JP2021068758A - Solid-state image pickup device, method for manufacturing solid-state image pickup device and electronic apparatus - Google Patents

Solid-state image pickup device, method for manufacturing solid-state image pickup device and electronic apparatus Download PDF

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祐介 澤井
Yusuke Sawai
祐介 澤井
盛 一也
Kazuya Mori
一也 盛
田中 俊介
Shunsuke Tanaka
俊介 田中
俊徳 大高
Toshinori Otaka
俊徳 大高
直人 安田
Naoto Yasuda
直人 安田
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Abstract

To provide a solid-state image pickup device, a method for manufacturing a solid-state image pickup device and an electronic apparatus, which are capable of acquiring highly accurate phase difference information with low power consumption without losing saturation charge and moreover without image correction, while suppressing a decrease in sensitivity, resulting in capable of improving image quality without using a complicated reading-out method.SOLUTION: In a solid-state image pickup device 10, a photoelectric conversion function region 2211 formed by a first conductivity type (n type) semiconductor layer (n layer) and a charge storage function region 2212 are arranged, in a photodiode 200 (PD) that serves as a photoelectric conversion part, offset from the central part CTpd of the photodiode 200 (PD) that serves as a photoelectric conversion part; and an isolation region 2241 formed by a second conductivity type (p type) semiconductor layer (p layer) 224 is arranged in a region excluding the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器に関するものである。 The present invention relates to a solid-state image sensor, a method for manufacturing a solid-state image sensor, and an electronic device.

光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置(イメージセンサ)として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが実用に供されている。
CMOSイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
A CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor is put into practical use as a solid-state image sensor (image sensor) using a photoelectric conversion element that detects light and generates an electric charge.
CMOS image sensors are widely applied as part of various electronic devices such as digital cameras, video cameras, surveillance cameras, medical endoscopes, personal computers (PCs), and mobile terminal devices (mobile devices) such as mobile phones. There is.

CMOSイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード(光電変換素子)および浮遊拡散層(FD:Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するFDアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列(カラム)方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。 The CMOS image sensor has an FD amplifier having a photodiode (photoelectric conversion element) and a floating diffusion layer (FD) for each pixel, and its reading selects a certain line in the pixel array. However, the column parallel output type that reads them out in the column direction at the same time is the mainstream.

ところで、デジタルカメラ等の撮像装置においては、自動焦点調節(オートフォーカス(AF))を実現するための方式として、たとえば画素アレイ部の画素の一部にオートフォーカス(AF)の位相差情報を得るための位相差検出画素を配置してオートフォーカスを行う、像面位相差法等の位相差検出方式が知られている(たとえば特許文献1〜4参照)。 By the way, in an imaging device such as a digital camera, as a method for realizing automatic focus adjustment (autofocus (AF)), for example, phase difference information of autofocus (AF) is obtained from a part of pixels of a pixel array section. There are known phase difference detection methods such as the image plane phase difference method in which the phase difference detection pixels for this purpose are arranged and autofocus is performed (see, for example, Patent Documents 1 to 4).

特許文献1には、1画素の光電変換部の中心をp型拡散層にて分割することにより左右の位相差情報を取得できる撮像装置が記載されている。 Patent Document 1 describes an imaging device capable of acquiring left and right phase difference information by dividing the center of a photoelectric conversion unit of one pixel by a p-type diffusion layer.

特許文献2には、1画素の左右どちらかの光電変換部をメタルで遮光し、遮光された左右1組からなる2画素の情報から位相差情報を取得できる撮像装置が記載されている。
この撮像装置は、撮像素子から出力される画像信号の画像を用いて、撮像素子における焦点調節を行う対象領域である焦点調節領域を決定する決定手段と、焦点調節領域内の画素から出力された瞳分割された画像信号に基づいて、位相差方式の焦点調節制御を行う焦点調節手段とを有し、信号演算手段から出力された画像信号に基づいて、画像のエッジ成分を検出するエッジ検出手段を更に有し、決定手段は、エッジ成分が検出された領域を含む領域を、焦点調節領域として決定する。
Patent Document 2 describes an imaging device capable of light-shielding either the left or right photoelectric conversion unit of one pixel with metal and acquiring phase difference information from the information of two pixels consisting of a pair of light-shielded left and right pixels.
This image pickup device uses an image of an image signal output from the image sensor to determine a focus adjustment region, which is a target region for focus adjustment in the image sensor, and outputs from pixels in the focus adjustment region. An edge detection means for detecting an edge component of an image based on an image signal output from a signal calculation means, which has a focus adjustment means for performing a phase difference type focus adjustment control based on a pupil-divided image signal. The determination means further determines the region including the region where the edge component is detected as the focus adjustment region.

特許文献3には、撮像面の画素単位に配置されたマイクロレンズと、画素単位に配置され、少なくとも行方向で隣接する画素単位と異なる色を有し隣接する画素単位と所定の最小色配列をなす色フィルタと、画素単位に配置され、マイクロレンズおよび色フィルタを透過した光を光電変換して画素信号を生成する光電変換域とを備え、少なくとも一部の前記最小色配列をなす画素単位それぞれに配置される光電変換域は、マイクロレンズの通過光束の中心軸に対して所定の瞳分割方向に偏って配置され、近接する前記最小色配列の同色画素間において、光電変換域の偏りは対称関係をなす固体撮像装置が記載されている。 Patent Document 3 describes a microlens arranged in pixel units on an imaging surface, a pixel unit arranged in pixel units, a color different from that of adjacent pixel units at least in the row direction, and an adjacent pixel unit and a predetermined minimum color array. Each pixel unit has at least a part of the minimum color array, including a color filter that forms a pixel, and a photoelectric conversion region that is arranged in pixel units and photoelectrically converts light transmitted through a microlens and a color filter to generate a pixel signal. The photoelectric conversion region arranged in is biased in a predetermined pupil division direction with respect to the central axis of the passing light beam of the microlens, and the deviation of the photoelectric conversion region is symmetrical between the adjacent pixels of the same color in the minimum color arrangement. The relevant solid-state imaging devices are described.

特許文献4には、蓄積拡散層の上部に透明電極を配置し、蓄積拡散層のポテンシャル分布を制御することにより左右の位相差情報を取得できる固体撮像装置が記載されている。
この固体撮像装置は、被写体からの入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生させる光電変換領域と、光電変換領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積領域と、電荷蓄積領域に電圧を印加して前記電荷に対するポテンシャルを変調することによって電荷蓄積領域の幅を狭窄し、電荷蓄積領域を偏在させるポテンシャル変調用電極とを有するハイブリッド画素を複数備えている。
Patent Document 4 describes a solid-state image sensor capable of acquiring left and right phase difference information by arranging a transparent electrode on the upper part of the accumulation diffusion layer and controlling the potential distribution of the accumulation diffusion layer.
This solid-state imaging device photoelectrically converts the incident light from the subject and generates a charge according to the amount of the incident light, a charge storage region that stores the charge generated in the photoelectric conversion region, and a voltage in the charge storage region. Is provided to modulate the potential for the charge, thereby narrowing the width of the charge storage region and providing a plurality of hybrid pixels having a potential modulation electrode that unevenly distributes the charge storage region.

特開2012−155095号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-155095 特開2010−160314号公報JP-A-2010-160314 特開2012−182824号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-182824 WOA12014−097899WOA12014-07899

ところが、特許文献1〜4に記載の撮像装置においては、以下に示すような不利益がある。 However, the image pickup apparatus described in Patent Documents 1 to 4 has the following disadvantages.

特許文献1に記載の撮像装置では、全画素同時に位相差情報を取得するため消費電力が高い。 The image pickup apparatus described in Patent Document 1 consumes high power because all pixels simultaneously acquire phase difference information.

特許文献2に記載の撮像装置では、位相差情報を取得した画素は感度減少があるため、通常の画像情報を読み出すことができず、画像情報を欠陥とする補正が必要である。 In the image pickup apparatus described in Patent Document 2, since the pixel that has acquired the phase difference information has a decrease in sensitivity, it is not possible to read out normal image information, and it is necessary to correct the image information as a defect.

特許文献3に記載の固体撮像装置では、全ての色画素は蓄積拡散層を左右に偏向させて各2×2のベイヤー配列であることから、蓄積拡散層の左右の情報が出力されるので一緒に、すべてのピクセル補正が必要である。 In the solid-state image sensor described in Patent Document 3, since all the color pixels have a Bayer array of 2 × 2 each by deflecting the accumulation and diffusion layer to the left and right, the information on the left and right of the accumulation and diffusion layer is output together. All pixel corrections are needed.

特許文献4に記載の固体撮像装置では、透明電極を全画素に配置することも可能だが、消費電力が高いため、緑色画素(Green画素)にしか展開できていない。 In the solid-state image sensor described in Patent Document 4, it is possible to arrange transparent electrodes on all pixels, but due to high power consumption, it can be developed only on green pixels.

以上のように、従来の位相差情報を取得できるセンサとしての固体撮像装置では、光電変換領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積領域(蓄積拡散層)の面積を変更したり、遮光する必要があった。
そのため、位相差情報を取得するためには飽和電荷の損失が大きく、感度の低下や画像の補正が必要である。
さらに、通常の読み出し画像の品質低下や読み出しの方式が複雑になるという不利益がある。
As described above, in the conventional solid-state image sensor as a sensor capable of acquiring phase difference information, it is necessary to change the area of the charge storage region (accumulation diffusion layer) for accumulating the charges generated in the photoelectric conversion region or to shield the light from light. there were.
Therefore, in order to acquire the phase difference information, the loss of saturated charge is large, and it is necessary to reduce the sensitivity and correct the image.
Further, there are disadvantages that the quality of the normal read image is deteriorated and the reading method becomes complicated.

また、従来の固体撮像装置においては、空乏化電圧を抑えることには限界があり、低消費電力化が困難であるという不利益がある。 Further, in the conventional solid-state image sensor, there is a limit in suppressing the depletion voltage, and there is a disadvantage that it is difficult to reduce the power consumption.

本発明は、感度の低下を抑止しつつ、飽和電荷を損失することなく、空乏化電圧を抑えることができ、しかも画像の補正を伴うことなく低消費電力で精度の高い位相差情報を取得することが可能となり、ひいては複雑な読み出し方式を伴うことなく画質を向上させることが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、および電子機器を提供することにある。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, the depletion voltage can be suppressed without loss of saturated charge while suppressing a decrease in sensitivity, and moreover, low power consumption and highly accurate phase difference information can be acquired without image correction. It is an object of the present invention to provide a solid-state image sensor, a method for manufacturing a solid-state image sensor, and an electronic device capable of improving the image quality without involving a complicated readout method.

本発明の第1の観点の固体撮像装置は、第1基板面側と、当該第1基板面側と対向する側の第2基板面側とを有する基板と、前記基板の第1基板面側と第2基板面側との間に埋め込むように形成された第1導電型半導体層を含み、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する光電変換機能領域および前記光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積機能領域を有する単位画素を形成する少なくとも一つの光電変換部と、を含み、前記光電変換部は、光が入射する前記第1基板面側に前記光電変換機能領域が配置され、前記電荷蓄積機能領域が前記第2基板面側に配置され、前記光電変換機能領域および前記電荷蓄積機能領域うち少なくとも前記光電変換機能領域が、当該光電変換部の中央部からずらして配置されている。 The solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention has a substrate having a first substrate surface side, a second substrate surface side facing the first substrate surface side, and a first substrate surface side of the substrate. A photoelectric conversion function region that includes a first conductive semiconductor layer formed so as to be embedded between the surface and the surface side of the second substrate, photoelectrically converts incident light, and generates an electric charge according to the amount of incident light, and the photoelectric conversion function. The photoelectric conversion unit includes at least one photoelectric conversion unit that forms a unit pixel having a charge storage function region for accumulating charges generated in the region, and the photoelectric conversion unit includes the photoelectric conversion unit on the surface side of the first substrate on which light is incident. The functional region is arranged, the charge storage functional region is arranged on the second substrate surface side, and at least the photoelectric conversion functional region of the photoelectric conversion functional region and the charge storage functional region is from the central portion of the photoelectric conversion unit. They are staggered.

本発明の第2の観点は、第1基板面側と、当該第1基板面側と対向する側の第2基板面側とを有する基板と、前記基板の第1基板面側と第2基板面側との間に埋め込むように形成された第1導電型半導体層を含み、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する光電変換機能領域および前記光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積機能領域を有する単位画素を形成する少なくとも一つの光電変換部と、を含む固体撮像装置の製造方法であって、前記光電変換部を形成するステップにおいて、光が入射する前記第1基板面側に前記光電変換機能領域を形成し、前記電荷蓄積機能領域を前記第2基板面側に形成するとともに、前記光電変換機能領域および前記電荷蓄積機能領域うち少なくとも前記光電変換機能領域を、当該光電変換部の中央部からずらして形成する。 A second aspect of the present invention is a substrate having a first substrate surface side, a second substrate surface side facing the first substrate surface side, and a first substrate surface side and a second substrate of the substrate. It was generated in the photoelectric conversion functional region and the photoelectric conversion functional region, which includes a first conductive semiconductor layer formed so as to be embedded between the surface side, photoelectrically converts incident light, and generates an electric charge according to the amount of incident light. A method for manufacturing a solid-state imaging device including at least one photoelectric conversion unit that forms a unit pixel having a charge storage function region for accumulating charges, and the light is incident in the step of forming the photoelectric conversion unit. The photoelectric conversion functional region is formed on the surface side of the first substrate, the charge storage functional region is formed on the surface side of the second substrate, and at least the photoelectric conversion functional region of the photoelectric conversion functional region and the charge storage functional region is formed. Is formed so as to be offset from the central portion of the photoelectric conversion portion.

本発明の第3の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、第1基板面側と、当該第1基板面側と対向する側の第2基板面側とを有する基板と、前記基板の第1基板面側と第2基板面側との間に埋め込むように形成された第1導電型半導体層を含み、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する光電変換機能領域および前記光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積機能領域を有する単位画素を形成する少なくとも一つの光電変換部と、を含み、前記光電変換部は、光が入射する前記第1基板面側に前記光電変換機能領域が配置され、前記電荷蓄積機能領域が前記第2基板面側に配置され、前記光電変換機能領域および前記電荷蓄積機能領域うち少なくとも前記光電変換機能領域が、当該光電変換部の中央部からずらして配置されている。 The electronic device according to the third aspect of the present invention includes a solid-state imaging device and an optical system for forming a subject image on the solid-state imaging device, and the solid-state imaging device includes a first substrate surface side and the subject image. A first conductive semiconductor formed so as to be embedded between a substrate having a second substrate surface side facing the first substrate surface side and between the first substrate surface side and the second substrate surface side of the substrate. At least one unit pixel including a layer and having a photoelectric conversion functional region for photoelectrically converting incident light and generating charges according to the amount of incident light and a charge storage functional region for accumulating charges generated in the photoelectric conversion functional region is formed. The photoelectric conversion unit includes two photoelectric conversion units, the photoelectric conversion function region is arranged on the first substrate surface side on which light is incident, and the charge storage function region is arranged on the second substrate surface side. Of the photoelectric conversion functional region and the charge storage functional region, at least the photoelectric conversion functional region is arranged so as to be offset from the central portion of the photoelectric conversion portion.

本発明によれば、感度の低下を抑止しつつ、飽和電荷を損失することなく、空乏化電圧を抑えることができ、しかも画像の補正を伴うことなく低消費電力で精度の高い位相差情報を取得することが可能となり、ひいては複雑な読み出し方式を伴うことなく画質を向上させることが可能できる。 According to the present invention, the depletion voltage can be suppressed without loss of saturated charge while suppressing the decrease in sensitivity, and the phase difference information with low power consumption and high accuracy can be obtained without image correction. It is possible to acquire the image, and it is possible to improve the image quality without involving a complicated reading method.

本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本第1の実施形態に係る単位画素の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the unit pixel which concerns on this 1st Embodiment. 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の列出力の読み出し系の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of the reading system of the column output of the pixel part of the solid-state image sensor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素を形成する埋め込み型のフォトダイオードの構成例を示す簡略断面図である。It is a simplified sectional view which shows the structural example of the embedded type photodiode which forms the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 光電変換部であるフォトダイオードのn領域(n層)の空乏化について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the depletion of the n region (n layer) of a photodiode which is a photoelectric conversion part. 本発明の第1の実施形態に係る単位画素の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the unit pixel which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本第1の実施形態において、単位画素が水平単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the pixel array when the unit pixel is a horizontal unit pixel in this 1st Embodiment. 本第1の実施形態において、単位画素が斜め単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the pixel array when the unit pixel is an oblique unit pixel in this 1st Embodiment. 本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素を形成する埋め込み型のフォトダイオードの構成例を示す簡略断面図である。It is a simplified sectional view which shows the structural example of the embedded type photodiode which forms the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本第2の実施形態において、図7のように水平単位画素を行列状に配列した一配列例の所定行における簡略断面図である。In the second embodiment, it is a simplified cross-sectional view in a predetermined row of an array example in which horizontal unit pixels are arranged in a matrix as shown in FIG. 本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本第3の実施形態において、単位画素が水平単位画素および斜め単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the pixel array when the unit pixel is a horizontal unit pixel and an oblique unit pixel in this 3rd Embodiment. 発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素を形成する埋め込み型のフォトダイオードの構成例を示す簡略断面図である。It is a simplified sectional view which shows the structural example of the embedded type photodiode which forms the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る単位画素の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the unit pixel which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本第4の実施形態において、単位画素が垂直単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the pixel array when the unit pixel is a vertical unit pixel in this 4th Embodiment. 本第4の実施形態において、単位画素が斜め単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the pixel array when the unit pixel is an oblique unit pixel in this 4th Embodiment. 本発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素を形成する埋め込み型のフォトダイオードの構成例を示す簡略断面図である。It is a simplified sectional view which shows the structural example of the embedded type photodiode which forms the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 6th Embodiment of this invention. 本第6の実施形態において、単位画素が水平単位画素および斜め単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the pixel array in the case where the unit pixel is a horizontal unit pixel and an oblique unit pixel in this sixth embodiment. 本発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の第1の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the 1st modification of the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の第2の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the 2nd modification of the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 7th Embodiment of this invention. 本発明の第8の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 8th Embodiment of this invention. 本発明の第9の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the unit pixel of the solid-state image sensor which concerns on 9th Embodiment of this invention. 本第9の実施形態に係る固体撮像装置の画素部および読み出し部におけるグローバルシャッタ系回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the global shutter system circuit in the pixel part and the reading part of the solid-state image pickup apparatus which concerns on this 9th Embodiment. 本第9の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the laminated structure of the solid-state image sensor which concerns on this 9th Embodiment. 本第9の実施形態に係る固体撮像装置の所定シャッタモード時の主として画素部における読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。It is a timing chart for demonstrating the reading operation mainly in the pixel part in the predetermined shutter mode of the solid-state image pickup apparatus which concerns on 9th Embodiment. 本第9の実施形態にかかる固体撮像装置のグローバルシャッタ読み出し動作をローリングシャッタ読み出し動作と比較して説明するための動作シーケンス図である。It is operation sequence diagram for demonstrating the global shutter reading operation of the solid-state image sensor which concerns on this 9th Embodiment in comparison with rolling shutter reading operation. 本第9の実施形態にかかる固体撮像装置において、アンチブルーミング制御例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example of anti-blooming control in the solid-state image sensor which concerns on this 9th Embodiment. 本発明の第10の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the solid-state image sensor which concerns on 10th Embodiment of this invention. 本発明の第10の実施形態に係る固体撮像装置の画素部のデジタル画素アレイの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the digital pixel array of the pixel part of the solid-state image pickup apparatus which concerns on tenth embodiment of this invention. 本発明の第10の実施形態に係る固体撮像装置の画素の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the pixel of the solid-state image sensor which concerns on 10th Embodiment of this invention. 本発明の第10の実施形態に係るメモリ部および出力回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the memory part and the output circuit which concerns on 10th Embodiment of this invention. 本発明の第10の実施形態に係る固体撮像装置におけるフレーム読み出しシーケンスの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the frame reading sequence in the solid-state image pickup apparatus which concerns on tenth embodiment of this invention. 本第10の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the laminated structure of the solid-state image pickup apparatus which concerns on this tenth embodiment. 本第10の実施形態に係る固体撮像装置の積層構造について説明するための簡略断面図である。It is a simplified sectional view for demonstrating the laminated structure of the solid-state image pickup apparatus which concerns on this tenth embodiment. 本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the electronic device to which the solid-state image sensor which concerns on embodiment of this invention are applied.

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in association with the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置10は、たとえばCMOSイメージセンサにより構成される。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a solid-state image sensor according to the first embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the solid-state image sensor 10 is composed of, for example, a CMOS image sensor.

この固体撮像装置10は、図1に示すように、撮像部としての画素部20、垂直走査回路(行走査回路)30、読み出し回路(カラム読み出し回路)40、水平走査回路(列走査回路)50、およびタイミング制御回路60を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し部70が構成される。
As shown in FIG. 1, the solid-state image sensor 10 includes a pixel unit 20 as an image pickup unit, a vertical scanning circuit (row scanning circuit) 30, a readout circuit (column readout circuit) 40, and a horizontal scanning circuit (column scanning circuit) 50. , And the timing control circuit 60 as a main component.
Among these components, for example, a vertical scanning circuit 30, a reading circuit 40, a horizontal scanning circuit 50, and a timing control circuit 60 constitute a pixel signal reading unit 70.

本第1の実施形態において、固体撮像装置10は、後で詳述するように、画素部20に行列状に配列される画素(または画素部20)は、光電変換部として、埋め込み型フォトダイオード(PPD)を有する。
本実施形態の埋め込み型ダイオード(PPD)は、光が照射される第1基板面側(たとえば裏面側)と第1基板面側と対向する側の第2基板面側(前面側)とを有する基板と、基板に対して埋め込むように形成された第1導電型(たとえば本実施形態においてはn型)半導体層(以下、n層という場合もある)を含み、入射光量に応じた電荷を発生する光電変換機能領域およびこの光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積機能領域を有する単位画素を形成する少なくとも一つの光電変換部と、を含む。
In the first embodiment, as will be described in detail later, in the solid-state imaging device 10, the pixels (or the pixel unit 20) arranged in a matrix in the pixel unit 20 are embedded photodiodes as photoelectric conversion units. Has (PPD).
The embedded diode (PPD) of the present embodiment has a first substrate surface side (for example, a back surface side) to be irradiated with light and a second substrate surface side (front surface side) facing the first substrate surface side. It includes a substrate and a first conductive type (for example, n type in this embodiment) semiconductor layer (hereinafter, may be referred to as n layer) formed so as to be embedded in the substrate, and generates an electric charge according to the amount of incident light. It includes at least one photoelectric conversion unit that forms a unit pixel having a photoelectric conversion functional region and a charge storage functional region for accumulating charges generated in the photoelectric conversion functional region.

本実施形態において、基本的に、光電変換部は、光が入射する第1基板面側に光電変換機能領域が配置され、電荷蓄積機能領域が第2基板面側に配置され、光電変換機能領域および電荷蓄積機能領域うち少なくとも光電変換機能領域が、光電変換部の中央部からずらして配置されている。
本第1の実施形態の光電変換部は、光電変換機能領域および電荷蓄積機能領域が、光電変換部の中央部からずらして配置されている。
そして、光電変換部は、第1導電型半導体層(n層)により形成された光電変換機能領域および電荷蓄積機能領域を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)により形成されたアイソレーション領域または光学的に遮蔽するように埋め込まれたバックサイド分離部(たとえばBDTI;Backside Deep Trench Isolation)が配置されている。
また、本第1の実施形態の固体撮像装置10においては、第2基板面側に配置され、光電変換部に光を入射するマイクロレンズにより形成されるレンズ部を有し、レンズ部は、光学中心が、光電変換部の中央部に存するように配置されている。
In the present embodiment, basically, in the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion function region is arranged on the first substrate surface side where light is incident, the charge storage function region is arranged on the second substrate surface side, and the photoelectric conversion function region is arranged. And at least the photoelectric conversion functional region out of the charge storage functional regions is arranged so as to be offset from the central portion of the photoelectric conversion portion.
In the photoelectric conversion unit of the first embodiment, the photoelectric conversion function region and the charge storage function region are arranged so as to be offset from the central portion of the photoelectric conversion unit.
Then, the photoelectric conversion unit is a second conductive type (p type in the present embodiment) semiconductor in a region excluding the photoelectric conversion functional region and the charge storage functional region formed by the first conductive type semiconductor layer (n layer). An isolation region formed by a layer (p-layer) or a backside separation section (eg, BDTI; Backside Deep Trench Isolation) embedded so as to optically shield is arranged.
Further, in the solid-state image sensor 10 of the first embodiment, the solid-state imaging device 10 has a lens portion arranged on the surface side of the second substrate and formed by a microlens that injects light into the photoelectric conversion portion, and the lens portion is optical. The center is arranged so as to be located in the central portion of the photoelectric conversion unit.

このように、本第1の実施形態の固体撮像装置10は、埋め込み型ダイオード(PPD)の光電変換部において、光電変換機能領域および電荷蓄積機能領域が、光電変換部の中央部からずらして配置されていることにより、遮光物がないことから感度の低下を抑止しつつ、光電変換機能領域と電荷蓄積機能領域を分けることから飽和電荷を損失することなく、空乏化電圧を抑えることができ、しかも画素毎に位相差情報の取得機能を有することから画像の補正を伴うことなく低消費電力で精度の高い位相差情報を取得することが可能となり、ひいては複雑な読み出し方式を伴うことなく画質を向上させることが可能となっている。 As described above, in the solid-state imaging device 10 of the first embodiment, in the photoelectric conversion unit of the embedded diode (PPD), the photoelectric conversion function region and the charge storage function region are arranged so as to be offset from the central portion of the photoelectric conversion unit. Since there is no light-shielding object, the depletion voltage can be suppressed without losing the saturated charge because the photoelectric conversion function region and the charge storage function region are separated while suppressing the decrease in sensitivity. Moreover, since it has a phase difference information acquisition function for each pixel, it is possible to acquire highly accurate phase difference information with low power consumption without image correction, and by extension, image quality can be improved without complicated readout methods. It is possible to improve.

なお、本実施形態において、第1方向は、たとえば複数の画素が行列状に配列される画素部20の列方向(水平方向、X方向)または行方向(垂直方向、Y方向)または斜め方向である、
以下の説明では、一例として、第1方向は列方向(水平方向、X方向)とする、これに伴い第2方向は行方向(垂直方向、Y方向)とする。
In the present embodiment, the first direction is, for example, the column direction (horizontal direction, X direction), row direction (vertical direction, Y direction), or diagonal direction of the pixel portion 20 in which a plurality of pixels are arranged in a matrix. is there,
In the following description, as an example, the first direction is the column direction (horizontal direction, X direction), and the second direction is the row direction (vertical direction, Y direction).

以下、固体撮像装置10の各部の構成および機能の概要を説明した後、埋め込み型ダイオード(PPD)部の構成、並びに、それに関連した読み出し処理等について詳述する。 Hereinafter, the configuration and functions of each part of the solid-state image sensor 10 will be described in detail, and then the configuration of the embedded diode (PPD) part and the readout processing related thereto will be described in detail.

(画素部20および単位画素PXL1の構成)
画素部20は、フォトダイオード(光電変換素子)と画素内アンプとを含む複数の単位画素PXL1がN行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
(Structure of pixel unit 20 and unit pixel PXL1)
In the pixel unit 20, a plurality of unit pixels PXL1 including a photodiode (photoelectric conversion element) and an intrapixel amplifier are arranged in a two-dimensional matrix of N rows × M columns.

図2は、本第1の実施形態に係る単位画素の一例を示す回路図である。 FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a unit pixel according to the first embodiment.

この単位画素PXL1は、たとえば光電変換部(光電変換素子)であるフォトダイオード(PD)を有する。
このフォトダイオードPDに対して、電荷転送ゲート部(転送素子)としての転送トランジスタTG−Tr、リセット素子としてのリセットトランジスタRST−Tr、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF−Tr、および選択素子としての選択トランジスタSEL−Trをそれぞれ一つずつ有する。
The unit pixel PXL1 has, for example, a photodiode (PD) which is a photoelectric conversion unit (photoelectric conversion element).
For this photodiode PD, a transfer transistor TG-Tr as a charge transfer gate (transfer element), a reset transistor RST-Tr as a reset element, a source follower transistor SF-Tr as a source follower element, and a selection element. Each has one selection transistor SEL-Tr.

フォトダイオードPDは、入射光量に応じた量の信号電荷(ここでは電子)を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
また、本実施形態は、複数のフォトダイオード間で、各トランジスタを共有している場合や、選択トランジスタを有していない3トランジスタ(3Tr)画素を採用している場合にも有効である。
The photodiode PD generates and accumulates a signal charge (here, an electron) in an amount corresponding to the amount of incident light.
Hereinafter, the case where the signal charge is an electron and each transistor is an n-type transistor will be described, but the signal charge may be a hole or each transistor may be a p-type transistor.
Further, this embodiment is also effective when each transistor is shared among a plurality of photodiodes or when a 3-transistor (3Tr) pixel having no selection transistor is adopted.

各単位画素PXL1において、フォトダイオード(PD)としては、埋め込み型フォトダイオード(PPD)が用いられる。
フォトダイオード(PD)を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷(暗電流)が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード(PPD)では、フォトダイオード(PD)の電荷蓄積機能領域(電荷蓄積部)を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
In each unit pixel PXL1, an embedded photodiode (PPD) is used as the photodiode (PD).
Since surface levels due to defects such as dangling bonds exist on the surface of the substrate on which the photodiode (PD) is formed, a large amount of electric charge (dark current) is generated by the thermal energy, and the correct signal cannot be read.
In the embedded photodiode (PPD), by embedding the charge storage function region (charge storage portion) of the photodiode (PD) in the substrate, it is possible to reduce the mixing of dark current into the signal.

なお、この本第1の実施形態に係る光電変換部としての埋め込み方のフォトダイオードPPDの具体的な構成例については後で図面に関連つけて説明する。 A specific configuration example of the photodiode PPD for embedding as a photoelectric conversion unit according to the first embodiment will be described later in connection with the drawings.

リセットトランジスタRST−Trは、電源線VRstとフローティングディフュージョンFDの間に接続され、制御信号RSTを通じて制御される。
なお、リセットトランジスタRST−Trは、電源線VDDとフローティングディフュージョンFDの間に接続され、制御信号RSTを通じて制御されるように構成してもよい。
リセットトランジスタRST−Trは、制御信号RSTがHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFDを電源線VRst(またはVDD)の電位にリセットする。
The reset transistor RST-Tr is connected between the power supply line VRst and the floating diffusion FD, and is controlled through the control signal RST.
The reset transistor RST-Tr may be connected between the power supply line VDD and the floating diffusion FD and may be configured to be controlled through the control signal RST.
The reset transistor RST-Tr resets the floating diffusion FD to the potential of the power supply line VRst (or VDD) when the control signal RST is selected during the H level period and becomes conductive.

ソースフォロワトランジスタSF−Trと選択トランジスタSEL−Trは、電源線VDDと垂直信号線LSGNの間に直列に接続されている。
ソースフォロワトランジスタSF−TrのゲートにはフローティングディフュージョンFDが接続され、選択トランジスタSEL−Trは制御信号SELを通じて制御される。
選択トランジスタSEL−Trは、制御信号SELがHレベルの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF−TrはフローティングディフュージョンFDの電荷を電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換した列出力の読み出し信号VSL(PIXOUT)を垂直信号線LSGNに出力する。
これらの動作は、たとえば転送トランジスタTG−Tr、リセットトランジスタRST−Tr、および選択トランジスタSEL−Trの各ゲートが行単位で接続されていることから、1行分の各画素について同時並列的に行われる。
The source follower transistor SF-Tr and the selection transistor SEL-Tr are connected in series between the power supply line VDD and the vertical signal line LSGN.
A floating diffusion FD is connected to the gate of the source follower transistor SF-Tr, and the selection transistor SEL-Tr is controlled through the control signal SEL.
In the selection transistor SEL-Tr, the control signal SEL is selected during the H level period and becomes conductive. As a result, the source follower transistor SF-Tr outputs the read signal VSL (PIXOUT) of the column output, which is obtained by converting the charge of the floating diffusion FD into a voltage signal with a gain corresponding to the amount of charge (potential), to the vertical signal line LSGN.
These operations are performed simultaneously and in parallel for each pixel of one row because, for example, the gates of the transfer transistor TG-Tr, the reset transistor RST-Tr, and the selection transistor SEL-Tr are connected in row units. It is said.

画素部20には、単位画素PXL1がN行×M列配置されているので、各制御信号SEL、RST、TG各制御線LSEL、LRST、LTGはそれぞれN本、垂直信号線LSGNはM本ある。
図1においては、各制御線LSEL、LRST、LTGを1本の行走査制御線として表している。
Since the unit pixel PXL1 is arranged in N rows × M columns in the pixel unit 20, there are N lines for each control signal SEL, RST, and TG control lines LSEL, LRST, and LTG, and M lines for each of the vertical signal lines LSGN. ..
In FIG. 1, each control line LSEL, LRST, and LTG is represented as one row scanning control line.

垂直走査回路30は、タイミング制御回路60の制御に応じてシャッター行および読み出し行において行走査制御線を通して画素の駆動を行う。
また、垂直走査回路30は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
The vertical scanning circuit 30 drives the pixels through the row scanning control lines in the shutter row and the readout row according to the control of the timing control circuit 60.
Further, the vertical scanning circuit 30 outputs a row selection signal of the row address of the read row for reading the signal and the row address of the shutter row for resetting the charge accumulated in the photodiode PD according to the address signal.

上述したように、通常の画素読み出し動作においては、読み出し部70の垂直走査回路30による駆動により、シャッタースキャンが行われ、その後、読み出しスキャンが行われる。 As described above, in the normal pixel readout operation, the shutter scan is performed by the vertical scanning circuit 30 of the readout unit 70, and then the readout scan is performed.

読み出し回路40は、画素部20の各列出力に対応して配置された複数の列信号処理回路(図示せず)を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。 The read-out circuit 40 includes a plurality of column signal processing circuits (not shown) arranged corresponding to each column output of the pixel unit 20, and even if the plurality of column signal processing circuits are configured to enable column parallel processing. Good.

読み出し回路40は、相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)回路やADC(アナログデジタルコンバータ;AD変換器)、アンプ(AMP,増幅器)、サンプルホールド(S/H)回路等を含んで構成可能である。 The readout circuit 40 can be configured to include a Correlated Double Sampling (CDS) circuit, an ADC (analog-to-digital converter; AD converter), an amplifier (AMP, amplifier), a sample hold (S / H) circuit, and the like. Is.

このように、読み出し回路40は、たとえば図3(A)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLをデジタル信号に変換するADC41を含んで構成されてもよい。
あるいは、読み出し回路40は、たとえば図3(B)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLを増幅するアンプ(AMP)42が配置されてもよい。
また、読み出し回路40は、たとえば図3(C)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLをサンプル、ホールドするサンプルホールド(S/H)回路43が配置されてもよい。
As described above, as shown in FIG. 3A, for example, the read circuit 40 may include an ADC 41 that converts the read signal VSL of each column output of the pixel unit 20 into a digital signal.
Alternatively, as shown in FIG. 3B, for example, the read circuit 40 may include an amplifier (AMP) 42 that amplifies the read signal VSL of each column output of the pixel unit 20.
Further, in the read circuit 40, for example, as shown in FIG. 3C, a sample hold (S / H) circuit 43 that samples and holds the read signal VSL of each column output of the pixel unit 20 may be arranged.

水平走査回路50は、読み出し回路40のADC等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、図示しない信号処理回路に出力する。 The horizontal scanning circuit 50 scans signals processed by a plurality of row signal processing circuits such as the ADC of the readout circuit 40, transfers them in the horizontal direction, and outputs the signals to a signal processing circuit (not shown).

タイミング制御回路60は、画素部20、垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。 The timing control circuit 60 generates timing signals necessary for signal processing of the pixel unit 20, the vertical scanning circuit 30, the reading circuit 40, the horizontal scanning circuit 50, and the like.

以上、本第1の実施形態の固体撮像素子10の各部の構成および機能について説明した。
次に、本第1の実施形態に係る光電変換部としての埋め込み型のフォトダイオードPPDの具体的な構成例並びに画素配列例について説明する。
The configuration and function of each part of the solid-state image sensor 10 according to the first embodiment have been described above.
Next, a specific configuration example and a pixel arrangement example of the embedded photodiode PPD as the photoelectric conversion unit according to the first embodiment will be described.

(埋め込み型のフォトダイオードPDの具体的な構成例)
ここで、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10の単位画素PXL1を形成する埋め込み型のフォトダイオードPDの具体的な構成例について図4に関連付けて説明する。
(Specific configuration example of the embedded photodiode PD)
Here, a specific configuration example of the embedded photodiode PD forming the unit pixel PXL1 of the solid-state image sensor 10 according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

図4は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL1を形成する埋め込み型のフォトダイオードPDの構成例を示す簡略断面図である。
なお、ここでは、埋め込み型のフォトダイオード(PD)部分を符号200で表す。
FIG. 4 is a simplified cross-sectional view showing a configuration example of an embedded photodiode PD forming a unit pixel PXL1 of the solid-state image sensor according to the first embodiment of the present invention.
Here, the embedded photodiode (PD) portion is represented by reference numeral 200.

図4の埋め込み型のフォトダイオード(PD)部分200は、光Lが照射される第1基板面211側(たとえば裏面側)と第1基板面211側と対向する側の第2基板面212側(前面側)とを有する半導体基板(以下、単に基板という)210を有する。
埋め込み型のフォトダイオード部分200は、基板210の第1基板面211側と第2基板面212側との間に埋め込むように形成された第1導電型(本実施形態ではn型)半導体層(本実施形態ではn層)221を含み、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212を有する光電変換部としてのフォトダイオード200(PD)を含んで構成されている。
The embedded photodiode (PD) portion 200 of FIG. 4 has a first substrate surface 211 side (for example, a back surface side) irradiated with light L and a second substrate surface 212 side facing the first substrate surface 211 side. It has a semiconductor substrate (hereinafter, simply referred to as a substrate) 210 having (front side).
The embedded photodiode portion 200 is a first conductive type (n type in the present embodiment) semiconductor layer (n type in the present embodiment) formed so as to be embedded between the first substrate surface 211 side and the second substrate surface 212 side of the substrate 210. In this embodiment, a photodiode 200 (PD) as a photoelectric conversion unit including an n-layer) 221 and having a photoelectric conversion function region 2211 and a charge storage function region 2212 that photoelectrically convert incident light and generate a charge according to the amount of incident light. ) Is included.

本実施形態において、基本的に、光電変換部としてのフォトダイオード200(PD)は、基板面に垂直な方向であるZ方向において、光が入射する第1基板面211側に光電変換機能領域2211が配置され、電荷蓄積機能領域2212が第2基板面212側に配置され、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212うち少なくとも光電変換機能領域2211が、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdからずらして配置されている。
本第1の実施形態の光電変換部であるフォトダイオード200(PD)は、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212が、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdからずらして配置されている。
In the present embodiment, basically, the photodiode 200 (PD) as the photoelectric conversion unit has a photoelectric conversion function region 2211 on the side of the first substrate surface 211 on which light is incident in the Z direction, which is a direction perpendicular to the substrate surface. 2212 is arranged on the second substrate surface 212 side, and at least the photoelectric conversion function area 2211 of the photoelectric conversion function area 2211 and the charge storage function area 2212 is a photodiode 200 (PD) which is a photoelectric conversion unit. ) Is arranged so as to be offset from the central part CTpd.
In the photodiode 200 (PD) which is the photoelectric conversion unit of the first embodiment, the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212 are displaced from the central CTpd of the photodiode 200 (PD) which is the photoelectric conversion unit. Are arranged.

なお、本実施形態において、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdとは、フォトダイオード200(PD)の第1方向(X方向、幅方向)における中心部をいう。 In the present embodiment, the central portion CTpd of the photodiode 200 (PD), which is the photoelectric conversion unit, refers to the central portion of the photodiode 200 (PD) in the first direction (X direction, width direction).

図4の例では、フォトダイオード200(PD)においては、その中央部CTpdの第1方向(X方向)であって右側にずらして、n層(第1導電型半導体層)221が、基板210の法線方向(図中の直交座標系のZ方向)に、2層構造を持つように、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212が同じ幅をもって形成されている。
本例では、第1基板面211側にn−層による光電変換機能領域2211が形成され、このn−層による光電変換機能領域2211の上層側(第2基板面212側)にn層による電荷蓄積機能領域2212が形成されている。
In the example of FIG. 4, in the photodiode 200 (PD), the n-layer (first conductive semiconductor layer) 221 is the substrate 210 in the first direction (X direction) of the central CTpd and shifted to the right. The photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212 are formed with the same width so as to have a two-layer structure in the normal direction (Z direction of the Cartesian coordinate system in the drawing).
In this example, the photoelectric conversion function region 2211 by the n-layer is formed on the first substrate surface 211 side, and the charge by the n-layer is formed on the upper layer side (second substrate surface 212 side) of the photoelectric conversion function region 2211 by the n-layer. The storage functional region 2212 is formed.

そして、n−層による光電変換機能領域2211の第1基板面211の表面にp+層(第2導電型半導体層)222が形成され、n層による電荷蓄積機能領域2212の第2基板面212側の表面に暗電流抑制のためのp+層(第2導電型半導体層)223が形成されている。 Then, a p + layer (second conductive semiconductor layer) 222 is formed on the surface of the first substrate surface 211 of the photoelectric conversion function region 2211 by the n-layer, and the charge storage function region 2212 by the n layer is on the second substrate surface 212 side. A p + layer (second conductive semiconductor layer) 223 for suppressing dark current is formed on the surface of the above.

そして、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)は、第1導電型半導体層(n層)により形成された光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241が配置されている。
図4の例では、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212の左側部に見ならず右側部にもアイソレーション領域2241が形成されている。
The photodiode 200 (PD), which is a photoelectric conversion unit, has a second conductive type in a region other than the photoelectric conversion functional region 2211 and the charge storage functional region 2212 formed by the first conductive semiconductor layer (n layer). An isolation region 2241 formed by a (p-type) semiconductor layer (p-layer) 224 (in this embodiment) is arranged.
In the example of FIG. 4, an isolation region 2241 is formed not only on the left side portion of the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212 but also on the right side portion.

さらに、本第1の実施形態の固体撮像装置10においては、第2基板面212側(裏面側)に配置され、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)に光を入射するマイクロレンズMCLにより形成されるレンズ部225を有している。
そして、レンズ部225は、マイクロレンズMCLの光学中心OCTが、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdに存するように配置されている。
Further, in the solid-state image sensor 10 of the first embodiment, a microlens MCL arranged on the second substrate surface 212 side (back surface side) and incident light on the photodiode 200 (PD) which is a photoelectric conversion unit is used. It has a lens portion 225 to be formed.
The lens unit 225 is arranged so that the optical center OCT of the microlens MCL is located in the central portion CTpd of the photodiode 200 (PD), which is a photoelectric conversion unit.

このように、本第1の実施形態の固体撮像装置10は、埋め込み型ダイオード(PPD)の光電変換部であるフォトダイオード200(PD)において、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212が、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdからずらして配置されていることにより、遮光物がないことから感度の低下を抑止しつつ、光電変換機能領域と電荷蓄積機能領域を分けることから飽和電荷を損失することなく、空乏化電圧を抑えることができ、しかも画素毎に位相差情報の取得機能を有することから画像の補正を伴うことなく低消費電力で精度の高い位相差情報を取得することが可能となり、ひいては複雑な読み出し方式を伴うことなく画質を向上させることが可能となっている。 As described above, in the solid-state imaging device 10 of the first embodiment, in the photodiode 200 (PD) which is the photoelectric conversion unit of the embedded diode (PPD), the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212 are Since the photodiode 200 (PD), which is a photoelectric conversion unit, is arranged so as to be offset from the central portion CTpd, the photoelectric conversion function region and the charge storage function region are separated while suppressing a decrease in sensitivity because there is no light-shielding object. Therefore, the depletion voltage can be suppressed without losing the saturated charge, and since the phase difference information acquisition function is provided for each pixel, the phase difference information has low power consumption and high accuracy without image correction. By extension, it is possible to improve the image quality without involving a complicated reading method.

ここで、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)のn領域(n層)の空乏化について考察する。 Here, the depletion of the n region (n layer) of the photodiode 200 (PD), which is a photoelectric conversion unit, will be considered.

図5(A)および(B)は、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)のn領域(n層)の空乏化について説明するための図である。
図5(A)は画素ピッチが狭い埋め込み型ダイオード(PPD)の光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の構造を簡略化して示し、図5(B)は画素ピッチが広い埋め込み型ダイオード(PPD)の光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の構造を簡略化して示している。
5 (A) and 5 (B) are diagrams for explaining depletion of the n region (n layer) of the photodiode 200 (PD) which is a photoelectric conversion unit.
FIG. 5 (A) shows a simplified structure of the photodiode 200 (PD), which is a photoelectric conversion unit of an embedded diode (PPD) having a narrow pixel pitch, and FIG. 5 (B) shows an embedded diode having a wide pixel pitch (B). The structure of the photodiode 200 (PD), which is the photoelectric conversion unit of PPD), is shown in a simplified manner.

一般に、フォトダイオードのn領域(n層)221は完全空乏化している必要がある。
空乏化ポテンシャル(電圧)φ「V」が完全電荷転送のために十分に低くある必要がある。
最大空乏化ポテンシャルは電荷転送ゲート部としての転送トランジスタTG−Trの近傍である必要がある。
蓄積容量を最大化するために、空間電荷密度の上記条件を満たしたうえでn領域(n層)221の濃度を最大化する必要がある。
ただし、n層221の不純物量を増やすとPDポテンシャルが深くなり、読み出し電圧が上昇してしまうため、n層221の濃度を濃くすることには限度ある。
In general, the n region (n layer) 221 of the photodiode needs to be completely depleted.
The depletion potential (voltage) φ "V" needs to be low enough for complete charge transfer.
The maximum depletion potential needs to be in the vicinity of the transfer transistor TG-Tr as the charge transfer gate.
In order to maximize the storage capacity, it is necessary to maximize the concentration of the n region (n layer) 221 while satisfying the above conditions of the space charge density.
However, if the amount of impurities in the n-layer 221 is increased, the PD potential becomes deeper and the read-out voltage rises, so that there is a limit to increasing the concentration of the n-layer 221.

一般に、p+n接合モデルにおいて、以下のモデルが成り立つ。 In general, the following model holds in the p + n junction model.

Figure 2021068758
Figure 2021068758

このモデルにより、以下のことが導出できる。
完全空乏化に必要な空乏化電圧Vappに着目した場合において、空乏化電圧Vappは低い方が、センサ系全体の電源電圧を低くでき、低消費電力に繋がるなどのメリットがある。上記の式から、空乏化電圧Vappを低くする条件は、次のモデルM1、または、モデルM2の2つの形態が考えられる。
From this model, the following can be derived.
When focusing on the depletion voltage Vapp required for complete depletion, the lower the depletion voltage Vapp, the lower the power supply voltage of the entire sensor system, which has the advantage of leading to low power consumption. From the above equation, the conditions for lowering the depletion voltage Vapp can be considered in two forms of the following model M1 or model M2.

M1:空乏層幅(距離)Wdが短くなるようにフォトダイオードPDを形成する。
M2:n層濃度Ndを下げてフォトダイオードPDを形成する。
M1: The photodiode PD is formed so that the depletion layer width (distance) Wd is shortened.
M2: The photodiode PD is formed by lowering the n-layer concentration Nd.

このモデルにより、以下のことが導出できる。
図5(A)に示すように、狭い画素ピッチでは、基板210の法線に直交する方向Xの空乏層距離Wdが短いので、ドナー濃度Ndが同じ場合、空乏化電圧Vappがより低い。
換言すれば、空乏層幅Wdが短い場合、空乏化電圧Vappが低いので、LFWC(Linear Full Well Capacity)が大きくなる。
図5(B)に示すように、画素ピッチが広くなると、空乏化電圧Vappが上昇し、低電圧での読み出し、空乏化が難しくなる。
From this model, the following can be derived.
As shown in FIG. 5A, at a narrow pixel pitch, the depletion layer distance Wd in the direction X orthogonal to the normal of the substrate 210 is short, so that the depletion voltage Vapp is lower when the donor concentration Nd is the same.
In other words, when the depletion layer width Wd is short, the depletion voltage Vapp is low, so that the LFWC (Linear Full Well Capacity) is large.
As shown in FIG. 5 (B), when the pixel pitch becomes wide, the depletion voltage Vapp rises, and it becomes difficult to read and deplete at a low voltage.

したがって、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212が、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdからずらして配置され、これにより、空乏層幅Wdを短くなって、空乏化電圧Vappを低くでき、ひいてはLFWCを大きくでき、しかも、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241が配置されることにより、画像の補正を伴うことなく低消費電力で精度の高い位相差情報を取得することが可能となる。 Therefore, the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212 are arranged so as to be offset from the central CTpd of the photodiode 200 (PD) which is the photoelectric conversion unit, thereby shortening the depletion layer width Wd and depleting. The voltage Vapp can be lowered, and the LFWC can be increased, and the second conductive type (p type in the present embodiment) semiconductor layer (p layer) is in the region other than the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212. By arranging the isolation region 2241 formed by the 224, it is possible to acquire highly accurate phase difference information with low power consumption without image correction.

このように、本第1の実施形態の固体撮像装置10は、埋め込み型ダイオード(PPD)の光電変換部であるフォトダイオード200(PD)において、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212が、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdからずらして配置され、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241が配置されていることにより、感度の低下を抑止しつつ、飽和電荷を損失することなく、しかも画像の補正を伴うことなく低消費電力で精度の高い位相差情報を取得することが可能となり、ひいては複雑な読み出し方式を伴うことなく画質を向上させることが可能となっている。 As described above, in the solid-state imaging device 10 of the first embodiment, in the photodiode 200 (PD) which is the photoelectric conversion unit of the embedded diode (PPD), the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212 are The second conductive type (p-type in the present embodiment) is located in the region other than the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212, which is arranged so as to be offset from the central CTpd of the photodiode 200 (PD) which is the photoelectric conversion unit. ) By arranging the isolation region 2241 formed by the semiconductor layer (p-layer) 224, low consumption is suppressed without loss of saturated charge and without image correction while suppressing a decrease in sensitivity. It is possible to acquire highly accurate phase difference information with electric charge, and it is possible to improve the image quality without involving a complicated readout method.

(画素部20における単位画素の配列)
次に、本第1の実施形態に係る画素部20における単位画素の配置構成例および配列例について説明する。
(Arrangement of unit pixels in the pixel unit 20)
Next, an arrangement configuration example and an arrangement example of unit pixels in the pixel unit 20 according to the first embodiment will be described.

図6(A)〜(C)は、本発明の第1の実施形態に係る単位画素の構成例を示す図である。
画素部20においては、複数の単位画素PXL1が行列状に配列されている。
本第1の実施形態においては、これら複数の単位画素には、少なくとも、水平単位画素PXL1L、垂直単位画素PXL1V、および斜め単位画素PXL1Dのうちのいずれかを含む。
6 (A) to 6 (C) are diagrams showing a configuration example of a unit pixel according to the first embodiment of the present invention.
In the pixel unit 20, a plurality of unit pixels PXL1 are arranged in a matrix.
In the first embodiment, the plurality of unit pixels include at least one of a horizontal unit pixel PXL1L, a vertical unit pixel PXL1V, and an oblique unit pixel PXL1D.

水平単位画素PXL1Lは、図6(A)に示すように、アイソレーション領域2241を含む光電変換部であるフォトダイオード200(PD)が列方向に並列になるように配置されている。 As shown in FIG. 6A, the horizontal unit pixels PXL1L are arranged so that the photodiodes 200 (PD), which are photoelectric conversion units including the isolation region 2241, are arranged in parallel in the column direction.

垂直単位画素PXL1Vは、図6(B)に示すように、アイソレーション領域2241を含む光電変換部であるフォトダイオード200(PD)が行方向に並列になるように配置されている。 As shown in FIG. 6B, the vertical unit pixels PXL1V are arranged so that the photodiodes 200 (PD), which are photoelectric conversion units including the isolation region 2241, are arranged in parallel in the row direction.

斜め単位画素PXL1Dは、図6(C)に示すように、アイソレーション領域2241を含む光電変換部であるフォトダイオード200(PD)が列方向および行方向に対して所定角度を持つ斜め方向に並列になるように配置されている。 As shown in FIG. 6C, the oblique unit pixel PXL1D is parallel in the oblique direction in which the photodiode 200 (PD), which is a photoelectric conversion unit including the isolation region 2241, has a predetermined angle with respect to the column direction and the row direction. It is arranged so as to be.

図7(A)および(B)は、本第1の実施形態において、単位画素が水平単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。
図7(A)は水平単位画素を4行4列の行列状に配列した一配列例を示す図であり、図7(B)は図7(A)のX−X線における簡略断面図である。
7 (A) and 7 (B) are diagrams showing an example of a pixel array in the case where the unit pixel is a horizontal unit pixel in the first embodiment.
FIG. 7 (A) is a diagram showing an example of one arrangement in which horizontal unit pixels are arranged in a matrix of 4 rows and 4 columns, and FIG. 7 (B) is a simplified cross-sectional view taken along line XX of FIG. 7 (A). is there.

図7の画素アレイARY20Aは、上述したように、単位画素は水平単位画素PXL1Lとして形成され、行ごとに、アイソレーション領域2241と光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212を含む光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の列方向の配置位置が逆である。 In the pixel array ARY20A of FIG. 7, as described above, the unit pixel is formed as a horizontal unit pixel PXL1L, and the photoelectric conversion unit includes an isolation region 2241, a photoelectric conversion function region 2211, and a charge storage function region 2212 for each row. The arrangement position of a certain photodiode 200 (PD) in the row direction is reversed.

また、前述したように、各水平単位画素PXL1Lは、電荷蓄積機能領域2212に蓄積された電荷を転送する転送トランジスタTG−Trを含み、転送トランジスタTG−Trは、第2基板面側において、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の電荷蓄積機能領域2212に接続されている。 Further, as described above, each horizontal unit pixel PXL1L includes a transfer transistor TG-Tr that transfers the charge accumulated in the charge storage function region 2212, and the transfer transistor TG-Tr is photoelectric on the second substrate surface side. It is connected to the charge storage function region 2212 of the photodiode 200 (PD), which is a conversion unit.

また、水平単位画素PXL1Lは矩形に形成され、転送トランジスタTG−Trは、一縁部側に形成され、複数の水平単位画素は、配列行において転送トランジスタTG−Trが形成された一縁部が、列方向に隣接する水平単位画素PXL1Lの一縁部と対向する転送トランジスタが形成されていない他縁部側と対向するように配置されている。 Further, the horizontal unit pixel PXL1L is formed in a rectangular shape, the transfer transistor TG-Tr is formed on one edge side, and the plurality of horizontal unit pixels have one edge portion on which the transfer transistor TG-Tr is formed in the array row. , The transfer transistor facing one edge of the horizontal unit pixel PXL1L adjacent in the row direction is arranged so as to face the other edge side on which the transfer transistor is not formed.

図8は、本第1の実施形態において、単位画素が斜め単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。
図8は水平単位画素を4行4列の行列状に配列した一配列例を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a pixel array when the unit pixel is an oblique unit pixel in the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing an example of one arrangement in which horizontal unit pixels are arranged in a matrix of 4 rows and 4 columns.

図8の画素アレイ20Bは、上述したように、単位画素は斜め単位画素PXL1Dとして形成され、行ごとに、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)とアイソレーション領域2241の所定角度の傾き方向が異なる。 In the pixel array 20B of FIG. 8, as described above, the unit pixel is formed as an oblique unit pixel PXL1D, and the inclination direction of a predetermined angle between the photodiode 200 (PD), which is a photoelectric conversion unit, and the isolation region 2241 is formed for each row. Is different.

この斜め単位画素PXL1Dは矩形に形成され、転送トランジスタTG−Trは、一縁部側に形成され、複数の水平単位画素は、配列行において転送トランジスタTG−Trが形成された一縁部が、列方向に隣接する斜め単位画素PXL1DLの一縁部と対向する転送トランジスタが形成されていない他縁部側と対向するように配置されている。 The diagonal unit pixel PXL1D is formed in a rectangular shape, the transfer transistor TG-Tr is formed on one edge side, and the plurality of horizontal unit pixels have one edge on which the transfer transistor TG-Tr is formed in the array row. It is arranged so as to face the other edge side where the transfer transistor facing one edge portion of the diagonal unit pixel PXL1DL adjacent in the row direction is not formed.

以上説明したように、本第1の実施形態の固体撮像装置10は、埋め込み型ダイオード(PPD)の光電変換部であるフォトダイオード200(PD)において、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212が、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdからずらして配置され、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241が配置されている。
したがって、本第1の実施形態の固体撮像装置10によれば、遮光物がないことから感度の低下を抑止しつつ、光電変換機能領域と電荷蓄積機能領域を分けることから飽和電荷を損失することなく、空乏化電圧を抑えることができ、しかも画素毎に位相差情報の取得機能を有することから画像の補正を伴うことなく低消費電力で精度の高い位相差情報を取得することが可能となり、ひいては複雑な読み出し方式を伴うことなく画質を向上させることが可能となっている。
As described above, the solid-state imaging device 10 of the first embodiment has a photoelectric conversion function region 2211 and a charge storage function region 2212 in a photodiode 200 (PD) which is a photoelectric conversion unit of an embedded diode (PPD). Is arranged so as to be offset from the central CTpd of the photodiode 200 (PD), which is a photoelectric conversion unit, and a second conductive type (in the present embodiment) is used in a region other than the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212. An isolation region 2241 formed by a p-type) semiconductor layer (p-layer) 224 is arranged.
Therefore, according to the solid-state image sensor 10 of the first embodiment, the saturation charge is lost because the photoelectric conversion function region and the charge storage function region are separated while suppressing the decrease in sensitivity because there is no light-shielding object. Since the depletion voltage can be suppressed and the phase difference information acquisition function is provided for each pixel, it is possible to acquire highly accurate phase difference information with low power consumption without image correction. As a result, it is possible to improve the image quality without involving a complicated reading method.

また、光電変換部が中央部CTpdからずらして配置された光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212と残りの領域に配置されたアイソレーション領域2241とを有することから、単位画素を単純な構造で実現することが可能となり、水平単位画素PXL1L、垂直単位画素PXL1V、斜め単位画素PXL1D等、仕様にあわせて種々の態様が可能である。 Further, since the photoelectric conversion unit has a photoelectric conversion function region 2211 and a charge storage function region 2212 arranged offset from the central CTpd, and an isolation region 2241 arranged in the remaining region, the unit pixel has a simple structure. It is possible to realize various aspects such as horizontal unit pixel PXL1L, vertical unit pixel PXL1V, diagonal unit pixel PXL1D, and the like according to the specifications.

(第2の実施形態)
図9は、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL2を形成する埋め込み型のフォトダイオードPDの構成例を示す簡略断面図である。
図10は、本第2の実施形態において、図7のように水平単位画素を行列状に配列した一配列例の所定行における簡略断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a simplified cross-sectional view showing a configuration example of an embedded photodiode PD forming the unit pixel PXL2 of the solid-state image sensor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a simplified cross-sectional view of a predetermined row of an array example in which horizontal unit pixels are arranged in a matrix as shown in FIG. 7 in the second embodiment.

本第2の実施形態の単位画素PXL2が、第1の実施形態の単位画素PXL1と異なる点は次の通りである。 The unit pixel PXL2 of the second embodiment is different from the unit pixel PXL1 of the first embodiment as follows.

第1の実施形態の画素PXL1では、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212が、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdからずらして配置されている。 In the pixel PXL1 of the first embodiment, the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212 are arranged so as to be offset from the central CTpd of the photodiode 200 (PD) which is the photoelectric conversion unit.

これに対して、第2の実施形態の画素PXL2では、光電変換機能領域2211が、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdからずらして配置され、電荷蓄積機能領域2212は、その中央部CTamが光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdに存するように配置されている。
そして、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241が配置されている。
On the other hand, in the pixel PXL2 of the second embodiment, the photoelectric conversion function region 2211 is arranged so as to be offset from the central portion CTpd of the photodiode 200 (PD) which is the photoelectric conversion unit, and the charge storage function region 2212 is arranged. The central portion CTam is arranged so as to exist in the central portion CTpd of the photodiode 200 (PD) which is a photoelectric conversion unit.
An isolation region 2241 formed by a second conductive type (p type in the present embodiment) semiconductor layer (p layer) 224 is arranged in a region other than the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212. ing.

その他の構成は上述した第1の実施形態と同様であり、本第2の実施形態によれば、上述した第1の実施形態と同様の効果を得ることができることはもとより、より高感度の固体撮像装置を実現することが可能となる。 Other configurations are the same as those of the first embodiment described above, and according to the second embodiment, it is possible to obtain the same effects as those of the first embodiment described above, and a solid with higher sensitivity. It becomes possible to realize an image sensor.

(第3の実施形態)
図11は、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL3の構成例を示す回路図である。
図12(A)および(B)は、本第3の実施形態において、単位画素が水平単位画素および斜め単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。
(Third Embodiment)
FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration example of a unit pixel PXL3 of the solid-state image sensor according to the third embodiment of the present invention.
12 (A) and 12 (B) are diagrams showing an example of a pixel array in the case where the unit pixels are horizontal unit pixels and diagonal unit pixels in the third embodiment.

本第3の実施形態の単位画素PXL3が、第1の実施形態の単位画素PXL1および第2の実施形態の単位画素PXL2と異なる点は次の通りである。 The unit pixel PXL3 of the third embodiment is different from the unit pixel PXL1 of the first embodiment and the unit pixel PXL2 of the second embodiment as follows.

本第3の実施形態の単位画素PXL3においては、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)が、図11並びに図12(A)および(B)で示すように、電荷蓄積機能領域2212から溢れる電荷を排出するオーバーフローゲートトランジスタOFG−Trを有している。 In the unit pixel PXL3 of the third embodiment, the photodiode 200 (PD), which is a photoelectric conversion unit, overflows from the charge storage function region 2212 as shown in FIGS. 11 and 12 (A) and 12 (B). It has an overflow gate transistor OFG-Tr that discharges electric charges.

その他の構成は上述した第1の実施形態または第2の実施形態と同様であり、本第3の実施形態によれば、上述した第1の実施形態および第2の実施形態と同様の効果を得ることができることはもとより、ブルーミングのない位相差情報を取得することが可能となり、飽和電荷量の変動や面積効率の低下が発生することを回避することができる固体撮像装置を実現することが可能となる。 Other configurations are the same as those of the first embodiment or the second embodiment described above, and according to the third embodiment, the same effects as those of the first embodiment and the second embodiment described above can be obtained. Not only can it be obtained, but it is also possible to acquire phase difference information without blooming, and it is possible to realize a solid-state image sensor that can avoid fluctuations in the saturated charge amount and reduction in area efficiency. It becomes.

(第4の実施形態)
図13は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL4を形成する埋め込み型のフォトダイオードPDの構成例を示す簡略断面図である。
図14は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL4の一例を示す回路図である。
(Fourth Embodiment)
FIG. 13 is a simplified cross-sectional view showing a configuration example of an embedded photodiode PD forming the unit pixel PXL4 of the solid-state image sensor according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a circuit diagram showing an example of the unit pixel PXL4 of the solid-state image sensor according to the fourth embodiment of the present invention.

本第4の実施形態の単位画素PXL4が、第1の実施形態の単位画素PXL1と異なる点は次の通りである。 The unit pixel PXL4 of the fourth embodiment is different from the unit pixel PXL1 of the first embodiment as follows.

第1の実施形態の単位画素PXL1では、一つの(第1の)光電変換機能領域2211および一つの(第1の)電荷蓄積機能領域2212が、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)の中央部CTpdからずらして配置され、光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成された一つの(第1の)アイソレーション領域2241が配置されている。
ている。
In the unit pixel PXL1 of the first embodiment, one (first) photoelectric conversion function region 2211 and one (first) charge storage function region 2212 are of the photodiode 200 (PD) which is a photoelectric conversion unit. The region is arranged so as to be offset from the central CTpd, and is formed by a second conductive type (p type in this embodiment) semiconductor layer (p layer) 224 in a region other than the photoelectric conversion function region 2211 and the charge storage function region 2212. One (first) isolation region 2241 is arranged.
ing.

これに対して、第4の実施形態の単位画素PXL4では、図13に示すように、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する第1の光電変換機能領域2211−1および第1の光電変換機能領域2211−1で発生した電荷を蓄積する第1の電荷蓄積機能領域2212−1を有する第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)と、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する第2の光電変換機能領域2211−2および第2の光電変換機能領域2211−2で発生した電荷を蓄積する第2の電荷蓄積機能領域2212−2を有する第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)と、を含んで構成されている。
図13の例では、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)と第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)は、並列に配置され、第2導電型半導体層(p層)により形成される分離層201にて分離されている。
On the other hand, in the unit pixel PXL4 of the fourth embodiment, as shown in FIG. 13, the first photoelectric conversion functional region 2211-1 and the first photoelectric conversion functional region 2211-1 that photoelectrically convert the incident light and generate an electric charge according to the amount of the incident light. Photodiode 200-1 (PD1), which is a first photoelectric conversion unit having a first charge storage function region 2212-1 for accumulating charges generated in the first photoelectric conversion function region 2211-1, and incident light A second charge storage function region 2212- that stores the charges generated in the second photoelectric conversion function region 2211-2 and the second photoelectric conversion function region 2211-2, which are photoelectrically converted and generate charges according to the amount of incident light. It is configured to include a photodiode 200-2 (PD2), which is a second photoelectric conversion unit having 2.
In the example of FIG. 13, the photodiode 200-1 (PD1) which is the first photoelectric conversion unit and the photodiode 200-2 (PD2) which is the second photoelectric conversion unit are arranged in parallel and are of the second conductive type. It is separated by a separation layer 201 formed by a semiconductor layer (p layer).

さらに、第4の実施形態の単位画素PXL4では、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)は、第1の光電変換機能領域2211−1および第1の電荷蓄積機能領域2212−1が、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)の中央部CTpd1からずらして配置されている。
同様に、第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)は、第2の光電変換機能領域2211−2および第2の電荷蓄積機能領域2212−2が、第2の光電変換部であるフォトダイオード200(PD2)の中央部CTpd2からずらして配置されている。
Further, in the unit pixel PXL4 of the fourth embodiment, the photodiode 200-1 (PD1), which is the first photoelectric conversion unit, has the first photoelectric conversion function region 2211-1 and the first charge storage function region 2212. -1 is arranged so as to be offset from the central portion CTpd1 of the photodiode 200-1 (PD1) which is the first photoelectric conversion unit.
Similarly, in the photodiode 200-2 (PD2) which is the second photoelectric conversion unit, the second photoelectric conversion function region 2211-2 and the second charge storage function region 2212-2 are the second photoelectric conversion unit. The photodiode 200 (PD2) is arranged so as to be offset from the central portion CTpd2.

なお、本実施形態においては、前述したように、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)の中央部CTpd1とは、フォトダイオード200−1(PD1)の第1方向(X方向、幅方向)における中心部をいう。
同様に、第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)の中央部CTpd2とは、フォトダイオード200−2(PD2)の第1方向(X方向、幅方向)における中心部をいう。
In the present embodiment, as described above, the central portion CTpd1 of the photodiode 200-1 (PD1), which is the first photoelectric conversion unit, is the first direction (X) of the photodiode 200-1 (PD1). The central part in the direction (direction, width direction).
Similarly, the central portion CTpd2 of the photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit, refers to the central portion of the photodiode 200-2 (PD2) in the first direction (X direction, width direction). ..

図13の例では、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)においては、その中央部CTpd1の第1方向(X方向)であって右側にずらして、n層(第1導電型半導体層)221が、基板210の法線方向(図中の直交座標系のZ方向)に、2層構造を持つように、第1の光電変換機能領域2211−1および電第1の荷蓄積機能領域2212−1が同じ幅をもって形成されている。
本例では、第1基板面211側にn−層による第1の光電変換機能領域2211−1が形成され、このn−層による第1の光電変換機能領域2211−1の上層側(第2基板面212側)にn層による第1の電荷蓄積機能領域2212−1が形成されている。
In the example of FIG. 13, in the photodiode 200-1 (PD1) which is the first photoelectric conversion unit, the n-layer (first) is shifted to the right in the first direction (X direction) of the central portion CTpd1. (Conductive semiconductor layer) 221 has a two-layer structure in the normal direction of the substrate 210 (Z direction of the Cartesian coordinate system in the drawing). The load storage functional region 2212-1 is formed with the same width.
In this example, the first photoelectric conversion functional region 2211-1 by the n-layer is formed on the first substrate surface 211 side, and the upper layer side (second) of the first photoelectric conversion functional region 2211-1 by the n-layer. A first charge storage function region 2212-1 with n layers is formed on the substrate surface 212 side).

n−層による第1の光電変換機能領域2211−1の第1基板面211の表面にp+層(第2導電型半導体層)222−1が形成され、n層による第1の電荷蓄積機能領域2212−1の第2基板面212側の表面に暗電流抑制のためのp+層(第2導電型半導体層)223−1が形成されている。 A p + layer (second conductive semiconductor layer) 222-1 is formed on the surface of the first substrate surface 211 of the first photoelectric conversion functional region 2211-1 by the n-layer, and the first charge storage functional region by the n-layer is formed. A p + layer (second conductive semiconductor layer) 223-1 for suppressing dark current is formed on the surface of 2212-1 on the second substrate surface 212 side.

そして、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)は、第1導電型半導体層(n層)により形成された第1の光電変換機能領域2211−1および第1の電荷蓄積機能領域2212−1を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241−1が配置されている。
なお、このp型アイソレーション領域2241−1においては、光学的なアイソレーション特性を向上させるために、高屈折率のTaOなどの強誘電体やポリシリコンなどの遮蔽効果の高い材料によるバックサイド分離部201−1が埋め込まれている。
The photodiode 200-1 (PD1), which is the first photoelectric conversion unit, has the first photoelectric conversion functional region 2211-1 and the first charge storage formed by the first conductive semiconductor layer (n layer). An isolation region 2241-1 formed by a second conductive type (p type in this embodiment) semiconductor layer (p layer) 224 is arranged in a region other than the functional region 2212-1.
In the p-type isolation region 2241-1, backside separation is performed using a ferroelectric substance such as TaO having a high refractive index or a material having a high shielding effect such as polysilicon in order to improve the optical isolation characteristics. Part 201-1 is embedded.

同様に、第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)においては、その中央部CTpd2の第1方向(X方向)であって左側にずらして、n層(第1導電型半導体層)221が、基板210の法線方向(図中の直交座標系のZ方向)に、2層構造を持つように、第2の光電変換機能領域2211−2および電第2の荷蓄積機能領域2212−2が同じ幅をもって形成されている。
本例では、第1基板面211側にn−層による第2の光電変換機能領域2211−2が形成され、このn−層による第2の光電変換機能領域2211−2の上層側(第2基板面212側)にn層による第2の電荷蓄積機能領域2212−2が形成されている。
Similarly, in the photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit, the n-layer (first conductive semiconductor) is shifted to the left in the first direction (X direction) of the central portion CTpd2. The second photoelectric conversion function region 2211-2 and the second load storage function so that the layer) 221 has a two-layer structure in the normal direction of the substrate 210 (Z direction of the Cartesian coordinate system in the drawing). Regions 2212-2 are formed with the same width.
In this example, the second photoelectric conversion functional region 2211-2 by the n-layer is formed on the first substrate surface 211 side, and the upper layer side (second) of the second photoelectric conversion functional region 2211-2 by the n-layer. A second charge storage function region 2212-2 with n layers is formed on the substrate surface 212 side).

n−層による第2の光電変換機能領域2211−2の第1基板面211の表面にp+層(第2導電型半導体層)222−2が形成され、n層による第2の電荷蓄積機能領域2212−2の第2基板面212側の表面に暗電流抑制のためのp+層(第2導電型半導体層)223−2が形成されている。 A p + layer (second conductive semiconductor layer) 222-2 is formed on the surface of the first substrate surface 211 of the second photoelectric conversion functional region 2211-2 by the n-layer, and the second charge storage functional region by the n-layer is formed. A p + layer (second conductive semiconductor layer) 223-2 for suppressing dark current is formed on the surface of 2212-2 on the second substrate surface 212 side.

そして、第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)は、第1導電型半導体層(n層)により形成された第2の光電変換機能領域2211−2および第1の電荷蓄積機能領域2212−2を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241−2が配置されている。
なお、このp型アイソレーション領域2241−2においては、光学的なアイソレーション特性を向上させるために、高屈折率のTaOなどの強誘電体やポリシリコンなどの遮蔽効果の高い材料によるバックサイド分離部201−2が埋め込まれている。
The photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit, has the second photoelectric conversion functional region 2211-2 and the first charge storage formed by the first conductive semiconductor layer (n layer). An isolation region 2241-2 formed by a second conductive type (p type in this embodiment) semiconductor layer (p layer) 224 is arranged in a region other than the functional region 2212-2.
In the p-type isolation region 2241-2, backside separation is performed using a ferroelectric substance such as TaO having a high refractive index or a material having a high shielding effect such as polysilicon in order to improve the optical isolation characteristics. Part 201-2 is embedded.

さらに、本第4の実施形態の固体撮像装置10Cにおいては、第2基板面212側(裏面側)に配置され、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)および第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)に光を入射するマイクロレンズMCL4により形成されるレンズ部225Cを有している。
そして、レンズ部225Cは、マイクロレンズMCL4の光学中心OCT4が、分離層201を挟んで並列配置される第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)と第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)の境界領域の中央部CTbdrに存するように配置されている。
Further, in the solid-state image sensor 10C of the fourth embodiment, the photodiode 200-1 (PD1) and the second photoelectric conversion unit, which are arranged on the second substrate surface 212 side (back surface side) and are the first photoelectric conversion unit, are used. It has a lens unit 225C formed by a microlens MCL4 that injects light into a photodiode 200-2 (PD2) that is a photoelectric conversion unit.
The lens unit 225C is composed of a photodiode 200-1 (PD1), which is a first photoelectric conversion unit, and a second photoelectric conversion unit, in which the optical center OCT4 of the microlens MCL4 is arranged in parallel with the separation layer 201 interposed therebetween. It is arranged so as to exist in the central portion CTbdr of the boundary region of a photodiode 200-2 (PD2).

このように、本第4の実施形態の固体撮像装置10Cは、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する第1の光電変換機能領域2211−1および第1の光電変換機能領域2211−1で発生した電荷を蓄積する第1の電荷蓄積機能領域2212−1を有する第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)と、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する第2の光電変換機能領域2211−2および第2の光電変換機能領域2211−2で発生した電荷を蓄積する第2の電荷蓄積機能領域2212−2を有する第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)と、を含み、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)と第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)は、並列に配置され、第2導電型半導体層(p層)により形成される分離層201にて分離されている。
したがって、本第3の実施形態によれば、感度の低下を抑止しつつ、飽和電荷を損失することなく、しかも画像の補正を伴うことなく低消費電力で精度の高い位相差情報を取得することが可能となり、ひいては複雑な読み出し方式を伴うことなく画質を向上させることが可能となっている。
As described above, the solid-state imaging device 10C of the fourth embodiment has the first photoelectric conversion function region 2211-1 and the first photoelectric conversion function that photoelectrically convert the incident light and generate an electric charge according to the amount of the incident light. Photodiode 200-1 (PD1), which is a first photoelectric conversion unit having a first charge storage function region 2212-1 for accumulating charges generated in the region 2211-1, and incident light are photoelectrically converted, and the amount of incident light is achieved. A second having a second photoelectric conversion functional region 2211-2 for generating charges according to the above and a second charge storage functional region 2212-2 for accumulating charges generated in the second photoelectric conversion functional region 2211-2. It includes a photodiode 200-2 (PD2) which is a photoelectric conversion unit, and a photodiode 200-1 (PD1) which is a first photoelectric conversion unit and a photodiode 200-2 (PD2) which is a second photoelectric conversion unit. ) Are arranged in parallel and separated by a separation layer 201 formed by a second conductive semiconductor layer (p layer).
Therefore, according to the third embodiment, it is possible to acquire highly accurate phase difference information with low power consumption without loss of saturated charge and without image correction while suppressing a decrease in sensitivity. As a result, it is possible to improve the image quality without involving a complicated reading method.

(画素部20Cにおける単位画素の配列)
次に、本第4の実施形態に係る画素部20Cにおける単位画素の配置構成例および配列例について説明する。
(Arrangement of unit pixels in pixel unit 20C)
Next, an arrangement configuration example and an arrangement example of unit pixels in the pixel unit 20C according to the fourth embodiment will be described.

図15(A)〜(C)は、本発明の第4の実施形態に係る単位画素の構成例を示す図である。
画素部20Cにおいては、複数の単位画素PXL4が行列状に配列されている。
本第4の実施形態においては、これら複数の単位画素には、少なくとも、水平単位画素PXL4L、垂直単位画素PXL4V、および斜め単位画素PXL4Dのうちのいずれかを含む。
15 (A) to 15 (C) are diagrams showing a configuration example of a unit pixel according to a fourth embodiment of the present invention.
In the pixel unit 20C, a plurality of unit pixels PXL4 are arranged in a matrix.
In the fourth embodiment, the plurality of unit pixels include at least one of a horizontal unit pixel PXL4L, a vertical unit pixel PXL4V, and an oblique unit pixel PXL4D.

水平単位画素PXL4Lは、図15(A)に示すように、第1のアイソレーション領域2241−1を含む第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)、並びに、第2のアイソレーション領域2241−2を含む第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)が列方向に並列になるように配置されている。 As shown in FIG. 15A, the horizontal unit pixel PXL4L includes a photodiode 200-1 (PD1) which is a first photoelectric conversion unit including a first isolation region 2241-1, and a second iso. The photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit including the isolation region 2241-2, is arranged so as to be parallel in the column direction.

垂直単位画素PXL4Vは、図15(B)に示すように、第1のアイソレーション領域2241−1を含む第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)、並びに、第2のアイソレーション領域2241−2を含む第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)が行方向に並列になるように配置されている。 As shown in FIG. 15B, the vertical unit pixel PXL4V includes a photodiode 200-1 (PD1) which is a first photoelectric conversion unit including a first isolation region 2241-1, and a second iso. The photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit including the isolation region 2241-2, is arranged so as to be parallel in the row direction.

斜め単位画素PXL4Dは、図15(C)に示すように、第1のアイソレーション領域2241−1を含む第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)、並びに、第2のアイソレーション領域2241−2を含む第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)が列方向および行方向に対して所定角度を持つ斜め方向に並列になるように配置されている。 As shown in FIG. 15C, the oblique unit pixel PXL4D includes a photodiode 200-1 (PD1) which is a first photoelectric conversion unit including a first isolation region 2241-1, and a second iso. The photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit including the isolation region 2241-2, is arranged in parallel in the oblique direction having a predetermined angle with respect to the column direction and the row direction.

第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)は、第1の電荷蓄積機能領域2212−1に蓄積された電荷を転送する第1の転送トランジスタTG1−Trを含む。第1の転送トランジスタTG1−Trは、第2基板面212側において、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)の第1の電荷蓄積機能領域2212−1に接続されている。
第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)は、第2の電荷蓄積機能領域2212−2に蓄積された電荷を転送する第2の転送トランジスタTG2−Trを含む。第2の転送トランジスタTG2−Trは、第2基板面212側において、第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)の第2の電荷蓄積機能領域2212−2に接続されている。
The photodiode 200-1 (PD1), which is the first photoelectric conversion unit, includes a first transfer transistor TG1-Tr that transfers the charge stored in the first charge storage function region 2212-1. The first transfer transistor TG1-Tr is connected to the first charge storage function region 2212-1 of the photodiode 200-1 (PD1), which is the first photoelectric conversion unit, on the second substrate surface 212 side. ..
The photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit, includes a second transfer transistor TG2-Tr that transfers the accumulated charge in the second charge storage function region 2212-2. The second transfer transistor TG2-Tr is connected to the second charge storage function region 2212-2 of the photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit, on the second substrate surface 212 side. ..

そして、本例では、各単位画素は、上述したように、垂直単位画素PXL3Lとして形成され、垂直単位画素PXL3Dにおいて、第1の転送トランジスタTG1−Trと第2の転送トランジスタTG2−Trは、分離層201を挟んで対向するように配置されている。 Then, in this example, each unit pixel is formed as a vertical unit pixel PXL3L as described above, and in the vertical unit pixel PXL3D, the first transfer transistor TG1-Tr and the second transfer transistor TG2-Tr are separated. The layers 201 are arranged so as to face each other with the layer 201 in between.

図16(A)および(B)は、本第4の実施形態において、単位画素が垂直単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。
図16(A)は垂直単位画素を4行4列の行列状に配列した一配列例を示す図であり、図16(B)は図16(A)のY−Y線における簡略断面図である。
16A and 16B are diagrams showing an example of a pixel array in the case where the unit pixel is a vertical unit pixel in the fourth embodiment.
FIG. 16 (A) is a diagram showing an example of one arrangement in which vertical unit pixels are arranged in a matrix of 4 rows and 4 columns, and FIG. 16 (B) is a simplified cross-sectional view taken along the line YY of FIG. 16 (A). is there.

図16の画素アレイ20Cは、上述したように、各垂直単位画素PXL4Vは、電荷蓄積機能領域2212−1に蓄積された電荷を転送する転送トランジスタTG1−Trを含み、転送トランジスタTG1−Trは、第2基板面側において、光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)の電荷蓄積機能領域2212−1に接続されている。
また、各垂直単位画素PXL4Vは、電荷蓄積機能領域2212−2に蓄積された電荷を転送する転送トランジスタTG2−Trを含み、転送トランジスタTG2−Trは、第2基板面側において、光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)の電荷蓄積機能領域2212−2に接続されている。
そして、各垂直単位画素PXL4Vは、第1の転送トランジスタTG1−Trと第2の転送トランジスタTG2−Trは互いに近接して対向するように配置されている。
In the pixel array 20C of FIG. 16, as described above, each vertical unit pixel PXL4V includes a transfer transistor TG1-Tr that transfers the charge stored in the charge storage function region 2212-1, and the transfer transistor TG1-Tr includes the transfer transistor TG1-Tr. On the surface side of the second substrate, it is connected to the charge storage function region 2212-1 of the photodiode 200-1 (PD1), which is a photoelectric conversion unit.
Further, each vertical unit pixel PXL4V includes a transfer transistor TG2-Tr that transfers the charge accumulated in the charge storage function region 2212-2, and the transfer transistor TG2-Tr is a photoelectric conversion unit on the second substrate surface side. It is connected to the charge storage function region 2212-2 of a photodiode 200-2 (PD2).
Each vertical unit pixel PXL4V is arranged such that the first transfer transistor TG1-Tr and the second transfer transistor TG2-Tr are close to each other and face each other.

図17は、本第4の実施形態において、単位画素が斜め単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。
図17は斜め単位画素を4行4列の行列状に配列した一配列例を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing an example of a pixel array when the unit pixel is an oblique unit pixel in the fourth embodiment.
FIG. 17 is a diagram showing an example of one arrangement in which diagonal unit pixels are arranged in a matrix of 4 rows and 4 columns.

図17の画素アレイ20Cは、上述したように、単位画素は斜め単位画素PXL4Dとして形成され、行ごとに、光電変換部であるフォトダイオード200(PD)とアイソレーション領域2241の所定角度の傾き方向が異なる。 In the pixel array 20C of FIG. 17, as described above, the unit pixel is formed as an oblique unit pixel PXL4D, and the inclination direction of a predetermined angle between the photodiode 200 (PD), which is a photoelectric conversion unit, and the isolation region 2241 is formed for each row. Is different.

この斜め単位画素PXL1Dは矩形に形成され、各斜め単位画素PXL4Dにおいても、第1の転送トランジスタTG1−Trと第2の転送トランジスタTG2−Trは互いに近接して対向するように配置されている。 The diagonal unit pixel PXL1D is formed in a rectangular shape, and even in each diagonal unit pixel PXL4D, the first transfer transistor TG1-Tr and the second transfer transistor TG2-Tr are arranged so as to be close to each other and face each other.

以上説明したように、本第4の実施形態の固体撮像装置10Cは、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)は、第1の光電変換機能領域2211−1および第1の電荷蓄積機能領域2212−1が、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)の中央部CTpd1からずらして配置され、第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)は、第2の光電変換機能領域2211−2および第2の電荷蓄積機能領域2212−2が、第2の光電変換部であるフォトダイオード200(PD2)の中央部CTpd2からずらして配置されている。
そして、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)は、第1導電型半導体層(n層)により形成された第1の光電変換機能領域2211−1および第1の電荷蓄積機能領域2212−1を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241−1が配置されている。
この場合も、p型アイソレーション領域2241−1においては、光学的なアイソレーション特性を向上させるために、高屈折率のTaOなどの強誘電体やポリシリコンなどの遮蔽効果の高い材料によるバックサイド分離部201−1が埋め込まれている。
同様に、第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)は、第1導電型半導体層(n層)により形成された第2の光電変換機能領域2211−2および第1の電荷蓄積機能領域2212−2を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241−2が配置されている。
この場合も同様に、p型アイソレーション領域2241−2においては、光学的なアイソレーション特性を向上させるために、高屈折率のTaOなどの強誘電体やポリシリコンなどの遮蔽効果の高い材料によるバックサイド分離部201−2が埋め込まれている。
As described above, in the solid-state image sensor 10C of the fourth embodiment, the photodiode 200-1 (PD1), which is the first photoelectric conversion unit, has the first photoelectric conversion functional region 2211-1 and the first. The charge storage function region 2212-1 of the above is arranged so as to be offset from the central portion CTpd1 of the photodiode 200-1 (PD1) which is the first photoelectric conversion unit, and the photodiode 200-2 (photodiode 200-2) which is the second photoelectric conversion unit is arranged. In PD2), the second photoelectric conversion function region 2211-2 and the second charge storage function region 2212-2 are arranged so as to be offset from the central portion CTpd2 of the photodiode 200 (PD2) which is the second photoelectric conversion unit. ing.
The photodiode 200-1 (PD1), which is the first photoelectric conversion unit, has the first photoelectric conversion functional region 2211-1 and the first charge storage formed by the first conductive semiconductor layer (n layer). An isolation region 2241-1 formed by a second conductive type (p type in this embodiment) semiconductor layer (p layer) 224 is arranged in a region other than the functional region 2212-1.
Also in this case, in the p-type isolation region 2241-1, in order to improve the optical isolation characteristics, the backside is made of a ferroelectric substance such as TaO having a high refractive index or a material having a high shielding effect such as polysilicon. Separation section 201-1 is embedded.
Similarly, the photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit, has the second photoelectric conversion functional region 2211-2 and the first charge formed by the first conductive semiconductor layer (n layer). An isolation region 2241-2 formed by a second conductive type (p type in the present embodiment) semiconductor layer (p layer) 224 is arranged in a region other than the storage function region 2212-2.
Similarly, in this case, in the p-type isolation region 2241-2, in order to improve the optical isolation characteristics, a ferroelectric substance such as TaO having a high refractive index or a material having a high shielding effect such as polysilicon is used. The backside separation portion 201-2 is embedded.

したがって、本第4の実施形態の固体撮像装置10Cによれば、感度の低下を抑止しつつ、飽和電荷を損失することなく、しかも画像の補正を伴うことなく低消費電力で精度の高い位相差情報を取得することが可能となり、ひいては複雑な読み出し方式を伴うことなく画質を向上させることが可能となっている。 Therefore, according to the solid-state image sensor 10C of the fourth embodiment, the phase difference with low power consumption and high accuracy is suppressed without a decrease in sensitivity, without loss of saturated charge, and without image correction. It is possible to acquire information, and by extension, it is possible to improve the image quality without involving a complicated reading method.

また、光電変換部が中央部CTpdからずらして配置された光電変換機能領域2211−1および電荷蓄積機能領域2212−1,光電変換機能領域2211−2および電荷蓄積機能領域2212−2と残りの領域にアイソレーション領域2241−1,2241−2が配置されていることから、単位画素を単純な構造で実現することが可能となり、水平単位画素PXL4L、垂直単位画素PXL4V、斜め単位画素PXL4D等、仕様にあわせて種々の態様が可能である。 Further, the photoelectric conversion function region 2211-1 and the charge storage function region 2212-1, the photoelectric conversion function region 2211-2, the charge storage function region 2212-2, and the remaining region in which the photoelectric conversion unit is arranged so as to be offset from the central CTpd. Since the isolation regions 2241-1,2241-2 are arranged in, it is possible to realize a unit pixel with a simple structure, and specifications such as horizontal unit pixel PXL4L, vertical unit pixel PXL4V, and diagonal unit pixel PXL4D, etc. Various aspects are possible according to the above.

(第5の実施形態)
図18は、本発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL5を形成する埋め込み型のフォトダイオードPDの構成例を示す簡略断面図である。
(Fifth Embodiment)
FIG. 18 is a simplified cross-sectional view showing a configuration example of an embedded photodiode PD forming a unit pixel PXL5 of the solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention.

本第5の実施形態の単位画素PXL5が、第4の実施形態の単位画素PXL4と異なる点は次の通りである。 The unit pixel PXL5 of the fifth embodiment is different from the unit pixel PXL4 of the fourth embodiment as follows.

第4の実施形態の画素PXL4では、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)は、第1の光電変換機能領域2211−1および第1の電荷蓄積機能領域2212−1が、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)の中央部CTpd1からずらして配置され、第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)は、第2の光電変換機能領域2211−2および第2の電荷蓄積機能領域2212−2が、第2の光電変換部であるフォトダイオード200(PD2)の中央部CTpd2からずらして配置されている。 In the pixel PXL4 of the fourth embodiment, the photodiode 200-1 (PD1), which is the first photoelectric conversion unit, has the first photoelectric conversion function region 2211-1 and the first charge storage function region 2212-1. , The photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit, is arranged so as to be offset from the central portion CTpd1 of the photodiode 200-1 (PD1), which is the first photoelectric conversion unit. The functional region 2211-2 and the second charge storage functional region 2212-2 are arranged so as to be offset from the central portion CTpd2 of the photodiode 200 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit.

これに対して、第5の実施形態の画素PXL5では、第1の光電変換機能領域2211−1が、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)の中央部CTpd1からずらして配置され、第1の電荷蓄積機能領域2212−1が第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)の中央部CTpd1に存するように配置されている。
そして、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)は、第1導電型半導体層(n層)により形成された第1の光電変換機能領域2211−1および第1の電荷蓄積機能領域2212−1を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241−1が配置されている。
同様に、第2の光電変換機能領域2211−2が、第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)の中央部CTpd2からずらして配置され、第2の電荷蓄積機能領域2212−2が第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)の中央部CTpd2に存するように配置されている。
そして、第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)は、第1導電型半導体層(n層)により形成された第2の光電変換機能領域2211−2および第1の電荷蓄積機能領域2212−2を除く領域には、第2導電型(本実施形態においてはp型)半導体層(p層)224により形成されたアイソレーション領域2241−2が配置されている。
On the other hand, in the pixel PXL5 of the fifth embodiment, the first photoelectric conversion function region 2211-1 is shifted from the central portion CTpd1 of the photodiode 200-1 (PD1) which is the first photoelectric conversion unit. The first charge storage function region 2212-1 is arranged so as to exist in the central portion CTpd1 of the photodiode 200-1 (PD1) which is the first photoelectric conversion unit.
The photodiode 200-1 (PD1), which is the first photoelectric conversion unit, has the first photoelectric conversion functional region 2211-1 and the first charge storage formed by the first conductive semiconductor layer (n layer). An isolation region 2241-1 formed by a second conductive type (p type in this embodiment) semiconductor layer (p layer) 224 is arranged in a region other than the functional region 2212-1.
Similarly, the second photoelectric conversion function region 2211-2 is arranged so as to be offset from the central portion CTpd2 of the photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion portion, and the second charge storage function region 2212- 2 is arranged so as to exist in the central portion CTpd2 of the photodiode 200-2 (PD2) which is the second photoelectric conversion unit.
The photodiode 200-2 (PD2), which is the second photoelectric conversion unit, has the second photoelectric conversion functional region 2211-2 and the first charge storage formed by the first conductive semiconductor layer (n layer). An isolation region 2241-2 formed by a second conductive type (p type in this embodiment) semiconductor layer (p layer) 224 is arranged in a region other than the functional region 2212-2.

その他の構成は上述した第4の実施形態と同様であり、本第5の実施形態によれば、上述した第4の実施形態と同様の効果を得ることができることはもとより、より高感度の固体撮像装置を実現することが可能となる。 Other configurations are the same as those of the fourth embodiment described above, and according to the fifth embodiment, it is possible to obtain the same effects as those of the fourth embodiment described above, and a solid with higher sensitivity. It becomes possible to realize an image sensor.

(第6の実施形態)
図19は、本発明の第6の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL6の構成例を示す回路図である。
図20(A)および(B)は、本第6の実施形態において、単位画素が水平単位画素および斜め単位画素である場合の画素アレイの一例を示す図である。
(Sixth Embodiment)
FIG. 19 is a circuit diagram showing a configuration example of a unit pixel PXL6 of the solid-state image sensor according to the sixth embodiment of the present invention.
20 (A) and 20 (B) are diagrams showing an example of a pixel array in the case where the unit pixels are horizontal unit pixels and diagonal unit pixels in the sixth embodiment.

本第6の実施形態の単位画素PXL6が、第4の実施形態の単位画素PXL4および第5の実施形態の単位画素PXL5と異なる点は次の通りである。 The unit pixel PXL6 of the sixth embodiment is different from the unit pixel PXL4 of the fourth embodiment and the unit pixel PXL5 of the fifth embodiment as follows.

本第6の実施形態の単位画素PXL6においては、第1の光電変換部であるフォトダイオード200−1(PD1)および第2の光電変換部であるフォトダイオード200−2(PD2)が、図19並びに図20(A)および(B)で示すように、電荷蓄積機能領域2212−1,2212−2から溢れる電荷を排出する第1のオーバーフローゲートトランジスタOFG1−Trおよび第2のオーバーフローゲートトランジスタOFG2−Trを有している。 In the unit pixel PXL6 of the sixth embodiment, the photodiode 200-1 (PD1) which is the first photoelectric conversion unit and the photodiode 200-2 (PD2) which is the second photoelectric conversion unit are shown in FIG. Further, as shown in FIGS. 20 (A) and 20 (B), the first overflow gate transistor OFG1-Tr and the second overflow gate transistor OFG2- that discharge the charge overflowing from the charge storage function region 2212-1,2122-2. It has a Tr.

その他の構成は上述した第4の実施形態または第5の実施形態と同様であり、本第6の実施形態によれば、上述した第4の実施形態および第5の実施形態と同様の効果を得ることができることはもとより、ブルーミングのない位相差情報を取得することが可能で、飽和電荷量の変動や面積効率の低下が発生することを回避することができる固体撮像装置を実現することが可能となる。 Other configurations are the same as those of the fourth or fifth embodiment described above, and according to the sixth embodiment, the same effects as those of the fourth and fifth embodiments described above can be obtained. Not only can it be obtained, but it is also possible to acquire phase difference information without blooming, and it is possible to realize a solid-state image sensor that can avoid fluctuations in the saturated charge amount and reduction in area efficiency. It becomes.

(第7の実施形態)
図21は、本発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL7の構成例を示す回路図である。
(7th Embodiment)
FIG. 21 is a circuit diagram showing a configuration example of a unit pixel PXL7 of the solid-state image sensor according to the seventh embodiment of the present invention.

本第7の実施形態の単位画素PXL7が、第4の実施形態の単位画素PXL4および第5の実施形態の単位画素PXL5と異なる点は次の通りである。 The unit pixel PXL7 of the seventh embodiment is different from the unit pixel PXL4 of the fourth embodiment and the unit pixel PXL5 of the fifth embodiment as follows.

本第7の実施形態の単位画素PXL7においては、出力ノードであるフローティングディフュージョンFDとリセットトランジスタRST−Trとの間に、ビンニングトランジスタ(ビンニングスイッチ)BIN−Trが接続されており、ビンニングトランジスタBIN−Trをオン、オフすることにより、フローティングディフュージョンFDの容量を可変として、フローティングディフュージョンFDの変換利得を切り替えるように構成されている。 In the unit pixel PXL7 of the seventh embodiment, a binning transistor (binning switch) BIN-Tr is connected between the floating diffusion FD, which is an output node, and the reset transistor RST-Tr, and binning. By turning the transistor BIN-Tr on and off, the capacitance of the floating diffusion FD is made variable, and the conversion gain of the floating diffusion FD is switched.

本例では、たとえば制御信号BINがローレベルで第1のビンニングトランジスタBIN−Trがオフ状態のとき、変換利得は高変換利得(High)となる。
この場合、読み出し対象画素PXLのフローティングディフュージョンFDの容量Cfdに、ソースフォロワトランジスタSF−Trのゲート容量C0、コンタクト配線間の配線間容量C1、フローティングディフュージョンFDを形成するn+拡散層における接合容量C2やメタル配線間の配線間容量C3が合算されて付加容量Cbin1(=C0+C1+C2+C3)として付加される。
この高変換利得の場合のフローティングディフュージョンFDの第1のトータル容量はCbin1となる。
In this example, for example, when the control signal BIN is at a low level and the first binning transistor BIN-Tr is in the off state, the conversion gain becomes a high conversion gain (High).
In this case, the gate capacitance C0 of the source follower transistor SF-Tr, the interwiring capacitance C1 between the contact wirings, the junction capacitance C2 in the n + diffusion layer forming the floating diffusion FD, and the capacitance Cfd of the floating diffusion FD of the pixel PXL to be read. The inter-wiring capacitance C3 between the metal wirings is added up and added as an additional capacitance Cbin1 (= C0 + C1 + C2 + C3).
The first total capacitance of the floating diffusion FD in the case of this high conversion gain is Cbin1.

一方、制御信号BINがハイレベルで第1のビンニングトランジスタBIN−Trがオン状態のとき、変換利得は低変換利得(Low)となる。
この場合、読み出し対象画素PXLのフローティングディフュージョンFDの容量Cfdに、ソースフォロワトランジスタSF−Trのゲート容量C0、コンタクト配線間の配線間容量C1、フローティングディフュージョンFDを形成するn+拡散層における接合容量C2やメタル配線間の配線間容量C3が合算されて付加容量Cbin1(=C0+C1+C2+C3)に加えて、ビンニングトランジスタBIN−Trのゲート容量C4、および、他のメタル配線間の配線間容量C5が合算されて付加容量Cbin2(=C4+C5)として付加される。
この低変換利得の場合のフローティングディフュージョンFDの第2のトータル容量はCbin1+Cbin2となる。
On the other hand, when the control signal BIN is at a high level and the first binning transistor BIN-Tr is in the ON state, the conversion gain becomes a low conversion gain (Low).
In this case, the capacitance Cfd of the floating diffusion FD of the pixel PXL to be read, the gate capacitance C0 of the source follower transistor SF-Tr, the interwiring capacitance C1 between the contact wirings, the junction capacitance C2 in the n + diffusion layer forming the floating diffusion FD, and the like. The inter-wiring capacitance C3 between the metal wirings is added up, and in addition to the additional capacitance Cbin1 (= C0 + C1 + C2 + C3), the gate capacitance C4 of the binning transistor BIN-Tr and the inter-wiring capacitance C5 between the other metal wirings are added up. It is added as an additional capacity Cbin2 (= C4 + C5).
The second total capacitance of the floating diffusion FD in the case of this low conversion gain is Cbin1 + Cbin2.

本第7の実施形態において、読み出し部70は、一つの読み出し期間に、図示しない容量可変部により設定される第1のトータル容量に応じた第1の変換利得で画素信号の読み出しを行う第1の変換利得モード読み出しと、容量可変部により設定される第2のトータル容量(第1のトータル容量と異なる)に応じた第2の変換利得で画素信号の読み出しを行う第2の変換利得モード読み出しと、を行うことが可能に構成されている。
すなわち、本第7の実施形態の固体撮像装置10Fは、一度の蓄積期間(露光期間)に光電変換された電荷(電子)に対して、一つの読み出し期間に、画素内部にて、第1の変換利得(たとえば高変換利得)モードと第2の変換利得(低変換利得)モードを切り替えて信号を出力し、明るい信号と暗い信号の両方を出力するダイナミックレンジが広い固体撮像素子として提供される。
In the seventh embodiment, the reading unit 70 reads out the pixel signal with the first conversion gain corresponding to the first total capacitance set by the capacitance variable unit (not shown) in one reading period. The conversion gain mode read of the pixel signal and the pixel signal are read with the second conversion gain corresponding to the second total capacity (different from the first total capacity) set by the capacitance variable unit. And, it is configured to be possible to do.
That is, in the solid-state image sensor 10F of the seventh embodiment, for the charge (electrons) photoelectrically converted in one storage period (exposure period), the first reading period is performed inside the pixel. It is provided as a solid-state image sensor with a wide dynamic range that outputs a signal by switching between a conversion gain (for example, high conversion gain) mode and a second conversion gain (low conversion gain) mode and outputs both a bright signal and a dark signal. ..

(第1の変形例)
図22は、本発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL7の第1の変形例を示す回路図である。
(First modification)
FIG. 22 is a circuit diagram showing a first modification of the unit pixel PXL7 of the solid-state image sensor according to the seventh embodiment of the present invention.

本第1の変形例においては、1列全画素・・PXLn−1,PXLn,PXLn+1・・でリセット素子が共有され、たとえば1列の一端側の画素PXL0(図22には図示せず)のフローティングディフュージョンFDと1列の他端側の画素PXLN−1に近接して形成される電源線VDD(図22には図示せず)間が、配線WRに各画素に対応しつつ縦続接続するように形成されるビンニングトランジスタ(スイッチ)・・BINn−1−Tr,BINn−Tr、BINn+1−Tr・・を介して接続され、ビンニングスイッチ間の配線WR上のノード・・NDn−1,NDn,NDn+1・・と対応する画素・・PXLn−1,PXLn,PXLn+1・・のフローティングディフュージョンFDが接続されている。
第1の実施形態では、最も他端側となる図示しないビンニングトランジスタ(スイッチ)BIN(N−1)−Trが共有のリセット素子として機能する。
In the first modification, the reset element is shared by all the pixels in one row ... PXLn-1, PXLn, PXLn + 1, ... For example, the pixel PXL0 on one end side of one row (not shown in FIG. 22). The floating diffusion FD and the power supply line VDD (not shown in FIG. 22) formed in the vicinity of the pixel PXLN-1 on the other end side of one row are connected to the wiring WR in a longitudinal manner corresponding to each pixel. NDn-1, NDn, which are connected via BINn-1-Tr, BINn-Tr, BINn + 1-Tr, and the nodes on the wiring WR between the binning switches. , NDn + 1 ... and the corresponding pixels ... PXLn-1, PXLn, PXLn + 1 ... Floating diffusion FDs are connected.
In the first embodiment, the binning transistor (switch) BIN (N-1) -Tr, which is the farthest end side (not shown), functions as a shared reset element.

このような構成により、本第1の変形例によれば、フローティングディフュージョンFDの接続数を柔軟に切り替えることが可能であり、ダイナミックレンジの拡張性に優れる。また、画素内のトランジスタ数が少ないため、PD開口率を高く、光電変換感度や飽和電子数を高めることができる。 With such a configuration, according to the first modification, the number of connections of the floating diffusion FD can be flexibly switched, and the dynamic range is excellently expandable. Further, since the number of transistors in the pixel is small, the PD aperture ratio can be increased, and the photoelectric conversion sensitivity and the number of saturated electrons can be increased.

(第2の変形例)
図23は、本発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL7の第2の変形例を示す回路図である。
(Second modification)
FIG. 23 is a circuit diagram showing a second modification of the unit pixel PXL7 of the solid-state image sensor according to the seventh embodiment of the present invention.

本第2の変形例が図22の第1の変形例と異なる点は、次の通りである。
本第2の変形例においては、配線WR上に縦続接続され各画素に対応するように形成された第1ビンニングトランジスタ(ビンニングスイッチ)BIN1n−1−Tr,81n−Tr,BIN1n+1−Trに加えて、各画素PXLn−1,PXLn,PXLn+1のフローティングディフュージョンFDと配線WRのノードNDn−1,NDn,NDn+1との間に、たとえばNMOSトランジスタにより形成される第2ビンニングトランジスタ(ビンニングスイッチ)BIN2n−1―Tr,BIN2n―Tr,BIN2n+1−Trが接続されている。
The difference between the second modification and the first modification of FIG. 22 is as follows.
In this second modification, the first binning transistors (binning switches) BIN1n-1-Tr, 81n-Tr, and BIN1n + 1-Tr are connected vertically on the wiring WR and formed so as to correspond to each pixel. In addition, a second binning transistor (binning switch) formed by, for example, an NMOS transistor between the floating diffusion FD of each pixel PXLn-1, PXLn, PXLn + 1 and the nodes NDn-1, NDn, NDn + 1 of the wiring WR. BIN2n-1-Tr, BIN2n-Tr, and BIN2n + 1-Tr are connected.

第1ビンニングトランジスタBIN1n−1−Tr,BINn−Tr,BIN1n+1−Trはそれぞれ第1容量変更信号BIN1n−1,BIN1n,BIN1n+1により選択的にオン、オフされ、第2ビンニングトランジスタBIN2n−1―Tr,BIN2n―Tr,BIN2n+1−Trはそれぞれ第2容量変更信号BIN2n−1,BIN2n,BIN2n+1により選択的にオン、オフされる。
本例においては、図23に示すように、第1容量変更信号BIN1n−1,BIN1n,BIN1n+1と、第2容量変更信号BIN2n−1,BIN2n,BIN2n+1はペアを形成し、同じタイミングで(位相で)Hレベル、Lレベルに切り替えられる。
The first binning transistor BIN1n-1-Tr, BINn-Tr, and BIN1n + 1-Tr are selectively turned on and off by the first capacitance change signals BIN1n-1, BIN1n, and BIN1n + 1, respectively, and the second binning transistor BIN2n-1- Tr, BIN2n-Tr, and BIN2n + 1-Tr are selectively turned on and off by the second capacitance change signals BIN2n-1, BIN2n, and BIN2n + 1, respectively.
In this example, as shown in FIG. 23, the first capacitance change signal BIN1n-1, BIN1n, BIN1n + 1 and the second capacitance change signal BIN2n-1, BIN2n, BIN2n + 1 form a pair and form a pair at the same timing (in phase). ) Switch between H level and L level.

このような構成において、第1ビンニングトランジスタBIN1n−1−Tr,BINn−Tr,BIN1n+1−Trは隣接するFD配線WRの接続および切断に用いられる。
第2ビンニングトランジスタBIN2n−1―Tr,BIN2n―Tr,BIN2n+1−Trは、各画素PXLn−1,PXLn,PXLn+1の転送トランジスタTG−Trの近傍に配置され、高変換利得モードにおいて、フローティングディフュージョンFDノードの寄生容量を最小化するために用いられる。
In such a configuration, the first binning transistors BIN1n-1-Tr, BINn-Tr, and BIN1n + 1-Tr are used for connecting and disconnecting the adjacent FD wiring WR.
The second binning transistors BIN2n-1-Tr, BIN2n-Tr, and BIN2n + 1-Tr are arranged in the vicinity of the transfer transistor TG-Tr of each pixel PXLn-1, PXLn, and PXLn + 1, and in the high conversion gain mode, the floating diffusion FD. It is used to minimize the parasitic capacitance of the node.

(第8の実施形態)
図24は、本発明の第8の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL8の構成例を示す回路図である。
(8th Embodiment)
FIG. 24 is a circuit diagram showing a configuration example of the unit pixel PXL8 of the solid-state image sensor according to the eighth embodiment of the present invention.

本第8の実施形態の単位画素PXL8が、第6の実施形態の単位画素PXL6の単位画素PXL6と異なる点は次の通りである。 The unit pixel PXL8 of the eighth embodiment is different from the unit pixel PXL6 of the unit pixel PXL6 of the sixth embodiment as follows.

本第8の実施形態の単位画素PXL8においては、第7の実施形態と同様に、出力ノードであるフローティングディフュージョンFDとリセットトランジスタRST−Trとの間に、ビンニングトランジスタ(ビンニングスイッチ)BIN−Trが接続されており、ビンニングトランジスタBIN−Trをオン、オフすることにより、フローティングディフュージョンFDの容量を可変として、フローティングディフュージョンFDの変換利得を切り替えるように構成されている。 In the unit pixel PXL8 of the eighth embodiment, as in the seventh embodiment, the binning transistor (binning switch) BIN-between the floating diffusion FD which is the output node and the reset transistor RST-Tr. A Tr is connected, and by turning on and off the binning transistor BIN-Tr, the capacitance of the floating diffusion FD is made variable, and the conversion gain of the floating diffusion FD is switched.

本例においても、たとえば制御信号BINがローレベルで第1のビンニングトランジスタBIN−Trがオフ状態のとき、変換利得は高変換利得(High)となる。
この場合、読み出し対象画素PXLのフローティングディフュージョンFDの容量Cfdに、ソースフォロワトランジスタSF−Trのゲート容量C0、コンタクト配線間の配線間容量C1、フローティングディフュージョンFDを形成するn+拡散層における接合容量C2やメタル配線間の配線間容量C3が合算されて付加容量Cbin1(=C0+C1+C2+C3)として付加される。
この高変換利得の場合のフローティングディフュージョンFDの第1のトータル容量はCbin1となる。
Also in this example, for example, when the control signal BIN is at a low level and the first binning transistor BIN-Tr is in the off state, the conversion gain becomes a high conversion gain (High).
In this case, the gate capacitance C0 of the source follower transistor SF-Tr, the interwiring capacitance C1 between the contact wirings, the junction capacitance C2 in the n + diffusion layer forming the floating diffusion FD, and the capacitance Cfd of the floating diffusion FD of the pixel PXL to be read. The inter-wiring capacitance C3 between the metal wirings is added up and added as an additional capacitance Cbin1 (= C0 + C1 + C2 + C3).
The first total capacitance of the floating diffusion FD in the case of this high conversion gain is Cbin1.

一方、制御信号BINがハイレベルで第1のビンニングトランジスタ81がオン状態のとき、変換利得は低変換利得(Low)となる。
この場合も、読み出し対象画素PXLのフローティングディフュージョンFDの容量Cfdに、ソースフォロワトランジスタSF−Trのゲート容量C0、コンタクト配線間の配線間容量C1、フローティングディフュージョンFDを形成するn+拡散層における接合容量C2やメタル配線間の配線間容量C3が合算されて付加容量Cbin1(=C0+C1+C2+C3)に加えて、ビンニングトランジスタBIN−Trのゲート容量C4、および、他のメタル配線間の配線間容量C5が合算されて付加容量Cbin2(=C4+C5)として付加される。
この低変換利得の場合のフローティングディフュージョンFDの第2のトータル容量はCbin1+Cbin2となる。
On the other hand, when the control signal BIN is at a high level and the first binning transistor 81 is in the ON state, the conversion gain becomes a low conversion gain (Low).
In this case as well, the capacitance Cfd of the floating diffusion FD of the pixel PXL to be read, the gate capacitance C0 of the source follower transistor SF-Tr, the interwiring capacitance C1 between the contact wirings, and the junction capacitance C2 in the n + diffusion layer forming the floating diffusion FD. In addition to the additional capacitance Cbin1 (= C0 + C1 + C2 + C3), the gate capacitance C4 of the binning transistor BIN-Tr and the inter-wiring capacitance C5 between other metal wirings are added together. It is added as an additional capacity Cbin2 (= C4 + C5).
The second total capacitance of the floating diffusion FD in the case of this low conversion gain is Cbin1 + Cbin2.

なお、本第8の実施形態においても、図22、図23に示す変形例を適用することも可能である。 It should be noted that also in the eighth embodiment, it is possible to apply the modified examples shown in FIGS. 22 and 23.

(第9の実施形態)
図25は、本発明の第9の実施形態に係る固体撮像装置の単位画素PXL9の構成例を示す回路図である。
(9th Embodiment)
FIG. 25 is a circuit diagram showing a configuration example of a unit pixel PXL9 of the solid-state image sensor according to the ninth embodiment of the present invention.

本第9の実施形態において、固体撮像装置10Hは、画素部20Hにおいて、単位画素PXL9として光電変換読み出し部および信号保持部を含み、グローバルシャッタの動作機能を持ち、かつ実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することを可能とする、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。 In the ninth embodiment, the solid-state image sensor 10H includes a photoelectric conversion reading unit and a signal holding unit as a unit pixel PXL9 in the pixel unit 20H, has a global shutter operation function, and has a substantially wide dynamic range. , For example, it is configured as a stacked CMOS image sensor, which makes it possible to realize a high frame rate.

本第9の実施形態に係る固体撮像装置10Hにおいて、後で詳述するように、画素信号ストレージとしての信号保持部に、電圧モードで、画素信号を全画素で同時並列的にサンプリングし、第1から第4の信号保持キャパシタに保持された読み出し信号に対応する変換信号を所定の信号線に読み出すとともに、読み出しリセット信号に対応する変換信号を所定の信号線に同時並列的に読み出し、カラム読み出し回路40に供給する。 In the solid-state imaging device 10H according to the ninth embodiment, as will be described in detail later, a pixel signal is sampled simultaneously and in parallel by all pixels in a signal holding unit as a pixel signal storage in a voltage mode. The conversion signal corresponding to the read signal held in the first to fourth signal holding capacitors is read out to a predetermined signal line, and the conversion signal corresponding to the read reset signal is read out simultaneously and in parallel to the predetermined signal line to read the column. Supply to circuit 40.

以下、固体撮像装置10Hの画素部20Hの構成および機能、それらに関連した読み出し処理、並びに、画素部20Hと読み出し部70の積層構造等について詳述する。 Hereinafter, the configuration and function of the pixel unit 20H of the solid-state image sensor 10H, the readout processing related thereto, the laminated structure of the pixel portion 20H and the readout unit 70, and the like will be described in detail.

(単位画素PXL9並びに画素部20Hの構成)
画素部20Hに配置される画素200Hは、図25に示すように、光電変換読み出し部230および信号保持部240を含んで構成されている。
本第9の実施形態の画素部20Hは、後で詳述するように、第1の基板110と第2の基板120の積層型のCMOSイメージセンサとして構成されるが、本例では、図25に示すように、第1の基板110に光電変換読み出し部230が形成され、第2の基板120に信号保持部240が形成されている。
(Structure of unit pixel PXL9 and pixel unit 20H)
As shown in FIG. 25, the pixel 200H arranged in the pixel unit 20H includes a photoelectric conversion reading unit 230 and a signal holding unit 240.
As will be described in detail later, the pixel portion 20H of the ninth embodiment is configured as a laminated CMOS image sensor of the first substrate 110 and the second substrate 120, but in this example, FIG. 25 As shown in the above, a photoelectric conversion reading unit 230 is formed on the first substrate 110, and a signal holding unit 240 is formed on the second substrate 120.

画素200の光電変換読み出し部230は、フォトダイオード(光電変換素子)と画素内アンプとを含んで構成される。
図25の例では、光電変換読み出し部230は、一例として図22の本第7の実施形態に係る単位画素PXL7の第1の変形例の単位画素PXL7−1が採用されている。
The photoelectric conversion reading unit 230 of the pixel 200 includes a photodiode (photoelectric conversion element) and an in-pixel amplifier.
In the example of FIG. 25, as an example, the photoelectric conversion reading unit 230 employs the unit pixel PXL7-1 of the first modification of the unit pixel PXL7 according to the seventh embodiment of FIG. 22.

具体的には、この光電変換読み出し部230は、第1の光電変換部である第1のフォトダイオードPD1(200−1)および第2の光電変換部であるフォトダイオードPD2(200−2)を有する。
第1のフォトダイオードPD1に対して、転送素子としての第1の転送トランジスタTG1−Trおよび第1のオーバーフローゲートトランジスタOFG1−Trを有する。
第2のフォトダイオードPD2に対して、転送素子としての第2の転送トランジスタTG2−Trおよび第2のオーバーフローゲートトランジスタOFG2−Trを有する。
そして、リセット素子としてのリセットトランジスタRST1−Tr、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF1−Tr、電流源素子としてのカレントトランジスタIC1−Tr、ビンニングトランジスタBIN1−Tr、出力ノードND1としてのフローティングディフュージョンFD1、および読み出しノードND2をそれぞれ一つずつ有する。
Specifically, the photoelectric conversion reading unit 230 includes a first photodiode PD1 (200-1) which is a first photoelectric conversion unit and a photodiode PD2 (200-2) which is a second photoelectric conversion unit. Have.
The first photodiode PD1 has a first transfer transistor TG1-Tr and a first overflow gate transistor OFG1-Tr as transfer elements.
The second photodiode PD2 has a second transfer transistor TG2-Tr and a second overflow gate transistor OFG2-Tr as transfer elements.
Then, the reset transistor RST1-Tr as the reset element, the source follower transistor SF1-Tr as the source follower element, the current transistor IC1-Tr as the current source element, the binning transistor BIN1-Tr, and the floating diffusion FD1 as the output node ND1. , And one read node ND2 each.

そして、本第9の実施形態においては、ソースフォロワトランジスタSF1−Tr、カレントトランジスタIC1−Tr、および読み出しノードND2を含んで出力バッファ部231が構成されている。 Then, in the ninth embodiment, the output buffer unit 231 includes the source follower transistor SF1-Tr, the current transistor IC1-Tr, and the read node ND2.

本第9の実施形態に係る光電変換読み出し部230Hは、出力バッファ部231の読み出しノードND2が信号保持部240の入力部に接続されている。
光電変換読み出し部230は、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1の電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号VSLを信号保持部240に出力する。
In the photoelectric conversion reading unit 230H according to the ninth embodiment, the reading node ND2 of the output buffer unit 231 is connected to the input unit of the signal holding unit 240.
The photoelectric conversion reading unit 230 converts the electric charge of the floating diffusion FD1 as an output node into a voltage signal according to the amount of electric charge, and outputs the converted voltage signal VSL to the signal holding unit 240.

さらに、光電変換読み出し部230は、蓄積期間PI後の転送期間PTに出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に転送されたフォトダイオードPD1、PD2の蓄積電荷に応じた電圧信号VSLを出力する。
光電変換読み出し部230は、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)(VRST)および読み出し信号(信号電圧)(VSIG)を信号保持部240に出力する。
Further, the photoelectric conversion reading unit 230 outputs a voltage signal VSL corresponding to the stored charges of the photodiodes PD1 and PD2 transferred to the floating diffusion FD1 as an output node during the transfer period PT after the storage period PI.
The photoelectric conversion reading unit 230 outputs a reading reset signal (signal voltage) (VRST) and a reading signal (signal voltage) (VSIG) as pixel signals to the signal holding unit 240.

リセットトランジスタRST1−Trは、電源電圧VDDの電源線VddとフローティングディフュージョンFD1の間にビンニングトランジスタを介して接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号RSTにより制御される。
リセットトランジスタRST1−Trは、制御信号RSTがHレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFD1を電源電圧VDDの電源線Vddの電位にリセットする。
The reset transistor RST1-Tr is connected between the power supply line Vdd of the power supply voltage VDD and the floating diffusion FD1 via a binning transistor, and is controlled by a control signal RST applied to the gate through the control line.
In the reset transistor RST1-Tr, the control signal RST is selected during the H level reset period and becomes conductive, and the floating diffusion FD1 is reset to the potential of the power supply line Vdd of the power supply voltage VDD.

ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF1−Trは、ソースが読み出しノードND2に接続され、ドレイン側が電源線Vddに接続され、ゲートがフローティングディフュージョンFD1に接続されている。
読み出しノードND2と基準電位VSS(たとえばGND)の間に電流源素子としてのカレントトランジスタIC1−Trのドレイン、ソースが接続されている。カレントトランジスタIC1−Trのゲートは制御信号VBNPIXの供給ラインに接続されている。
そして、読み出しノードND2と信号保持部240の入力部間の信号線LSGN1は、電流源素子としてのカレントトランジスタIC1−Trにより駆動される。
In the source follower transistor SF1-Tr as the source follower element, the source is connected to the read node ND2, the drain side is connected to the power supply line Vdd, and the gate is connected to the floating diffusion FD1.
The drain and source of the current transistor IC1-Tr as a current source element are connected between the read node ND2 and the reference potential VSS (for example, GND). The gate of the current transistor IC1-Tr is connected to the supply line of the control signal VBNPIX.
Then, the signal line LSGN1 between the read node ND2 and the input unit of the signal holding unit 240 is driven by the current transistor IC1-Tr as a current source element.

画素200Hの信号保持部240は、基本的に、入力ノードND22を含む入力部241、サンプルホールド部242、第1の出力部243、第2の出力部244、第3の出力部245、第4の出力部246、および保持ノードND23,ND24、ND25,ND26を含んで構成されている。 The signal holding unit 240 of the pixel 200H basically includes an input unit 241 including an input node ND22, a sample holding unit 242, a first output unit 243, a second output unit 244, a third output unit 245, and a fourth. 246, and the holding nodes ND23, ND24, ND25, and ND26 are included.

入力部241は、光電変換読み出し部230の読み出しノードND2と信号線LSGN1を介して接続され、読み出しノードND2から出力される読み出し信号(VSIG1)および読み出しリセット信号(VRST1)をサンプルホールド部242に入力する。 The input unit 241 is connected to the read node ND2 of the photoelectric conversion read unit 230 via the signal line LSGN1, and inputs the read signal (VSIG1) and the read reset signal (VRST1) output from the read node ND2 to the sample hold unit 242. To do.

サンプルホールド部242は、第1のスイッチ素子としての第1のサンプリングトランジスタSHR1−Tr、第2のスイッチ素子としての第2のサンプリングトランジスタSHS1−Tr、第3のスイッチ素子としての第3のサンプリングトランジスタSHR2−Tr、第4のスイッチ素子としての第4のサンプリングトランジスタSHS2−Tr、第1の信号保持キャパシタCR21、第2の信号保持キャパシタCS21、第3の信号保持キャパシタCR22、第4の信号保持キャパシタCS22を含んで構成されている。 The sample hold unit 242 includes a first sampling transistor SHR1-Tr as a first switch element, a second sampling transistor SHS1-Tr as a second switch element, and a third sampling transistor as a third switch element. SHR2-Tr, fourth sampling transistor SHS2-Tr as a fourth switch element, first signal holding capacitor CR21, second signal holding capacitor CS21, third signal holding capacitor CR22, fourth signal holding capacitor It is configured to include CS22.

第1のサンプリングトランジスタSHR1−Trは、信号線LSGN1に接続された入力ノードND22と保持ノードND23との間に接続されている。
第1のサンプリングトランジスタSHR1−Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部242の第1の信号保持キャパシタCR21を、保持ノードND23を介して光電変換読み出し部230の読み出しノードND2と選択的に接続する。
第1のサンプリングトランジスタSHR1−Trは、たとえば制御信号SHR1がハイレベルの期間に導通状態となる。
第1の信号保持キャパシタCR21は、保持ノードND23と基準電位VSSとの間に接続されている。
The first sampling transistor SHR1-Tr is connected between the input node ND22 and the holding node ND23 connected to the signal line LSGN1.
The first sampling transistor SHR1-Tr sets the first signal holding capacitor CR21 of the sample holding unit 242 to the reading node of the photoelectric conversion reading unit 230 via the holding node ND23 during the global shutter period or the clearing period of the signal holding capacitor. Selectively connect to ND2.
In the first sampling transistor SHR1-Tr, for example, the control signal SHR1 is in a conductive state during a high level period.
The first signal holding capacitor CR21 is connected between the holding node ND23 and the reference potential VSS.

第2のサンプリングトランジスタSHS1−Trは、信号線LSGN1に接続された入力ノードND22と保持ノードND24との間に接続されている。
第2のサンプリングトランジスタSHS1−Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部242の第2の信号保持キャパシタCS21を、保持ノードND24を介して光電変換読み出し部230の読み出しノードND2と選択的に接続する。
第2のサンプリングトランジスタSHS1−Trは、たとえば制御信号SHS1がハイレベルの期間に導通状態となる。
第2の信号保持キャパシタCS21は、保持ノードND24と基準電位VSSとの間に接続されている。
The second sampling transistor SHS1-Tr is connected between the input node ND22 and the holding node ND24 connected to the signal line LSGN1.
The second sampling transistor SHS1-Tr sets the second signal holding capacitor CS21 of the sample holding unit 242 to the reading node of the photoelectric conversion reading unit 230 via the holding node ND24 during the global shutter period or the clearing period of the signal holding capacitor. Selectively connect to ND2.
In the second sampling transistor SHS1-Tr, for example, the control signal SHS1 becomes conductive during a high level period.
The second signal holding capacitor CS21 is connected between the holding node ND24 and the reference potential VSS.

第3のサンプリングトランジスタSHR2−Trは、信号線LSGN1に接続された入力ノードND22と保持ノードND25との間に接続されている。
第3のサンプリングトランジスタSHR2−Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部242の第3の信号保持キャパシタCR22を、保持ノードND25を介して光電変換読み出し部230の読み出しノードND2と選択的に接続する。
第3のサンプリングトランジスタSHR2−Trは、たとえば制御信号SHR2がハイレベルの期間に導通状態となる。
第3の信号保持キャパシタCR22は、保持ノードND25と基準電位VSSとの間に接続されている。
The third sampling transistor SHR2-Tr is connected between the input node ND22 and the holding node ND25 connected to the signal line LSGN1.
The third sampling transistor SHR2-Tr connects the third signal holding capacitor CR22 of the sample holding unit 242 to the reading node of the photoelectric conversion reading unit 230 via the holding node ND25 during the global shutter period or the clearing period of the signal holding capacitor. Selectively connect to ND2.
In the third sampling transistor SHR2-Tr, for example, the control signal SHR2 becomes conductive during a high level period.
The third signal holding capacitor CR22 is connected between the holding node ND25 and the reference potential VSS.

第4のサンプリングトランジスタSHS2−Trは、信号線LSGN1に接続された入力ノードND22と保持ノードND26との間に接続されている。
第4のサンプリングトランジスタSHS2−Trは、グローバルシャッタ期間または信号保持キャパシタのクリア期間に、サンプルホールド部242の第4の信号保持キャパシタCS22を、保持ノードND26を介して光電変換読み出し部230の読み出しノードND2と選択的に接続する。
第4のサンプリングトランジスタSHS2−Trは、たとえば制御信号SHS2がハイレベルの期間に導通状態となる。
第4の信号保持キャパシタCS22は、保持ノードND26と基準電位VSSとの間に接続されている。
The fourth sampling transistor SHS2-Tr is connected between the input node ND22 and the holding node ND26 connected to the signal line LSGN1.
The fourth sampling transistor SHS2-Tr connects the fourth signal holding capacitor CS22 of the sample holding unit 242 to the reading node of the photoelectric conversion reading unit 230 via the holding node ND26 during the global shutter period or the clearing period of the signal holding capacitor. Selectively connect to ND2.
In the fourth sampling transistor SHS2-Tr, for example, the control signal SHS2 becomes conductive during a high level period.
The fourth signal holding capacitor CS22 is connected between the holding node ND26 and the reference potential VSS.

なお、第1のサンプリングトランジスタSHR1−Tr、第2のサンプリングトランジスタSHS1−Tr、第3のサンプリングトランジスタSHR2−Tr、および第4のサンプリングトランジスタSHS2−Trは、MOSトランジスタ、たとえばpチャネルMOS(PMOS)トランジスタにより形成される。 The first sampling transistor SHR1-Tr, the second sampling transistor SHS1-Tr, the third sampling transistor SHR2-Tr, and the fourth sampling transistor SHS2-Tr are MOS transistors, for example, p-channel MOS (MOSFET). Formed by transistors.

第1の出力部243は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第1の信号保持キャパシタCR21に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第2のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF2R−Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL1R−Trを介して垂直信号線LSGN11に出力する。 The first output unit 243 basically outputs the signal held by the first signal holding capacitor CR21 according to the holding voltage during the global shutter period. The source follower transistor SF2R-Tr as the second source follower element. The retained signal is selectively output to the vertical signal line LSGN11 via the selection transistor SEL1R-Tr.

ソースフォロワトランジスタSF2R−Trと選択トランジスタSEL1R−Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN11の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF2R-Tr and the selection transistor SEL1R-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN11.

ソースフォロワトランジスタSF2R−Trのゲートには保持ノードND23が接続され、選択トランジスタSEL1R−Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL1により制御される。
選択トランジスタSEL1R−Trは、制御信号SEL1がHレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF2R−Trは第1の信号保持キャパシタCR21の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VRST)を垂直信号線LSGN11に出力する。
The holding node ND23 is connected to the gate of the source follower transistor SF2R-Tr, and the selection transistor SEL1R-Tr is controlled by the control signal SEL1 applied to the gate through the control line.
In the selection transistor SEL1R-Tr, the control signal SEL1 is selected during the H level selection period and becomes conductive. As a result, the source follower transistor SF2R-Tr outputs the read-out voltage (VRST) of the column output corresponding to the holding voltage of the first signal holding capacitor CR21 to the vertical signal line LSGN11.

第2の出力部244は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第2の信号保持キャパシタCS21に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第3のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF3S−Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL2S−Trを介して垂直信号線LSGN12に出力する。 The second output unit 244 basically outputs the signal held by the second signal holding capacitor CS21 according to the holding voltage during the global shutter period. The source follower transistor SF3S-Tr as the third source follower element. The retained signal is selectively output to the vertical signal line LSGN12 via the selection transistor SEL2S-Tr.

ソースフォロワトランジスタSF3S−Trと選択トランジスタSEL2S−Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN12の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF3S-Tr and the selection transistor SEL2S-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN12.

ソースフォロワトランジスタSF3S−Trのゲートには保持ノードND24が接続され、選択トランジスタSEL2S−Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL1により制御される。
選択トランジスタSEL2S−Trは、制御信号SEL1がHレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF3S−Trは第2の信号保持キャパシタCS21の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VSIG)を垂直信号線LSGN12に出力する。
The holding node ND24 is connected to the gate of the source follower transistor SF3S-Tr, and the selection transistor SEL2S-Tr is controlled by the control signal SEL1 applied to the gate through the control line.
In the selection transistor SEL2S-Tr, the control signal SEL1 is selected during the H level selection period and becomes conductive. As a result, the source follower transistor SF3S-Tr outputs the read-out voltage (VSIG) of the column output corresponding to the holding voltage of the second signal holding capacitor CS21 to the vertical signal line LSGN12.

第3の出力部245は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第3の信号保持キャパシタCR22に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第4のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF4R−Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL3R−Trを介して垂直信号線LSGN11に出力する。 The third output unit 245 basically outputs the signal held by the third signal holding capacitor CR22 according to the holding voltage during the global shutter period. The source follower transistor SF4R-Tr as the fourth source follower element. The retained signal is selectively output to the vertical signal line LSGN11 via the selection transistor SEL3R-Tr.

ソースフォロワトランジスタSF4R−Trと選択トランジスタSEL3R−Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN11の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF4R-Tr and the selection transistor SEL3R-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN11.

ソースフォロワトランジスタSF4R−Trのゲートには保持ノードND25が接続され、選択トランジスタSEL3R−Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL1により制御される。
選択トランジスタSEL3R−Trは、制御信号SEL1がHレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF4R−Trは第3の信号保持キャパシタCR22の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VRST)を垂直信号線LSGN11に出力する。
A holding node ND25 is connected to the gate of the source follower transistor SF4R-Tr, and the selection transistor SEL3R-Tr is controlled by the control signal SEL1 applied to the gate through the control line.
In the selection transistor SEL3R-Tr, the control signal SEL1 is selected during the H level selection period and becomes conductive. As a result, the source follower transistor SF4R-Tr outputs the read-out voltage (VRST) of the column output corresponding to the holding voltage of the third signal holding capacitor CR22 to the vertical signal line LSGN11.

第4の出力部246は、グローバルシャッタ期間に、基本的に第4の信号保持キャパシタCS22に保持された信号を保持電圧に応じて出力する第5のソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタSF5S−Trを含み、保持した信号を選択的に選択トランジスタSEL4S−Trを介して垂直信号線LSGN12に出力する。 The fourth output unit 246 basically outputs the signal held by the fourth signal holding capacitor CS22 according to the holding voltage during the global shutter period. The source follower transistor SF5S-Tr as the fifth source follower element. The retained signal is selectively output to the vertical signal line LSGN12 via the selection transistor SEL4S-Tr.

ソースフォロワトランジスタSF5S−Trと選択トランジスタSEL4S−Trは、基準電位VSSと垂直信号線LSGN12の間に直列に接続されている。 The source follower transistor SF5S-Tr and the selection transistor SEL4S-Tr are connected in series between the reference potential VSS and the vertical signal line LSGN12.

ソースフォロワトランジスタSF5S−Trのゲートには保持ノードND26が接続され、選択トランジスタSEL4S−Trは制御線を通じてゲートに印加される制御信号SEL1により制御される。
選択トランジスタSEL4S−Trは、制御信号SEL1がHレベルの選択期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF5S−Trは第4の信号保持キャパシタCS22の保持電圧に応じた列出力の読み出し電圧(VSIG)を垂直信号線LSGN12に出力する。
The holding node ND26 is connected to the gate of the source follower transistor SF5S-Tr, and the selection transistor SEL4S-Tr is controlled by the control signal SEL1 applied to the gate through the control line.
In the selection transistor SEL4S-Tr, the control signal SEL1 is selected during the H level selection period and becomes conductive. As a result, the source follower transistor SF5S-Tr outputs the read-out voltage (VSIG) of the column output corresponding to the holding voltage of the fourth signal holding capacitor CS22 to the vertical signal line LSGN12.

このように、本第9の実施形態に係る固体撮像装置10Hにおいては、画素信号ストレージとしての信号保持部240に、電圧モードで、画素信号を全画素で同時にサンプリングし、第1の信号保持キャパシタCR21,第2の信号保持キャパシタCS21,第3の信号保持キャパシタCR22,第4の信号保持キャパシタCS22に保持された読み出し信号に対応する変換信号を垂直信号線LSGN11,12に読み出し、カラム読み出し回路40に供給する。 As described above, in the solid-state imaging device 10H according to the ninth embodiment, the pixel signal is simultaneously sampled by all the pixels in the signal holding unit 240 as the pixel signal storage in the voltage mode, and the first signal holding capacitor is used. The conversion signal corresponding to the read signal held in the CR21, the second signal holding capacitor CS21, the third signal holding capacitor CR22, and the fourth signal holding capacitor CS22 is read out to the vertical signal lines LSGN11 and 12, and the column readout circuit 40 Supply to.

本第9の実施形態に係る画素部20Hは、以上のような構成を有する単位画素200Hが、たとえば図26に示すように、画素アレイとして配列され、複数の画素アレイが組み合わされて構成されている。 In the pixel unit 20H according to the ninth embodiment, unit pixels 200H having the above configuration are arranged as a pixel array, for example, as shown in FIG. 26, and a plurality of pixel arrays are combined and configured. There is.

図26は、本第9の実施形態に係る固体撮像装置10Hの画素部20Hおよび読み出し部におけるグローバルシャッタ系回路の構成例を示す回路図である。 FIG. 26 is a circuit diagram showing a configuration example of a global shutter system circuit in the pixel portion 20H and the readout portion of the solid-state image sensor 10H according to the ninth embodiment.

本第9の実施形態に係る固体撮像装置10Hにおいては、1つの単位画素に複数の位相差情報の電荷蓄積部を有しており、それぞれの信号をグローバルに保持可能なメモリ部としての信号保持部240を有している。信号保持部240にグローバルに保持された信号はシーケンシャルに読み出される(ローリング)。 The solid-state image sensor 10H according to the ninth embodiment has a plurality of charge storage units for phase difference information in one unit pixel, and holds signals as a memory unit capable of holding each signal globally. It has a unit 240. The signals globally held by the signal holding unit 240 are sequentially read out (rolling).

(固体撮像装置10Hの積層構造)
次に、本第9の実施形態に係る固体撮像装置10Hの積層構造について説明する。
(Laminate structure of solid-state image sensor 10H)
Next, the laminated structure of the solid-state image sensor 10H according to the ninth embodiment will be described.

図27は、本第9の実施形態に係る固体撮像装置10Hの積層構造について説明するための図である。 FIG. 27 is a diagram for explaining a laminated structure of the solid-state image sensor 10H according to the ninth embodiment.

本第9の実施形態に係る固体撮像装置10Hは、第1の基板(上基板)110と第2の基板(下基板)120の積層構造を有する。
固体撮像装置10は、たとえばウェハレベルで貼り合わせた後、ダイシングで切り出した積層構造の撮像装置として形成される。
本例では、第2の基板120上に第1の基板110が積層された構造を有する。また、第2の基板120が支持材130により支持されている。
The solid-state image sensor 10H according to the ninth embodiment has a laminated structure of a first substrate (upper substrate) 110 and a second substrate (lower substrate) 120.
The solid-state image sensor 10 is formed as, for example, an image sensor having a laminated structure cut out by dicing after being bonded at a wafer level.
In this example, the first substrate 110 is laminated on the second substrate 120. Further, the second substrate 120 is supported by the support member 130.

第1の基板110の第1層111には、その中央部を中心として画素部20Hの各単位画素200の光電変換読み出し部230が配列された画素アレイが形成されている。
そして、画素アレイの周囲にカラム読み出し回路40の一部が形成されている。
On the first layer 111 of the first substrate 110, a pixel array is formed in which the photoelectric conversion reading unit 230 of each unit pixel 200 of the pixel unit 20H is arranged around the central portion thereof.
Then, a part of the column readout circuit 40 is formed around the pixel array.

このように、本第1の実施形態においては、第1の基板110の第1層111には、基本的に、画素200の光電変換読み出し部230が行列状に形成されている。
そして、第1の基板110の第1層111の光入射側には、マイクロレンズアレイおよびカラーフィルタアレイを含む第2層112が積層されている。
As described above, in the first embodiment, the photoelectric conversion reading unit 230 of the pixel 200 is basically formed in a matrix on the first layer 111 of the first substrate 110.
A second layer 112 including a microlens array and a color filter array is laminated on the light incident side of the first layer 111 of the first substrate 110.

第2の基板120には、その中央部を中心として画素アレイの各光電変換読み出し部230の出力ノードND2と接続される各画素200の信号保持部240がマトリクス状に配列された保持部アレイ、並びに垂直信号線LSGN11,12が形成されている。
保持部アレイは、完全にメタル配線層で遮光されていてもよい。
そして、保持部アレイの周囲にカラム読み出し回路40の一部が形成されている。
On the second substrate 120, a holding unit array in which signal holding units 240 of each pixel 200 connected to the output node ND2 of each photoelectric conversion reading unit 230 of the pixel array are arranged in a matrix centering on the central portion. In addition, vertical signal lines LSGN11,12 are formed.
The holding array may be completely shielded by a metal wiring layer.
Then, a part of the column reading circuit 40 is formed around the holding unit array.

このような積層構造において、第1の基板110の画素アレイの各光電変換読み出し部230の読み出しノードND2と第2の基板120の各画素200の信号保持部240の入力ノードND22とが、たとえば図25に示すように、それぞれビアマイクロバンプBMPや(Die−to−Die Via)等を用いて電気的な接続が行われている。 In such a laminated structure, for example, the read node ND2 of each photoelectric conversion reading unit 230 of the pixel array of the first substrate 110 and the input node ND22 of the signal holding unit 240 of each pixel 200 of the second substrate 120 are shown in FIG. As shown in 25, electrical connection is performed using via micro bump BMP, (Die-to-Die Via), or the like, respectively.

(固体撮像装置10Hの読み出し動作)
以上、固体撮像装置10Hの各部の特徴的な構成および機能について説明した。
次に、本第9の実施形態に係る固体撮像装置10Hの差動の画素信号の読み出し動作等の概要について説明する。
(Reading operation of solid-state image sensor 10H)
The characteristic configurations and functions of each part of the solid-state image sensor 10H have been described above.
Next, an outline of the operation of reading out the differential pixel signal of the solid-state image sensor 10H according to the ninth embodiment will be described.

図28は、本第9の実施形態に係る固体撮像装置10Hの所定シャッタモード時の主として画素部における読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
図29(A)および(B)は、本第9の実施形態にかかる固体撮像装置10Hのグローバルシャッタ読み出し動作をローリングシャッタ読み出し動作と比較して説明するための動作シーケンス図である。
図30は、本第9の実施形態にかかる固体撮像装置10Hにおいて、アンチブルーミング制御例を説明するための図である。
FIG. 28 is a timing chart for explaining the reading operation mainly in the pixel portion in the predetermined shutter mode of the solid-state image sensor 10H according to the ninth embodiment.
29 (A) and 29 (B) are operation sequence diagrams for explaining the global shutter read-out operation of the solid-state image sensor 10H according to the ninth embodiment in comparison with the rolling shutter read-out operation.
FIG. 30 is a diagram for explaining an example of anti-blooming control in the solid-state image sensor 10H according to the ninth embodiment.

図25の回路構成例においては、第1の光電変換部である第1のフォトダイオードPD1と第2の光電変換部であるフォトダイオードPD2はそれぞれ独立に読み出される。
最初に、光電変換読み出し部230においてフローティングディフュージョンFDのリセットレベルが読み出され、信号保持部240の信号保持キャパシタCR21、CR22に保持される。
次いで、第1のフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた信号が読み出され、信号保持部240の信号保持キャパシタCH21に保持される。
In the circuit configuration example of FIG. 25, the first photodiode PD1 which is the first photoelectric conversion unit and the photodiode PD2 which is the second photoelectric conversion unit are read out independently.
First, the reset level of the floating diffusion FD is read out by the photoelectric conversion reading unit 230, and is held by the signal holding capacitors CR21 and CR22 of the signal holding unit 240.
Next, a signal corresponding to the accumulated charge of the first photodiode PD1 is read out and held by the signal holding capacitor CH21 of the signal holding unit 240.

そして、たとえば読み出し部70の一部を構成するカラム読み出し回路40において、差動で同時並列的に供給される画素信号pixoutの読み出しリセット信号VRSTと読み出し信号VSIGに対する増幅処理、AD変換処理が行われ、また、両信号の差分{VRST−VSIG}がとられてCDS処理が行われる。 Then, for example, in the column read circuit 40 that constitutes a part of the read unit 70, amplification processing and AD conversion processing for the read reset signal VRST and the read signal VSIG of the pixel signal pickout that are simultaneously and simultaneously supplied in a differential manner are performed. Also, the difference between the two signals {VRST-VSIG} is taken and the CDS processing is performed.

同様に、第2のフォトダイオードPD2の蓄積電荷に応じた信号が読み出され、信号保持部240の信号保持キャパシタCH22に保持される。すなわち、第2のフォトダイオードPD2に対する信号読み出し、信号保持、CDS処理、AD変換処理等が同様に行われる。
結果として、第1のフォトダイオードPD1と第2のフォトダイオードPD2のそれぞれ低ノイズで読み出された画素信号が歪みのない位相差情報として処理される。
Similarly, a signal corresponding to the accumulated charge of the second photodiode PD2 is read out and held by the signal holding capacitor CH 22 of the signal holding unit 240. That is, signal reading, signal holding, CDS processing, AD conversion processing, and the like for the second photodiode PD2 are performed in the same manner.
As a result, the pixel signals read out by the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 with low noise are processed as distortion-free phase difference information.

ピクセルゲインはBINスイッチにより制御が可能でPD信号量(照度)に合わせて制御することが可能で、広いレンジでのPDAF信号処理が可能すなわちHDRでのPDAF機能が可能となる。 The pixel gain can be controlled by the BIN switch and can be controlled according to the PD signal amount (illuminance), and PDAF signal processing in a wide range is possible, that is, the PDAF function in HDR becomes possible.

なお、図29に示すように、蓄積期間開始時刻が既存のローリング読み出しの場合は、各垂直座標により異なるため、位相差情報が垂直座標により異なる。
特に対象物が高速で動いている場合には、画素アレイの上端と下端で読み出すタイミングが異なり、対象物の位置によって、位相差情報が異なるため、位相差情報に歪みが生じる。
これに対して、グローバルシャッタの場合には、この問題が解決され、動画においても位相差情報の歪みは発生しない。
As shown in FIG. 29, in the case of the existing rolling readout, the accumulation period start time differs depending on the vertical coordinates, so that the phase difference information differs depending on the vertical coordinates.
In particular, when the object is moving at high speed, the timing of reading is different between the upper end and the lower end of the pixel array, and the phase difference information differs depending on the position of the object, so that the phase difference information is distorted.
On the other hand, in the case of the global shutter, this problem is solved and the distortion of the phase difference information does not occur even in the moving image.

また、本第9の実施形態においては、画素内にメモリ部としての信号保持部240を配置したことにより、第1のフォトダイオードPD1と第2のフォトダイオードPD2のほぼ同時取り込みが可能となるが、フォトダイオードPFにAB(アンチブルーミング)ゲートを設置したことにより、片方の信号(たとえばPD2)読みだし時に片側の信号(PD1)の信号の混入を防ぐことが可能となり、正常な光電変換特性を得ることができる。 Further, in the ninth embodiment, by arranging the signal holding unit 240 as a memory unit in the pixel, it is possible to capture the first photodiode PD1 and the second photodiode PD2 almost simultaneously. By installing an AB (anti-blooming) gate on the photodiode PF, it is possible to prevent the signal of one side (PD1) from being mixed when reading one signal (for example, PD2), and normal photoelectric conversion characteristics can be obtained. Obtainable.

ABゲートは、図30に示すように、ポテンシャル制御することも可能である。
すなわち、OF_AB<OF_TGとして、フォトダイオードpdの蓄積電荷に応じた信号を読み出し中にフローティングディフュージョンFDを共有するPD画素からのオーバーフローする電荷の混入を防ぐことができる。
ビンニングトランジスタBIN−TrはFDノードを電気的に導通状態にしてより電荷変換部の容量を増やして変換可能な容量を増やすことが可能となり、結果としてより多くの光電変換が可能となる。
As shown in FIG. 30, the AB gate can also be potential-controlled.
That is, as OF_AB <OF_TG, it is possible to prevent the overflow charge from being mixed from the PD pixel sharing the floating diffusion FD while reading the signal corresponding to the accumulated charge of the photodiode pd.
The binning transistor BIN-Tr makes it possible to electrically conduct the FD node to increase the capacity of the charge conversion unit and increase the convertible capacity, and as a result, more photoelectric conversion becomes possible.

以上説明したように、本第9の実施形態によれば、画素部20Hは、複数の単位画素200の光電変換読み出し部230が行列状に配置された画素アレイと、複数の画素200の信号保持部240が行列状に配置された保持部アレイと、を含む、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。 As described above, according to the ninth embodiment, the pixel unit 20H has a pixel array in which photoelectric conversion reading units 230 of a plurality of unit pixels 200 are arranged in a matrix and a signal holding of the plurality of pixels 200. The unit 240 is configured as, for example, a stacked CMOS image sensor, which includes a holding array in which the units 240 are arranged in a matrix.

すなわち、本第9の実施形態において、固体撮像装置10Hは、画素部20Hにおいて、画素として光電変換読み出し部および信号保持部を含み、グローバルシャッタの動作機能を持ち、かつ実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することを可能とする、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。 That is, in the ninth embodiment, the solid-state image sensor 10H includes a photoelectric conversion readout unit and a signal holding unit as pixels in the pixel unit 20H, has a global shutter operation function, and has a substantially wide dynamic range. , For example, it is configured as a stacked CMOS image sensor, which makes it possible to realize a high frame rate.

したがって、本第9の実施形態の固体撮像装置10Hによれば、グローバルシャッタを実現することができることはもとより、蓄積期間にフォトダイオードから溢れ出る電荷をリアルタイムに利用することから、広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能となる。
また、本第9の実施形態によれば、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高めることが可能となる。
Therefore, according to the solid-state image sensor 10H of the ninth embodiment, not only the global shutter can be realized, but also the electric charge overflowing from the photodiode during the accumulation period is used in real time, so that the dynamic range is widened. It is possible to realize a high frame rate.
Further, according to the ninth embodiment, it is possible to substantially realize a wide dynamic range and a high frame rate, reduce noise, and expand the effective pixel area to the maximum. It is possible to maximize the value per cost.

また、本第9の実施形態の固体撮像装置10Hによれば、構成の複雑化を防止しつつ、レイアウト上の面積効率の低下を防止することができる。 Further, according to the solid-state image sensor 10H of the ninth embodiment, it is possible to prevent a decrease in area efficiency in layout while preventing a complicated configuration.

また、本第9の実施形態に係る固体撮像装置10Hは、第1の基板(上基板)110と第2の基板(下基板)120の積層構造を有する。
したがって、本第9の実施形態において、第1の基板110側を、基本的に、NMOS系の素子だけで形成すること、および、画素アレイにより有効画素領域を最大限に拡大することにより、コストあたりの価値を最大限に高めることができる。
Further, the solid-state image sensor 10H according to the ninth embodiment has a laminated structure of a first substrate (upper substrate) 110 and a second substrate (lower substrate) 120.
Therefore, in the ninth embodiment, the cost is obtained by basically forming the first substrate 110 side only with the elements of the NMOS system and maximizing the effective pixel area by the pixel array. You can maximize the value per unit.

(第10の実施形態)
図31は、本発明の第10の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置10Iは、たとえば画素としてデジタル画素(Digital Pixel)を含むCMOSイメージセンサにより構成される。
(10th Embodiment)
FIG. 31 is a block diagram showing a configuration example of the solid-state image sensor according to the tenth embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the solid-state image sensor 10I is composed of, for example, a CMOS image sensor including digital pixels (Digital Pixel) as pixels.

この固体撮像装置10Iは、図31に示すように、撮像部としての画素部20I、垂直走査回路(行走査回路)30I、出力回路80、およびタイミング制御回路60を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30I、出力回路80、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し部70Iが構成される。
As shown in FIG. 31, the solid-state image sensor 10I has a pixel unit 20I as an image pickup unit, a vertical scanning circuit (row scanning circuit) 30I, an output circuit 80, and a timing control circuit 60 as main components. ..
Among these components, for example, the vertical scanning circuit 30I, the output circuit 80, and the timing control circuit 60 constitute a pixel signal reading unit 70I.

本第10の実施形態において、固体撮像装置10Iは、画素部20Iにおいて、デジタル画素として光電変換読み出し部230および信号保持部240Iを有し、信号保持部240Iは、AD(アナログデジタル)変換部、およびメモリ部を含み、グローバルシャッタの動作機能を持つ、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。
本第10の実施形態に係る固体撮像装置10Iにおいては、後で詳述するように、各デジタル画素DPがAD変換機能を有しており、AD変換部は、光電変換読み出し部により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器(コンパレータ)を有している。
そして、比較器は、たとえば読み出し部70Iの制御の下、蓄積期間に光電変換素子から出力ノード(フローティングディフュージョン)に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号を出力する第1の比較処理と、蓄積期間後の転送期間に出力ノードに転送された光電変換素子の蓄積電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号を出力する第2の比較処理と、を行う。
In the tenth embodiment, the solid-state image sensor 10I has a photoelectric conversion readout unit 230 and a signal holding unit 240I as digital pixels in the pixel unit 20I, and the signal holding unit 240I is an AD (analog digital) conversion unit. It is configured as, for example, a stacked CMOS image sensor that includes a memory unit and has a global shutter operation function.
In the solid-state imaging device 10I according to the tenth embodiment, as will be described in detail later, each digital pixel DP has an AD conversion function, and the AD conversion unit is a voltage read by a photoelectric conversion reading unit. It has a comparator (comparator) that compares a signal with a reference voltage and performs a comparison process to output a digitized comparison result signal.
Then, the comparator, for example, under the control of the read unit 70I, digitizes the first comparison result signal with respect to the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing from the photoelectric conversion element to the output node (floating diffusion) during the storage period. The first comparison process to output and the second comparison to output the digitized second comparison result signal with respect to the voltage signal corresponding to the accumulated charge of the photoelectric conversion element transferred to the output node in the transfer period after the accumulation period. Process and perform.

以下、固体撮像装置10Iの各部の構成および機能の概要、特に、画素部20Iおよびデジタル画素の構成および機能、それらに関連した読み出し処理、並びに、画素部20Iと読み出し部70Iの積層構造等について詳述する。 Hereinafter, the outline of the configuration and function of each part of the solid-state image sensor 10I, in particular, the configuration and function of the pixel unit 20I and the digital pixel, the readout processing related thereto, the laminated structure of the pixel portion 20I and the readout unit 70I, and the like are described in detail. Describe.

(画素部20Iおよびデジタル画素200Iの構成)
図32は、本発明の第10の実施形態に係る固体撮像装置10Iの画素部のデジタル画素アレイの一例を示す図である。
図33は、本発明の第10の実施形態に係る固体撮像装置10Iの画素の一例を示す回路図である。
(Structure of pixel unit 20I and digital pixel 200I)
FIG. 32 is a diagram showing an example of a digital pixel array of the pixel portion of the solid-state image sensor 10I according to the tenth embodiment of the present invention.
FIG. 33 is a circuit diagram showing an example of pixels of the solid-state image sensor 10I according to the tenth embodiment of the present invention.

画素部20Iは、図32に示すように、複数のデジタル画素200BがN行M列の行列状(マトリクス状)に配列されている。
なお、図32においては、図面の簡単化のため、9つのデジタル画素200Iが3行3列の行列状(M=3、N=3のマトリクス状)に配置されている例が示されている。
As shown in FIG. 32, in the pixel unit 20I, a plurality of digital pixels 200B are arranged in a matrix of N rows and M columns.
Note that FIG. 32 shows an example in which nine digital pixels 200I are arranged in a matrix of 3 rows and 3 columns (matrix of M = 3 and N = 3) for simplification of the drawing. ..

本第10の実施形態に係るデジタル画素200Iは、光電変換読み出し部(図32ではPDと表記)230、AD変換部(図32ではADCと表記)250、およびメモリ部(図32ではMEMと表記)260を含んで構成されている。
本第10の実施形態の画素部20Iは、後で詳述するように、第1の基板110と第2の基板120の積層型のCMOSイメージセンサとして構成されるが、本例では、図33に示すように、第1の基板110に光電変換読み出し部230が形成され、第2の基板120に信号保持部240IのAD変換部250およびメモリ部260が形成されている。
The digital pixel 200I according to the tenth embodiment has a photoelectric conversion reading unit (denoted as PD in FIG. 32) 230, an AD conversion unit (denoted as ADC in FIG. 32) 250, and a memory unit (denoted as MEM in FIG. 32). ) 260 is included.
As will be described in detail later, the pixel portion 20I of the tenth embodiment is configured as a laminated CMOS image sensor of the first substrate 110 and the second substrate 120, but in this example, FIG. 33 As shown in the above, a photoelectric conversion reading unit 230 is formed on the first substrate 110, and an AD conversion unit 250 and a memory unit 260 of the signal holding unit 240I are formed on the second substrate 120.

デジタル画素200Iの光電変換読み出し部230は、図25の構成と同様である。したがって、その詳細な説明は省略する。 The photoelectric conversion reading unit 230 of the digital pixel 200I has the same configuration as that of FIG. 25. Therefore, the detailed description thereof will be omitted.

ただし、本第10の実施形態に係る光電変換読み出し部230Iは、AD変換部250の第1の比較処理期間PCMP1において、蓄積期間PIに光電変換素子であるフォトダイオードPD1から出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号VSLを出力する。 However, the photoelectric conversion reading unit 230I according to the tenth embodiment is a floating diffusion as an output node from the photodiode PD1 which is a photoelectric conversion element during the storage period PI in the first comparison processing period PCMP1 of the AD conversion unit 250. The voltage signal VSL corresponding to the overflow charge overflowing to the FD1 is output.

さらに、光電変換読み出し部230は、AD変換部250の第2の比較処理期間PCMP2において、蓄積期間PI後の転送期間PTに出力ノードとしてのフローティングディフュージョンFD1に転送されたフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた電圧信号VSLを出力する。
光電変換読み出し部230は、第2の比較処理期間PCMP2において、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)(VRST)および読み出し信号(信号電圧)(VSIG)をAD変換部250に出力する。
Further, the photoelectric conversion reading unit 230 uses the stored charge of the photodiode PD1 transferred to the floating diffusion FD1 as an output node during the transfer period PT after the storage period PI in the second comparison processing period PCMP2 of the AD conversion unit 250. The corresponding voltage signal VSL is output.
The photoelectric conversion reading unit 230 outputs a reading reset signal (signal voltage) (VRST) and a reading signal (signal voltage) (VSIG) as pixel signals to the AD conversion unit 250 during the second comparison processing period PCMP2.

デジタル画素200IのAD変換部250は、光電変換読み出し部230により出力されるアナログの電圧信号VSLを、所定の傾きを持たせて変化させたランプ波形または固定電圧の参照電圧VREFと比較して、デジタル信号に変換する機能を有する。 The AD conversion unit 250 of the digital pixel 200I compares the analog voltage signal VSL output by the photoelectric conversion reading unit 230 with a lamp waveform or a fixed voltage reference voltage VREF changed with a predetermined inclination. It has a function to convert to a digital signal.

AD変換部250は、図33に示すように、比較器(COMP)251、入力側結合キャパシタC251、出力側の負荷キャパシタC252、およびリセットスイッチSW−RSTを含んで構成されている。 As shown in FIG. 33, the AD conversion unit 250 includes a comparator (COMP) 251, an input side coupling capacitor C251, an output side load capacitor C252, and a reset switch SW-RST.

比較器251は、第1の入力端子としての反転入力端子(−)に、光電変換読み出し部230の出力バッファ部231から信号線LSGN1に出力された電圧信号VSLが供給され、第2の入力端子としての非反転入力端子(+)に参照電圧VREFが供給され、電圧信号VSTと参照電圧VREFとを比較し、デジタル化した比較結果信号SCMPを出力する比較処理を行う. In the comparator 251, the voltage signal VSL output from the output buffer unit 231 of the photoelectric conversion reading unit 230 to the signal line LSGN1 is supplied to the inverting input terminal (-) as the first input terminal, and the second input terminal. The reference voltage VREF is supplied to the non-inverting input terminal (+), and the voltage signal VST and the reference voltage VREF are compared, and a comparison process is performed to output a digitized comparison result signal SCMP.

比較器251は、第1の入力端子としての反転入力端子(−)に結合キャパシタC251が接続されており、第1の基板110側の光電変換読み出し部230の出力バッファ部231と第2の基板120側のAD変換部250の比較器251の入力部をAC結合することにより、低ノイズ化を図り、低照度時に高SNRを実現可能なように構成されている。 In the comparator 251, the coupling capacitor C251 is connected to the inverting input terminal (-) as the first input terminal, and the output buffer unit 231 and the second substrate of the photoelectric conversion reading unit 230 on the first substrate 110 side. By AC-coupling the input unit of the comparator 251 of the AD conversion unit 250 on the 120 side, noise reduction is achieved and a high SNR can be realized at low illuminance.

また、比較器251は、出力端子と第1の入力端子としての反転入力端子(−)との間にリセットスイッチSW−RSTが接続され、出力端子と基準電位VSSとの間に負荷キャパシタC252が接続されている。 Further, in the comparator 251 the reset switch SW-RST is connected between the output terminal and the inverting input terminal (-) as the first input terminal, and the load capacitor C252 is connected between the output terminal and the reference potential VSS. It is connected.

基本的に、AD変換部250においては、光電変換読み出し部230の出力バッファ部231から信号線LSGN1に読み出されたアナログ信号(電位VSL)は比較器251で参照電圧VREF、たとえばある傾きを持った線形に変化するスロープ波形であるランプ信号RAMPと比較される。
このとき、比較器251と同様に列毎に配置されたカウンタが動作しており、ランプ波形のあるランプ信号RAMPとカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで電圧信号VSLをデジタル信号に変換する。
基本的に、AD変換部250は、参照電圧VREF(たとえばランプ信号RAMP)の変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換する。
そして、アナログ信号VSLとランプ信号RAMP(参照電圧VREF)が交わったとき、比較器251の出力が反転し、カウンタの入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックをカウンタに入力し、そのときのカウンタの値(データ)がメモリ部260に記憶されてAD変換を完了させる。
以上のAD変換期間終了後、各デジタル画素200Iのメモリ部260に格納されたデータ(信号)は出力回路80から図示しない信号処理回路に出力され、所定の信号処理により2次元画像が生成される。
Basically, in the AD conversion unit 250, the analog signal (potential VSL) read from the output buffer unit 231 of the photoelectric conversion reading unit 230 to the signal line LSGN1 has a reference voltage VREF, for example, a certain inclination in the comparator 251. It is compared with the ramp signal RAMP, which is a linearly changing slope waveform.
At this time, the counters arranged for each row are operating as in the comparator 251. The voltage signal VSL is converted into a digital signal by changing the counter value with the lamp signal RAMP having the lamp waveform while maintaining a one-to-one correspondence. Convert to.
Basically, the AD conversion unit 250 converts a change in the reference voltage VREF (for example, a lamp signal RAMP) into a change in time, and counts the time in a certain period (clock) to obtain a digital value. Convert to.
Then, when the analog signal VSL and the lamp signal RAMP (reference voltage VREF) intersect, the output of the comparator 251 is inverted and the input clock of the counter is stopped, or the clock at which the input has been stopped is input to the counter. , The value (data) of the counter at that time is stored in the memory unit 260 to complete the AD conversion.
After the end of the above AD conversion period, the data (signal) stored in the memory unit 260 of each digital pixel 200I is output from the output circuit 80 to a signal processing circuit (not shown), and a two-dimensional image is generated by a predetermined signal processing. ..

なお、メモリ部260においては、たとえば第1のフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた読み出し信号がAD変換されて第1のメモリ261に格納され、第2のフォトダイオードPD2の蓄積電荷に応じた読み出し信号がAD変換されて第2のメモリ262に格納される。 In the memory unit 260, for example, the read signal corresponding to the accumulated charge of the first photodiode PD1 is AD-converted and stored in the first memory 261 and read according to the accumulated charge of the second photodiode PD2. The signal is AD-converted and stored in the second memory 262.

(比較器251のおける第1の比較処理および第2の比較処理)
そして、本第1の実施形態のAD変換部250の比較器251は、画素信号の読み出し期間に次の2つの第1の比較処理および第2の比較処理を行うように、読み出し部70Iにより駆動制御される。
(First comparison process and second comparison process in the comparator 251)
Then, the comparator 251 of the AD conversion unit 250 of the first embodiment is driven by the reading unit 70I so as to perform the following two first comparison processing and the second comparison processing during the pixel signal reading period. Be controlled.

第1の比較処理CMPR1において、比較器251は、読み出し部70Iの制御の下、蓄積期間PIに光電変換素子であるフォトダイオードPD1から出力ノードであるフローティングフュージョンFD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号VSL1に対するデジタル化した第1の比較結果信号SCMP1を出力する。
なお、この第1の比較処理CMPR1の動作は、オーバーフロー電荷のサンプリング動作であるが、タイムスタンプADCモードの動作ともいう。
In the first comparison process CMPR1, the comparator 251 responds to the overflow charge overflowing from the photodiode PD1 which is a photoelectric conversion element to the floating fusion FD1 which is an output node during the storage period PI under the control of the readout unit 70I. The first digitized comparison result signal SCMP1 with respect to the voltage signal VSL1 is output.
The operation of the first comparison process CMPR1 is an overflow charge sampling operation, but is also referred to as a time stamp ADC mode operation.

第2の比較処理CMPR2において、比較器251は、読み出し部70Iの制御の下、蓄積期間PI後の転送期間PTに出力ノードであるフローティングフュージョンFD1に転送されたフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた電圧信号VSL2(VSIG)に対するデジタル化した第2の比較結果信号SCMP2を出力する。
実際には、第2の比較処理CMPR2において、蓄積電荷に応じた電圧信号VSL2(VSIG)に対するデジタル化の前に、リセット時のフローティングディフュージョンFD1のリセット電圧に応じた電圧信号VSL2(VRRT)に対するデジタル化を行う。
なお、この第2の比較処理CMPR2の動作は、蓄積電荷のサンプリング動作であるが、リニアADCモードの動作ともいう。
In the second comparison process CMPR2, the comparator 251 responds to the stored charge of the photodiode PD1 transferred to the floating fusion FD1 which is the output node during the transfer period PT after the storage period PI under the control of the readout unit 70I. The second digitized comparison result signal SCMP2 with respect to the voltage signal VSL2 (VSIG) is output.
Actually, in the second comparison processing CMPR2, before digitization of the voltage signal VSL2 (VSIG) according to the accumulated charge, digitalization of the voltage signal VSL2 (VRRT) corresponding to the reset voltage of the floating diffusion FD1 at the time of reset is performed. To perform the conversion.
The operation of the second comparison process CMPR2 is a sampling operation of accumulated charges, but is also referred to as an operation of a linear ADC mode.

なお、本実施形態において、基本的に、蓄積期間PIは、フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされてから、転送トランジスタTG1−Trが導通状態に切り替えられて転送期間PTが開始されるまでの期間である。
第1の比較処理CMPR1の期間PCMPR1は、フォトダイオードPD1およびフローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされてから、転送期間PTが開始される前に、フローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされるまでの期間である。
第2の比較処理CMPR2の期間PCMPR2は、フローティングディフュージョンFD1がリセットレベルにリセットされた後の期間であって、転送期間PT後の期間を含む期間である。
In the present embodiment, basically, in the storage period PI, after the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 are reset to the reset level, the transfer transistor TG1-Tr is switched to the conductive state and the transfer period PT is started. It is the period until the end.
The period PCMPR1 of the first comparison process CMPR1 is the period from when the photodiode PD1 and the floating diffusion FD1 are reset to the reset level until the floating diffusion FD1 is reset to the reset level before the transfer period PT is started. Is.
The period PCMPR2 of the second comparison process CMPR2 is a period after the floating diffusion FD1 is reset to the reset level, and is a period including a period after the transfer period PT.

図34は、本発明の第10の実施形態に係るメモリ部および出力回路の構成例を示す図である。 FIG. 34 is a diagram showing a configuration example of a memory unit and an output circuit according to a tenth embodiment of the present invention.

比較器251において、第1の比較処理CMPR1によりフローティングディフュージョンFD1のオーバーフロー電荷に応じた電圧信号がデジタル化された第1の比較結果信号SCMP1、および、第2の比較処理CMPR2によりフォトダイオードPD1の蓄積電荷がデジタル化された第2の比較結果信号SCMP2は、関連付けられてメモリ261,262にデジタルデータとして記憶される。
メモリ部260はSRAMやDRAMにより構成され、デジタル変換された信号が供給され、フォトコンバージョン符号に対応し、画素アレイ周辺の出力回路80の外部IOバッファ81により読み出すことができる。
In the comparator 251, the first comparison result signal SCMP1 in which the voltage signal corresponding to the overflow charge of the floating diffusion FD1 is digitized by the first comparison processing CMPR1 and the storage of the photodiode PD1 by the second comparison processing CMPR2. The second comparison result signal SCMP2 in which the charge is digitized is associated and stored as digital data in the memories 261,262.
The memory unit 260 is composed of SRAM and DRAM, is supplied with a digitally converted signal, corresponds to a photo conversion code, and can be read out by an external IO buffer 81 of an output circuit 80 around a pixel array.

図35は、本発明の第10の実施形態に係る固体撮像装置10Iにおけるフレーム読み出しシーケンスの一例を示す図である。
ここで、固体撮像装置10Iにおけるフレーム読み出し方式の一例について説明する。
図35において、TSはタイムスタンプADCの処理期間を示し、LinはリニアADCの処理期間を示している。
FIG. 35 is a diagram showing an example of a frame readout sequence in the solid-state image sensor 10I according to the tenth embodiment of the present invention.
Here, an example of the frame readout method in the solid-state image sensor 10I will be described.
In FIG. 35, TS indicates the processing period of the time stamp ADC, and Lin indicates the processing period of the linear ADC.

上述したように、オーバーフロー電荷は蓄積期間PI中にフローティングディフュージョンFD1に蓄積される。タイムスタンプADCモードは蓄積時間PI中に動作する。
実際には、タイムスタンプADCモードは、蓄積期間PI中であって、フローティングディフュージョンFD1がリセットされるまでの期間に動作する。
タイムスタンプADCモードの動作が終了すると、リニアADCモードに遷移し、フローティングディフュージョンFD1のリセット時の信号(VRST)を読み出してデジタル信号をメモリ部260に格納するように変換する。
さらに蓄積期間PIの終了後、リニアADCモードではフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた信号(VSIG)を読み取ってデジタル信号をメモリ部260に格納するように変換する。
読み出されたフレームは、メモリノードからのデジタル信号データの読み出しによって実行され、そのようなMIPIデータフォーマットを有する、たとえば出力回路80のIOバッファ81(図34)を介して固体撮像装置10(イメージセンサ)の外部に送られる。この動作は、全画素(ピクセル)アレイに対してグローバルに実行することができる。
As mentioned above, the overflow charge is accumulated in the floating diffusion FD1 during the accumulation period PI. The time stamp ADC mode operates during the accumulation time PI.
In practice, the time stamp ADC mode operates during the accumulation period PI until the floating diffusion FD1 is reset.
When the operation of the time stamp ADC mode is completed, the mode shifts to the linear ADC mode, the signal (VRST) at the time of resetting the floating diffusion FD1 is read, and the digital signal is converted to be stored in the memory unit 260.
Further, after the storage period PI ends, in the linear ADC mode, the signal (VSIG) corresponding to the stored charge of the photodiode PD1 is read and converted so that the digital signal is stored in the memory unit 260.
The read frame is executed by reading the digital signal data from the memory node and has such a MIMO data format, eg, through the IO buffer 81 (FIG. 34) of the output circuit 80, the solid-state imaging device 10 (image). It is sent to the outside of the sensor). This operation can be performed globally for all pixel arrays.

また、画素部20Iにおいて、全画素同時にリセットトランジスタRST1−Trと転送トランジスタTG1−Trを使ってフォトダイオードPD1をリセットすることで、全画素同時並列的に露光を開始する。また、所定の露光期間(蓄積帰還PI)が終了した後、転送トランジスタTG1−Trを使って光電変換読み出し部からの出力信号をAD変換部250、メモリ部260でサンプリングすることで、全画素同時並列的に露光を終了する。これにより、完全なシャッター動作を電子的に実現する。 Further, in the pixel unit 20I, the photodiode PD1 is reset by using the reset transistor RST1-Tr and the transfer transistor TG1-Tr at the same time for all the pixels, so that the exposure for all the pixels is started in parallel at the same time. Further, after the predetermined exposure period (accumulation feedback PI) is completed, the output signal from the photoelectric conversion / reading unit is sampled by the AD conversion unit 250 and the memory unit 260 using the transfer transistor TG1-Tr, so that all pixels can be simultaneously displayed. The exposure is finished in parallel. As a result, a complete shutter operation is electronically realized.

垂直走査回路30Iは、タイミング制御回路50の制御に応じてシャッター行および読み出し行において行走査制御線を通してデジタル画素200Iの光電変換読み出し部230の駆動を行う。
垂直走査回路30Iは、タイミング制御回路50の制御に応じて、各デジタル画素200Iの比較器251に対して、第1の比較処理CMPR1、第2の比較処理CMPR2に準じて設定される参照電圧VREF1,VREF2を供給する。
また、垂直走査回路30Iは、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
The vertical scanning circuit 30I drives the photoelectric conversion reading unit 230 of the digital pixel 200I through the line scanning control line in the shutter line and the reading line according to the control of the timing control circuit 50.
The vertical scanning circuit 30I has a reference voltage VREF1 set according to the first comparison processing CMPR1 and the second comparison processing CMPR2 for the comparator 251 of each digital pixel 200I according to the control of the timing control circuit 50. , VREF2 is supplied.
Further, the vertical scanning circuit 30I outputs a row selection signal of the row address of the read row for reading the signal and the row address of the shutter row for resetting the charge accumulated in the photodiode PD according to the address signal.

出力回路80は、たとえば図34に示すように、画素部20Iの各デジタル画素200Iのメモリ出力に対応して配置されたIOバッファ81を含み、各デジタル画素200Iから読み出されるデジタルデータを外部に出力する。 As shown in FIG. 34, for example, the output circuit 80 includes an IO buffer 81 arranged corresponding to the memory output of each digital pixel 200I of the pixel unit 20I, and outputs digital data read from each digital pixel 200I to the outside. To do.

タイミング制御回路60は、画素部20I、垂直走査回路30I、出力回路80等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。 The timing control circuit 60 generates a timing signal necessary for signal processing of the pixel unit 20I, the vertical scanning circuit 30I, the output circuit 80, and the like.

本第10の実施形態において、読み出し部70Iは、たとえばグローバルシャッタモード時に、デジタル画素200Iからの画素信号の読み出し制御を行う。 In the tenth embodiment, the reading unit 70I controls reading a pixel signal from the digital pixel 200I, for example, in the global shutter mode.

(固体撮像装置10Bの積層構造)
次に、本第3の実施形態に係る固体撮像装置10Bの積層構造について説明する。
(Laminate structure of solid-state image sensor 10B)
Next, the laminated structure of the solid-state image sensor 10B according to the third embodiment will be described.

図36(A)および(B)は、本第10の実施形態に係る固体撮像装置10Iの積層構造について説明するための模式図である。
図37は、本第10の実施形態に係る固体撮像装置10Iの積層構造について説明するための簡略断面図である。
36 (A) and 36 (B) are schematic views for explaining the laminated structure of the solid-state image sensor 10I according to the tenth embodiment.
FIG. 37 is a simplified cross-sectional view for explaining the laminated structure of the solid-state image sensor 10I according to the tenth embodiment.

本第10の実施形態に係る固体撮像装置10Iは、第1の基板(上基板)110Iと第2の基板(下基板)120Iの積層構造を有する。
固体撮像装置10Iは、たとえばウェハレベルで貼り合わせた後、ダイシングで切り出した積層構造の撮像装置として形成される。
本例では、第1の基板110Iと第2の基板120Iが積層された構造を有する。
The solid-state image sensor 10I according to the tenth embodiment has a laminated structure of a first substrate (upper substrate) 110I and a second substrate (lower substrate) 120I.
The solid-state image sensor 10I is formed as an image sensor having a laminated structure cut out by dicing after being bonded at a wafer level, for example.
In this example, the first substrate 110I and the second substrate 120I are laminated.

第1の基板110Iには、その中央部を中心として画素部20Iの各デジタル画素200Iの光電変換読み出し部230が形成されている。
第1の基板110Iの光Lが入射側である第1面111側にフォトダイオードPDが形成され、その光入射側にマイクロレンズMCLやカラーフィルタが形成されている。
第1の基板110Iの第2面側に転送トランジスタTG1−Tr,リセットトランジスタRST1−Tr,ソースフォロワトランジスタSF1−Tr,カレントトランジスタIC1−Tr、蓄積トランジスタSG1−Tr、蓄積キャパシタCS1が形成されている
The first substrate 110I is formed with a photoelectric conversion reading unit 230 of each digital pixel 200I of the pixel unit 20I centered on the central portion thereof.
A photodiode PD is formed on the first surface 111 side where the light L of the first substrate 110I is on the incident side, and a microlens MCL and a color filter are formed on the light incident side.
A transfer transistor TG1-Tr, a reset transistor RST1-Tr, a source follower transistor SF1-Tr, a current transistor IC1-Tr, a storage transistor SG1-Tr, and a storage capacitor CS1 are formed on the second surface side of the first substrate 110I.

このように、本第10の実施形態においては、第1の基板110Iには、基本的に、デジタル画素200Iの光電変換読み出し部230が行列状に形成されている。 As described above, in the tenth embodiment, the photoelectric conversion reading unit 230 of the digital pixel 200I is basically formed in a matrix on the first substrate 110I.

第2の基板120Iには、各デジタル画素200IのAD変換部250、メモリ部260がマトリクス状に形成されている。
また、第2の基板120Iには、垂直走査回路30I、出力回路80、およびタイミング制御回路60も形成されてもよい。
On the second substrate 120I, the AD conversion unit 250 and the memory unit 260 of each digital pixel 200I are formed in a matrix.
Further, the vertical scanning circuit 30I, the output circuit 80, and the timing control circuit 60 may also be formed on the second substrate 120I.

このような積層構造において、第1の基板110Iの各光電変換読み出し部230の読み出しノードND2と第2の基板120Iの各デジタル画素200Iの比較器251の反転入力端子(−)とが、たとえば図33に示すように、それぞれ信号線LSGN1、マイクロバンプBMPやビア(Die−to−Die Via)等を用いて電気的な接続が行われている。
また、本実施形態においては第1の基板110Iの各光電変換読み出し部230の読み出しノードND2と第2の基板120Iの各デジタル画素200Iの比較器251の反転入力端子(−)とが、結合キャパシタC251によりAC結合されている。
In such a laminated structure, for example, the readout node ND2 of each photoelectric conversion readout unit 230 of the first substrate 110I and the inverting input terminal (-) of the comparator 251 of each digital pixel 200I of the second substrate 120I are shown in FIG. As shown in 33, electrical connections are made using signal lines LSGN1, microbump BMP, vias (Die-to-Die Via), and the like, respectively.
Further, in the present embodiment, the readout node ND2 of each photoelectric conversion readout unit 230 of the first substrate 110I and the inverting input terminal (-) of the comparator 251 of each digital pixel 200I of the second substrate 120I are coupled capacitors. It is AC-coupled by C251.

本第10の実施形態のデジタル画素を有する固体撮像装置10Iによれば、上述した第1の実施形態等と同様に、遮光物がないことから感度の低下を抑止しつつ、光電変換機能領域と電荷蓄積機能領域を分けることから飽和電荷を損失することなく、空乏化電圧を抑えることができ、しかも画素毎に位相差情報の取得機能を有することから画像の補正を伴うことなく低消費電力で精度の高い位相差情報を取得することが可能となり、ひいては複雑な読み出し方式を伴うことなく画質を向上させることが可能となっている。 According to the solid-state image sensor 10I having digital pixels of the tenth embodiment, as in the first embodiment described above, since there is no light-shielding object, a decrease in sensitivity is suppressed and a photoelectric conversion functional region is provided. Since the charge storage function area is divided, the depletion voltage can be suppressed without losing the saturated charge, and since the phase difference information acquisition function is provided for each pixel, the power consumption is low without image correction. It is possible to acquire highly accurate phase difference information, and by extension, it is possible to improve the image quality without involving a complicated reading method.

また、光電変換部が中央部CTpdからずらして配置された光電変換機能領域2211および電荷蓄積機能領域2212と残りの領域に配置されたアイソレーション領域2241とを有することから、単位画素を単純な構造で実現することが可能となり、水平単位画素PXL1L、垂直単位画素PXL1V、斜め単位画素PXL1D等、仕様にあわせて種々の態様が可能である。
また、ブルーミングのない位相差情報を取得することが可能で、飽和電荷量の変動や面積効率の低下が発生することを回避することができる固体撮像装置を実現することが可能となる。
Further, since the photoelectric conversion unit has a photoelectric conversion function region 2211 and a charge storage function region 2212 arranged so as to be offset from the central CTpd, and an isolation region 2241 arranged in the remaining region, the unit pixel has a simple structure. It is possible to realize various aspects such as horizontal unit pixel PXL1L, vertical unit pixel PXL1V, diagonal unit pixel PXL1D, and the like according to the specifications.
In addition, it is possible to acquire phase difference information without blooming, and it is possible to realize a solid-state image sensor that can avoid fluctuations in the amount of saturated charges and a decrease in area efficiency.

また、本第10の実施形態によれば、固体撮像装置10Iは、画素部20Iにおいて、デジタル画素として光電変換読み出し部230、AD変換部250、およびメモリ部260を含み、グローバルシャッタの動作機能を持つ、たとえば積層型のCMOSイメージセンサとして構成されている。
本第10の実施形態に係る固体撮像装置10Iにおいて、各デジタル画素200がAD変換機能を有しており、AD変換部250は、光電変換読み出し部210により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器251を有している。
そして、比較器251は、読み出し部70Iの制御の下、蓄積期間にフォトダイオードPD1から出力ノード(フローティングディフュージョン)FD1に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第1の比較結果信号SCMP1を出力する第1の比較処理CMPR1と、蓄積期間後の転送期間にフローティングノードFD1(出力ノード)に転送されたフォトダイオードPD1の蓄積電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第2の比較結果信号SCMP2を出力する第2の比較処理CMPR2と、を行う。
Further, according to the tenth embodiment, the solid-state image sensor 10I includes a photoelectric conversion reading unit 230, an AD conversion unit 250, and a memory unit 260 as digital pixels in the pixel unit 20I, and has a global shutter operation function. It is configured as, for example, a stacked CMOS image sensor.
In the solid-state imaging device 10I according to the tenth embodiment, each digital pixel 200 has an AD conversion function, and the AD conversion unit 250 compares the voltage signal read by the photoelectric conversion reading unit 210 with the reference voltage. It also has a comparator 251 that performs a comparison process that outputs a digitized comparison result signal.
Then, under the control of the readout unit 70I, the comparator 251 digitizes the first comparison result signal for the voltage signal corresponding to the overflow charge overflowing from the photodiode PD1 to the output node (floating diffusion) FD1 during the storage period. The first comparison process CMPR1 that outputs SCMP1 and the second digitized comparison result for the voltage signal corresponding to the accumulated charge of the photodiode PD1 transferred to the floating node FD1 (output node) during the transfer period after the accumulation period. The second comparison process CMPR2, which outputs the signal SCMP2, is performed.

したがって、本第10の実施形態の固体撮像装置10Iによれば、蓄積期間にフォトダイオードから溢れ出る電荷をリアルタイムに利用することから、広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能となる。
また、本発明によれば、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高めることが可能となる。
Therefore, according to the solid-state image sensor 10I of the tenth embodiment, since the electric charge overflowing from the photodiode during the storage period is used in real time, it is possible to realize a wide dynamic range and a high frame rate. Become.
Further, according to the present invention, it is possible to substantially realize a wide dynamic range and a high frame rate, reduce noise, maximize the effective pixel area, and per cost. It is possible to maximize the value of.

また、本第10の実施形態の固体撮像装置10Iによれば、構成の複雑化を防止しつつ、レイアウト上の面積効率の低下を防止することができる。 Further, according to the solid-state image sensor 10I of the tenth embodiment, it is possible to prevent a decrease in area efficiency in layout while preventing a complicated configuration.

また、本第10の実施形態に係る固体撮像装置10Iは、第1の基板(上基板)110Iと第2の基板(下基板)120Iの積層構造を有する。
したがって、本第10の実施形態において、第1の基板110I側を、基本的に、NMOS系の素子だけで形成すること、および、画素アレイにより有効画素領域を最大限に拡大することにより、コストあたりの価値を最大限に高めることができる。
Further, the solid-state image sensor 10I according to the tenth embodiment has a laminated structure of a first substrate (upper substrate) 110I and a second substrate (lower substrate) 120I.
Therefore, in the tenth embodiment, the cost is obtained by basically forming the first substrate 110I side only with the elements of the NMOS system and expanding the effective pixel area to the maximum by the pixel array. You can maximize the value per unit.

以上説明した固体撮像装置10,10A〜10Iは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。 The solid-state imaging devices 10, 10A to 10I described above can be applied as imaging devices to electronic devices such as digital cameras, video cameras, mobile terminals, surveillance cameras, and medical endoscope cameras.

図38は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。 FIG. 38 is a diagram showing an example of the configuration of an electronic device equipped with a camera system to which the solid-state image sensor according to the embodiment of the present invention is applied.

本電子機器300は、図38に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置10,10A〜10Iが適用可能なCMOSイメージセンサ310を有する。
さらに、電子機器300は、このCMOSイメージセンサ310の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)320を有する。
電子機器300は、CMOSイメージセンサ310の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)330を有する。
As shown in FIG. 38, the electronic device 300 has a CMOS image sensor 310 to which the solid-state image sensors 10, 10A to 10I according to the present embodiment can be applied.
Further, the electronic device 300 has an optical system (lens or the like) 320 that guides incident light (imaging a subject image) to the pixel region of the CMOS image sensor 310.
The electronic device 300 includes a signal processing circuit (PRC) 330 that processes the output signal of the CMOS image sensor 310.

信号処理回路330は、CMOSイメージセンサ310の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路330で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
The signal processing circuit 330 performs predetermined signal processing on the output signal of the CMOS image sensor 310.
The image signal processed by the signal processing circuit 330 can be displayed as a moving image on a monitor including a liquid crystal display or output to a printer, and can be directly recorded on a recording medium such as a memory card. Is possible.

上述したように、CMOSイメージセンサ310として、前述した固体撮像装置10,10A〜10Iを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
As described above, by mounting the above-mentioned solid-state image sensors 10, 10A to 10I as the CMOS image sensor 310, it is possible to provide a high-performance, compact, and low-cost camera system.
Electronic devices such as surveillance cameras and medical endoscope cameras are used in applications where camera installation requirements include restrictions such as mounting size, number of cables that can be connected, cable length, and installation height. Can be realized.

10,10A〜10I・・・固体撮像装置、20,20A〜20I・・・画素部、PCXL,PXLA〜PXLH・・・単位画素、PD1・・・第1のフォトダイオード(第1の光電変換部)、PD2・・・第2のフォトダイオード(第2の光電変換部)、TG1−Tr・・・第1の転送トランジスタ(第1の転送素子)、TG2−Tr・・・第2の転送トランジスタ(第2の転送素子)、210・・・半導体基板、230・・・光電変換読み出し部、240・・・信号保持部、30・・・垂直走査回路、40・・・読み出し回路、50・・・水平走査回路、60・・・タイミング制御回路、70,70I・・・読み出し部、300・・・電子機器、310・・・CMOSイメージセンサ、320・・・光学系、330・・・信号処理回路(PRC)。

10,10A-10I ... Solid-state imaging device, 20,20A-20I ... Pixel unit, PCXL, PXLA to PXLH ... Unit pixel, PD1 ... First photodiode (first photoelectric conversion unit) ), PD2 ... 2nd photodiode (2nd photoelectric conversion unit), TG1-Tr ... 1st transfer transistor (1st transfer element), TG2-Tr ... 2nd transfer transistor (Second transfer element), 210 ... semiconductor substrate, 230 ... photoelectric conversion readout unit, 240 ... signal holding unit, 30 ... vertical scanning circuit, 40 ... readout circuit, 50 ...・ Horizontal scanning circuit, 60 ・ ・ ・ Timing control circuit, 70, 70I ・ ・ ・ Read unit, 300 ・ ・ ・ Electronic device, 310 ・ ・ ・ CMOS image sensor, 320 ・ ・ ・ Optical system, 330 ・ ・ ・ Signal processing Circuit (PRC).

Claims (27)

第1基板面側と、当該第1基板面側と対向する側の第2基板面側とを有する基板と、
前記基板の第1基板面側と第2基板面側との間に埋め込むように形成された第1導電型半導体層を含み、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する光電変換機能領域および前記光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積機能領域を有する単位画素を形成する少なくとも一つの光電変換部と、を含み、
前記光電変換部は、
光が入射する前記第1基板面側に前記光電変換機能領域が配置され、前記電荷蓄積機能領域が前記第2基板面側に配置され、
前記光電変換機能領域および前記電荷蓄積機能領域うち少なくとも前記光電変換機能領域が、当該光電変換部の中央部からずらして配置されている
固体撮像措置。
A substrate having a first substrate surface side and a second substrate surface side facing the first substrate surface side,
A photoelectric layer including a first conductive semiconductor layer formed so as to be embedded between the first substrate surface side and the second substrate surface side of the substrate, photoelectrically converts incident light, and generates an electric charge according to the amount of incident light. A conversion function region and at least one photoelectric conversion unit that forms a unit pixel having a charge storage function region for accumulating charges generated in the photoelectric conversion function region are included.
The photoelectric conversion unit
The photoelectric conversion functional region is arranged on the surface side of the first substrate on which light is incident, and the charge storage functional region is arranged on the surface side of the second substrate.
A solid-state imaging measure in which at least the photoelectric conversion functional region of the photoelectric conversion functional region and the charge storage functional region is arranged so as to be offset from the central portion of the photoelectric conversion portion.
前記光電変換機能領域および前記電荷蓄積機能領域が、前記光電変換部の中央部からずらして配置されている
請求項1記載の固体撮像装置。
The solid-state image sensor according to claim 1, wherein the photoelectric conversion function region and the charge storage function region are arranged so as to be offset from the central portion of the photoelectric conversion unit.
前記光電変換機能領域が、前記光電変換部の中央部からずらして配置され、
前記電荷蓄積機能領域は、その中央部が前記光電変換部の中央部に存するように配置されている
請求項1記載の固体撮像装置。
The photoelectric conversion function region is arranged so as to be offset from the central portion of the photoelectric conversion unit.
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the charge storage function region is arranged so that the central portion thereof exists in the central portion of the photoelectric conversion unit.
前記第2基板面側に配置され、前記光電変換部に光を入射するレンズ部を有し、
前記レンズ部は、
光学中心が、前記光電変換部の中央部に存するように配置されている
請求項1から3のいずれか一に記載の固体撮像装置。
It is arranged on the surface side of the second substrate and has a lens unit that injects light into the photoelectric conversion unit.
The lens unit
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical center is arranged so as to exist in the central portion of the photoelectric conversion unit.
前記光電変換部は、
第1導電型半導体層により形成された前記光電変換機能領域および前記電荷蓄積機能領域を除く領域には、第2導電型半導体層により形成されたアイソレーション領域または光学的に遮蔽するように埋め込まれたバックサイド分離部が配置されている
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The photoelectric conversion unit
The isolation region formed by the second conductive semiconductor layer or the region excluding the photoelectric conversion functional region and the charge storage functional region formed by the first conductive semiconductor layer is embedded so as to be optically shielded. The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 4, wherein the backside separation unit is arranged.
複数の前記単位画素が行列状に配列され、前記複数の単位画素には、
前記アイソレーション領域を含む前記光電変換部が列方向に並列になるように配置されている水平単位画素と、
前記アイソレーション領域を含む前記光電変換部が行方向に並列になるように配置されている垂直単位画素と、
前記アイソレーション領域を含む前記光電変換部が列方向および行方向に対して所定角度を持つ斜め方向に並列になるように配置されている斜め単位画素と、の少なくともいずれかを含む
請求項5記載の固体撮像装置。
A plurality of the unit pixels are arranged in a matrix, and the plurality of unit pixels are included in the plurality of unit pixels.
Horizontal unit pixels in which the photoelectric conversion units including the isolation region are arranged in parallel in the column direction, and
Vertical unit pixels in which the photoelectric conversion units including the isolation region are arranged in parallel in the row direction, and
The fifth aspect of claim 5 which includes at least one of an oblique unit pixel in which the photoelectric conversion unit including the isolation region is arranged in parallel in an oblique direction having a predetermined angle with respect to a column direction and a row direction. Solid-state image sensor.
前記単位画素は前記水平単位画素として形成され、
行ごとに、前記アイソレーション領域と少なくとも前記光電変換機能領域を含む前記光電変換部の列方向の配置位置が逆である
請求項6記載の固体撮像装置。
The unit pixel is formed as the horizontal unit pixel,
The solid-state image sensor according to claim 6, wherein the position of the photoelectric conversion unit including the isolation region and at least the photoelectric conversion functional region is reversed for each row in the column direction.
前記単位画素は前記斜め単位画素として形成され、
行ごとに、前記光電変換部と前記アイソレーション領域の所定角度の傾き方向が異なる
請求項6記載の固体撮像装置。
The unit pixel is formed as the diagonal unit pixel,
The solid-state image sensor according to claim 6, wherein the tilt direction of a predetermined angle between the photoelectric conversion unit and the isolation region is different for each row.
前記各単位画素は、
前記電荷蓄積機能領域に蓄積された電荷を転送する転送トランジスタを含み、
前記転送トランジスタは、
前記第2基板面側において、前記光電変換部の前記電荷蓄積機能領域に接続されている
請求項6から8のいずれか一に記載の固体撮像装置。
Each unit pixel is
A transfer transistor for transferring the charge stored in the charge storage function region is included.
The transfer transistor is
The solid-state image sensor according to any one of claims 6 to 8, which is connected to the charge storage function region of the photoelectric conversion unit on the surface side of the second substrate.
前記単位画素は矩形に形成され、前記転送トランジスタは、一縁部側に形成され、
複数の単位画素は、配列行において前記転送トランジスタが形成された一縁部が、列方向に隣接する単位画素の前記一縁部と対向する転送トランジスタが形成されていない他縁部側と対向するように配置されている
請求項9記載の固体撮像装置。
The unit pixel is formed in a rectangular shape, and the transfer transistor is formed on one edge side.
In the plurality of unit pixels, the one edge portion on which the transfer transistor is formed in the array row faces the other edge portion side on which the transfer transistor facing the one edge portion of the unit pixel adjacent in the column direction is not formed. 9. The solid-state imaging device according to claim 9.
前記光電変換部は、
前記電荷蓄積機能領域から溢れる電荷を排出するオーバーフローゲートを有する
請求項1から10のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The photoelectric conversion unit
The solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 10, further comprising an overflow gate for discharging the overflowing charge from the charge storage function region.
前記単位画素は、
入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する第1の光電変換機能領域および前記第1の光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する第1の電荷蓄積機能領域を有する第1の光電変換部と、
入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する第2の光電変換機能領域および前記第2の光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する第2の電荷蓄積機能領域を有する第2の光電変換部と、を含み、
前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部は、
並列に配置され、第2導電型半導体層により形成される分離層または光学的に遮蔽するように埋め込まれたバックサイド分離部にて分離されている
請求項1記載の固体撮像装置。
The unit pixel is
A first having a first photoelectric conversion functional region for photoelectrically converting incident light and generating charges according to the amount of incident light and a first charge storage functional region for accumulating charges generated in the first photoelectric conversion functional region. Photoelectric conversion unit and
A second having a second photoelectric conversion functional region for photoelectrically converting incident light and generating charges according to the amount of incident light and a second charge storage functional region for accumulating charges generated in the second photoelectric conversion functional region. Including the photoelectric conversion part of
The first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit are
The solid-state image sensor according to claim 1, which is arranged in parallel and separated by a separation layer formed by a second conductive semiconductor layer or a backside separation portion embedded so as to optically shield the semiconductor layer.
前記第1の光電変換部は、
前記第1の光電変換機能領域および前記第1の電荷蓄積機能領域が、前記第1の光電変換部の中央部からずらして配置され、
前記第2の光電変換部は、
前記第2の光電変換機能領域および前記第2の電荷蓄積機能領域が、前記第2の光電変換部の中央部からずらして配置されている
請求項12記載の固体撮像装置。
The first photoelectric conversion unit is
The first photoelectric conversion functional region and the first charge storage functional region are arranged so as to be offset from the central portion of the first photoelectric conversion portion.
The second photoelectric conversion unit is
The solid-state image sensor according to claim 12, wherein the second photoelectric conversion functional region and the second charge storage functional region are arranged so as to be offset from the central portion of the second photoelectric conversion portion.
前記第1の光電変換部は、
前記第1の光電変換機能領域が、前記第1の光電変換部の中央部からずらして配置され、
前記第1の電荷蓄積機能領域は、その中央部が前記第1の光電変換部の中央部に存するように配置され、
前記第2の光電変換部は、
前記第2の光電変換機能領域が、前記第2の光電変換部の中央部からずらして配置され、
前記第2の電荷蓄積機能領域は、その中央部が前記第2の光電変換部の中央部に存するように配置されている
請求項12記載の固体撮像装置。
The first photoelectric conversion unit is
The first photoelectric conversion functional region is arranged so as to be offset from the central portion of the first photoelectric conversion unit.
The first charge storage functional region is arranged so that the central portion thereof is located in the central portion of the first photoelectric conversion unit.
The second photoelectric conversion unit is
The second photoelectric conversion functional region is arranged so as to be offset from the central portion of the second photoelectric conversion unit.
The solid-state image sensor according to claim 12, wherein the second charge storage functional region is arranged so that the central portion thereof is located in the central portion of the second photoelectric conversion unit.
前記第2基板面側に配置され、前記第1の光電変換部および前記第2の光電変換部に光を入射するレンズ部を有し、
前記レンズ部は、
光学中心が、前記分離層を挟んで並列配置される前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部の境界領域の中央部に存するように配置されている
請求項12から14のいずれか一に記載の固体撮像装置。
It has a lens unit that is arranged on the surface side of the second substrate and that emits light into the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
The lens unit
Any of claims 12 to 14, wherein the optical centers are arranged so as to exist in the central portion of the boundary region between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit, which are arranged in parallel with the separation layer interposed therebetween. The solid-state image sensor according to claim 1.
前記第1の光電変換部は、
第1導電型半導体層により形成された前記第1の光電変換機能領域および前記第1の電荷蓄積機能領域を除く領域には、第2導電型半導体層により形成された第1のアイソレーション領域が配置され、
前記第2の光電変換部は、
第1導電型半導体層により形成された前記第2の光電変換機能領域および前記第2の電荷蓄積機能領域を除く領域には、第2導電型半導体層により形成された第2のアイソレーション領域が配置されている
請求項12から15のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The first photoelectric conversion unit is
A first isolation region formed by the second conductive semiconductor layer is formed in a region other than the first photoelectric conversion functional region and the first charge storage functional region formed by the first conductive semiconductor layer. Placed,
The second photoelectric conversion unit is
A second isolation region formed by the second conductive semiconductor layer is formed in a region other than the second photoelectric conversion functional region and the second charge storage functional region formed by the first conductive semiconductor layer. The solid-state imaging device according to any one of claims 12 to 15, which is arranged.
複数の前記単位画素が行列状に配列され、前記複数の単位画素には、
前記第1のアイソレーション領域を含む前記第1の光電変換部、並びに、前記第2のアイソレーション領域を含む第2の光電変換部が列方向に並列になるように配置されている水平単位画素と、
前記第1のアイソレーション領域を含む前記第1の光電変換部、並びに、前記第2のアイソレーション領域を含む第2の光電変換部が行方向に並列になるように配置されている垂直単位画素と、
前記第1のアイソレーション領域を含む前記第1の光電変換部、並びに、前記第2のアイソレーション領域を含む第2の光電変換部が列方向および行方向に対して所定角度を持つ斜め方向に並列になるように配置されている斜め単位画素と、の少なくともいずれかを含む
請求項16記載の固体撮像装置。
A plurality of the unit pixels are arranged in a matrix, and the plurality of unit pixels are included in the plurality of unit pixels.
A horizontal unit pixel in which the first photoelectric conversion unit including the first isolation region and the second photoelectric conversion unit including the second isolation region are arranged in parallel in the column direction. When,
A vertical unit pixel in which the first photoelectric conversion unit including the first isolation region and the second photoelectric conversion unit including the second isolation region are arranged in parallel in the row direction. When,
The first photoelectric conversion unit including the first isolation region and the second photoelectric conversion unit including the second isolation region are oblique to have a predetermined angle with respect to the column direction and the row direction. The solid-state image sensor according to claim 16, further comprising at least one of an oblique unit pixel arranged in parallel.
前記第1の光電変換部は、
前記第1の電荷蓄積機能領域に蓄積された電荷を転送する第1の転送トランジスタを含み、
前記第1の転送トランジスタは、
前記第2基板面側において、前記第1の光電変換部の前記第1の電荷蓄積機能領域に接続され、
前記第2の光電変換部は、
前記第2の電荷蓄積機能領域に蓄積された電荷を転送する第2の転送トランジスタを含み、
前記第2の転送トランジスタは、
前記第2基板面側において、前記第2の光電変換部の前記第2の電荷蓄積機能領域に接続されている
請求項12から17のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The first photoelectric conversion unit is
The first transfer transistor for transferring the charge accumulated in the first charge storage functional region is included.
The first transfer transistor is
On the surface side of the second substrate, it is connected to the first charge storage function region of the first photoelectric conversion unit.
The second photoelectric conversion unit is
The second transfer transistor for transferring the charge accumulated in the second charge storage functional region is included.
The second transfer transistor is
The solid-state image sensor according to any one of claims 12 to 17, which is connected to the second charge storage function region of the second photoelectric conversion unit on the surface side of the second substrate.
前記各単位画素は、前記垂直単位画素として形成され、
前記単位画素において、
前記第1の転送トランジスタと前記第2の転送トランジスタは、前記分離層を挟んで対向するように配置されている
請求項18記載の固定撮像装置。
Each of the unit pixels is formed as the vertical unit pixel.
In the unit pixel
The fixed imaging device according to claim 18, wherein the first transfer transistor and the second transfer transistor are arranged so as to face each other with the separation layer interposed therebetween.
前記第1の光電変換部は、
前記第1の電荷蓄積機能領域から溢れる電荷を排出する第の1オーバーフローゲートを有し、
前記第2の光電変換部は、
前記第2の電荷蓄積機能領域から溢れる電荷を排出する第2のオーバーフローゲートを有する
請求項12から19のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The first photoelectric conversion unit is
It has a first overflow gate that discharges the charge overflowing from the first charge storage function region, and has a first overflow gate.
The second photoelectric conversion unit is
The solid-state image sensor according to any one of claims 12 to 19, further comprising a second overflow gate for discharging the charge overflowing from the second charge storage functional region.
前記単位画素は、
少なくとも一つの前記光電変換部を含み、当該光電変換部に蓄積された電荷を出力ノードに読み出し、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する光電変換読み出し部と、
前記光電変換読み出し部により読み出された前記光電変換部の蓄積電荷に応じた画素信号を保持することが可能な信号保持部と、を含む
請求項12から20のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The unit pixel is
A photoelectric that includes at least one photoelectric conversion unit, reads out the electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit to an output node, converts the electric charge of the output node into a voltage signal according to the amount of charge, and outputs the converted voltage signal. Conversion reader and
The solid-state imaging according to any one of claims 12 to 20, further comprising a signal holding unit capable of holding a pixel signal corresponding to the accumulated charge of the photoelectric conversion unit read by the photoelectric conversion reading unit. apparatus.
前記光電変換読み出し部は、
入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する前記光電変換機能領域および前記光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する前記電荷蓄積機能領域を有する少なくとも一つの前記光電変換部と、
前記光電変換部の前記電荷蓄積機能領域に蓄積された電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを通じて前記光電変換部の電荷蓄積機能領域で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、
前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、
リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセットトランジスタと、を含み、
前記信号保持部は、
前記出力ノードに転送された前記光電変換部の前記電荷蓄積機能領域の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対する信号を保持可能である
請求項21記載の固体撮像装置。
The photoelectric conversion reading unit is
The photoelectric conversion functional region that photoelectrically converts incident light and generates an electric charge according to the amount of incident light, and at least one photoelectric conversion unit having the charge storage functional region that accumulates the electric charge generated in the photoelectric conversion functional region.
A transfer transistor that transfers the charge accumulated in the charge storage function region of the photoelectric conversion unit, and
An output node to which the charge accumulated in the charge storage function region of the photoelectric conversion unit is transferred through the transfer transistor, and
An output buffer unit that converts the electric charge of the output node into a voltage signal according to the amount of electric charge and outputs the converted voltage signal.
Includes a reset transistor that resets the output node to a predetermined potential during the reset period.
The signal holding unit is
The solid-state image sensor according to claim 21, wherein a signal for the voltage signal corresponding to the accumulated charge in the charge storage function region of the photoelectric conversion unit transferred to the output node can be held.
前記光電変換読み出し部は、
入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する第1の光電変換機能領域および前記第1の光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する第1の電荷蓄積機能領域を有する前記第1の光電変換部と、
入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する第2の光電変換機能領域および前記第2の光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する第2の電荷蓄積機能領域を有する前記第2の光電変換部と、
前記第1の光電変換部の前記第1の電荷蓄積機能領域に蓄積された電荷を転送する第1の転送トランジスタと、
前記第2の光電変換部の前記第2の電荷蓄積機能領域に蓄積された電荷を転送する第2の転送トランジスタと、
前記第1の転送トランジスタおよび前記第2の転送トランジスタのうちの少なくとも一方の転送トランジスタを通じて前記第1の光電変換部および前記第2の光電変換部のうちの少なくとも一方の電荷蓄積機能領域で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、を含む
前記信号保持部は、
前記出力ノードに転送された前記第1の光電変換部の前記第1の電荷蓄積機能領域の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対する第1信号、並びに、
前記出力ノードに転送された前記第2の光電変換部の前記第2の電荷蓄積機能領域の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対する第2信号を保持可能である
請求項21または22記載の固体撮像装置。
The photoelectric conversion reading unit is
The first having a first photoelectric conversion functional region for photoelectrically converting incident light and generating an electric charge according to the amount of incident light and a first charge storage functional region for accumulating charges generated in the first photoelectric conversion functional region. 1 photoelectric conversion unit and
The first having a second photoelectric conversion functional region that photoelectrically converts incident light and generates an electric charge according to the amount of incident light and a second charge storage functional region that accumulates the electric charge generated in the second photoelectric conversion functional region. 2 photoelectric conversion part and
A first transfer transistor that transfers the charge accumulated in the first charge storage function region of the first photoelectric conversion unit, and a first transfer transistor.
A second transfer transistor that transfers the charge accumulated in the second charge storage function region of the second photoelectric conversion unit, and a second transfer transistor.
It is accumulated in the charge storage function region of at least one of the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit through at least one transfer transistor of the first transfer transistor and the second transfer transistor. The signal holding unit, including the output node to which the electric charge is transferred,
The first signal with respect to the voltage signal according to the accumulated charge in the first charge storage function region of the first photoelectric conversion unit transferred to the output node, and
The solid-state imaging according to claim 21 or 22, wherein a second signal with respect to the voltage signal corresponding to the accumulated charge in the second charge storage function region of the second photoelectric conversion unit transferred to the output node can be held. apparatus.
前記信号保持部は、
第1の入力ノードと、
第2の入力ノードと、
前記画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される第1の読み出しリセット信号を保持可能な第1の信号保持キャパシタと、
前記画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される第1の読み出し信号を保持可能な第2の信号保持キャパシタと、
前記画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される読み出しリセット信号を保持可能な第3の信号保持キャパシタと、
前記画素の前記光電変換読み出し部の読み出しノードから出力され、前記入力ノードに入力される読み出し信号を保持可能な第4の信号保持キャパシタと、
前記第1の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第1のスイッチ素子と、
前記第2の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第2のスイッチ素子と、
前記第3の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第3のスイッチ素子と、
前記第4の信号保持キャパシタを前記光電変換読み出し部の読み出しノードと選択的に接続する第4のスイッチ素子と、
前記第1の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第1の出力部と、
前記第2の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第2の出力部と、
前記第3の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第3の出力部と、
前記第4の信号保持キャパシタに保持された信号を保持電圧に応じて出力するソースフォロワ素子を含み、変換した信号を選択的に信号線に出力する第4の出力部と、を含む
請求項23記載の固体撮像装置。
The signal holding unit is
The first input node and
The second input node and
A first signal holding capacitor capable of holding a first read reset signal output from the read node of the photoelectric conversion read unit of the pixel and input to the input node.
A second signal holding capacitor capable of holding a first read signal output from the read node of the photoelectric conversion reading unit of the pixel and input to the input node.
A third signal holding capacitor capable of holding a read reset signal output from the read node of the photoelectric conversion reading unit of the pixel and input to the input node.
A fourth signal holding capacitor capable of holding a read signal output from the read node of the photoelectric conversion reading unit of the pixel and input to the input node, and
A first switch element that selectively connects the first signal holding capacitor to the reading node of the photoelectric conversion reading unit, and
A second switch element that selectively connects the second signal holding capacitor to the reading node of the photoelectric conversion reading unit, and
A third switch element that selectively connects the third signal holding capacitor to the reading node of the photoelectric conversion reading unit, and
A fourth switch element that selectively connects the fourth signal holding capacitor to the reading node of the photoelectric conversion reading unit, and
A first output unit that includes a source follower element that outputs a signal held in the first signal holding capacitor according to a holding voltage and selectively outputs a converted signal to a signal line.
A second output unit that includes a source follower element that outputs the signal held in the second signal holding capacitor according to the holding voltage and selectively outputs the converted signal to the signal line.
A third output unit that includes a source follower element that outputs the signal held in the third signal holding capacitor according to the holding voltage and selectively outputs the converted signal to the signal line.
23. Claim 23 includes a source follower element that outputs a signal held in the fourth signal holding capacitor according to a holding voltage, and a fourth output unit that selectively outputs the converted signal to a signal line. The solid-state imaging device described.
前記信号保持部は、
前記光電変換読み出し部により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、読み出される電圧信号に対してアナログデジタル(AD)変換処理を行い、デジタル化した比較結果信号を出力する比較器と、
前記出力ノードに転送された前記光電変換部の蓄積電荷に応じた前記電圧信号に対する前記比較器による前記比較結果信号を保持するメモリと、を含む
請求項21から23のいずれか一に記載の固体撮像装置。
The signal holding unit is
A comparator that compares the voltage signal read by the photoelectric conversion reading unit with the reference voltage, performs analog-to-digital (AD) conversion processing on the read voltage signal, and outputs a digitized comparison result signal.
The solid according to any one of claims 21 to 23, comprising a memory that holds the comparison result signal by the comparator with respect to the voltage signal corresponding to the accumulated charge of the photoelectric conversion unit transferred to the output node. Image sensor.
第1基板面側と、当該第1基板面側と対向する側の第2基板面側とを有する基板と、
前記基板の第1基板面側と第2基板面側との間に埋め込むように形成された第1導電型半導体層を含み、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する光電変換機能領域および前記光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積機能領域を有する単位画素を形成する少なくとも一つの光電変換部と、を含む固体撮像装置の製造方法であって、
前記光電変換部を形成するステップにおいて、
光が入射する前記第1基板面側に前記光電変換機能領域を形成し、前記電荷蓄積機能領域を前記第2基板面側に形成するとともに、
前記光電変換機能領域および前記電荷蓄積機能領域うち少なくとも前記光電変換機能領域を、当該光電変換部の中央部からずらして形成する
固体撮像装置の製造方法。
A substrate having a first substrate surface side and a second substrate surface side facing the first substrate surface side,
A photoelectric layer including a first conductive semiconductor layer formed so as to be embedded between the first substrate surface side and the second substrate surface side of the substrate, photoelectrically converts incident light, and generates an electric charge according to the amount of incident light. A method for manufacturing a solid-state imaging device, comprising at least one photoelectric conversion unit that forms a conversion function region and a unit pixel having a charge storage function region for accumulating charges generated in the photoelectric conversion function region.
In the step of forming the photoelectric conversion unit,
The photoelectric conversion functional region is formed on the surface side of the first substrate on which light is incident, and the charge storage functional region is formed on the surface side of the second substrate.
A method for manufacturing a solid-state image sensor, in which at least the photoelectric conversion functional region is formed by shifting the photoelectric conversion functional region and the charge storage functional region from the central portion of the photoelectric conversion portion.
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
第1基板面側と、当該第1基板面側と対向する側の第2基板面側とを有する基板と、
前記基板の第1基板面側と第2基板面側との間に埋め込むように形成された第1導電型半導体層を含み、入射光を光電変換し、入射光量に応じた電荷を発生する光電変換機能領域および前記光電変換機能領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積機能領域を有する単位画素を形成する少なくとも一つの光電変換部と、を含み、
前記光電変換部は、
光が入射する前記第1基板面側に前記光電変換機能領域が配置され、前記電荷蓄積機能領域が前記第2基板面側に配置され、
前記光電変換機能領域および前記電荷蓄積機能領域うち少なくとも前記光電変換機能領域が、当該光電変換部の中央部からずらして配置されている
電子機器。



Solid-state image sensor and
The solid-state image sensor has an optical system for forming a subject image, and the solid-state image sensor has an optical system.
The solid-state image sensor
A substrate having a first substrate surface side and a second substrate surface side facing the first substrate surface side,
A photoelectric layer including a first conductive semiconductor layer formed so as to be embedded between the first substrate surface side and the second substrate surface side of the substrate, photoelectrically converts incident light, and generates an electric charge according to the amount of incident light. A conversion function region and at least one photoelectric conversion unit that forms a unit pixel having a charge storage function region for accumulating charges generated in the photoelectric conversion function region are included.
The photoelectric conversion unit
The photoelectric conversion functional region is arranged on the surface side of the first substrate on which light is incident, and the charge storage functional region is arranged on the surface side of the second substrate.
An electronic device in which at least the photoelectric conversion functional region is arranged so as to be offset from the central portion of the photoelectric conversion functional region and the charge storage functional region.



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