号電荷がドレインDDへ出されてリセットされる。
When the
その後、図17に示すように、時刻がt41になると、排出ゲートICG、転送ゲートTG、および第1リセットゲートRS1がOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が図18に(b)で示す状態になり、光電変換された信号電荷が光電変換素子PDに蓄積される。
Thereafter, as shown in FIG. 17, when the time reaches t41, the discharge gate ICG, the transfer gate TG, and the first reset gate RS1 are turned OFF. As a result, the potential distribution in the
続いて、図17に示すように、時刻がt42になると、排出ゲートICGがONとなり、続いて、時刻がt43になると、排出ゲートICGがOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が図18に(c)で示す状態になり、続いて、図19に(a)で示す状態になり、光電変換された信号電荷が光電変換素子PDからドレインDDへ排出され、新たに光電変換された信号電荷が光電変換素子PDに蓄積される。
Subsequently, as shown in FIG. 17, when the time reaches t42, the discharge gate ICG is turned ON, and when the time becomes t43, the discharge gate ICG is turned OFF. As a result, the potential distribution in the
その後、図17に示すように、時刻がt44になると、拡張ゲートSTがONとなり、続いて、時刻がt45になると、拡張ゲートSTがOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が図19に(b)で示す状態になり、続いて、図19に(c)で示す状態になり、光電変換された信号電荷が光電変換素子PDから拡張ゲートST下方のN型領域32へ転送されて蓄積される。
After that, as shown in FIG. 17, when the time reaches t44, the extension gate ST is turned on. Subsequently, when the time becomes t45, the extension gate ST is turned off. As a result, the potential distribution in the
以後、図17に示すように、時刻がt50になるまでの間、半導体層31内部の電位分布は、図18に(c)で示す状態、図19に(a)で示す状態、図19に(b)で示す状態、図19に(c)で示す状態を順次繰り返す。これにより、半導体層31における拡張ゲートST下方のN型領域32には、光電変換された信号電荷のうち、ドレインDDへ排出されなかった信号電荷が蓄積される。
Thereafter, as shown in FIG. 17, until the time reaches t50, the potential distribution in the
そして、図17に示すように、時刻がt50になると、第1リセットゲートRS1がONとなり、続いて、時刻がt51になると、第1リセットゲートRS1がOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が図20に(a)で示す状態になり、続いて、図20に(b)で示す状態になり、一旦、第1フローティングディフュージョンFD1がリセットされる。
Then, as shown in FIG. 17, when the time reaches t50, the first reset gate RS1 is turned on. Subsequently, when the time reaches t51, the first reset gate RS1 is turned off. As a result, the potential distribution in the
その後、図17に示すように、時刻がt52になると、転送ゲートTGがONとなり、続いて、時刻がt53になると、転送ゲートTGがOFFとなる。これにより、半導体層31内の電位分布が図21に(a)で示す状態となり、続いて、図20に(b)で示す状態になり、半導体層31における拡張ゲートST下方のN型領域32から第1フローティングディフュージョンFD1へ信号電荷が転送されて保持される。そして、画素アレイ23は、各画素から第1フローティングディフュージョンFD1に保持された信号電荷に応じた画像信号を出力する。
After that, as shown in FIG. 17, when the time reaches t52, the transfer gate TG is turned ON. Subsequently, when the time becomes t53, the transfer gate TG is turned OFF. As a result, the potential distribution in the
また、画素アレイ23は、HDRモードで動作する場合に、多重露光方式によって撮像を行う。例えば、画素アレイ23は、行列状に設けられる画素のうち、奇数行の画素の露光時間を比較的短時間とし、偶数行の画素の露光時間を比較的長時間として撮像を行う。
Further, the
そして、信号処理回路21(図2参照)は、奇数行の画素から出力される映像信号と、偶数行の画素から出力される映像信号とを合成して撮像画像を生成する。これにより、信号処理回路21(図2参照)は、一つの撮像画像に写る非常に暗い被写体から、非常に明るい被写体までを高精彩に再現することができる。 Then, the signal processing circuit 21 (see FIG. 2) generates a captured image by synthesizing the video signal output from the odd row pixels and the video signal output from the even row pixels. Thereby, the signal processing circuit 21 (see FIG. 2) can reproduce from a very dark subject appearing in one captured image to a very bright subject with high definition.
具体的には、画素アレイ23は、図22に(a)で示すように、1フレームの画像の撮像時間がTである場合に、奇数行の画素では、排出ゲートICGがOFFとなってから拡張ゲートSTがOFFとなるまでの時間が比較的短い時間T1に制御される。
Specifically, as shown in FIG. 22A, the
これにより、奇数行の画素の第1フローティングディフュージョンFD1には、時間Tの中で、比較的短い時間T1の間に光電変換された信号電荷が順次転送されて保持される。これにより、信号処理回路21(図2参照)は、奇数行の各画素から出力される画像信号から撮像画像中の明るい被写体を高精彩に再現することができる。 Thereby, the signal charges photoelectrically converted during the relatively short time T1 in the time T are sequentially transferred and held in the first floating diffusion FD1 of the pixels in the odd-numbered rows. Thereby, the signal processing circuit 21 (see FIG. 2) can reproduce a bright subject in the captured image with high definition from the image signal output from each pixel in the odd-numbered rows.
一方、画素アレイ23は、図22に(b)で示すように、偶数行の画素では、排出ゲートICGがOFFとなってから拡張ゲートSTがOFFとなるまでの時間が比較的長い時間T2に制御される。
On the other hand, in the
これにより、偶数行の画素の第1フローティングディフュージョンFD1には、時間Tの中で、比較的長い時間T2の間に光電変換された信号電荷が順次転送されて保持される。これにより、信号処理回路21(図2参照)は、偶数行の各画素から出力される画像信号から撮像画像中の暗い被写体を高精彩に再現することができる。 Thereby, the signal charges photoelectrically converted during the relatively long time T2 in the time T are sequentially transferred and held in the first floating diffusion FD1 of the pixels in the even-numbered rows. Thereby, the signal processing circuit 21 (see FIG. 2) can reproduce a dark subject in the captured image with high definition from the image signal output from each pixel in the even-numbered rows.
そして、信号処理回路21(図2参照)は、奇数行の画素から出力される映像信号と、偶数行の画素から出力される映像信号とを合成することによって、撮像画像に写る非常に暗い被写体から、非常に明るい被写体までを高精彩に再現することができる。 Then, the signal processing circuit 21 (see FIG. 2) synthesizes the video signal output from the odd-numbered row pixels and the video signal output from the even-numbered row pixels, thereby forming a very dark subject in the captured image. To very bright subjects.
なお、図4に示す画素アレイ23の構成は、第1実施形態の一例であり、これに限定されるものではない。ここで、図23Aおよび図23Bを参照して、第1実施形態の変形例に係る画素アレイ23a,23bについて説明する。
Note that the configuration of the
図23Aは、第1実施形態の変形例1に係る画素アレイ23aの断面視による一部を示す説明図である。図23Bは、第1実施形態の変形例2に係る画素アレイ23bの断面視による一部を示す説明図である。
FIG. 23A is an explanatory diagram illustrating a part in a cross-sectional view of a
ここでは、図23Aに示す画素アレイ23a、図23Bに示す画素アレイ23bの構成要素のうち、図4に示す構成要素と同一の構成要素については、図4に示す符号と同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
Here, among the components of the
図23に示すように、変形例1の画素アレイ23aは、拡張ゲートが第1拡張ゲートST1と第2拡張ゲートST2とに分割されている点およびN型領域32を備えない点が図4に示す画素アレイ23とは異なり、他の構成は、図4に示す画素アレイ23と同様の構成である。
As shown in FIG. 23, the
そして、第1拡張ゲートST1は、電圧が印加されることによって、光電変換素子PDから半導体層31における第2拡張ゲートST2の下方領域へ信号電荷を転送するゲートである。また、第2拡張ゲートST2は、電圧が印加されることによって、半導体層31における第2拡張ゲートST2の下方領域まで光電変換素子PDの電荷蓄積領域を拡張させて、信号電荷を蓄積させるゲートである。
The first extension gate ST1 is a gate that transfers signal charges from the photoelectric conversion element PD to a region below the second extension gate ST2 in the
このように、画素アレイ23aは、第1拡張ゲートST1および第2拡張ゲートST2への電圧の印加と非印加とを切り替えることによって、電荷蓄積領域の拡張と縮小とを切り替えることができる。
そして、画素アレイ23aは、排出ゲートICG、転送ゲートTG、第1リセットゲートRS1、および第2リセットゲートRS2に対して、画素アレイ23と同様の電圧印加制御が行われることによって、画素アレイ23と同様の撮像動作を行うことができる。
As described above, the
Then, the
また、図23Bに示すように、変形例2の画素アレイ23bは、N型領域32bとN型領域32bの表層に設けられる高濃度のP型層32aとからなる第2拡張ゲートST2aを備える。これにより、画素アレイ23bは、N型領域32bに光電変換素子PDと同様の固定の電位井戸となる領域が形成される。
As shown in FIG. 23B, the
また、画素アレイ23aは、第1拡張ゲートST1に印加する電圧を第2拡張ゲートST2に印加する電圧よりも低く抑えることによって、半導体層31における第2拡張ゲートST2の下方領域から光電変換素子PDへの信号電荷の逆流を抑制することができる。
In addition, the
上述したように、第1実施形態に係る画素アレイは、各光電変換素子に隣接する領域にそれぞれ積層される拡張ゲートを備える。拡張ゲートは、電圧が印加されることによって、半導体層における拡張ゲート直下の領域に、光電変換素子の電荷蓄積領域と連続する電位の井戸を形成する。 As described above, the pixel array according to the first embodiment includes the extended gates stacked in the regions adjacent to the photoelectric conversion elements. When a voltage is applied to the extension gate, a well having a potential continuous with the charge accumulation region of the photoelectric conversion element is formed in a region immediately below the extension gate in the semiconductor layer.
これにより、画素アレイは、光電変換素子の電荷蓄積領域を拡張することによって、蓄積可能な飽和信号電荷数を増大させることができるので、撮像する輝度のダイナミックレンジを拡張することができる。 As a result, the pixel array can increase the number of saturation signal charges that can be accumulated by expanding the charge accumulation region of the photoelectric conversion element, so that the dynamic range of the luminance to be imaged can be expanded.
また、各光電変換素子および拡張ゲートは、互いに平面視千鳥格子状に配置される。これにより、画素アレイは、例えば、光電変換素子の行または列のいずれか一方向に、光電変換素子と拡張ゲートとを交互に配置する場合に比べて、面積を縮小することができる。 The photoelectric conversion elements and the expansion gates are arranged in a staggered pattern in plan view. Thereby, the area of the pixel array can be reduced as compared with, for example, a case where the photoelectric conversion elements and the extension gates are alternately arranged in one direction of the row or column of the photoelectric conversion elements.
(第2実施形態)
次に、図24〜図26を参照して、第2実施形態に係る画素アレイ23c,23d,23eについて説明する。以下に説明する第2の実施形態に係る画素アレイ23c,23d,23eは、いずれも、裏面照射型のCMOSイメージセンサである。
(Second Embodiment)
Next,
図24は、第2実施形態に係る画素アレイ23cの平面視による一部を示す説明図である。図25Aは、第2実施形態に係る画素アレイ23cの断面視による一部を示す説明図である。図25Aには、図24に示す画素アレイ23cを同図に両向矢印で示す折れ線で切断した断面を模式的に示している。
FIG. 24 is an explanatory diagram illustrating a part of the
また、図25Bは、第2実施形態の変形例1に係る画素アレイ23dの断面視による一部を示す説明図である。また、図26は、第2実施形態の変形例2に係る画素アレイ23eの断面視による一部を示す説明図である。
FIG. 25B is an explanatory diagram illustrating a part in a cross-sectional view of the
ここでは、図24、図25Aに示す画素アレイ23c、図25Bに示す画素アレイ23d、および図26に示す画素アレイ23eの構成要素のうち、図3Aおよび図4に示す画素アレイ23の構成要素と同一の機能を有する略同一形状の構成要素については、図3Aおよび図4に示す符号と同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
Here, among the constituent elements of the
前述した第1実施形態に係る画素アレイ23,23a,23bは、いずれも表面照射型CMOSイメージセンサであったため、半導体層31の受光面側で各画素の受光面を避けた位置に多層配線36が設けられる(図4参照)。
Since the
これにより、第1実施形態に係る画素アレイ23,23a,23bでは、光電変換素子PDへ斜め方向から入射する光が多層配線36によって遮光されるので、混色の発生を抑制することができる。
Thereby, in the
これに対して、裏面照射型CMOSイメージセンサは、光電変換素子が設けられる半導体層の受光面となる裏面とは逆側の表面側に多層配線が設けられる。このため、裏面照射型CMOSイメージセンサは、光電変換素子へ斜め方向から入射する光を多層配線によって遮光することはできない。 On the other hand, in the backside illumination type CMOS image sensor, a multilayer wiring is provided on the front surface side opposite to the back surface serving as the light receiving surface of the semiconductor layer on which the photoelectric conversion element is provided. For this reason, the back-illuminated CMOS image sensor cannot block light incident on the photoelectric conversion element from an oblique direction by the multilayer wiring.
そこで、図24に示すように、第2実施形態に係る画素アレイ23cは、平面視において各画素を区画するDTI(Deep Trench Isolation)40を備える。具体的は、画素アレイ23cは、半導体層31における光電変換素子PDと、拡張ゲートSTの下方領域とを区画する井桁(格子)状のDTI40が設けられる。
Therefore, as illustrated in FIG. 24, the
DTI40は、例えば、半導体層31にトレンチを形成し、トレンチの内部に酸化シリコンを設けることによって形成される。かかるDTI40は、トレンチ内部の酸化シリコンと、半導体層31の材料であるシリコンとの屈折率の違いによって、光電変換素子PDへ斜め方向から入射する光を遮光することができる。
The
なお、画素アレイ23cにおける光電変換素子PDおよび拡張ゲートSTの配置は、図3Aに示す画素アレイ23における光電変換素子PDおよび拡張ゲートSTと略同一である。つまり、光電変換素子PDおよび拡張ゲートSTは、互いに平面視千鳥格子状に配置される。これにより、画素アレイ23cは、画素アレイ23と同様に占有面積を低減することができる。
The arrangement of the photoelectric conversion elements PD and the extension gates ST in the
なお、転送ゲートTG、リセットゲートRS、排出ゲートICG、リセットドレインRD、ドレインDD、フローティングディフュージョンFD等は、DTI40によって形成される格子の交差点近傍に設けられる。また、アンプトランジスタAMPおよびアドレストランジスタADRについても、DTI40によって形成される格子の交差点近傍に設けられる。
Note that the transfer gate TG, the reset gate RS, the discharge gate ICG, the reset drain RD, the drain DD, the floating diffusion FD, and the like are provided in the vicinity of the intersection of the lattice formed by the
これにより、画素アレイ23cは、半導体層31における光電変換素子PDが占める領域、および拡張ゲートSTの下方領域を十分確保することができるので、受光感度の向上および飽和信号電荷数の増大が可能となる。
As a result, the
かかる画素アレイ23cの断面構造は、図25Aに示すようになっている。具体的には、画素アレイ23cは、図25Aに示すように、半導体層31の表面側に層間絶縁膜35が積層され、半導体層31の裏面側に、カラーフィルタCFおよびマイクロレンズMLが設けられる所謂裏面照射型CMOSイメージセンサである。
The cross-sectional structure of the
半導体層31における光電変換素子PDが設けられる領域の裏面と、カラーフィルタCFとの間には、例えば、窒化シリコンによって形成される反射防止膜43が設けられる。また、半導体層31の裏面のうち、反射防止膜43が設けられない領域には、例えば、タングステン等によって形成される遮光膜44が設けられる。
An
また、図25Bに示すように、第2実施形態の変形例1に係る画素アレイ23dは、半導体層31の裏面(ここでは、下面)全体に反射防止膜43aを備える構成であってもよい。かかる場合、画素アレイ23dは、反射防止膜43aの裏面(ここでは、下面)に層間絶縁膜44が設けられ、層間絶縁膜の内部で拡張ゲートSTと対向する位置に遮光膜44aが設けられる。
As illustrated in FIG. 25B, the
そして、画素アレイ23dは、絶縁膜の裏面(ここでは、下面)で光電変換素子PDと対向する位置にカラーフィルタCFが設けられ、カラーフィルタの裏面(ここでは、下面)にマイクロレンズMLが設けられる。このように、画素アレイ23dは、反射防止膜43を半導体層31の裏面全面に備え、拡張ゲートST領域の下方に遮光膜44を備える構成であってもよい。
In the
なお、画素アレイ23c,23dにおける半導体層31の表層の構造および層間絶縁膜35内の構造は、図4に示す画素アレイ23と基本的には同様である。つまり、半導体層31の表層には、光電変換素子PDが設けられ、光電変換素子PDに隣接してドレインDDおよびN型領域32が設けられ、N型領域32に隣接してフローティングディフュージョンFDが設けられる。また、層間絶縁膜35内には、多層配線36、排出ゲートICG、拡張ゲートST、および転送ゲートTG等が設けられる。
The structure of the surface layer of the
ただし、半導体層31は、表層よりも裏面側の構造が図4に示す画素アレイ23とは異なる。具体的には、半導体層31は、光電変換素子PDの下方、およびN型領域32の下方にそれぞれ、例えば、リン等のP型の不純物がドープされた不純物拡散領域41,42を備える。
However, the
さらに、半導体層31は、各不純物拡散領域41,42の間に、半導体層31を区画するDTI40を備える。DTI40は、例えば、半導体層31の裏面から半導体層31における深さ方向の中央位置よりも浅い位置まで形成される。
Further, the
画素アレイ23c,23dは、図4に示す画素アレイ23と同様のタイミングで拡張ゲートST、転送ゲートTG、排出ゲートICG等の各ゲートへ電圧の印加または非印加が行われることによって、図25に太線矢印で示す信号電荷の流れを形成することができる。
In the
つまり、画素アレイ23c,23dは、拡張ゲートSTへ電圧が印加されることによって、光電変換素子PDからN型領域32までを電荷蓄積領域として機能させ、信号電荷を蓄積することができる。
In other words, the
そして、画素アレイ23c,23dは、転送ゲートTGに電圧が印加されることによって、N型領域32からフローティングディフュージョンFDへ信号電荷を転送することができる。これにより、画素アレイ23c,23dは、図4に示す画素アレイ23と同様の動作が可能となり、撮像可能な輝度のダイナミックレンジを拡張することができる。
The
しかも、画素アレイ23c,23dは、光電変換素子PD下方の不純物拡散領域41、および拡張ゲートST下方の不純物拡散領域42にも信号電荷を蓄積することが可能となるため、撮像可能な輝度のダイナミックレンジをさらに拡張することができる。
In addition, since the
また、画素アレイ23c,23dは、半導体層31に、不純物拡散領域41,42を区画するDTI40を備えるので、光電変換素子PDへ斜め方向から入射する光を遮光することによって、混色の発生を抑制することができる。
In addition, since the
また、DTI40は、不純物拡散領域42へ斜め方向から入射する光も遮光することができるので、不純物拡散領域42が不必要な光電変換を行うことによる寄生感度の発生を抑制することができる。また、DTI40は、光学的だけでなく、電気的にも不純物拡散領域41,42を分離するので、不純物拡散領域41,42の間で、信号電荷のリークが発生することを抑制することができる。
In addition, since the
また、画素アレイ23c,23dは、DTI40が平面視井桁状という単純なパターンであるため、DTI40のパターン形成が容易である。なお、DTI40の形状は、井桁状に限定されるものではなく、平面視においてDTI40が光電変換素子PD(不純物拡散領域41)を囲む領域の方が、拡張ゲートSTの下方領域(不純物拡散領域42)を囲む領域よりも大きくてもよい。これにより、画素アレイ23c,23dは、各画素の受光面積が拡大されるので、さらに感度を向上させることができる。
In addition, since the
次に、図26を参照して、第2実施形態の変形例2に係る画素アレイ23eについて説明する。図26に示すように、画素アレイ23eは、光電変換素子PDがDTI40よりも拡張ゲートSTa側へせり出している構造と、拡張ゲートSTaの形状、および半導体層31における拡張ゲートSTaの下方領域の構造が図25Aに示す画素アレイ23cとは異なる。
Next, with reference to FIG. 26, a
具体的には、画素アレイ23eは、図25Aに示す画素アレイ23cでN型領域32が設けられる位置に、N型領域32よりも不純物濃度の低いN型の不純物拡散領域52を備える。さらに、画素アレイ23eは、不純物拡散領域52の下方に、N型領域32(図25A参照)と同等の不純物濃度のN型領域51を備える。そして、拡張ゲートSTaは、層間絶縁膜35から半導体層31の不純物拡散領域52の内部まで達するトレンチゲートである。
Specifically, the
画素アレイ23eは、図4に示す画素アレイ23と同様のタイミングで拡張ゲートSTa、転送ゲートTG、排出ゲートICG等の各ゲートへ電圧の印加または非印加が行われることによって、図26に太線矢印で示す信号電荷の流れを形成することができる。
The
つまり、画素アレイ23eは、拡張ゲートSTaへ電圧が印加されることによって、光電変換素子PDからN型領域51までを電荷蓄積領域として機能させ、半導体層31の深部に、より多くの信号電荷を蓄積することができる。しかも、N型領域51は、周囲がDTI40によって囲まれているため、周囲への信号電荷のリークが抑制される。
That is, the
そして、画素アレイ23eは、転送ゲートTGに電圧が印加されることによって、N型領域51からフローティングディフュージョンFDへ信号電荷を転送することができる。これにより、画素アレイ23eは、図4に示す画素アレイ23と同様の動作が可能となり、撮像可能な輝度のダイナミックレンジを拡張することができる。
The
上述したように、第2実施形態に係る画素アレイは、半導体層における表層の構造、および半導体層の表面側に設けられる層間絶縁膜内の構造が第1実施形態の画素アレイと略同様であり、半導体層の裏面側から入射する光を光電変換する裏面照射型である。そして、第2実施形態に係る画素アレイは、半導体層の裏面側に、画素を区画するDTIを備える。 As described above, the pixel array according to the second embodiment is substantially the same as the pixel array according to the first embodiment in the structure of the surface layer in the semiconductor layer and the structure in the interlayer insulating film provided on the surface side of the semiconductor layer. The back-illuminated type photoelectrically converts light incident from the back side of the semiconductor layer. The pixel array according to the second embodiment includes a DTI that partitions the pixels on the back side of the semiconductor layer.
これにより、第2実施形態に係る画素アレイは、撮像可能な輝度のダイナミックレンジを拡大することができ、裏面照射型でありながら、斜め方向から入射する光に起因した混色の発生を抑制することができる。 As a result, the pixel array according to the second embodiment can expand the dynamic range of luminance that can be imaged, and suppresses the occurrence of color mixing due to light incident from an oblique direction while being a back-illuminated type. Can do.
また、上述した第1および第2実施形態では、光電変換素子の受光面上に設けられるマイクロレンズの外周が拡張ゲートの平面視における中央に達するまで、マイクロレンズの受光面積を光電変換素子の平面視における受光面積より大きくしている。これにより、マイクロレンズは、拡張ゲート上へ向けて到来する光まで光電変換素子へ集光することができる。 In the first and second embodiments described above, the light receiving area of the microlens is set to the plane of the photoelectric conversion element until the outer periphery of the microlens provided on the light receiving surface of the photoelectric conversion element reaches the center of the expansion gate in plan view. It is larger than the light receiving area in view. Thereby, the microlens can condense the light coming toward the extension gate onto the photoelectric conversion element.
また、上述した第1および第2実施形態では、光電変換素子PDおよび拡張ゲートSTが互いに千鳥格子状に配置される場合について説明したが、光電変換素子PDおよび拡張ゲートSTは、格子状に配置されてもよい。図27は、実施形態に係る光電変換素子および拡張ゲートの配置の変形例を示す平面視による説明図である。 In the first and second embodiments described above, the case where the photoelectric conversion elements PD and the extension gates ST are arranged in a staggered pattern has been described. However, the photoelectric conversion elements PD and the extension gates ST are arranged in a grid pattern. It may be arranged. FIG. 27 is an explanatory diagram viewed from above showing a modification of the arrangement of the photoelectric conversion elements and the extension gates according to the embodiment.
図27は、実施形態に係る光電変換素子および拡張ゲートの配置の変形例を示す平面視による説明図である。なお、図27には、画素アレイ23fの平面視による一部を示している。ここでは、図27に示す構成要素のうち、図3Aに示す構成要素と同様の機能を担う構成要素については、図3Aに示す符号と同一の符号を付することにより、各構成要素の機能の説明を省略する。
FIG. 27 is an explanatory diagram viewed from above showing a modification of the arrangement of the photoelectric conversion elements and the extension gates according to the embodiment. FIG. 27 shows a part of the
図27に示すように、画素アレイ23fは、水平方向に光電変換素子PDが並ぶ光電変換素子PDの行と、水平方向に拡張ゲートSTが並ぶ拡張ゲートSTの行とが、垂直方向に交互に配置される。光電変換素子PDおよび拡張ゲートSTは、列方向に交互に配置される。
As shown in FIG. 27, in the
また、行方向に並ぶ光電変換素子PDの各間における半導体層31上には、アドレストランジスタADRおよびアンプトランジスタAMPの組と、ドレインDDとが交互に配置される。ドレインDDと光電変換素子PDとの間には、排出ゲートICGが設けられる。
Further, on the
また、行方向に並ぶ拡張ゲートSTの各間における半導体層31上には、一つおきにフローティングディフュージョンFDが設けられる。フローティングディフュージョンFDと拡張ゲートSTとの間には、転送ゲートTGが設けられる。なお、フローティングディフュージョンFDとドレインDDとの間には、リセットゲートRSが設けられる。
In addition, every other floating diffusion FD is provided on the
かかる画素アレイ23fによれば、フローティングディフュージョンFD、排出ゲートICGのドレイン、アンプトランジスタAMP、アドレストランジスタADR、リセットゲートRS、およびリセットゲートRSのドレインを2画素で共用することができる。
According to the
これにより、画素アレイ23fは、2画素でフローティングディフュージョンFD、排出ゲートICGのドレイン、アンプトランジスタAMP、アドレストランジスタADR、リセットゲートRS、およびリセットゲートRSのドレインを共用しない場合よりも面積を縮小することができる。
Thereby, the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1 デジタルカメラ、 11 カメラモジュール、 12 後段処理部、 13 撮像光学系、 14 固体撮像装置、 16 記憶部、 17 表示部、 20 イメージセンサ、 21 信号処理回路、 22 周辺回路、 23,23a,23b,23c,23d,23e,23f 画素アレイ、 24 垂直シフトレジスタ、 25 タイミング制御部、 28 ラインメモリ、 31 半導体層、 32a P型層、 32,32b,51 N型領域、 33 ウェル、 34 P型領域、 35,45 層間絶縁膜、 36 多層配線、 41,42,52 不純物拡散領域、 43,43a 反射防止膜、 44 遮光膜、 ADR アドレストランジスタ、 AMP アンプトランジスタ、 CF カラーフィルタ、 DD ドレイン、 FD フローティングディフュージョン、 FD1 第1フローティングディフュージョン、 FD2 第2フローティングディフュージョン、 ICG 排出ゲート、 ML マイクロレンズ、 PD 光電変換素子、 RD リセットドレイン、 RS リセットゲート、 RS1 第1リセットゲート、 RS2 第2リセットゲート、 ST,STa 拡張ゲート、 ST1 第1拡張ゲート、 ST2 第2拡張ゲート、 TG 転送ゲート。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
ことを特徴とする固体撮像装置。 A photoelectric conversion element that is provided in the semiconductor layer and converts incident light into signal charges and accumulates, and a photoelectric conversion element that is provided on a region adjacent to the photoelectric conversion element in the semiconductor layer and that is applied with a voltage, thereby the photoelectric conversion A solid-state imaging device, wherein expansion gates that extend the charge storage region of the element are arranged in a staggered pattern in plan view.
互いに隣り合う4つの前記光電変換素子によって四方が囲まれる領域の略中央位置上にそれぞれ設けられる
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The expansion gate is
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is provided on substantially the center position of a region surrounded on all sides by the four photoelectric conversion elements adjacent to each other.
前記拡張ゲートと前記フローティングディフュージョンとの間における前記半導体層上に設けられる転送ゲートと
を備えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の固体撮像装置。 A floating diffusion provided in the semiconductor layer between two adjacent extension gates;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a transfer gate provided on the semiconductor layer between the extension gate and the floating diffusion.
前記半導体層における前記光電変換素子に隣接する領域に設けられ、電圧が印加されることによって、前記光電変換素子の電荷蓄積領域を拡張する拡張ゲートと、
前記拡張ゲートへ印加する電圧を制御する制御部と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 A photoelectric conversion element that is provided in the semiconductor layer and converts incident light into a signal charge and stores it;
An extension gate provided in a region adjacent to the photoelectric conversion element in the semiconductor layer and extending a charge accumulation region of the photoelectric conversion element by applying a voltage;
A solid-state imaging device comprising: a control unit that controls a voltage applied to the expansion gate.
前記半導体層における前記ドレインおよび前記光電変換素子間の領域に上に設けられ、電圧が印加されることによって、前記光電変換素子から前記ドレインへ前記信号電荷を排出する排出ゲートと
を備え、
前記制御部は、
前記拡張ゲートおよび前記排出ゲートへ交互に電圧を印加する制御を行う
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 A drain provided in a region adjacent to the photoelectric conversion element in the semiconductor layer;
A discharge gate provided on a region between the drain and the photoelectric conversion element in the semiconductor layer, and discharging the signal charge from the photoelectric conversion element to the drain by applying a voltage;
The controller is
The solid-state imaging device according to claim 4, wherein control is performed to alternately apply a voltage to the extension gate and the discharge gate.
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