JP2018190796A - Solid state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子に関し、特に、電子増倍機能を有する固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor, and more particularly to a solid-state image sensor having an electron multiplication function.
固体撮像素子について、高感度化のためにいくつかの提案がなされてきた。例えば、固体撮像素子の集光率を向上させるための、オンチップマイクロレンズに対する改善、量子効率を向上させるための、受光部の深化に対する提案、およびアンプゲインを向上させるための、出力回路に対する改善がなされてきた。また、固体撮像素子の1つとして、受光部にて受光した光を光電変換し、変換後の信号電荷を増倍することによって高感度化を実現する、電子増倍機能を有する固体撮像素子が特許文献1として開示されている。
Several proposals have been made for increasing the sensitivity of solid-state imaging devices. For example, improvements to on-chip microlenses to improve the light collection rate of solid-state imaging devices, proposals to deepen the light receiving unit to improve quantum efficiency, and improvements to the output circuit to improve amplifier gain Has been made. In addition, as one of the solid-state imaging devices, there is a solid-state imaging device having an electron multiplication function that realizes high sensitivity by photoelectrically converting light received by the light receiving unit and multiplying the signal charge after conversion. It is disclosed as
電子増倍機能とは、固体撮像素子が信号電荷を転送する転送部の特定のゲートに対して高いゲート印加電圧を印加し、電圧に応じて発生した強電界で信号電荷をアバランシェ増幅させることにより、信号電荷を増幅する機能である。しかしながら、アバランシェ増幅において、信号電荷以外の混入ノイズも増幅される問題、および高いゲート印加電圧によって絶縁膜が劣化し、電子増倍率が経時変化する問題がある。 The electron multiplication function means that a high gate application voltage is applied to a specific gate of a transfer unit where a solid-state imaging device transfers a signal charge, and the signal charge is avalanche amplified by a strong electric field generated according to the voltage. The function of amplifying signal charges. However, in avalanche amplification, there is a problem that noises other than signal charges are also amplified, and there is a problem that the insulating film is deteriorated by a high gate applied voltage and the electron multiplication factor changes with time.
前記の問題を解決するために、いくつかの従来技術が存在する。例えば、特許文献2には、増倍レジスタを形成するP型のウェル領域内のP型不純物濃度を、当該ウェル領域が内部に形成されたP型のエピタキシャル層内のP型不純物濃度よりも高くした電子増倍機能内蔵型の固体撮像素子が開示されている。特許文献2の固体撮像素子は、高抵抗のエピタキシャル層を用いることにより、転送部へ不要なキャリア(電荷)が混入することを抑制している。特許文献3には、電荷増倍を引き起こす高電圧電極の下の半導体の領域について、一続きの電極のうち、当該高電圧電極の手前側にある電極の下の領域よりも高い欠乏度の電荷密度を持つようにドーピングが与えられたCCD素子が開示されている。特許文献2のCCD素子は、半導体内の電子が当該半導体の表面に遭遇することを回避させることにより、ゲイン性能の劣化を抑制している。
There are several prior arts to solve the above problems. For example,
しかしながら、上述のような従来技術を用いた固体撮像素子は、いずれも高いゲート印加電圧を必要とするため、多くの電力を消費するという問題がある。さらに、固体撮像素子の発熱による暗電圧悪化の問題、および絶縁膜の劣化による性能劣化や信頼性などの問題も存在する。 However, all of the solid-state imaging devices using the above-described conventional technology have a problem of consuming a lot of power because they require a high gate application voltage. Further, there are problems of dark voltage deterioration due to heat generation of the solid-state imaging device, and performance deterioration and reliability due to deterioration of the insulating film.
本発明の一態様は、低いゲート印加電圧にて駆動する、効率的な電子増倍動作を行う固体撮像素子を実現することを目的とする。 An object of one embodiment of the present invention is to realize a solid-state imaging device that is driven by a low gate application voltage and performs an efficient electron multiplication operation.
前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、受光部として機能する第3のN型領域が、受光した光から光電変換によって生じさせた電気信号を、垂直CCDチャネル、通常水平CCDチャネル、および増倍水平CCDチャネルを形成する第2のN型領域へ転送し、さらに出力部から出力し、前記第3のN型領域は、基板である第1のN型領域の上に形成された第1のP型領域の上に設けられており、前記増倍水平CCDチャネルは、前記第2のN型領域のうち、前記第1のN型領域の上に形成された第2のP型領域の上に設けられた領域であり、当該増倍水平CCDチャネルに電圧を印加するための第2のゲート群が接続されており、前記通常水平CCDチャネルは、前記第2のN型領域のうち、前記第1のN型領域の上に形成された第3のP型領域の上に設けられた領域であり、当該通常水平CCDチャネルに電圧を印加するための第3のゲート群が接続されている固体撮像素子であって、前記第2のゲート群に前記固体撮像素子の駆動時の電圧を印加したとき、前記第1のN型領域、前記第2のP型領域、および前記増倍水平CCDチャネルがパンチスルーし、かつ前記第1のN型領域から前記増倍水平CCDチャネルに電荷が注入されないように、前記第2のP型領域のウェル濃度が設定されている構成である。 In order to solve the above-described problem, a solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention uses a vertical CCD to convert an electrical signal generated by photoelectric conversion from received light by a third N-type region that functions as a light receiving unit. Transfer to the second N-type region forming the channel, the normal horizontal CCD channel, and the multiplication horizontal CCD channel, and further output from the output unit. The third N-type region is the first N-type which is a substrate The multiplication horizontal CCD channel is formed on the first N-type region of the second N-type region. The multiplication horizontal CCD channel is formed on the first N-type region. A second gate group for applying a voltage to the multiplied horizontal CCD channel is connected to the normal horizontal CCD channel. Of the second N-type region, the first N-type region A solid-state image pickup device connected to a third gate group for applying a voltage to the normal horizontal CCD channel. When the voltage at the time of driving the solid-state imaging device is applied to the second gate group, the first N-type region, the second P-type region, and the multiplication horizontal CCD channel punch through, In addition, the well concentration of the second P-type region is set so that charges are not injected from the first N-type region into the multiplication horizontal CCD channel.
前記の構成によれば、低いゲート印加電圧にて駆動する、効率的な電子増倍動作を行う固体撮像素子を提供することができるという効果を奏する。 According to the above configuration, there is an effect that it is possible to provide a solid-state imaging device that is driven by a low gate applied voltage and performs an efficient electron multiplication operation.
〔実施形態1〕
以下、本発明の実施形態1について、図1〜10を用いて詳細に説明する。
Hereinafter,
(固体撮像素子の構成)
本実施形態に係る固体撮像素子100の構成について、図1を用いて以下に説明する。図1は、固体撮像素子100の概観を示す平面図である。
(Configuration of solid-state image sensor)
The configuration of the solid-
固体撮像素子100は、従来の固体撮像素子と同様に、受光部1、垂直CCDチャネル2、通常水平CCDチャネル3、増倍水平CCDチャネル4、および出力部5を備えている。固体撮像素子100は、受光部1にて受光した光を光電変換した信号電荷を、垂直CCDチャネル2および通常水平CCDチャネル3を介して出力することができる。固体撮像素子100は、増倍水平CCDチャネル4を構成する電極の1つに、通常水平CCDチャネル3に印加する電圧より高い電圧を掛けたとき、信号電荷を垂直CCDチャネル2および通常水平CCDチャネル3を介して増倍水平CCDチャネル4に転送する。固体撮像素子100は、増倍水平CCDチャネル4において信号電荷をアバランシェ増幅によって増倍した後、出力部5から出力することができる。
The solid-
受光部1は、受光した光から光電変換によって信号電荷(電気信号)を生じさせることができる。受光部1は、変換後の信号電荷について、垂直CCDチャネル2へ転送することができる。図示の例において、受光部1はフォトダイオード(PD)として構成され、固体撮像素子100中に行列状に多数配置されている。さらに、行列状に多数配置された受光部1は、1列ごとに垂直CCDチャネル2に接続されている。これにより、多数の受光部1の全体で受光した光は、受光部1の列ごとに、対応する垂直CCDチャネル2へ転送される。すなわち、1つの受光部1は、固体撮像素子100における1つの画素に相当する。
The
垂直CCDチャネル2は、受光部1から転送された信号電荷について、通常水平CCDチャネル3へ転送することができる。図示の例において、垂直CCDチャネル2は複数配置されており、個々の垂直CCDチャネル2には、1列分に相当する、複数の受光部1が接続されている。複数の垂直CCDチャネル2は、通常水平CCDチャネル3に対して、行列状に多数配置された受光部1の内、1行分に相当する複数の受光部1から転送された信号電荷を同時に転送する。すなわち、行列状に多数配置された受光部1のそれぞれで光電変換された信号電荷は、列単位で垂直CCDチャネル2へ転送された後、行単位で通常水平CCDチャネル3へ転送される。
The
通常水平CCDチャネル3は、垂直CCDチャネル2から転送された、1行分に相当する信号電荷について、出力することができる。通常水平CCDチャネル3は、複数の電極から構成されており、垂直CCDチャネル2からの信号電荷の転送は、後述する第3のゲート群に印加する電圧を制御することによって行われる。通常水平CCDチャネル3は、増倍水平CCDチャネル4を構成する電極の1つに、通常水平CCDチャネル3に接続された第3のゲート群33に印加する電圧より高い電圧が掛けられたときは、信号電荷を増倍水平CCDチャネル4に転送する。
The normal horizontal CCD channel 3 can output the signal charges corresponding to one row transferred from the
増倍水平CCDチャネル4は、通常水平CCDチャネル3から転送された信号電荷をアバランシェ増幅によって増幅し、出力部5へ転送することができる。増倍水平CCDチャネル4は、複数の電極によって構成されており、後述する第2のゲート群に印加する電圧の制御によって、通常水平CCDチャネル3からの信号電荷の転送を制御する。
The multiplication
出力部5は、増倍水平CCDチャネル4と電気的に接続されており、増倍水平CCDチャネル4から転送された信号電荷を出力することができる。出力部5は、例えば信号電荷をさらに増幅して出力するアンプであってもよい。
The
(固体撮像素子のゲート構成およびポテンシャル)
本実施形態に係る固体撮像素子100のゲート構成および各ゲートにおけるポテンシャルについて、図2を用いて説明する。図2は、固体撮像素子100のゲート構成およびゲートごとのポテンシャルを示す模式図である。なお、図示の例において、固体撮像素子100はVDDとして示された電源から供給された電力によって駆動する。また、図中においてポテンシャルが実線部および点線部にて示されている箇所は、信号電荷の転送などにおけるポテンシャルの変動幅を示している。また、ポテンシャルが斜線部にて示されているVDDおよびFDAは、それぞれ電源およびアンプであり、ゲートではないことを示している。
(Gate configuration and potential of solid-state image sensor)
The gate configuration of the solid-
PDと示された複数の受光部1にて受光した光から光電変換によって生成された信号電荷は、ΦV1〜4として示された4種類のゲートが接続されたチャネルで構成された垂直CCDチャネル2へ転送される。信号電荷は、さらに、ΦH1およびΦH2の2種類のゲートが接続されたチャネルで構成された通常水平CCDチャネル3へ転送される。電子増倍を行わない場合は、ΦH1およびΦH2から信号電荷がそのまま出力される。
A signal charge generated by photoelectric conversion from light received by a plurality of light-receiving
増倍水平CCDチャネル4は、EM1、EM2、DC1、およびDC2の4種類のゲートが接続されたチャネルから構成されている。図示の例において、EM1およびEM2にて示されたゲートが接続されたチャネルにおいて電子増倍が行われている。電子増倍が行われた後の信号電荷は、出力部5へ転送される。
The multiplication
出力部5は、OGおよびΦRの2種類のゲートを備えており、アンプとして機能するFDAをさらに備えている。出力部5は、OGにて増倍水平CCDチャネル4から受け付けた信号電荷を、FDAにて増幅し、出力する。
The
(隣接ゲート下チャネル間のポテンシャル差と電子増倍率との関係)
本実施形態に係る固体撮像素子100を含む、一般的な電子増倍機能を有する固体撮像素子において、増倍水平CCDチャネルの隣接ゲート下チャネル間のポテンシャル差と電子増倍率との関係について、図3を用いて説明する。図3は、固体撮像素子の増倍水平CCDチャネルのうち、隣接するゲート下チャネル間のポテンシャル差と電子増倍率との関係を示す図である。
(Relationship between potential difference between channels under adjacent gates and electron multiplication factor)
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a potential difference between adjacent under-gate channels of a multiplication horizontal CCD channel and an electron multiplication factor in a solid-state imaging device having a general electron multiplication function including the solid-
図示の例において、「隣接ゲート下チャネル間チャネルポテンシャル差(増倍水平CCDチャネル)」は、図2においてEM1で示したゲートが接続されたチャネルと、EM1に隣接するゲートが接続されたチャネルとの間のポテンシャルの差を示している。「電子増倍率」は、信号電荷がEM1で示したゲートを通過した前後で増倍されたときの増倍率を示している。 In the example shown in the figure, the “channel potential difference between channels under adjacent gates (multiplier horizontal CCD channel)” is the channel connected to the gate indicated by EM1 in FIG. 2 and the channel connected to the gate adjacent to EM1. Shows the potential difference between. “Electron multiplication factor” indicates the multiplication factor when the signal charge is multiplied before and after passing through the gate indicated by EM1.
いま、a、b>0かつa>bである2つのポテンシャル差を考えたとき、図示の例のように、ポテンシャル差aに対する電子増倍率は、ポテンシャル差bに対する電子増倍率よりも低いものとなる。換言すれば、高い電子増倍率を有する固体撮像素子を実現するためには、増倍水平CCDチャネルにおいて、ゲート間のポテンシャルの差が大きくなるように設定することが好適である。 Now, when two potential differences where a, b> 0 and a> b are considered, the electron multiplication factor with respect to the potential difference a is lower than the electron multiplication factor with respect to the potential difference b as in the illustrated example. Become. In other words, in order to realize a solid-state imaging device having a high electron multiplication factor, it is preferable to set the potential difference between the gates to be large in the multiplication horizontal CCD channel.
しかしながら、ゲート間のポテンシャルの差を大きくするために、例えばEM1に印加するゲート印加電圧を大きく設定すると、絶縁膜の劣化などの問題が生じる。現在用いられている電子増倍機能を有する固体撮像素子を用いたカメラなどの撮像機器は、特殊用途のハイエンド分野にて用いられている。そのため、固体撮像素子のコストおよび寿命を考慮することなく、高い駆動電圧にて駆動する構成としている。そこで、固体撮像素子の低コスト化および長寿命化を図るために、電子増倍率を高く維持し、かつ従来よりも低いゲート印加電圧にて駆動することが可能な固体撮像素子が要求されている。発明者は、これらの濃度条件などを設定するための方法を新たに見出した。 However, if the gate applied voltage applied to EM1 is set large, for example, in order to increase the potential difference between the gates, problems such as deterioration of the insulating film occur. An imaging device such as a camera using a solid-state imaging device having an electron multiplication function that is currently used is used in a high-end field for special applications. Therefore, it is configured to drive at a high driving voltage without considering the cost and life of the solid-state imaging device. Therefore, in order to reduce the cost and extend the life of the solid-state imaging device, there is a demand for a solid-state imaging device that can maintain a high electron multiplication factor and can be driven with a lower gate applied voltage than conventional ones. . The inventor has newly found a method for setting these concentration conditions and the like.
(固体撮像素子の層構造)
本実施形態に係る固体撮像素子100の層構造について、図4を用いて説明する。図4は、本実施形態に係る固体撮像素子100を、図2のA−A’線に沿って切断したときの断面図である。
(Layer structure of solid-state image sensor)
A layer structure of the solid-
図示の例において、固体撮像素子100は、図1にて説明した構成に加えて、さらに、第1のP型領域11、第3のP型領域13、第2のP型領域14、第1のN型領域20、第1のゲート群32、第3のゲート群33、および第2のゲート群34を備えている。なお、図示の例において、受光部1は第3のN型領域として構成されており、垂直CCDチャネル2、通常水平CCDチャネル3、および増倍水平CCDチャネル4は、第2のN型領域として形成されている。
In the illustrated example, the solid-
図示の例において、固体撮像素子100は、基板である第1のN型領域20の上に各種領域を積層することによって構成されている。
In the illustrated example, the solid-
第1のN型領域20は、電子によって電気伝導を行う領域であり、例えばシリコン製の基板である。なお、以下の説明において、第1のN型領域20を基板と呼称し、第1のN型領域20の電位を基板電位とも呼称することもある。
The first N-
受光部1は、第1のP型領域11の上に形成されている。第1のP型領域11は、正孔によって電気伝導を行う領域であり、当該領域のウェル濃度は、ウェル濃度条件P1によって制限されている。第1のP型領域11は、第1のN型領域20の上に形成されている。すなわち、受光部1、第1のP型領域11、および第1のN型領域20は、この順番で層構造を形成する。第1のP型領域11は、例えば、固体撮像素子100の表面からの深さが5〜8μmの位置に形成されることが好適である。
The
垂直CCDチャネル2は、固体撮像素子100の表面に配置され、さらに第1のゲート群32が上側に接続されている。垂直CCDチャネル2は、P型領域の上に形成されている。第1のゲート群32は、ΦV1〜4の4種類のゲートにて構成されている。
The
通常水平CCDチャネル3は、固体撮像素子100の表面かつ垂直CCDチャネル2に隣接する位置に配置されている。通常水平CCDチャネル3は、第3のゲート群33が上側に接続されており、さらに第3のP型領域13の上に形成されている。
Usually, the horizontal CCD channel 3 is arranged at a position adjacent to the surface of the solid-
第3のゲート群33は、通常水平CCDチャネル3に接続されており、当該通常水平CCDチャネル3の各チャネルに電圧を印加することができる。図示の例において、第3のゲート群33は、ΦH1およびΦH2の2種類のゲートで示される。 The third gate group 33 is connected to the normal horizontal CCD channel 3, and a voltage can be applied to each channel of the normal horizontal CCD channel 3. In the illustrated example, the third gate group 33 is represented by two types of gates ΦH1 and ΦH2.
第3のP型領域13は、正孔によって電気伝導を行う領域であり、当該領域のウェル濃度は、ウェル濃度条件H3によって制限されている。図示の例において、第3のP型領域13は、第1のN型領域20の上に形成されている。第3のP型領域13は、例えば、固体撮像素子100の表面からの深さが5〜7μmの位置に形成されることが好適である。
The third P-
増倍水平CCDチャネル4は、固体撮像素子100の表面かつ通常水平CCDチャネル3に隣接する位置に配置されている。増倍水平CCDチャネル4は、第2のゲート群34が上側に接続されており、さらに第2のP型領域14の上に形成されている。
The multiplying
第2のゲート群34は、増倍水平CCDチャネル4の各チャネルに電圧を印加することができる。図示の例において、第2のゲート群34は、EM1、EM2、DC1、およびDC2の4種類のゲートで示される。
The
第2のP型領域14は、正孔によって電気伝導を行う領域であり、当該領域のウェル濃度は、ウェル濃度条件H2によって制限されている。図示の例において、第2のP型領域14は、第1のN型領域20の上かつ第3のP型領域13に隣接する位置に形成されている。第2のP型領域14は、例えば、固体撮像素子100の表面からの深さが5〜7μmの位置に形成されることが好適である。
The second P-
(P型領域のウェル濃度とパンチスルーを起こすゲート印加電圧の関係)
固体撮像素子は、信号電荷の読み出しなどの動作においてCCDチャネルと基板をパンチスルーさせる必要がある。本実施形態に係る固体撮像素子100について、CCDチャネルに隣接するP型領域のウェル濃度と、当該CCDチャネルと基板がパンチスルーを起こすゲート印加電圧の関係を図5に示す。より具体的には、増倍水平CCDチャネル4と第1のN型領域20とがパンチスルーを起こすために必要な、第2のP型領域14のウェル濃度と第2のゲート群34に印加する電圧との関係を示す。
(Relationship between well concentration in P-type region and gate applied voltage causing punch-through)
The solid-state imaging device needs to punch through the CCD channel and the substrate in an operation such as reading signal charges. FIG. 5 shows the relationship between the well concentration in the P-type region adjacent to the CCD channel and the gate application voltage that causes punch-through between the CCD channel and the substrate in the solid-
図示の例において、基板電位が任意の一定値であるとき、P型領域のウェル濃度とゲート印加電圧とは、正比例の関係にある。すなわち、低いゲート印加電圧にて駆動する固体撮像素子を実現するためには、CCDチャネルに当接するP型領域のウェル濃度も低く設定すればよいことがわかる。 In the illustrated example, when the substrate potential is an arbitrary constant value, the well concentration in the P-type region and the gate applied voltage are in a directly proportional relationship. That is, it can be seen that in order to realize a solid-state imaging device driven by a low gate applied voltage, the well concentration of the P-type region in contact with the CCD channel may be set low.
(増倍水平CCDチャネルへのゲート印加電圧とチャネルポテンシャルの関係)
本実施形態に係る固体撮像素子100について、増倍水平CCDチャネル4に接続された第2のゲート群34に印加する電圧と、増倍水平CCDチャネル4のポテンシャルの関係を図6に示す。図6は、本実施形態に係る固体撮像素子100の、増倍水平CCDチャネル4へ印加するゲート印加電圧と、チャネルポテンシャルとの関係を示す図である。
(Relationship between gate application voltage and channel potential to multiplication horizontal CCD channel)
FIG. 6 shows the relationship between the voltage applied to the
図示の例は、第2のP型領域14のウェル濃度を設定するためのウェル濃度条件について、NH1>NH2>NH3である3種類のウェル濃度をそれぞれ適用したときのチャネルポテンシャルの違いを示している。また、第2のゲート群34に印加する電圧の増加量に比べてチャネルポテンシャルの増加量が上回るとき、増倍水平CCDチャネル4と第1のN型領域20とがパンチスルーを起こしていることを示している。
The illustrated example shows the difference in channel potential when three kinds of well concentrations of NH1> NH2> NH3 are applied to the well concentration conditions for setting the well concentration of the second P-
第2のP型ウェル濃度がNH1のとき、図示の範囲において、増倍水平CCDチャネル4と第1のN型領域20との間でパンチスルーは起こっていない。
When the second P-type well concentration is NH1, punch-through does not occur between the multiplying
ウェル濃度が2のとき、第2のゲート群34に印加する電圧が0Vよりある程度大きい領域において、増倍水平CCDチャネル4と第1のN型領域20との間でパンチスルーが起きている。
When the well concentration is 2, punch-through occurs between the multiplying
ウェル濃度がNH3のとき、第2のゲート群34に印加する電圧が0V未満の領域から、増倍水平CCDチャネル4と第1のN型領域20との間でパンチスルーが起きている。
When the well concentration is NH 3, punch-through occurs between the multiplication
図示の例より、第2のP型領域14のウェル濃度が高ければチャネルポテンシャルが低く、第2のP型領域14のウェル濃度が低ければチャネルポテンシャルが高くなり、さらにパンチスルーが広い領域で起こることがわかる。
From the example shown in the figure, the channel potential is low when the well concentration of the second P-
(ウェル濃度とポテンシャル差との関係)
本実施形態に係る固体撮像素子100について、第2のP型領域14のウェル濃度の違いによる、第2のゲート群34の隣接するゲート間のポテンシャル差の違いについて、図7を用いて説明する。図7は、固体撮像素子100の、増倍水平CCDチャネル4へ印加するゲート印加電圧と、チャネルポテンシャルとの関係を示す図である。なお、図示の例では、図6にて示したウェル濃度NH1〜3のうち、NH1およびNH2を用いて説明する。
(Relationship between well concentration and potential difference)
With respect to the solid-
増倍水平CCDチャネル4に接続された第2のゲート群34のうち、互いに隣接する2つのゲートに印加する電圧が、それぞれ0Vと15Vである場合を考える。すなわち、増倍水平CCDチャネル4の駆動電圧を15Vとした場合を考える。このとき、図示の例より、第2のP型領域14のウェル濃度がNH1のときのポテンシャル差はΔVe1であり、ウェル濃度がNH2のときのポテンシャル差はΔVe2である。また、ΔVe1<ΔVe2である。すなわち、第2のゲート群34に印加する電圧が同一であっても、ウェル濃度が低い方が、隣接するゲート下のチャネル間のポテンシャル差を大きくすることができる。したがって、第2のP型領域14のウェル濃度が低い方が、増倍水平CCDチャネル4における電子増倍率を高く設定することができる。
Consider a case where voltages applied to two adjacent gates in the
(CCDチャネルへのゲート印加電圧と基板電位との関係)
図6および図7の結果から、固体撮像素子100の第2のP型領域14のウェル濃度、すなわち第2のP型領域14のウェル濃度が低い方がパンチスルーを起こしやすく、さらに電子増倍率を高く設定することができることが示された。
(Relationship between gate application voltage to CCD channel and substrate potential)
From the results of FIGS. 6 and 7, punch-through is more likely to occur when the well concentration of the second P-
しかしながら、第2のP型領域14のウェル濃度は、他の部材との関係を考慮して設定する必要がある。例えば、増倍水平CCDチャネル4が基板とパンチスルーを起こした際、基板から増倍水平CCDチャネル4への電荷注入が発生すると、注入された電荷がノイズとなり、本来の信号電荷の転送に影響を与えるおそれがある。そのため、第2のP型領域14のウェル濃度は、電荷注入が発生しない範囲で低く設定することが好適である。または、基板電位を高く設定することで、基板から増倍水平CCDチャネル4への電荷注入を発生させないようことが好適である。
However, the well concentration of the second P-
本実施形態に係る固体撮像素子100において、P型領域ウェル濃度と基板電位との関係について、図8に示す。図8は、固体撮像素子100の、CCDチャネルへ接続されたゲート群へ印加するゲート印加電圧と、チャネルへの電荷注入を起こす基板電位との関係を示す図である。なお、図中のウェル濃度NH1〜3は、図6に記載のウェル濃度NH1〜3と同一である。また、図8は、増倍水平CCDチャネル4だけでなく、通常水平CCDチャネル3に対しても適用できるが、以下の説明では、増倍水平CCDチャネル4に接続された第2のゲート群34へ印加するゲート印加電圧と基板電位との関係について説明する。
FIG. 8 shows the relationship between the P-type region well concentration and the substrate potential in the solid-
図示の例からは、第2のゲート群34へ印加する第2のゲート群34に印加する電圧が高くなると、増倍水平CCDチャネル4へ第1のN型領域20から電荷注入を起こさないためには、基板電位も高くする必要があることがわかる。また、ウェル濃度が低くなると、同一の第2のゲート群34に印加する電圧が印加されたときに、電荷注入を起こす基板電位が高くなることがわかる。
From the example shown in the figure, when the voltage applied to the
すなわち、パンチスルーが起こりやすく、電子増倍率が高くなるように第2のP型領域14のウェル濃度を低く設定すると、増倍水平CCDチャネル4へ第1のN型領域20からの電荷注入によるノイズが発生しないように、基板電位を高く設定する必要がある。
That is, if the well concentration of the second P-
(第1のP型領域のウェル濃度と基板電圧)
図8の結果から、第2のP型領域14のウェル濃度を低くすると、それに応じて基板電位を高く設定する必要があることが示された。
(Well concentration of first P-type region and substrate voltage)
From the result of FIG. 8, it was shown that if the well concentration of the second P-
しかしながら、基板電位は、基板と他の部材との関係を考慮して設定する必要がある。例えば、固体撮像素子100がオーバーフロードレイン(OFD)動作およびシャッタ動作に必要な駆動電圧は、基板電位および受光部1に当接する第1のP型領域11のウェル濃度に応じて設定する必要がある。
However, the substrate potential needs to be set in consideration of the relationship between the substrate and other members. For example, the driving voltage required for the overflow drain (OFD) operation and the shutter operation of the solid-
受光部1が強い光を受光したときに発生するブルーミング現象を抑圧するために、固体撮像素子100はOFD動作を行う必要がある。OFD動作は、基板電位の制御によって受光部1で発生した信号電荷のうち、過剰電荷分を基板に排出(オーバーフロー)させるものである。よって、OFD動作に必要な駆動電圧(オーバーフロードレイン電圧:OFD電圧)は、基板電位を高くすると、それに応じて高くなる。
In order to suppress the blooming phenomenon that occurs when the
また、受光部1による受光量を適切な量とするために、固体撮像素子100はシャッタ動作を行う必要がある。シャッタ動作は、基板電位の制御によって受光部1で発生したすべての電荷を基板に排出させるものであるため、シャッタ動作に必要なシャッタ動作電圧は、基板電位を高く設定すると、それに応じて高くなる。
Further, in order to set the amount of light received by the
第1のP型領域11のウェル濃度と、OFD電圧およびシャッタ動作電圧に必要な基板電位との関係について、図9を用いて説明する。
The relationship between the well concentration of the first P-
図より、ウェル濃度が高くなると、最適なOFD抑圧となる基板電位およびシャッタ動作電圧は、いずれも高くなる。逆に言えば、基板電位を高く設定すると、第1のP型領域のウェル濃度も高くなる。 As shown in the figure, as the well concentration increases, the substrate potential and the shutter operating voltage for optimal OFD suppression both increase. Conversely, when the substrate potential is set high, the well concentration in the first P-type region also increases.
図6および図7の結果から、パンチスルーが起こりやすく、さらに電子増倍率を高く設定するには、第2のP型領域14のウェル濃度を低く設定することが好適であることが示された。また、図8の結果からは、第2のP型領域14のウェル濃度を低くすると、基板電位を高く設定する必要があることが示された。そして、図9の結果からは、基板電位を高く設定すると、OFD電圧およびシャッタ動作電圧を高く設定する必要があること、および第1のP型領域11のウェル濃度を高く設定する必要があることが示された。逆に言えば、第2のP型領域14のウェル濃度は、基板電位との間でバランスをとって設定する必要がある。例えば、固体撮像素子100を用いたカメラに供給される電源の仕様に応じて基板電位を設定し、設定した基板電位に応じて第2のP型領域14のウェル濃度を設定することが好適である。なお、第1のP型領域11のウェル濃度は、基板電位に応じて設定されるOFD電圧およびシャッタ動作の駆動電圧に基づいて設定される。
The results of FIGS. 6 and 7 indicate that punch-through is likely to occur, and that the well concentration of the second P-
(第2のP型領域のウェル濃度の設定方法)
本実施形態に係る固体撮像素子100において、第2のP型領域14のウェル濃度の設定方法の一例を、図10を用いて説明する。図10は、固体撮像素子100において第2のP型領域14のウェル濃度を設定する方法の一例を示すフローチャートである。図示の例において、フローチャートは3つの工程として示されているが、これに限定されることはない。
(Method for setting well concentration in second P-type region)
In the solid-
まず、想定されるOFD電圧およびシャッタ動作電圧に応じて、第1のP型領域11のウェル濃度および第1のN型領域20の電位(基板電位)を設定する(S1)。設定は、例えば図9に示した関係を満たすように行われる。その場合、通常動作中の基板電位(駆動電位)に対して、最適なOFD抑圧となる基板電圧およびシャッタ動作に必要な基板電圧が、当該元の基板電位からの変位量の合計値が最小となるように、通常動作中の基板電位および第1のP型領域11のウェル濃度を設定する。
First, the well concentration of the first P-
次に、電荷注入を起こす基板電位、第2のP型領域14のウェル濃度、および第2のゲート群34へ印加する電圧の関係を示す情報から、第2のP型領域14のウェル濃度と第2のゲート群34に印加する電圧の関係を示す情報を得る(S2)。第2のP型領域14のウェル濃度と第2のゲート群34に印加する電圧の関係を示す情報は、例えば図8に示したウェル濃度ごとに設定された直線が該当する。より具体的には、図8に、S1にて設定された第1のN型領域の電位(基板電位)を適用したときに、電荷注入を起こさない範囲にある第2のP型領域14のウェル濃度と第2のゲート群34に印加する電圧の組み合わせを抽出する。
Next, from the information indicating the relationship between the substrate potential causing charge injection, the well concentration of the second P-
そして、想定される第2のゲート群34に印加する電圧に応じて、第2のP型領域14のウェル濃度を設定する(S3)。例えば、図8に示したウェル濃度ごとに設定された直線に対して、第2のゲート群34に印加する電圧が想定された値であるときに電荷注入を起こさないウェル濃度条件を示す直線を決定する。そして、当該直線に相当するウェル濃度を第2のP型領域14のウェル濃度として設定することで実現できる。
Then, the well concentration of the second P-
以上の方法によって、固体撮像素子100の駆動時に想定される電圧が第2のゲート群34に印加されたとき、基板から増倍水平CCDチャネル4への電荷注入が起こらないような第2のP型領域14のウェル濃度を設定することができる。例えば、第2のゲート群34に印加する電圧が13V以上18V以下であるときに、第2のP型領域14のウェル濃度を1×1015cm−3以上5×1015cm−3以下として設定することができる。このとき、固体撮像素子100は、増倍水平CCDチャネル4における電子増倍率を高く維持しつつ、第1のN型領域20から増倍水平CCDチャネル4への電荷注入によるノイズが発生しない、効率的な電子増倍動作を行うことができる。
By the above method, when a voltage assumed when the solid-
また、前述したように、第2のP型領域14のウェル濃度を設定する際、第1のP型領域11のウェル濃度および基板電位も設定されることになる。例えば、基板電位が8V以上10V以下であるときに、第1のP型領域11のウェル濃度を0.3×1015cm−3以上2×1015cm−3以下として設定することができる。このとき、固体撮像素子100は、OFD電圧を6V以上10V以下として設定および駆動させることができる。
As described above, when the well concentration of the second P-
〔実施形態2〕
本発明の実施形態2について、図4、11〜13を用いて説明する。
[Embodiment 2]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(固体撮像素子の構成)
本実施形態に係る固体撮像素子100の構成は、一部構成を除き、前記実施形態1と同様である。本実施形態において、固体撮像素子100は、第1のN型領域20、第3のP型領域13、および通常水平CCDチャネル3がパンチスルーし、かつ第1のN型領域20から通常水平CCDチャネル3に電荷が注入されない構成である。
(Configuration of solid-state image sensor)
The configuration of the solid-
(ウェル濃度条件とポテンシャル差との関係)
本実施形態に係る固体撮像素子100について、第3のP型領域13のウェル濃度条件の違いによる、第3のゲート群33の隣接するゲート間のポテンシャル差の違いについて、図11および図12を用いて説明する。図11は、固体撮像素子100の、通常水平CCDチャネル3へ印加するゲート印加電圧と、チャネルポテンシャルとの関係を示す図である。なお、図11は、図7を通常水平CCDチャネル3に適用したものであり、図中のウェル濃度NH1およびNH2は、図7に示したものと同様である。図12は、図11と同様の構成であるが、ウェル濃度NH1とNH3を比較したものである。なお、ウェル濃度NH3は、図6に示したものと同様である。
(Relationship between well concentration condition and potential difference)
Regarding the solid-
通常水平CCDチャネル3において、信号電荷は増倍されないため、互いに隣接する2つのゲートの下のチャネル間のポテンシャル差は、増倍水平CCDチャネル4の場合よりは小さいものでよい。しかしながら、通常水平CCDチャネル3における信号電荷の転送効率(TE)は、TE=f(Emin,L)∝ΔV/L4にて決定される。ここで、Eminは最小フリンジ電界であり、ΔVは隣接ゲートポテンシャル差である。すなわち、隣接ゲートポテンシャル差が大きければ、通常水平CCDチャネル3における信号電荷の転送効率を高くすることができるので、ポテンシャル差は大きいことが好適である。
Since the signal charge is not multiplied in the normal horizontal CCD channel 3, the potential difference between the channels under the two adjacent gates may be smaller than that in the multiplied
通常水平CCDチャネル3に接続された第3のゲート群33のうち、互いに隣接する2つのゲートに印加する電圧が、それぞれ0Vと3Vである場合を考える。通常水平CCDチャネル3は、増倍水平CCDチャネル4よりも低いゲート印加電圧にて駆動し、一般的には3V程度の駆動電圧が用いられるためである。このとき、図11より、第3のP型領域13のウェル濃度条件がNH1のときのポテンシャル差はΔVh1であり、ウェル濃度条件がNH2のときのポテンシャル差はΔVh2である。また、ΔVh1<ΔVh2である。すなわち、第3のゲート群33に印加する電圧が同一であっても、ウェル濃度が低い方が、隣接するゲート下のチャネル間のポテンシャル差を大きくすることができる。したがって、第3のP型領域13のウェル濃度が低い方が、通常水平CCDチャネル3における転送効率を高く設定することができる。
Consider a case where voltages applied to two adjacent gates in the third gate group 33 connected to the normal horizontal CCD channel 3 are 0 V and 3 V, respectively. This is because the normal horizontal CCD channel 3 is driven by a gate application voltage lower than that of the multiplication
図12より、第3のP型領域13のウェル濃度条件がNH3のときのポテンシャル差はΔVh3である。そして、ΔVh1(<ΔVh2)<ΔVh3である。したがって、第3のP型領域13のウェル濃度条件がNH3であるとき、もっともポテンシャル差を大きくすることができ、したがって、通常水平CCDチャネル3における転送効率を高く設定することができる。
From FIG. 12, the potential difference when the well concentration condition of the third P-
(第3のP型領域13のウェル濃度の設定方法)
本実施形態に係る固体撮像素子100において、第3のP型領域13のウェル濃度の設定方法の一例を、図13を用いて説明する。図13は、固体撮像素子100において第3のP型領域13のウェル濃度を設定する処理の一例を示すフローチャートである。なお、図示の例において、第1のN型領域20の電位(基板電位)は例えば図10に示した方法によって設定済みであるものとする。
(Method for setting well concentration of third P-type region 13)
In the solid-
まず、電荷注入を起こす基板電位、第3のP型領域13のウェル濃度、および第3のゲート群33へ印加する電圧の関係を示す情報から、第3のP型領域13のウェル濃度と第3のゲート群33に印加する電圧の関係を示す情報を得る(S11)。第3のP型領域13のウェル濃度と第3のゲート群33に印加する電圧の関係を示す情報は、例えば図8に示したウェル濃度ごとに設定された直線が該当する。より具体的には、図8に、設定済みである第1のN型領域の電位(基板電位)を適用したときに、電荷注入を起こさない範囲にある第3のP型領域13のウェル濃度と第3のゲート群33に印加する電圧の組み合わせを抽出する。
First, from the information indicating the relationship between the substrate potential causing charge injection, the well concentration of the third P-
そして、想定される第3のゲート群33に印加する電圧に応じて、第3のP型領域13のウェル濃度を設定する(S12)。例えば、図8に示したウェル濃度ごとに設定された直線に対して、第3のゲート群33に印加する電圧が想定された値であるときに電荷注入を起こさないウェル濃度条件を示す直線を決定する。そして、当該直線に相当するウェル濃度を第3のP型領域13のウェル濃度として設定することで実現できる。
Then, the well concentration of the third P-
以上の方法によって、固体撮像素子100の駆動時に想定される電圧が第3のゲート群33に印加されたとき、基板から通常水平CCDチャネル3への電荷注入が起こらないような第3のP型領域13のウェル濃度を設定することができる。例えば、第3のゲート群33に印加する電圧が3V以上5V以下であるときに、第3のP型領域13のウェル濃度を0.3×1015cm−3以上2×1015cm−3以下として設定することができる。このとき、増倍水平CCDチャネル4における電子増倍率を高く維持しつつ、第1のN型領域20から増倍水平CCDチャネル4への電荷注入によるノイズが発生しない固体撮像素子100について、通常水平CCDチャネル3における転送効率を高めることができる。
According to the above method, the third P-type in which charge injection from the substrate to the normal horizontal CCD channel 3 does not occur when a voltage assumed when driving the solid-
〔変形例〕
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る固体撮像素子(100)は、受光部(1)として機能する第3のN型領域が、受光した光から光電変換によって生じさせた電気信号を、垂直CCDチャネル(2)、通常水平CCDチャネル(3)、および増倍水平CCDチャネル(4)を形成する第2のN型領域へ転送し、さらに出力部(5)から出力し、前記第3のN型領域は、基板である第1のN型領域(20)の上に形成された第1のP型領域(11)の上に設けられており、前記増倍水平CCDチャネルは、前記第2のN型領域のうち、前記第1のN型領域の上に形成された第2のP型領域(14)の上に設けられた領域であり、当該増倍水平CCDチャネルに電圧を印加するための第2のゲート群(34)が接続されており、前記通常水平CCDチャネルは、前記第2のN型領域のうち、前記第1のN型領域の上に形成された第3のP型領域(13)の上に設けられた領域であり、当該通常水平CCDチャネルに電圧を印加するための第3のゲート群(33)が接続されている固体撮像素子であって、前記第2のゲート群に前記固体撮像素子の駆動時の電圧を印加したとき、前記第1のN型領域、前記第2のP型領域、および前記増倍水平CCDチャネルがパンチスルーし、かつ前記第1のN型領域から前記増倍水平CCDチャネルに電荷が注入されないように、前記第2のP型領域のウェル濃度が設定されている構成である。
[Modification]
[Summary]
In the solid-state imaging device (100) according to the first aspect of the present invention, the third N-type region functioning as the light receiving unit (1) generates an electrical signal generated by photoelectric conversion from the received light. ), The normal horizontal CCD channel (3), and the second horizontal N-type region forming the multiplication horizontal CCD channel (4), and further output from the output unit (5). The multiplication horizontal CCD channel is provided on the first P-type region (11) formed on the first N-type region (20) which is the substrate. Among the regions, the region is provided on the second P-type region (14) formed on the first N-type region, and is used for applying a voltage to the multiplication horizontal CCD channel. 2 gate groups (34) are connected, and the normal horizontal CCD channel is Of the second N-type region, the region is provided on a third P-type region (13) formed on the first N-type region, and a voltage is applied to the normal horizontal CCD channel. A solid-state imaging device to which a third gate group (33) for application is connected, and when the voltage at the time of driving the solid-state imaging device is applied to the second gate group, the first N The second region, the second P-type region, and the multiplying horizontal CCD channel are punched through, and charge is not injected from the first N-type region into the multiplying horizontal CCD channel. In this configuration, the well concentration of the P-type region is set.
前記の構成によれば、固体撮像素子に電圧が印加されて駆動するとき、第1のN型領域、第2のP型領域、および増倍水平CCDチャネルがパンチスルーし、かつ第1のN型領域から増倍水平CCDチャネルに電荷が注入されない状態となる。このとき、第1のN型領域から増倍水平CCDチャネルへの電荷注入によるノイズが発生しない範囲で、増倍水平CCDチャネルのうち、第2のゲート群の隣接するゲート同士にそれぞれ接続されたチャネル間のポテンシャル差を大きく設定することができる。また、第2のP型領域のウェル濃度に応じて、第2のゲート群に印加するゲート印加電圧を低く設定することができる。したがって、チャネル間のポテンシャル差に応じた、増倍水平CCDチャネルにおける電子増倍率を高く維持しつつ、第1のN型領域から増倍水平CCDチャネルへの電荷注入によるノイズが発生しない、低いゲート印加電圧にて駆動する、効率的な電子増倍動作を行う固体撮像素子を提供することができるという効果を奏する。 According to the above-described configuration, when a voltage is applied to the solid-state imaging device for driving, the first N-type region, the second P-type region, and the multiplication horizontal CCD channel are punched through, and the first N-type region is driven. No charge is injected from the mold region into the multiplying horizontal CCD channel. At this time, the gates adjacent to the second gate group in the multiplication horizontal CCD channel are connected to each other within a range in which noise due to charge injection from the first N-type region to the multiplication horizontal CCD channel does not occur. The potential difference between channels can be set large. Further, the gate application voltage applied to the second gate group can be set low according to the well concentration of the second P-type region. Therefore, a low gate that does not generate noise due to charge injection from the first N-type region to the multiplication horizontal CCD channel while maintaining a high electron multiplication factor in the multiplication horizontal CCD channel according to the potential difference between the channels. There is an effect that it is possible to provide a solid-state imaging device that is driven by an applied voltage and performs an efficient electron multiplication operation.
本発明の態様2に係る固体撮像素子(100)は、前記態様1において、前記第3のゲート群(33)に前記固体撮像素子の駆動時の電圧を印加したとき、前記第1のN型領域(20)、前記第3のP型領域(13)、および前記通常水平CCDチャネル(3)がパンチスルーし、かつ前記第1のN型領域から前記通常水平CCDチャネルに電荷が注入されないように、前記第3のP型領域のウェル濃度が設定されている構成としてもよい。 The solid-state imaging device (100) according to the second aspect of the present invention is the first N-type when the voltage at the time of driving the solid-state imaging device is applied to the third gate group (33) in the first aspect. The region (20), the third P-type region (13), and the normal horizontal CCD channel (3) are punched through, and charge is not injected from the first N-type region into the normal horizontal CCD channel. Further, the well concentration of the third P-type region may be set.
前記の構成によれば、固体撮像素子に電圧が印加されて駆動するとき、第1のN型領域、第3のP型領域、および通常水平CCDチャネルがパンチスルーし、かつ第1のN型領域から通常水平CCDチャネルに電荷が注入されない状態となる。これにより、第1のN型領域から通常水平CCDチャネルへの電荷注入によるノイズが発生しない範囲で、通常水平CCDチャネルのうち、第3のゲート群の隣接するゲート同士にそれぞれ接続されたチャネル間のポテンシャル差を大きく設定することができる。したがって、チャネル間のポテンシャル差に応じた、通常水平CCDチャネルにおける電荷の転送時間を短くすることによって当該通常水平CCDチャネルにおける転送効率を高く維持しつつ、第1のN型領域から通常水平CCDチャネルへの電荷注入によるノイズが発生しない、効率的に電荷の転送を行う固体撮像素子を提供することができるという効果を奏する。 According to the above-described configuration, when a voltage is applied to the solid-state imaging device and driven, the first N-type region, the third P-type region, and the normal horizontal CCD channel punch through, and the first N-type region There is no charge injected from the region into the normal horizontal CCD channel. As a result, between the channels connected to the adjacent gates of the third gate group in the normal horizontal CCD channel, as long as noise due to charge injection from the first N-type region to the normal horizontal CCD channel does not occur. The potential difference can be set large. Accordingly, by reducing the charge transfer time in the normal horizontal CCD channel according to the potential difference between the channels, the transfer efficiency in the normal horizontal CCD channel is maintained high, while the normal horizontal CCD channel is changed from the first N-type region. There is an effect that it is possible to provide a solid-state imaging device that efficiently transfers charges without generating noise due to charge injection.
本発明の態様3に係る固体撮像素子(100)は、前記態様1または2において、前記第3のN型領域で発生した信号電荷の過剰電荷分が前記第1のN型領域(20)へオーバーフローし、かつ前記第1のN型領域から前記第3のN型領域に電荷が注入されないように、前記第1のP型領域(11)のウェル濃度が設定されている構成としてもよい。
In the solid-state imaging device (100) according to aspect 3 of the present invention, in the
前記の構成によれば、固体撮像素子は、第3のN型領域で発生した過剰電荷を第1のN型領域に排出するオーバーフロードレイン動作を行い、かつ第1のN型領域から第3のN型領域に電荷が注入されない状態となる。これにより、第1のN型領域から第3のN型領域への電荷注入によるノイズが発生しない範囲で、効率的な電子増倍動作を行う固体撮像素子を提供することができるという効果を奏する。 According to the above configuration, the solid-state imaging device performs an overflow drain operation for discharging the excess charge generated in the third N-type region to the first N-type region, and performs the third drain operation from the first N-type region. A state in which no charge is injected into the N-type region is achieved. Thus, there is an effect that it is possible to provide a solid-state imaging device that performs an efficient electron multiplication operation within a range in which noise due to charge injection from the first N-type region to the third N-type region does not occur. .
本発明の態様4に係る固体撮像素子(100)は、前記態様1において、前記固体撮像素子の駆動時において、前記基板の電位が6V以上10V以下であり、かつ、前記第2のゲート群(34)に印加される前記電圧が13V以上18V以下であり、前記第2のP型領域(14)のウェル濃度は、1×1015cm−3以上5×1015cm−3以下である構成としてもよい。
A solid-state imaging device (100) according to an
前記の構成によれば、固体撮像素子は、基板電位が6V以上10V以下であり、かつ、第2のゲート群を介して増倍水平CCDチャネルに印加される電圧が13V以上18V以下で駆動する。このとき、固体撮像素子は、第1のN型領域、第2のP型領域、および増倍水平CCDチャネルの間でパンチスルーとなるが、第1のN型領域から増倍水平CCDチャネルへ電荷が移動しない状態となる。さらに、増倍水平CCDチャネルに印加される電圧は、従来の電子増倍機能を有する固体撮像素子の場合は25〜50Vであることと比較して、より低い値となる。そのため、駆動時の負荷を低減し、長寿命である固体撮像素子を提供することができる。 According to the above configuration, the solid-state imaging device is driven at a substrate potential of 6 V or more and 10 V or less, and a voltage applied to the multiplication horizontal CCD channel via the second gate group is 13 V or more and 18 V or less. . At this time, the solid-state imaging device punches through between the first N-type region, the second P-type region, and the multiplication horizontal CCD channel, but from the first N-type region to the multiplication horizontal CCD channel. The charge does not move. Furthermore, the voltage applied to the multiplying horizontal CCD channel is a lower value compared to 25 to 50 V in the case of a conventional solid-state imaging device having an electron multiplying function. Therefore, it is possible to provide a solid-state imaging device that reduces the load during driving and has a long lifetime.
本発明の態様5に係る固体撮像素子(100)は、前記態様4において、前記固体撮像素子の駆動時において、前記第3のゲート群(33)に印加される前記電圧が3V以上5V以下であり、前記第3のP型領域(13)のウェル濃度は、0.3×1015cm−3以上2×1015cm−3以下である構成としてもよい。
The solid-state imaging device (100) according to
前記の構成によれば、第3のゲート群を介して通常水平CCDチャネルに印加される電圧が3V以上5V以下であるとき、固体撮像素子は、第1のN型領域、第3のP型領域、および通常水平CCDチャネルの間でパンチスルーとなるが、第1のN型領域から通常水平CCDチャネルへ電荷が移動しない状態とすることができる。 According to the above configuration, when the voltage applied to the normal horizontal CCD channel through the third gate group is 3 V or more and 5 V or less, the solid-state imaging device has the first N-type region and the third P-type. Punch-through occurs between the region and the normal horizontal CCD channel, but it is possible to prevent the charge from moving from the first N-type region to the normal horizontal CCD channel.
本発明の態様6に係る固体撮像素子(100)は、前記態様5において、前記第1のP型領域(11)のウェル濃度は、0.3×1015cm−3以上2×1015cm−3以下である構成としてもよい。 In the solid-state imaging device (100) according to the sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the well concentration of the first P-type region (11) is 0.3 × 10 15 cm −3 or more and 2 × 10 15 cm. -3 or less.
前記の構成によれば、固体撮像素子の駆動時に、第1のN型領域から第3のN型領域に電荷が注入されない。したがって、第1のN型領域から第3のN型領域への電荷注入によるノイズが発生しない範囲で、効率的な電子増倍動作を行う固体撮像素子を提供することができるという効果を奏する。 According to the above configuration, no charge is injected from the first N-type region to the third N-type region when the solid-state imaging device is driven. Therefore, there is an effect that it is possible to provide a solid-state imaging device that performs an efficient electron multiplication operation in a range in which noise due to charge injection from the first N-type region to the third N-type region does not occur.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention. Furthermore, a new technical feature can be formed by combining the technical means disclosed in each embodiment.
1 受光部
2 垂直CCDチャネル
3 通常水平CCDチャネル
4 増倍水平CCDチャネル
5 出力部
11 第1のP型領域
13 第3のP型領域
14 第2のP型領域
20 第1のN型領域
32 第1のゲート群
33 第3のゲート群
34 第2のゲート群
100 固体撮像素子
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第3のN型領域は、基板である第1のN型領域の上に形成された第1のP型領域の上に設けられており、
前記増倍水平CCDチャネルは、前記第2のN型領域のうち、前記第1のN型領域の上に形成された第2のP型領域の上に設けられた領域であり、当該増倍水平CCDチャネルに電圧を印加するための第2のゲート群が接続されており、
前記通常水平CCDチャネルは、前記第2のN型領域のうち、前記第1のN型領域の上に形成された第3のP型領域の上に設けられた領域であり、当該通常水平CCDチャネルに電圧を印加するための第3のゲート群が接続されている固体撮像素子であって、
前記第2のゲート群に前記固体撮像素子の駆動時の電圧を印加したとき、前記第1のN型領域、前記第2のP型領域、および前記増倍水平CCDチャネルがパンチスルーし、かつ前記第1のN型領域から前記増倍水平CCDチャネルに電荷が注入されないように、前記第2のP型領域のウェル濃度が設定されている
ことを特徴とする固体撮像素子。 A third N-type region functioning as a light-receiving unit forms a vertical CCD channel, a normal horizontal CCD channel, and a multiplying horizontal CCD channel by using a second N-type electric signal generated by photoelectric conversion from the received light. Transfer to the area, and further output from the output unit,
The third N-type region is provided on a first P-type region formed on the first N-type region which is a substrate,
The multiplication horizontal CCD channel is an area provided on a second P-type area formed on the first N-type area in the second N-type area. A second gate group for applying a voltage to the horizontal CCD channel is connected;
The normal horizontal CCD channel is an area provided on a third P-type area formed on the first N-type area in the second N-type area. A solid-state imaging device to which a third gate group for applying a voltage to a channel is connected,
When a voltage at the time of driving the solid-state imaging device is applied to the second gate group, the first N-type region, the second P-type region, and the multiplication horizontal CCD channel punch through, and A solid-state imaging device, wherein a well concentration of the second P-type region is set so that charges are not injected from the first N-type region into the multiplication horizontal CCD channel.
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 When a voltage at the time of driving the solid-state imaging device is applied to the third gate group, the first N-type region, the third P-type region, and the normal horizontal CCD channel punch through, and 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a well concentration of the third P-type region is set so that charges are not injected from the first N-type region into the normal horizontal CCD channel.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の固体撮像素子。 The excess charge of the signal charge generated in the third N-type region overflows into the first N-type region, and no charge is injected from the first N-type region into the third N-type region. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a well concentration of the first P-type region is set.
前記基板の電位が6V以上10V以下であり、かつ、
前記第2のゲート群に印加される前記電圧が13V以上18V以下であり、
前記第2のP型領域のウェル濃度は、1×1015cm−3以上5×1015cm−3以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 At the time of driving the solid-state image sensor,
The substrate has a potential of 6V to 10V, and
The voltage applied to the second gate group is not less than 13V and not more than 18V;
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a well concentration of the second P-type region is 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 15 cm −3 or less.
前記第3のゲート群に印加される前記電圧が3V以上5V以下であり、
前記第3のP型領域のウェル濃度は、0.3×1015cm−3以上2×1015cm−3以下である
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。 At the time of driving the solid-state image sensor,
The voltage applied to the third gate group is 3 V or more and 5 V or less;
5. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein a well concentration of the third P-type region is 0.3 × 10 15 cm −3 or more and 2 × 10 15 cm −3 or less.
ことを特徴とする請求項5に記載の固体撮像素子。 6. The solid-state imaging device according to claim 5, wherein a well concentration of the first P-type region is 0.3 × 10 15 cm −3 or more and 2 × 10 15 cm −3 or less.
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