JP2023178690A - Photoelectric conversion apparatus and equipment - Google Patents

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大貴 白髭
Daiki Shirahige
周平 林
Shuhei Hayashi
一 池田
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Abstract

To provide a technique capable of achieving both a reduction in power consumption of pixel read circuits and a high saturation charge amount of photoelectric conversion units.SOLUTION: A photoelectric conversion apparatus includes: a first component including a first semiconductor substrate having a first surface and a second surface opposite the first surface, a photoelectric conversion unit configured to receive light from the second surface, a first semiconductor region, and a transfer transistor including a transfer gate disposed on a side of the first surface and configured to transfer a signal charge from the photoelectric conversion unit to the first semiconductor region; and a second component stacked on the first component and including a second semiconductor substrate having a third surface and a fourth surface opposite the third surface, an amplifier transistor including a gate connected to the first semiconductor region and disposed on a side of the third surface, and a reset transistor configured to reset the gate. A difference between a voltage to be applied to the transfer gate during a period of the transfer of the signal charge from the photoelectric conversion unit to the first semiconductor region and a reference voltage is greater than a difference between a power supply voltage to be applied to a main node of the reset transistor and the reference voltage.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は光電変換装置、機器に関する。 The present invention relates to photoelectric conversion devices and equipment.

光電変換装置が備える画素のさらなる高密度化を実現するため、特許文献1には第1半導体基板に画素が備える光電変換部を設け、第2半導体基板に画素が備える画素回路を設ける。そして、この第1半導体基板と第2半導体基板とを積層することが特許文献1に記載されている。また、特許文献1には第1半導体基板が備える転送トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚と、第2半導体基板が備える増幅トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚とを互いに異ならせることが記載されている。 In order to further increase the density of pixels included in a photoelectric conversion device, Patent Document 1 provides a photoelectric conversion unit included in the pixels on a first semiconductor substrate, and a pixel circuit included in the pixels on a second semiconductor substrate. Patent Document 1 describes that the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are stacked. Further, Patent Document 1 describes that the film thickness of the gate insulating film of the transfer transistor included in the first semiconductor substrate is made different from the film thickness of the gate insulating film of the amplification transistor included in the second semiconductor substrate. .

国際公開2019/130702号パンフレットInternational Publication 2019/130702 pamphlet

特許文献1に記載の技術において、画素の読み出し回路の消費電力低減と、光電変換部の大きい飽和電荷量の両立に検討の余地がある。 In the technique described in Patent Document 1, there is room for consideration in achieving both reduction in power consumption of the pixel readout circuit and a large amount of saturated charge in the photoelectric conversion section.

本開示は、画素の読み出し回路の消費電力低減と、光電変換部の大きい飽和電荷量の両立する技術に関する。 The present disclosure relates to a technology that achieves both reduction in power consumption of a pixel readout circuit and a large amount of saturated charge in a photoelectric conversion unit.

本開示の一の態様は、第1面と、前記第1面に対向する第2面を備える第1半導体基板と、前記第2面から光を受ける光電変換部と、第1半導体領域と、前記光電変換部の信号電荷を前記第1半導体領域に転送する、前記第1面の側に設けられた転送ゲートを有する転送トランジスタとを有する第1部品と、前記第1部品に積層される部品であって、第3面と、前記第3面に対向する第4面を備える第2半導体基板と、前記第1半導体領域に接続され、前記第3面の側に設けられたゲートを有する増幅トランジスタと、前記ゲートをリセットするリセットトランジスタを有する第2部品とを備え、前記リセットトランジスタの主ノードに与えられる電源電圧と基準電圧との差よりも、前記光電変換部から前記第1半導体領域に前記信号電荷を転送する期間に前記転送ゲートに与えられる電圧と前記基準電圧との差の方が大きいことを特徴とする光電変換装置である。 One aspect of the present disclosure includes: a first semiconductor substrate including a first surface and a second surface opposite to the first surface; a photoelectric conversion section that receives light from the second surface; a first semiconductor region; a first component including a transfer transistor having a transfer gate provided on the first surface side, which transfers signal charges of the photoelectric conversion section to the first semiconductor region; and a component stacked on the first component. a second semiconductor substrate having a third surface and a fourth surface opposite to the third surface; and an amplifier having a gate connected to the first semiconductor region and provided on the third surface side. a second component having a transistor and a reset transistor that resets the gate, the voltage from the photoelectric conversion unit to the first semiconductor region is higher than the difference between the power supply voltage applied to the main node of the reset transistor and a reference voltage. The photoelectric conversion device is characterized in that the difference between the voltage applied to the transfer gate during the period of transferring the signal charge and the reference voltage is larger.

また、別の態様は、第1面と、前記第1面に対向する第2面を備える第1半導体基板と、前記第2面から光を受ける光電変換部と、第1半導体領域と、前記光電変換部の信号電荷を前記第1半導体領域に転送する、前記第1面の側に設けられた転送ゲートを有する転送トランジスタとを有する第1部品と、前記第1部品に積層される部品であって、第3面と、前記第3面に対向する第4面を備える第2半導体基板と、前記第1半導体領域に接続され、前記第3面の側に設けられたゲートを有する増幅トランジスタと、前記ゲートをリセットするリセットトランジスタを有する第2部品とを備え、前記リセットトランジスタの主ノードには第1電源電圧が与えられ、前記増幅トランジスタの主ノードには第2電源電圧が与えられ、前記光電変換部から前記第1半導体領域に前記信号電荷を転送する期間に前記転送ゲートに与えられる電圧と基準電圧との差の方が、前記第1電源電圧と前記基準電圧との差および前記第2電源電圧と前記基準電圧との差の少なくとも一方よりも振幅が大きいことを特徴とする光電変換装置である。 In another aspect, a first semiconductor substrate includes a first surface and a second surface opposite to the first surface, a photoelectric conversion section that receives light from the second surface, a first semiconductor region, and a first component including a transfer transistor having a transfer gate provided on the first surface side, which transfers signal charges of a photoelectric conversion section to the first semiconductor region; and a component stacked on the first component. a second semiconductor substrate having a third surface and a fourth surface opposite to the third surface; and an amplification transistor connected to the first semiconductor region and having a gate provided on the third surface side. and a second component having a reset transistor that resets the gate, a first power supply voltage is applied to the main node of the reset transistor, a second power supply voltage is applied to the main node of the amplification transistor, The difference between the voltage applied to the transfer gate during the period of transferring the signal charge from the photoelectric conversion unit to the first semiconductor region and the reference voltage is larger than the difference between the first power supply voltage and the reference voltage and the reference voltage. The photoelectric conversion device is characterized in that the amplitude is larger than at least one of the differences between the second power supply voltage and the reference voltage.

本開示により、画素の読み出し回路の消費電力低減と、光電変換部の飽和電荷量の両立する技術を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a technique that achieves both reduction in power consumption of a pixel readout circuit and saturation charge amount of a photoelectric conversion unit.

光電変換装置の構成を示す図Diagram showing the configuration of a photoelectric conversion device センサ部と読み出し回路の構成を示す図Diagram showing the configuration of the sensor section and readout circuit 光電変換装置の断面図Cross-sectional view of photoelectric conversion device 光電変換装置の平面図Plan view of photoelectric conversion device 光電変換装置の断面図Cross-sectional view of photoelectric conversion device 光電変換装置のポテンシャル図Potential diagram of photoelectric conversion device 光電変換装置のポテンシャル図Potential diagram of photoelectric conversion device 光電変換装置の断面図Cross-sectional view of photoelectric conversion device 光電変換装置の平面図Plan view of photoelectric conversion device 光電変換装置の断面図Cross-sectional view of photoelectric conversion device 機器の構成を示す図Diagram showing the configuration of the equipment

以下、図面を参照しながら各実施形態を説明する。 Each embodiment will be described below with reference to the drawings.

以下に述べる各実施形態では、光電変換装置の一例として、撮像装置を中心に説明する。ただし、各実施形態は、撮像装置に限られるものではなく、光電変換装置の他の例にも適用可能である。例えば、測距装置(焦点検出やTOF(Time Of Flight)を用いた距離測定等の装置)、測光装置(入射光量の測定等の装置)などがある。 In each of the embodiments described below, an imaging device will be mainly described as an example of a photoelectric conversion device. However, each embodiment is not limited to an imaging device, and can be applied to other examples of photoelectric conversion devices. For example, there are distance measuring devices (devices such as distance measurement using focus detection and TOF (Time of Flight)), photometry devices (devices such as measuring the amount of incident light), and the like.

また、以下に述べる実施形態中に記載される半導体領域、ウエルの導電型や注入されるドーパントは一例であって、実施形態中に記載された導電型、ドーパントのみに限定されるものでは無い。実施形態中に記載された導電型、ドーパントに対して適宜変更できるし、この変更に伴って、半導体領域、ウエルの電位は適宜変更される。 Furthermore, the conductivity types of semiconductor regions and wells and the implanted dopants described in the embodiments described below are merely examples, and are not limited to only the conductivity types and dopants described in the embodiments. The conductivity type and dopant described in the embodiments can be changed as appropriate, and the potentials of the semiconductor region and the well are changed as appropriate in accordance with this change.

なお、以下に述べる実施形態に記載されるトランジスタの導電型は一例のものであって、実施例中に記載された導電型のみに限定されるものでは無い。実施形態中に記載された導電型に対し、導電型は適宜変更できるし、この変更に伴って、トランジスタのゲート、ソース、ドレインの電位は適宜変更される。 Note that the conductivity types of transistors described in the embodiments described below are merely examples, and are not limited to only the conductivity types described in the examples. The conductivity types described in the embodiments can be changed as appropriate, and in accordance with this change, the potentials of the gate, source, and drain of the transistor are changed as appropriate.

例えば、スイッチとして動作させるトランジスタであれば、ゲートに供給する電位のローレベルとハイレベルとを、導電型の変更に伴って、実施例中の説明に対し逆転させるようにすればよい。また、以下に述べる実施例中に記載される半導体領域の導電型についても一例のものであって、実施例中に記載された導電型のみに限定されるものでは無い。実施例中に記載された導電型に対し、導電型は適宜変更できるし、この変更に伴って、半導体領域の電位は適宜変更される。 For example, in the case of a transistor operated as a switch, the low level and high level of the potential supplied to the gate may be reversed with respect to the description in the embodiments as the conductivity type is changed. Furthermore, the conductivity types of the semiconductor regions described in the Examples described below are also examples, and are not limited to only the conductivity types described in the Examples. The conductivity type described in the embodiments can be changed as appropriate, and the potential of the semiconductor region is changed as appropriate in accordance with this change.

また、以下の実施形態では、回路の素子同士の接続を述べることがある。この場合、注目する素子同士の間に別の素子が介在する場合であっても、特に断りのない限り、注目する素子同士は接続されているとして扱う。例えば、複数のノードを持つ容量素子Cの一方のノードに素子Aが接続され、他方のノードに素子Bが接続されているとする。このような場合であっても、素子A、素子Bは、特に断りのない限り、接続されているものとして扱う。 Furthermore, in the following embodiments, connections between circuit elements may be described. In this case, even if another element is interposed between the elements of interest, the elements of interest are treated as connected, unless otherwise specified. For example, assume that element A is connected to one node of a capacitive element C having a plurality of nodes, and element B is connected to the other node. Even in such a case, element A and element B are treated as connected unless otherwise specified.

本明細書に記載される配線、パッドなどの金属部材は、ある1つの元素の金属単体から構成されていても良いし、混合物(合金)であってもよい。例えば、銅配線として説明される配線は、銅の単体によって構成されていても良いし、銅を主に含み、他の成分をさらに含んだ構成であっても良い。また、例えば、外部の端子と接続されるパッドは、アルミニウムの単体から構成されていても良いし、アルミニウムを主に含み、他の成分をさらに含んだ構成であっても良い。ここに示した銅配線およびアルミニウムのパッドは一例であり、種々の金属に変更することができる。 The metal members such as wiring and pads described in this specification may be made of a single metal of one element, or may be a mixture (alloy). For example, a wiring described as a copper wiring may be made of copper alone, or may contain mainly copper and further contain other components. Further, for example, a pad connected to an external terminal may be made of a single piece of aluminum, or may have a structure mainly containing aluminum and further containing other components. The copper wiring and aluminum pads shown here are just examples, and can be changed to various metals.

また、ここで示した配線およびパッドは光電変換装置において使用される金属部材の一例であり、他の金属部材にも適用されうる。 Furthermore, the wiring and pads shown here are examples of metal members used in photoelectric conversion devices, and may be applied to other metal members.

<第1実施形態>
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
<First embodiment>
Embodiments will be described below with reference to the drawings.

図1は、本開示の一実施の形態に係る撮像装置1(上述した光電変換装置の一例)の概略構成の一例を表したものである。撮像装置1は、3つの基板(第1部品10、第2部品20、第3部品30)を備えている。撮像装置1は、3つの部品(第1部品10、第2部品20、第3部品30)を貼り合わせて構成された3次元構造の撮像装置である。第1部品10、第2部品20および第3部品30は、この順に積層されている。 FIG. 1 shows an example of a schematic configuration of an imaging device 1 (an example of the photoelectric conversion device described above) according to an embodiment of the present disclosure. The imaging device 1 includes three substrates (a first component 10, a second component 20, and a third component 30). The imaging device 1 is a three-dimensional imaging device configured by bonding three parts (a first part 10, a second part 20, and a third part 30). The first component 10, the second component 20, and the third component 30 are stacked in this order.

第1部品10は、光電変換を行う複数のセンサ部12を有している。半導体基板14は、本開示の「第1半導体基板」の一具体例に相当する。複数のセンサ部12は、第1部品10における画素領域13内に行列状に設けられている。第2部品20は、半導体基板21に、センサ部12から出力された電荷に基づく画素信号を出力する読み出し回路22を4つのセンサ部12ごとに1つずつ有している。半導体基板21は、本開示の「第2半導体基板」の一具体例に相当する。第2部品20は、行方向に延在する複数の画素駆動線24と、列方向に延在する複数の画素出力線25とを有している。第3部品30は、半導体基板31に、画素信号を処理するロジック回路32を有している。半導体基板31は、本開示の「第3半導体基板」の一具体例に相当する。ロジック回路32は、例えば、垂直走査回路42、列信号処理回路34、水平走査回路35および制御回路36を有している。ロジック回路32(具体的には水平走査回路35)は、センサ部12ごとの出力電圧Voutを外部に出力する。ロジック回路32では、例えば、ソース電極およびドレイン電極と接する不純物拡散領域の表面に、CoSiやNiSiなどのサリサイド(Self Aligned Silicide)プロセスを用いて形成されたシリサイドからなる低抵抗領域が形成されていてもよい。 The first component 10 has a plurality of sensor sections 12 that perform photoelectric conversion. The semiconductor substrate 14 corresponds to a specific example of the "first semiconductor substrate" of the present disclosure. The plurality of sensor units 12 are provided in a matrix within the pixel area 13 of the first component 10. The second component 20 includes, on a semiconductor substrate 21, one readout circuit 22 for each of the four sensor sections 12, which outputs a pixel signal based on the charge output from the sensor section 12. The semiconductor substrate 21 corresponds to a specific example of the "second semiconductor substrate" of the present disclosure. The second component 20 has a plurality of pixel drive lines 24 extending in the row direction and a plurality of pixel output lines 25 extending in the column direction. The third component 30 has a logic circuit 32 on a semiconductor substrate 31 that processes pixel signals. The semiconductor substrate 31 corresponds to a specific example of the "third semiconductor substrate" of the present disclosure. The logic circuit 32 includes, for example, a vertical scanning circuit 42, a column signal processing circuit 34, a horizontal scanning circuit 35, and a control circuit 36. The logic circuit 32 (specifically, the horizontal scanning circuit 35) outputs the output voltage Vout for each sensor section 12 to the outside. In the logic circuit 32, for example, a low resistance region made of silicide formed using a salicide (self-aligned silicide) process such as CoSi 2 or NiSi is formed on the surface of the impurity diffusion region in contact with the source electrode and the drain electrode. You can.

垂直走査回路42は、例えば、複数のセンサ部12を行単位で順に選択する。列信号処理回路34は、例えば、垂直走査回路42によって選択された行の各センサ部12から出力される画素信号に対して、相関二重サンプリング(CorrelatedDoubleSampling:CDS)処理を施す。列信号処理回路34は、例えば、CDS処理を施すことにより、画素信号の信号レベルを抽出し、各センサ部12の受光量に応じた画素データを保持する。水平走査回路35は、例えば、列信号処理回路34に保持されている画素データを順次、外部に出力する。制御回路36は、例えば、ロジック回路32内の各ブロック(垂直走査回路42、列信号処理回路34および水平走査回路35)の駆動を制御する。 For example, the vertical scanning circuit 42 sequentially selects the plurality of sensor units 12 on a row-by-row basis. The column signal processing circuit 34 performs, for example, correlated double sampling (CDS) processing on the pixel signals output from each sensor section 12 in the row selected by the vertical scanning circuit 42. The column signal processing circuit 34 extracts the signal level of the pixel signal by performing CDS processing, for example, and holds pixel data corresponding to the amount of light received by each sensor section 12. For example, the horizontal scanning circuit 35 sequentially outputs the pixel data held in the column signal processing circuit 34 to the outside. The control circuit 36 controls driving of each block (vertical scanning circuit 42, column signal processing circuit 34, and horizontal scanning circuit 35) in the logic circuit 32, for example.

垂直走査回路42は、例えば、複数のセンサ部12を行単位で順に選択する。列信号処理回路34は、例えば、垂直走査回路42によって選択された行の各センサ部12から出力される画素信号に対して、相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling:CDS)処理を施す。列信号処理回路34は、例えば、CDS処理を施すことにより、画素信号の信号レベルを抽出し、各センサ部12の受光量に応じた画素データを保持する。また、列信号処理回路34は、増幅トランジスタAMPが出力した信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換するAD変換部を有していても良い。水平走査回路35は、例えば、列信号処理回路34に保持されている画素データを順次、外部に出力する。制御回路36は、例えば、ロジック回路32内の各ブロック(垂直走査回路42、列信号処理回路34および水平走査回路35)の駆動を制御する。 For example, the vertical scanning circuit 42 sequentially selects the plurality of sensor units 12 on a row-by-row basis. The column signal processing circuit 34 performs, for example, correlated double sampling (CDS) processing on the pixel signals output from each sensor unit 12 in the row selected by the vertical scanning circuit 42. The column signal processing circuit 34 extracts the signal level of the pixel signal by performing CDS processing, for example, and holds pixel data corresponding to the amount of light received by each sensor section 12. Further, the column signal processing circuit 34 may include an AD conversion section that converts the signal (analog signal) output by the amplification transistor AMP into a digital signal. For example, the horizontal scanning circuit 35 sequentially outputs the pixel data held in the column signal processing circuit 34 to the outside. The control circuit 36 controls driving of each block (vertical scanning circuit 42, column signal processing circuit 34, and horizontal scanning circuit 35) in the logic circuit 32, for example.

図2は、センサ部12の構成の一例を示している。センサ部12および読み出し回路22の一例を表したものである。以下では、図2に示したように、4つのセンサ部12_a~dが1つの読み出し回路22を共有している場合について説明する。ここで、「共有」とは、4つのセンサ部12_a~dの出力が共通の読み出し回路22に入力されることを指している。なお、以下ではセンサ部12_a~dについて共通の事項を述べる場合、センサ部12として纏めて表記する。 FIG. 2 shows an example of the configuration of the sensor section 12. An example of the sensor section 12 and the readout circuit 22 is shown. In the following, a case will be described in which four sensor units 12_a to 12_d share one readout circuit 22 as shown in FIG. 2. Here, “sharing” refers to the outputs of the four sensor units 12_a to 12_d being input to the common readout circuit 22. Note that, below, when describing common matters regarding the sensor units 12_a to 12_d, they will be collectively referred to as the sensor unit 12.

各センサ部12は、互いに共通の構成要素を有している。 Each sensor section 12 has common components.

各センサ部12は、例えば、フォトダイオードPDと、フォトダイオードPDと電気的に接続された転送トランジスタTRと、フローティングディフュージョン(FD)の一部である第1FDノードFD1を有する。各センサ部12の中のフォトダイオード、転送ゲートの各部材については、各符号の末尾にa~dを付している。読み出し回路22は、転送トランジスタTRを介してフォトダイオードPDから出力された電荷を一時的に保持するフローティングディフュージョンFDの別の一部である第2FDノードFD2を有している。4つの第1FDノードFD1_a~dは、1つの第2FDノードFD2に接続されている。第2FDノードFD2は、増幅トランジスタAMPの入力ノードである。フォトダイオードPDは、本開示の「光電変換素子」の一具体例に相当する。フォトダイオードPDは、光電変換を行って受光量に応じた電荷を発生する。フォトダイオードPDのカソードが転送トランジスタTRのソースに電気的に接続されており、フォトダイオードPDのアノードはウエル領域に与えられる電位が与えられる。つまり、電源線(例えば接地電位)に電気的に接続されている。また、フォトダイオードPDは、この電源線に接続されたウエル領域の内部に設けられている。転送トランジスタTRのドレインがフローティングディフュージョンFDに電気的に接続され、転送トランジスタTRのゲートは画素駆動線24に電気的に接続されている。転送トランジスタTRは、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)トランジスタである。 Each sensor section 12 includes, for example, a photodiode PD, a transfer transistor TR electrically connected to the photodiode PD, and a first FD node FD1 that is a part of a floating diffusion (FD). Regarding each member of the photodiode and transfer gate in each sensor section 12, a to d are added to the end of each code. The readout circuit 22 has a second FD node FD2 that is another part of the floating diffusion FD that temporarily holds the charge output from the photodiode PD via the transfer transistor TR. The four first FD nodes FD1_a to FD1_d are connected to one second FD node FD2. The second FD node FD2 is an input node of the amplification transistor AMP. The photodiode PD corresponds to a specific example of the "photoelectric conversion element" of the present disclosure. The photodiode PD performs photoelectric conversion and generates charges according to the amount of received light. The cathode of the photodiode PD is electrically connected to the source of the transfer transistor TR, and the anode of the photodiode PD is given the potential applied to the well region. That is, it is electrically connected to a power supply line (eg, ground potential). Furthermore, the photodiode PD is provided inside a well region connected to this power supply line. The drain of the transfer transistor TR is electrically connected to the floating diffusion FD, and the gate of the transfer transistor TR is electrically connected to the pixel drive line 24. The transfer transistor TR is, for example, a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) transistor.

1つの読み出し回路22を共有する各センサ部12のフローティングディフュージョンFDは、互いに電気的に接続されるとともに、共通の読み出し回路22の入力端に電気的に接続されている。読み出し回路22は、例えば、リセットトランジスタRESと、選択トランジスタSELと、増幅トランジスタAMPとを有している。なお、選択トランジスタSELは、必要に応じて省略してもよい。リセットトランジスタRESのソース(読み出し回路22の入力端)がフローティングディフュージョンFDに電気的に接続されている。別の見方をすると、リセットトランジスタRESのソース(読み出し回路22の入力端)が増幅トランジスタAMPのゲートに電気的に接続されている。リセットトランジスタRESのドレインが電源線(SVDD)および増幅トランジスタAMPのドレインに電気的に接続されている。リセットトランジスタRESのゲートは画素駆動線24(図1参照)に電気的に接続されている。増幅トランジスタAMPのソースが選択トランジスタSELのドレインに電気的に接続されており、増幅トランジスタAMPのゲートがリセットトランジスタRESのソースに電気的に接続されている。選択トランジスタSELのソース(読み出し回路22の出力端)が画素出力線25に電気的に接続されており、選択トランジスタSELのゲートが画素駆動線24(図1参照)に電気的に接続されている。 The floating diffusion FDs of the sensor units 12 that share one readout circuit 22 are electrically connected to each other and to the input end of the common readout circuit 22 . The readout circuit 22 includes, for example, a reset transistor RES, a selection transistor SEL, and an amplification transistor AMP. Note that the selection transistor SEL may be omitted if necessary. The source of the reset transistor RES (the input terminal of the readout circuit 22) is electrically connected to the floating diffusion FD. From another perspective, the source of the reset transistor RES (the input terminal of the readout circuit 22) is electrically connected to the gate of the amplification transistor AMP. The drain of the reset transistor RES is electrically connected to the power supply line (SVDD) and the drain of the amplification transistor AMP. The gate of the reset transistor RES is electrically connected to the pixel drive line 24 (see FIG. 1). The source of the amplification transistor AMP is electrically connected to the drain of the selection transistor SEL, and the gate of the amplification transistor AMP is electrically connected to the source of the reset transistor RES. The source of the selection transistor SEL (output end of the readout circuit 22) is electrically connected to the pixel output line 25, and the gate of the selection transistor SEL is electrically connected to the pixel drive line 24 (see FIG. 1). .

転送トランジスタTRは、転送トランジスタTRがオン状態となると、フォトダイオードPDの電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。リセットトランジスタRESは、フローティングディフュージョンFDの電位を所定の電位にリセットする。リセットトランジスタRESがオン状態となると、フローティングディフュージョンFDの電位を電源線(SVDD)の電位にリセットする。別の見方をすると、リセットトランジスタRESは、増幅トランジスタAMPのゲートの電位を所定の電位にリセットするとも言える。この所定の電位とは、典型的には電源電圧SVDDから、リセットトランジスタRESの閾値電圧分を引いた電圧に相当する電圧である。選択トランジスタSELは、読み出し回路22からの画素信号の出力タイミングを制御する。増幅トランジスタAMPは、画素信号として、フローティングディフュージョンFDに保持された電荷のレベルに応じた電圧の信号を生成する。増幅トランジスタAMPは、ソースフォロア型のアンプを構成しており、フォトダイオードPDで発生した電荷のレベルに応じた電圧の画素信号を出力するものである。増幅トランジスタAMPは、選択トランジスタSELがオン状態となると、フローティングディフュージョンFDの電位を増幅して、その電位に応じた電圧を、画素出力線25を介して列信号処理回路34に出力する。リセットトランジスタRES、増幅トランジスタAMPおよび選択トランジスタSELは、例えば、CMOSトランジスタである。 When the transfer transistor TR is turned on, the transfer transistor TR transfers the charge of the photodiode PD to the floating diffusion FD. The reset transistor RES resets the potential of the floating diffusion FD to a predetermined potential. When the reset transistor RES turns on, it resets the potential of the floating diffusion FD to the potential of the power supply line (SVDD). From another perspective, it can be said that the reset transistor RES resets the potential of the gate of the amplification transistor AMP to a predetermined potential. This predetermined potential is typically a voltage corresponding to a voltage obtained by subtracting the threshold voltage of the reset transistor RES from the power supply voltage SVDD. The selection transistor SEL controls the output timing of the pixel signal from the readout circuit 22. The amplification transistor AMP generates, as a pixel signal, a voltage signal corresponding to the level of charge held in the floating diffusion FD. The amplification transistor AMP constitutes a source follower type amplifier, and outputs a pixel signal with a voltage corresponding to the level of charge generated by the photodiode PD. When the selection transistor SEL is turned on, the amplification transistor AMP amplifies the potential of the floating diffusion FD and outputs a voltage corresponding to the potential to the column signal processing circuit 34 via the pixel output line 25. The reset transistor RES, the amplification transistor AMP, and the selection transistor SEL are, for example, CMOS transistors.

各転送トランジスタTR_a~dには、垂直走査回路42から制御信号VTX_a~dが与えられる。制御信号VTX_a~dは少なくとも2つの電圧レベルを持つ。転送トランジスタTRはここではN型のMOSトランジスタとする。相対的に高い電圧の制御信号VTXが入力されると転送トランジスタTRはオンとなる。これによりフォトダイオードPDの信号電荷を第1FDノードFD1に転送する。一方で、相対的に低い電圧の制御信号VTXが入力されると転送トランジスタTRはオフとなる。これによりフォトダイオードPDと第1FDノードFD1は非導通となる。なお、非導通とは、一切の電流が流れないことに限定されるものではなく、例えばリーク電流が流れることは非導通の範囲に含まれるものとする。制御信号VTXの振幅は、フォトダイオードPDのウエル領域に与えられる電圧(典型的には接地電位)を基準電圧との差として考えることができる。つまり、転送トランジスタTRをオンさせる時の制御信号VTXの振幅は、フォトダイオードPDのウエル電位と、制御信号VTXの相対的に高い電圧との差で表される。一方、転送トランジスタTRをオフさせる時の制御信号VTXの振幅は、フォトダイオードPDのウエル電位と、制御信号VTXの相対的に低い電圧との差で表される。なお、この振幅の基準電圧はフォトダイオードPDのウエル電位としたが、別の考え方で見ることもできる。つまり、転送トランジスタTRをオフにさせる制御信号VTXの電圧を基準電圧として考えることもできる。この場合、転送トランジスタTRをオンにさせる制御信号VTXの振幅は、転送トランジスタTRをオンにさせる制御信号VTXの電圧と、転送トランジスタTRをオフにさせる制御信号VTXの電圧との差となる。 Control signals VTX_a to d are applied from the vertical scanning circuit 42 to each transfer transistor TR_a to d. Control signals VTX_a to d have at least two voltage levels. The transfer transistor TR is here an N-type MOS transistor. When a relatively high voltage control signal VTX is input, the transfer transistor TR is turned on. Thereby, the signal charge of the photodiode PD is transferred to the first FD node FD1. On the other hand, when a relatively low voltage control signal VTX is input, the transfer transistor TR is turned off. As a result, the photodiode PD and the first FD node FD1 become non-conductive. Note that non-conduction is not limited to the fact that no current flows; for example, the flow of leakage current is included in the range of non-conduction. The amplitude of the control signal VTX can be considered as the difference between the voltage (typically ground potential) applied to the well region of the photodiode PD and a reference voltage. That is, the amplitude of the control signal VTX when turning on the transfer transistor TR is expressed by the difference between the well potential of the photodiode PD and the relatively high voltage of the control signal VTX. On the other hand, the amplitude of the control signal VTX when turning off the transfer transistor TR is expressed by the difference between the well potential of the photodiode PD and the relatively low voltage of the control signal VTX. Note that although the reference voltage for this amplitude is the well potential of the photodiode PD, it can also be viewed from a different perspective. In other words, the voltage of the control signal VTX that turns off the transfer transistor TR can be considered as the reference voltage. In this case, the amplitude of the control signal VTX that turns on the transfer transistor TR is the difference between the voltage of the control signal VTX that turns on the transfer transistor TR and the voltage of the control signal VTX that turns off the transfer transistor TR.

なお、ここでは転送トランジスタTRがN型のMOSトランジスタであるとして説明した。上述したように、本明細書ではトランジスタの導電型を適宜変更することが可能である。当然、転送トランジスタTRもP型のMOSトランジスタとすることが可能である。転送トランジスタTRをP型のMOSトランジスタとした場合、制御信号VTXが相対的に低い電圧の場合に転送トランジスタTRがオンする。一方で、制御信号VTXが相対的に高い電圧の場合に転送トランジスタTRがオフする。この場合においても、基準電圧からの振幅として見た場合には、上述した関係と同様となる。つまり、フォトダイオードPDのウエル電位(典型的には3V程度の正の電圧)を基準電圧として見た場合、転送トランジスタTRをオンさせる制御信号VTXの振幅は転送トランジスタTRをオフさせる制御信号VTXの振幅(基準電圧との差)よりも大きくなる。また、基準電圧を、転送トランジスタTRをオフさせるときの制御信号TRの電位とした場合についても同様である。つまり、転送トランジスタTRをオンさせる時の制御信号VTXの振幅(基準電圧との差)は転送トランジスタTRをオフさせる時の制御信号VTXの振幅(基準電圧との差)よりも大きい。以下、特に断りのない限り、振幅については基準電圧との差として説明する。 Note that the description has been made here assuming that the transfer transistor TR is an N-type MOS transistor. As described above, in this specification, the conductivity type of the transistor can be changed as appropriate. Naturally, the transfer transistor TR can also be a P-type MOS transistor. When the transfer transistor TR is a P-type MOS transistor, the transfer transistor TR is turned on when the control signal VTX is at a relatively low voltage. On the other hand, when the control signal VTX is at a relatively high voltage, the transfer transistor TR is turned off. Even in this case, when viewed as an amplitude from the reference voltage, the relationship is similar to the above-described relationship. In other words, when looking at the well potential of the photodiode PD (typically a positive voltage of about 3V) as a reference voltage, the amplitude of the control signal VTX that turns on the transfer transistor TR is equal to the amplitude of the control signal VTX that turns off the transfer transistor TR. It becomes larger than the amplitude (difference from the reference voltage). The same applies to the case where the reference voltage is the potential of the control signal TR when turning off the transfer transistor TR. That is, the amplitude (difference from the reference voltage) of the control signal VTX when turning on the transfer transistor TR is larger than the amplitude (difference from the reference voltage) of the control signal VTX when turning off the transfer transistor TR. Hereinafter, unless otherwise specified, amplitude will be explained as a difference from a reference voltage.

本実施形態では、転送トランジスタTRをオンさせる場合の制御信号VTXの振幅を、リセットトランジスタRESの主ノードに与えられる電圧である電源電圧SVDDの振幅よりも大きくしている。転送トランジスタTRがN型のMOSトランジスタとして説明するが、転送トランジスタTRをオンさせる場合、制御信号VTXは5Vとしている。一方で、電源電圧SVDDは3Vとしている。つまり、フォトダイオードPDのウエル電位(接地電位)を基準電圧とした場合、転送トランジスタTRをオンさせる場合の制御信号VTXの方が、電源電圧SVDDよりも振幅が大きい。また、基準電圧を、転送トランジスタをオフさせる場合の制御信号VTXの電圧とした場合について述べる。転送トランジスタをオフさせる場合の制御信号VTXの電圧は、-1Vとしている。この転送トランジスタをオフさせる場合の制御信号VTXの電圧を基準電圧とした場合においても、転送トランジスタTRをオンさせる場合の制御信号VTXの方が、電源電圧SVDDよりも振幅が大きい。なお、転送トランジスタをオフさせる場合の制御信号VTXの電圧を-1Vとしたが、接地電位などの他の電圧としても良い。また、転送トランジスタTRをP型のMOSトランジスタとした場合についても上述したように、転送トランジスタTRをオンさせる場合の制御信号VTXの方が、電源電圧SVDDよりも振幅が大きい関係となる。 In this embodiment, the amplitude of the control signal VTX when turning on the transfer transistor TR is made larger than the amplitude of the power supply voltage SVDD, which is the voltage applied to the main node of the reset transistor RES. The description will be made assuming that the transfer transistor TR is an N-type MOS transistor, but when turning on the transfer transistor TR, the control signal VTX is set to 5V. On the other hand, the power supply voltage SVDD is set to 3V. That is, when the well potential (ground potential) of the photodiode PD is used as a reference voltage, the control signal VTX for turning on the transfer transistor TR has a larger amplitude than the power supply voltage SVDD. Further, a case will be described in which the reference voltage is the voltage of the control signal VTX when turning off the transfer transistor. The voltage of the control signal VTX when turning off the transfer transistor is −1V. Even when the voltage of the control signal VTX used to turn off the transfer transistor is set as a reference voltage, the control signal VTX used to turn on the transfer transistor TR has a larger amplitude than the power supply voltage SVDD. Note that although the voltage of the control signal VTX when turning off the transfer transistor is set to -1V, it may be set to another voltage such as a ground potential. Further, even when the transfer transistor TR is a P-type MOS transistor, as described above, the control signal VTX used to turn on the transfer transistor TR has a larger amplitude than the power supply voltage SVDD.

なお、ここでは制御信号VTXの取り得る値が2値であるとして説明したが、さらに多くの電圧値を取るようにしても良い。例えば、フォトダイオードPDが信号電荷を蓄積している期間に、フォトダイオードPDから第1FDノードFD1に信号電荷をオーバーフローさせることが考えられる。この場合、当該期間において制御信号VTXを転送トランジスタTRのオンレベルとオフレベルの間で調整するようにしても良い。 Note that although the explanation has been made here assuming that the possible values of the control signal VTX are binary, the control signal VTX may take more voltage values. For example, it is possible to cause signal charges to overflow from the photodiode PD to the first FD node FD1 during a period when the photodiode PD is accumulating signal charges. In this case, the control signal VTX may be adjusted between the on level and the off level of the transfer transistor TR during the period.

なお、電源線(SVDD)と増幅トランジスタAMPとの間に設けられていてもよい。この場合、リセットトランジスタRESのドレインが電源線(SVDD)および選択トランジスタSELのドレインに電気的に接続されている。選択トランジスタSELのソースが増幅トランジスタAMPのドレインに電気的に接続されており、選択トランジスタSELのゲートが画素駆動線24(図1参照)に電気的に接続されている。増幅トランジスタAMPのソース(読み出し回路22の出力端)が画素出力線25に電気的に接続されており、増幅トランジスタAMPのゲートがリセットトランジスタRESのソースに電気的に接続されている。また、リセットトランジスタRESと第2FDノードFD2の間の電気的経路にFDの容量値を変更するためのトランジスタをさらに備えても良い。 Note that it may be provided between the power supply line (SVDD) and the amplification transistor AMP. In this case, the drain of the reset transistor RES is electrically connected to the power supply line (SVDD) and the drain of the selection transistor SEL. The source of the selection transistor SEL is electrically connected to the drain of the amplification transistor AMP, and the gate of the selection transistor SEL is electrically connected to the pixel drive line 24 (see FIG. 1). The source of the amplification transistor AMP (output end of the readout circuit 22) is electrically connected to the pixel output line 25, and the gate of the amplification transistor AMP is electrically connected to the source of the reset transistor RES. Furthermore, a transistor for changing the capacitance value of the FD may be further provided in the electrical path between the reset transistor RES and the second FD node FD2.

図3は本実施形態の光電変換装置の断面図である。この断面図は、第1部品10、第2部品20、第3部品30において、フォトダイオードPD、転送トランジスタTRのゲートを通る線の断面を示している。半導体領域101はフォトダイオードPDである。つまい、半導体領域101は、入射光に応じて信号電荷(本実施形態では電子)を生成し、蓄積する光電変換領域である。また、半導体領域101はN型の不純物領域である。図2では、4つのセンサ部12が1つの増幅トランジスタAMPに接続されている構成を示した。この図3の断面図では、4つのセンサ部12のうち、1つの断面に現れる2つのセンサ部12を示している。 FIG. 3 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion device of this embodiment. This cross-sectional view shows a cross section of a line passing through the photodiode PD and the gate of the transfer transistor TR in the first component 10, the second component 20, and the third component 30. The semiconductor region 101 is a photodiode PD. In other words, the semiconductor region 101 is a photoelectric conversion region that generates and accumulates signal charges (electrons in this embodiment) according to incident light. Furthermore, the semiconductor region 101 is an N-type impurity region. FIG. 2 shows a configuration in which four sensor sections 12 are connected to one amplification transistor AMP. The cross-sectional view of FIG. 3 shows two sensor parts 12 that appear in one cross section among the four sensor parts 12.

転送トランジスタTRの転送ゲート111は、半導体領域101と第1FDノードFD1の領域である半導体領域121(第1半導体領域)との間の導通を制御する。半導体領域121はN型の半導体領域である。画素分離部201は、複数の半導体領域101の間に12の間に設けられており、複数の半導体領域101を電気的に分離している。画素分離部201は、シリコン酸化物等の絶縁部を含んで構成されていても良いし、ポテンシャル障壁を形成する半導体領域であっても良い。典型的には、フォトダイオードPDが蓄積する信号電荷とは反対の極性の電荷を主たるキャリアとする半導体領域である。画素分離部201と半導体領域101との間には画素分離層211が設けられている。画素分離層211は、特に画素分離部201が絶縁部で設けられている場合、暗電流を低減する役割を持つ。第1FDノードFD1である半導体領域121と増幅トランジスタAMPのゲート141は導電体205を介して接続される。導電体205はタングステン、銅などの金属を主に含んで構成される。導電体205は、半導体基板21を分離する絶縁体251を貫通して形成されている。絶縁体251は、複数の読み出し回路22を互いに電気的に分離する。また、絶縁体251は半導体基板21の第3面から第4面まで貫通して設けられている。 The transfer gate 111 of the transfer transistor TR controls conduction between the semiconductor region 101 and the semiconductor region 121 (first semiconductor region) which is the region of the first FD node FD1. The semiconductor region 121 is an N-type semiconductor region. The pixel isolation section 201 is provided between the plurality of semiconductor regions 101 and electrically isolates the plurality of semiconductor regions 101. The pixel isolation section 201 may include an insulating section such as silicon oxide, or may be a semiconductor region forming a potential barrier. Typically, it is a semiconductor region whose main carriers are charges of opposite polarity to the signal charges accumulated by the photodiode PD. A pixel isolation layer 211 is provided between the pixel isolation section 201 and the semiconductor region 101. The pixel separation layer 211 has a role of reducing dark current, especially when the pixel separation section 201 is provided as an insulating section. The semiconductor region 121, which is the first FD node FD1, and the gate 141 of the amplification transistor AMP are connected via a conductor 205. The conductor 205 mainly contains metal such as tungsten and copper. The conductor 205 is formed to penetrate an insulator 251 that separates the semiconductor substrate 21 . The insulator 251 electrically isolates the plurality of readout circuits 22 from each other. Further, the insulator 251 is provided to penetrate the semiconductor substrate 21 from the third surface to the fourth surface.

半導体基板14は入射面側の第1面F1と、第1面に対向する第2面F2を備える。半導体領域221は半導体領域101の第1面F1の側(入射面側)の領域に設けられたP型の半導体領域である。固定電荷膜231は半導体基板14の第1面F1の上に設けられている。半導体領域221、固定電荷膜231により、半導体領域101に入る暗電流を低減している。 The semiconductor substrate 14 includes a first surface F1 on the incident surface side and a second surface F2 opposite to the first surface. The semiconductor region 221 is a P-type semiconductor region provided in a region on the first surface F1 side (incident surface side) of the semiconductor region 101. The fixed charge film 231 is provided on the first surface F1 of the semiconductor substrate 14. Dark current entering the semiconductor region 101 is reduced by the semiconductor region 221 and the fixed charge film 231.

マイクロレンズMLは、半導体領域101に光を導く。マイクロレンズMLと固定電荷膜231との間には平坦化層241が設けられている。なお、複数のセンサ部12の各々にさらにカラーフィルタを設けて色分離を行うようにしても良い。 Microlens ML guides light to semiconductor region 101. A planarization layer 241 is provided between the microlens ML and the fixed charge film 231. Note that each of the plurality of sensor sections 12 may further be provided with a color filter to perform color separation.

第1部品100、第2部品200,第3部品300は積層されている。第2部品200は、第1部品100と第3部品300との間に設けられている。第3部品300の半導体基板31には、トランジスタ301が設けられている。接続部311を介して、第2部品20と第3部品30は電気的に接続されている。接続部311は金属で形成される。典型的には接続部311は銅を主に含む。また、接続部311は銅の拡散を抑制するためのバリアメタル(チタン、ニッケルなど)をさらに含んで形成される。 The first part 100, the second part 200, and the third part 300 are stacked. The second component 200 is provided between the first component 100 and the third component 300. A transistor 301 is provided on the semiconductor substrate 31 of the third component 300. The second component 20 and the third component 30 are electrically connected via the connecting portion 311 . The connecting portion 311 is made of metal. Typically, the connection portion 311 mainly contains copper. Further, the connecting portion 311 is formed to further include a barrier metal (titanium, nickel, etc.) for suppressing copper diffusion.

図4は、図2、図3の示した光電変換装置において、図3に示した第1部品10の第2面F2を第2部品21の側から見た平面図と、第2部品20について第3部品30の側から見た平面図を合わせて示した図である。 FIG. 4 is a plan view of the second surface F2 of the first component 10 shown in FIG. 7 is a diagram also showing a plan view of the third component 30 as seen from the side. FIG.

図4において、図2、図3に示した部材と同じ機能を有する部材は、図2、図3で示した符号と同じ符号を示している。フォトダイオードPDである4つの半導体領域101の各々に転送ゲート111_a~dが1つずつ対応して設けられている。2つの転送ゲート111_a、111_cが対向して設けられている。また、2つの転送ゲート111_b、111_dが対向して設けられている。転送ゲート111_a~dのそれぞれに対応して第1FDノードFD1である半導体領域121が設けられている。 In FIG. 4, members having the same functions as those shown in FIGS. 2 and 3 are designated by the same reference numerals as those shown in FIGS. 2 and 3. One transfer gate 111_a to 111_d is provided corresponding to each of the four semiconductor regions 101 that are photodiodes PD. Two transfer gates 111_a and 111_c are provided facing each other. Furthermore, two transfer gates 111_b and 111_d are provided facing each other. A semiconductor region 121, which is a first FD node FD1, is provided corresponding to each of the transfer gates 111_a to 111_d.

また、第1部品10の半導体基板14のウエル領域に所定の電位(典型的には接地電位)を与えるウエルコンタクト261が設けられている。このウエル領域に与えられる電圧は、フォトダイオードPDのウエル領域に与えられる電圧である。フォトダイオードPDは、このウエル領域の内部に設けられている。 Further, a well contact 261 is provided to apply a predetermined potential (typically a ground potential) to the well region of the semiconductor substrate 14 of the first component 10. The voltage applied to this well region is the voltage applied to the well region of photodiode PD. Photodiode PD is provided inside this well region.

第2部品20の半導体基板21には、増幅トランジスタAMPのゲート141、選択トランジスタSELのゲート151が設けられている。また、リセットトランジスタRESのゲート131が設けられている。また、第2部品20の半導体基板21のウエル領域に所定の電位(典型的には接地電位)を与えるウエルコンタクトが設けられている。 The semiconductor substrate 21 of the second component 20 is provided with a gate 141 of the amplification transistor AMP and a gate 151 of the selection transistor SEL. Further, a gate 131 of a reset transistor RES is provided. Further, a well contact is provided to apply a predetermined potential (typically a ground potential) to the well region of the semiconductor substrate 21 of the second component 20.

図5は、第1部品10の半導体基板14と、第2部品20の半導体基板21の断面図である。半導体基板14の第2面F2と転送ゲート111の間にはゲート絶縁膜G1(第1ゲート絶縁膜)が設けられている。また、半導体基板21は第3面F3と、第3面F3に対向する第4面F4を有する。半導体基板21の第3面F3と増幅トランジスタAMPのゲート141との間にゲート絶縁膜G2(第2ゲート絶縁膜)が設けられている。また、半導体基板21の第3面F3とリセットトランジスタRESのゲートとの間にも同様に、ゲート絶縁膜G2(第2ゲート絶縁膜)が設けられている。また、半導体基板21の第3面F3と選択トランジスタSELのゲートとの間にも同様に、ゲート絶縁膜G2(第2ゲート絶縁膜)が設けられている。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor substrate 14 of the first component 10 and the semiconductor substrate 21 of the second component 20. A gate insulating film G1 (first gate insulating film) is provided between the second surface F2 of the semiconductor substrate 14 and the transfer gate 111. Further, the semiconductor substrate 21 has a third surface F3 and a fourth surface F4 opposite to the third surface F3. A gate insulating film G2 (second gate insulating film) is provided between the third surface F3 of the semiconductor substrate 21 and the gate 141 of the amplification transistor AMP. Further, a gate insulating film G2 (second gate insulating film) is similarly provided between the third surface F3 of the semiconductor substrate 21 and the gate of the reset transistor RES. Further, a gate insulating film G2 (second gate insulating film) is similarly provided between the third surface F3 of the semiconductor substrate 21 and the gate of the selection transistor SEL.

ゲート絶縁膜G1、G2のそれぞれは、典型的にはシリコンと酸素を主に含む膜、あるいはシリコンと窒素を主に含む膜である。つまり、ゲート絶縁膜G1、G2のそれぞれはシリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜で有り得る。 Each of the gate insulating films G1 and G2 is typically a film mainly containing silicon and oxygen, or a film mainly containing silicon and nitrogen. That is, each of the gate insulating films G1 and G2 can be a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or a silicon nitride film.

本実施形態では、ゲート絶縁膜G1、G2の膜厚は互いに略等しくしている。この「略等しい」の意味するところは、製造上のばらつきで生じる誤差により生じる膜厚のばらつきを許容するものである。このゲート絶縁膜G1、G2の膜厚は、転送トランジスタTRに求められるゲート耐圧に基づいて決定されている。 In this embodiment, the film thicknesses of the gate insulating films G1 and G2 are made substantially equal to each other. What is meant by "substantially equal" is to allow variations in film thickness caused by errors caused by manufacturing variations. The film thicknesses of the gate insulating films G1 and G2 are determined based on the gate breakdown voltage required for the transfer transistor TR.

本実施形態では、転送トランジスタTRをオンさせる場合の制御信号VTXの振幅を、リセットトランジスタRESの主ノードに与えられる電圧である電源電圧SVDDの振幅よりも大きくしている。この効果について説明する。 In this embodiment, the amplitude of the control signal VTX when turning on the transfer transistor TR is made larger than the amplitude of the power supply voltage SVDD, which is the voltage applied to the main node of the reset transistor RES. This effect will be explained.

図6は、横軸を半導体領域121からの距離とし、縦軸にフォトダイオードPDが蓄積する信号電荷(ここでは電子)に対するポテンシャルを記載している。 In FIG. 6, the horizontal axis represents the distance from the semiconductor region 121, and the vertical axis represents the potential with respect to the signal charge (here, electrons) accumulated by the photodiode PD.

ポテンシャル曲線E1は、電源電圧SVDDを5Vとした場合とした曲線である。つまり、フローティングディフージョンFDが5VからリセットトランジスタRESの閾値分を引いた電圧でリセットされる場合である。フォトダイオードPDについても、このフローティングディフージョンFDのリセット電圧に対応する電圧にリセットされる。一方で、ポテンシャル曲線E2は、電源電圧SVDDを3Vとした場合とした曲線である。つまり、フローティングディフージョンFDが3VからリセットトランジスタRESの閾値分を引いた電圧でリセットされる場合である。フォトダイオードPDについても、このフローティングディフージョンFDのリセット電圧に対応する電圧にリセットされる。電源電圧SVDDを低くすると、フォトダイオードPDのポテンシャルが上がり、ポテンシャル曲線はE2のようになる。また、電源電圧SVDDの低電圧化に伴い、転送トランジスタTRの転送特性が低下する。このため、フォトダイオードPDの不純物濃度をさらに下げることが考えられる。この場合にはさらに半導体領域101のポテンシャル曲線は上がり、曲線E3のようになる。 The potential curve E1 is a curve obtained when the power supply voltage SVDD is 5V. That is, this is a case where the floating diffusion FD is reset by a voltage obtained by subtracting the threshold value of the reset transistor RES from 5V. The photodiode PD is also reset to a voltage corresponding to the reset voltage of the floating diffusion FD. On the other hand, the potential curve E2 is a curve obtained when the power supply voltage SVDD is 3V. That is, this is a case where the floating diffusion FD is reset with a voltage obtained by subtracting the threshold value of the reset transistor RES from 3V. The photodiode PD is also reset to a voltage corresponding to the reset voltage of the floating diffusion FD. When the power supply voltage SVDD is lowered, the potential of the photodiode PD increases, and the potential curve becomes like E2. Furthermore, as the power supply voltage SVDD becomes lower, the transfer characteristics of the transfer transistor TR deteriorate. Therefore, it is conceivable to further reduce the impurity concentration of the photodiode PD. In this case, the potential curve of the semiconductor region 101 further rises to become a curve E3.

この結果、電源電圧SVDDの低電圧化によりフォトダイオードPDの飽和電荷量はポテンシャル領域P1の量から、ポテンシャル領域P2の量まで減少することになる。よって、電源電圧の低電圧化と、フォトダイオードPDの飽和電荷量の両立が課題となる。 As a result, as the power supply voltage SVDD is lowered, the saturated charge amount of the photodiode PD decreases from the amount in the potential region P1 to the amount in the potential region P2. Therefore, the challenge is to achieve both a reduction in the power supply voltage and a saturation charge amount of the photodiode PD.

本実施形態では、転送トランジスタTRをオンさせる場合の制御信号VTXの振幅を、リセットトランジスタRESの主ノードに与えられる電圧である電源電圧SVDDの振幅よりも大きくしている。この形態によるポテンシャル曲線を図7に示す。 In this embodiment, the amplitude of the control signal VTX when turning on the transfer transistor TR is made larger than the amplitude of the power supply voltage SVDD, which is the voltage applied to the main node of the reset transistor RES. A potential curve according to this configuration is shown in FIG.

ポテンシャル領域P1は、図6と同じである。本実施形態によるポテンシャル曲線を曲線E4として示している。転送トランジスタTRをオンさせる場合の制御信号VTXの振幅を、リセットトランジスタRESの主ノードに与えられる電圧である電源電圧SVDDの振幅よりも大きくしている。これにより、転送ゲート111の下部のポテンシャル障壁を、電源電圧SVDDを低下させた場合においても十分な障壁として確保することができる。よって、曲線E4の場合においてもポテンシャル領域P3として十分な飽和電荷量を有している。図7の形態では、ポテンシャル領域P1、ポテンシャル領域P3の飽和電荷量は略同等のレベルにある。これにより、本実施形態の光電変換装置は、電源電圧の低電圧化とフォトダイオードPDの高い飽和電荷量との両立を実現することができる。 The potential region P1 is the same as in FIG. The potential curve according to this embodiment is shown as a curve E4. The amplitude of the control signal VTX when turning on the transfer transistor TR is made larger than the amplitude of the power supply voltage SVDD, which is the voltage applied to the main node of the reset transistor RES. Thereby, the potential barrier below the transfer gate 111 can be ensured as a sufficient barrier even when the power supply voltage SVDD is lowered. Therefore, even in the case of curve E4, the potential region P3 has a sufficient amount of saturated charge. In the form of FIG. 7, the saturation charge amounts in the potential region P1 and the potential region P3 are at approximately the same level. Thereby, the photoelectric conversion device of this embodiment can achieve both a low power supply voltage and a high saturation charge amount of the photodiode PD.

なお、本実施形態では、転送トランジスタTRに求められるゲート耐圧に基づいてゲート絶縁膜G1、G2の膜厚を共通に設定している。つまり、転送トランジスタTRのゲート絶縁膜G1と、第2部品20のトランジスタである増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES、選択トランジスタSELのゲート絶縁膜G2の膜厚を共通に設定している。これにより、第2部品20が備えるトランジスタについても十分なゲート耐圧を得ることが可能である。 Note that in this embodiment, the film thicknesses of the gate insulating films G1 and G2 are set to be the same based on the gate breakdown voltage required for the transfer transistor TR. That is, the gate insulating film G1 of the transfer transistor TR and the gate insulating film G2 of the amplification transistor AMP, reset transistor RES, and selection transistor SEL, which are transistors of the second component 20, are set to have the same thickness. Thereby, it is possible to obtain sufficient gate breakdown voltage for the transistor included in the second component 20 as well.

なお、ゲート絶縁膜G1、G2の膜厚を異ならせることも可能である。増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES、選択トランジスタSELのゲート耐圧は、電源電圧SVDDよりも大きい振幅の制御信号VTXが与えられる転送トランジスタTXよりも低いレベルで良い。よって、転送トランジスタTRのゲート絶縁膜G1よりも、第2部品20のトランジスタのゲート絶縁膜G2を薄くすることができる。 Note that it is also possible to make the film thicknesses of the gate insulating films G1 and G2 different. The gate breakdown voltages of the amplification transistor AMP, the reset transistor RES, and the selection transistor SEL may be at a level lower than that of the transfer transistor TX to which a control signal VTX having an amplitude larger than the power supply voltage SVDD is applied. Therefore, the gate insulating film G2 of the transistor of the second component 20 can be made thinner than the gate insulating film G1 of the transfer transistor TR.

なお、本実施形態では、4つのフォトダイオードPDが1つの第2FDノードFD2を共有する形態を説明したが、この形態に限定されるものではない。つまり、さらに多くのフォトダイオードPDが1つの第2FDノードFD2を共有していても良い。 Note that, in this embodiment, a mode in which four photodiodes PD share one second FD node FD2 has been described, but the present invention is not limited to this mode. In other words, more photodiodes PD may share one second FD node FD2.

また、図8に示すように、1つのフォトダイオードPDが1つの第2FDノードFD2に接続されるようにしてもよい。図8に示した構成は、1つのフォトダイオードPDが1つの第2FDノードFD2である増幅トランジスタAMPのゲート141に接続されている。図8では、図3に示した各部材と同じ機能を有する部材と同じ符号を各部材に付しており、説明を省略する。 Further, as shown in FIG. 8, one photodiode PD may be connected to one second FD node FD2. In the configuration shown in FIG. 8, one photodiode PD is connected to the gate 141 of the amplification transistor AMP, which is one second FD node FD2. In FIG. 8, each member is given the same reference numeral as the member having the same function as each member shown in FIG. 3, and the explanation thereof will be omitted.

図9は、図8に示した1つのフォトダイオードPDが1つの第2FDノードFD2に接続された構成の平面図である。この平面図は、図4と同じく、第1部品10の第2面F2を第2部品21の側から見た平面図と、第2部品20について第3部品30の側から見た平面図を合わせて示した図である。 FIG. 9 is a plan view of a configuration in which one photodiode PD shown in FIG. 8 is connected to one second FD node FD2. Similar to FIG. 4, this plan view includes a plan view of the second surface F2 of the first component 10 viewed from the second component 21 side, and a plan view of the second component 20 viewed from the third component 30 side. It is a figure shown together.

図9において、図4に示した部材と同じ機能を有する部材は、図4で示した符号と同じ符号を示している。フォトダイオードPDである1つの半導体領域101に転送ゲート111が設けられている。1つの読み出し回路22の増幅トランジスタAMPのゲート141に、1つの半導体領域101および1つの第1FDノードFD1である半導体領域121に接続されている。 In FIG. 9, members having the same functions as those shown in FIG. 4 are designated by the same reference numerals as those shown in FIG. A transfer gate 111 is provided in one semiconductor region 101 that is a photodiode PD. The gate 141 of the amplification transistor AMP of one readout circuit 22 is connected to one semiconductor region 101 and one semiconductor region 121 that is the first FD node FD1.

この構成においても、本実施形態で述べた、転送トランジスタTRをオンさせる場合の制御信号VTXの振幅を、増幅トランジスタAMPの主ノードに与えられる電圧である電源電圧SVDDの振幅よりも大きくする形態を適用することができる。これにより、本実施形態で述べた効果を同様に得ることができる。 Also in this configuration, as described in this embodiment, the amplitude of the control signal VTX when turning on the transfer transistor TR is made larger than the amplitude of the power supply voltage SVDD, which is the voltage applied to the main node of the amplification transistor AMP. Can be applied. Thereby, the effects described in this embodiment can be similarly obtained.

また、本実施形態では増幅トランジスタAMPの主ノードと、リセットトランジスタRESの主ノードに与えられる電圧は、ともに同じ電源電圧SVDDとしていたが、この例に限定されるものではない。つまり、増幅トランジスタAMPの主ノードと、リセットトランジスタRESの主ノードは互いに異なる電源電圧が与えられていても良い。この場合、リセットトランジスタRESの主ノードの第1電源電圧と、増幅トランジスタAMPの主ノードの第2電源電圧の少なくとも一方よりも大きい振幅の制御信号VTXが転送トランジスタTRのオンの場合に与えられれば良い。その中でもリセットトランジスタRESの主ノードに与えられる第1電源電圧よりも大きい振幅の制御信号VTXを転送トランジスタTRのオンの場合に与えるようにする場合、特にフォトダイオードPDの飽和電荷量の低下を抑制できる点で好ましい。 Further, in this embodiment, the voltages applied to the main node of the amplification transistor AMP and the main node of the reset transistor RES are both the same power supply voltage SVDD, but the voltage is not limited to this example. In other words, different power supply voltages may be applied to the main node of the amplification transistor AMP and the main node of the reset transistor RES. In this case, if a control signal VTX having an amplitude larger than at least one of the first power supply voltage of the main node of the reset transistor RES and the second power supply voltage of the main node of the amplification transistor AMP is applied when the transfer transistor TR is on, good. Among these, when the control signal VTX with a larger amplitude than the first power supply voltage applied to the main node of the reset transistor RES is applied when the transfer transistor TR is on, a decrease in the saturation charge amount of the photodiode PD is particularly suppressed. This is preferable because it can be done.

<第2実施形態>
本実施形態では、ゲート絶縁膜G1、ゲート絶縁膜G2の誘電率を互いに異ならせる。
<Second embodiment>
In this embodiment, the gate insulating film G1 and the gate insulating film G2 have different dielectric constants.

本実施形態の光電変換装置の構成は、第1実施形態と同様とすることができる。 The configuration of the photoelectric conversion device of this embodiment can be the same as that of the first embodiment.

以下、第1実施形態で説明した図5を基に説明する。 The following description will be made based on FIG. 5 described in the first embodiment.

図5は、第1部品10の半導体基板14と、第2部品20の半導体基板21の断面図である。半導体基板14の第2面F2と転送ゲート111の間にはゲート絶縁膜G1(第1ゲート絶縁膜)が設けられている。また、半導体基板21は第3面F3と、第3面F3に対向する第4面F4を有する。半導体基板21の第3面F3と増幅トランジスタAMPのゲート141との間にゲート絶縁膜G2(第2ゲート絶縁膜)が設けられている。なお、第1実施形態と同じく、選択トランジスタSELのゲートおよびリセットトランジスタRESのゲートのそれぞれと、半導体基板21の第3面F3との間にも同じくゲート絶縁膜G2が設けられている。ゲート絶縁膜G1、G2のそれぞれは、典型的にはシリコンと酸素を主に含む膜、あるいはシリコンと窒素を主に含む膜である。つまり、ゲート絶縁膜G1、G2のそれぞれはシリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜で有り得る。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor substrate 14 of the first component 10 and the semiconductor substrate 21 of the second component 20. A gate insulating film G1 (first gate insulating film) is provided between the second surface F2 of the semiconductor substrate 14 and the transfer gate 111. Further, the semiconductor substrate 21 has a third surface F3 and a fourth surface F4 opposite to the third surface F3. A gate insulating film G2 (second gate insulating film) is provided between the third surface F3 of the semiconductor substrate 21 and the gate 141 of the amplification transistor AMP. Note that, as in the first embodiment, a gate insulating film G2 is also provided between each of the gate of the selection transistor SEL and the gate of the reset transistor RES and the third surface F3 of the semiconductor substrate 21. Each of the gate insulating films G1 and G2 is typically a film mainly containing silicon and oxygen, or a film mainly containing silicon and nitrogen. That is, each of the gate insulating films G1 and G2 can be a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or a silicon nitride film.

本実施形態では、ゲート絶縁膜G1、G2の比誘電率を互いに異ならせている。一方で、ゲート絶縁膜G1、G2の膜厚は互いに略等しくしている。この「略等しい」の意味するところは、製造上のばらつきで生じる誤差により生じる膜厚のばらつきを許容するものである。また、本実施形態では、ゲート絶縁膜G2の比誘電率をゲート絶縁膜G1の比誘電率よりも高くする。これにより、増幅トランジスタAMPの駆動力を向上させることができる。一方、ゲート絶縁膜G1の比誘電率をゲート絶縁膜G2の比誘電率よりも低くすることによって、転送ゲート下の半導体領域で強電界が形成されるのを抑制する。これにより、転送ゲート近傍で生じるリーク電流を低減できるため、ノイズを低減させることができる。転送ゲート111による転送効率を向上させることができる。ゲート絶縁膜G1、G2の比誘電率は、例えば窒素の濃度を異ならせることによって異ならせることができる。つまり、ゲート絶縁膜の比誘電率を高くするには、窒素濃度を高くする。よって、本実施形態においては、ゲート絶縁膜G1に含まれる窒素濃度がゲート絶縁膜G2に含まれる窒素濃度よりも高くすることによって、ゲート絶縁膜の比誘電率を異ならせることができる。この例の場合、ゲート絶縁膜G1はシリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜とし、ゲート絶縁膜G2はシリコン酸化膜とすることもできる。 In this embodiment, the gate insulating films G1 and G2 have different dielectric constants. On the other hand, the film thicknesses of the gate insulating films G1 and G2 are made substantially equal to each other. What is meant by "substantially equal" is to allow variations in film thickness caused by errors caused by manufacturing variations. Further, in this embodiment, the dielectric constant of the gate insulating film G2 is made higher than that of the gate insulating film G1. Thereby, the driving force of the amplification transistor AMP can be improved. On the other hand, by making the relative permittivity of the gate insulating film G1 lower than the relative permittivity of the gate insulating film G2, formation of a strong electric field in the semiconductor region under the transfer gate is suppressed. This makes it possible to reduce leakage current generated near the transfer gate, thereby reducing noise. Transfer efficiency by the transfer gate 111 can be improved. The dielectric constants of the gate insulating films G1 and G2 can be varied by, for example, varying the concentration of nitrogen. That is, in order to increase the dielectric constant of the gate insulating film, the nitrogen concentration is increased. Therefore, in this embodiment, by making the nitrogen concentration contained in the gate insulating film G1 higher than the nitrogen concentration contained in the gate insulating film G2, the dielectric constants of the gate insulating films can be made different. In this example, the gate insulating film G1 may be a silicon oxynitride film or a silicon nitride film, and the gate insulating film G2 may be a silicon oxide film.

また、窒素濃度を異ならせる方法とは別の方法によってゲート絶縁膜の比誘電率を異ならせても良い。例えば、ゲート絶縁膜G1、G2が含む元素を同じとし、膜密度を異ならせるようにしても良い。ゲート絶縁膜の膜密度を小さくすることにより、比誘電率は下がる。よって、ゲート絶縁膜G1の膜密度を、ゲート絶縁膜G2の膜密度よりも小さくする。これにより、ゲート絶縁膜G2の比誘電率をゲート絶縁膜G1の比誘電率よりも高くする。また、ゲート絶縁膜G1、G2の膜密度を異ならせたうえで、窒素濃度を異ならせるようにしても良い。膜密度および窒素濃度を異ならせて、ゲート絶縁膜G2の比誘電率をゲート絶縁膜G1の比誘電率よりも大きくするようにしても良い。この場合、膜密度をゲート絶縁膜G1よりもゲート絶縁膜G2の方を小さくするが、ゲート絶縁膜G2に含まれる窒素濃度がゲート絶縁膜G1に含まれる窒素濃度よりも高くする。これにより、ゲート絶縁膜G2の比誘電率をゲート絶縁膜G1の比誘電率よりも大きくすることができる。また、ゲート絶縁膜G1に含まれる窒素濃度がゲート絶縁膜G2に含まれる窒素濃度よりも高いが、膜密度をゲート絶縁膜G1よりもゲート絶縁膜G2の方を高くする。これにより、ゲート絶縁膜G2の比誘電率をゲート絶縁膜G1の比誘電率よりも大きくすることができる。 Further, the dielectric constant of the gate insulating film may be varied by a method other than the method of varying the nitrogen concentration. For example, the gate insulating films G1 and G2 may contain the same element but have different film densities. By reducing the film density of the gate insulating film, the relative permittivity decreases. Therefore, the film density of the gate insulating film G1 is made smaller than the film density of the gate insulating film G2. This makes the dielectric constant of the gate insulating film G2 higher than that of the gate insulating film G1. Furthermore, the film densities of the gate insulating films G1 and G2 may be made different, and the nitrogen concentrations may also be made different. The relative dielectric constant of the gate insulating film G2 may be made larger than that of the gate insulating film G1 by varying the film density and nitrogen concentration. In this case, the film density of the gate insulating film G2 is made smaller than that of the gate insulating film G1, but the nitrogen concentration contained in the gate insulating film G2 is made higher than the nitrogen concentration contained in the gate insulating film G1. Thereby, the relative permittivity of the gate insulating film G2 can be made larger than the relative permittivity of the gate insulating film G1. Further, although the nitrogen concentration contained in the gate insulating film G1 is higher than the nitrogen concentration contained in the gate insulating film G2, the film density is made higher in the gate insulating film G2 than in the gate insulating film G1. Thereby, the relative permittivity of the gate insulating film G2 can be made larger than the relative permittivity of the gate insulating film G1.

本実施形態は、転送トランジスタTRと、増幅トランジスタAMPは別の半導体基板に設けられている。これにより、ゲート絶縁膜G1、G2の比誘電率を異ならせることができる。本実施形態では、ゲート絶縁膜G1の比誘電率をゲート絶縁膜G2の比誘電率よりも低くしている。これにより、増幅トランジスタAMPの駆動力の増加と、転送ゲート111のノイズ低減とを両立して得ることができる。 In this embodiment, the transfer transistor TR and the amplification transistor AMP are provided on different semiconductor substrates. This allows the gate insulating films G1 and G2 to have different dielectric constants. In this embodiment, the dielectric constant of the gate insulating film G1 is lower than that of the gate insulating film G2. Thereby, it is possible to both increase the driving force of the amplification transistor AMP and reduce the noise of the transfer gate 111.

なお、本実施形態では、4つのフォトダイオードPDが1つの第2FDノードFD2を共有する形態を説明したが、この形態に限定されるものではない。つまり、さらに多くのフォトダイオードPDが1つの第2FDノードFD2を共有していても良い。 Note that, in this embodiment, a mode in which four photodiodes PD share one second FD node FD2 has been described, but the present invention is not limited to this mode. In other words, more photodiodes PD may share one second FD node FD2.

また、図8、図9に示したように、1つの第2FDノードFD2に1つのみのフォトダイオードPDが接続されるようにしてもよい。この構成においても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。 Further, as shown in FIGS. 8 and 9, only one photodiode PD may be connected to one second FD node FD2. Also in this configuration, the same effects as in this embodiment can be obtained.

<第3実施形態>
本実施形態の光電変換装置について、第2実施形態と異なる点を中心に説明する。
<Third embodiment>
The photoelectric conversion device of this embodiment will be described focusing on the differences from the second embodiment.

本実施形態の光電変換装置の断面図として図10を示す。本実施形態の光電変換装置は、図2~4で示した構成と同様とすることができる。なお、図8、図9の光電変換装置の構成にも適用することができる。 FIG. 10 is shown as a cross-sectional view of the photoelectric conversion device of this embodiment. The photoelectric conversion device of this embodiment can have a configuration similar to that shown in FIGS. 2 to 4. Note that the present invention can also be applied to the configurations of the photoelectric conversion devices shown in FIGS. 8 and 9.

図10では、図5に示した部材と同じ機能を有する部材について、図5で付した符号と同じ符号を図10に付している。 In FIG. 10, members having the same functions as those shown in FIG. 5 are given the same reference numerals as those shown in FIG. 5.

本実施形態の光電変換装置は、転送ゲート111を覆う保護膜(第1保護膜)と、増幅トランジスタAMPのゲート141を覆う保護膜(第2保護膜)の膜厚を異ならせている。転送ゲート111を覆う保護膜411(第1保護膜)の膜厚T1aを、増幅トランジスタAMPのゲート141を覆う保護膜412(第2保護膜)の膜厚T2aよりも大きくしている。保護膜411、412のそれぞれは、典型的にはシリコンと窒素を主に含む膜である。典型的にはシリコン窒化膜である。保護膜411は、導電体205を貫通させる際のエッチングストップ膜として機能する。導電体205は、第2部品20が備える絶縁膜L1、半導体基板21の間に設けられている絶縁体251、第1部品10が備える絶縁膜L2を貫通するプロセスを必要とする。よって、保護膜411を保護膜412よりも厚くすることによって、半導体領域121にダメージを与えにくくする効果を得ることができる。 In the photoelectric conversion device of this embodiment, the protective film (first protective film) that covers the transfer gate 111 and the protective film (second protective film) that covers the gate 141 of the amplification transistor AMP are made to have different thicknesses. The film thickness T1a of the protective film 411 (first protective film) covering the transfer gate 111 is made larger than the film thickness T2a of the protective film 412 (second protective film) covering the gate 141 of the amplification transistor AMP. Each of the protective films 411 and 412 is typically a film mainly containing silicon and nitrogen. Typically, it is a silicon nitride film. The protective film 411 functions as an etching stop film when the conductor 205 is passed through. The conductor 205 requires a process of penetrating the insulating film L1 of the second component 20, the insulator 251 provided between the semiconductor substrate 21, and the insulating film L2 of the first component 10. Therefore, by making the protective film 411 thicker than the protective film 412, it is possible to obtain the effect of making it difficult to damage the semiconductor region 121.

なお、本実施形態においても第1実施形態と同様にゲート絶縁膜G1、G2の比誘電率を異ならせている。これにより、第1実施形態で得られる効果を本実施形態においても得ることができる。 Note that in this embodiment as well, the gate insulating films G1 and G2 have different dielectric constants, similar to the first embodiment. Thereby, the effects obtained in the first embodiment can also be obtained in this embodiment.

<第4実施形態>
本実施形態は第1~3実施形態のいずれにも適用可能である。図11(a)は本実施形態の半導体装置930を備えた機器9191を説明する模式図である。半導体装置930には上記した各実施形態の光電変換装置(撮像装置)を用いることができる。半導体装置930を備える機器9191について詳細に説明する。半導体装置930は、上述のように、半導体層10を有する半導体デバイス910のほかに、半導体デバイス910を収容するパッケージ920を含むことができる。パッケージ920は、半導体デバイス910が固定された基体と、半導体デバイス910に対向するガラスなどの蓋体と、を含むことができる。パッケージ920は、さらに、基体に設けられた端子と半導体デバイス910に設けられた端子とを接続するボンディングワイヤやバンプなどの接合部材を含むことができる。
<Fourth embodiment>
This embodiment is applicable to any of the first to third embodiments. FIG. 11A is a schematic diagram illustrating a device 9191 including the semiconductor device 930 of this embodiment. The photoelectric conversion device (imaging device) of each embodiment described above can be used for the semiconductor device 930. The device 9191 including the semiconductor device 930 will be described in detail. The semiconductor device 930 can include the package 920 that houses the semiconductor device 910 in addition to the semiconductor device 910 having the semiconductor layer 10, as described above. The package 920 can include a base body to which the semiconductor device 910 is fixed, and a lid body made of glass or the like that faces the semiconductor device 910. The package 920 can further include a bonding member such as a bonding wire or a bump that connects the terminal provided on the base and the terminal provided on the semiconductor device 910.

機器9191は、光学装置940、制御装置950、処理装置960、表示装置970、記憶装置980、機械装置990の少なくともいずれかを備えることができる。光学装置940は、半導体装置930に対応する。光学装置940は、例えばレンズやシャッター、ミラーである。制御装置950は、半導体装置930を制御する。制御装置950は、例えばASICなどの半導体装置である。 The device 9191 can include at least one of an optical device 940, a control device 950, a processing device 960, a display device 970, a storage device 980, and a mechanical device 990. Optical device 940 corresponds to semiconductor device 930. The optical device 940 is, for example, a lens, a shutter, or a mirror. Control device 950 controls semiconductor device 930. The control device 950 is, for example, a semiconductor device such as an ASIC.

処理装置960は、半導体装置930から出力された信号を処理する。処理装置960は、AFE(アナログフロントエンド)あるいはDFE(デジタルフロントエンド)を構成するための、CPUやASICなどの半導体装置である。表示装置970は、半導体装置930で得られた情報(画像)を表示する、EL表示装置や液晶表示装置である。記憶装置980は、半導体装置930で得られた情報(画像)を記憶する、磁気デバイスや半導体デバイスである。記憶装置980は、SRAMやDRAMなどの揮発性メモリ、あるいは、フラッシュメモリやハードディスクドライブなどの不揮発性メモリである。 Processing device 960 processes the signal output from semiconductor device 930. The processing device 960 is a semiconductor device such as a CPU or an ASIC for configuring an AFE (analog front end) or a DFE (digital front end). The display device 970 is an EL display device or a liquid crystal display device that displays information (image) obtained by the semiconductor device 930. The storage device 980 is a magnetic device or a semiconductor device that stores information (image) obtained by the semiconductor device 930. The storage device 980 is a volatile memory such as SRAM or DRAM, or a nonvolatile memory such as a flash memory or a hard disk drive.

機械装置990は、モーターやエンジンなどの可動部あるいは推進部を有する。機器9191では、半導体装置930から出力された信号を表示装置970に表示したり、機器9191が備える通信装置(不図示)によって外部に送信したりする。そのために、機器9191は、半導体装置930が有する記憶回路や演算回路とは別に、記憶装置980や処理装置960をさらに備えることが好ましい。機械装置990は、半導体装置930から出力され信号に基づいて制御されてもよい。 Mechanical device 990 has a movable part or a propulsion part such as a motor or an engine. The device 9191 displays the signal output from the semiconductor device 930 on the display device 970 or transmits it to the outside using a communication device (not shown) included in the device 9191. For this reason, it is preferable that the device 9191 further includes a storage device 980 and a processing device 960, in addition to the storage circuit and arithmetic circuit included in the semiconductor device 930. Mechanical device 990 may be controlled based on a signal output from semiconductor device 930.

また、機器9191は、撮影機能を有する情報端末(例えばスマートフォンやウエアラブル端末)やカメラ(例えばレンズ交換式カメラ、コンパクトカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ)などの電子機器に適する。カメラにおける機械装置990はズーミングや合焦、シャッター動作のために光学装置940の部品を駆動することができる。あるいは、カメラにおける機械装置990は防振動作のために半導体装置930を移動することができる。 Further, the device 9191 is suitable for electronic devices such as information terminals (for example, smartphones and wearable terminals) and cameras (for example, interchangeable lens cameras, compact cameras, video cameras, and surveillance cameras) that have a shooting function. Mechanical device 990 in the camera can drive parts of optical device 940 for zooming, focusing, and shutter operation. Alternatively, the mechanical device 990 in the camera can move the semiconductor device 930 for anti-vibration operation.

また、機器9191は、車両や船舶、飛行体などの輸送機器であり得る。輸送機器における機械装置990は移動装置として用いられうる。輸送機器としての機器9191は、半導体装置930を輸送するものや、撮影機能により運転(操縦)の補助および/または自動化を行うものに好適である。運転(操縦)の補助および/または自動化のための処理装置960は、半導体装置930で得られた情報に基づいて移動装置としての機械装置990を操作するための処理を行うことができる。あるいは、機器9191は内視鏡などの医療機器や、測距センサなどの計測機器、電子顕微鏡のような分析機器、複写機などの事務機器、ロボットなどの産業機器であってもよい。 Further, the device 9191 may be a transportation device such as a vehicle, a ship, or an aircraft. Mechanical device 990 in a transportation device can be used as a moving device. The device 9191 as a transport device is suitable for transporting the semiconductor device 930 or for assisting and/or automating driving (maneuvering) using a photographing function. A processing device 960 for assisting and/or automating driving (maneuvering) can perform processing for operating a mechanical device 990 as a mobile device based on information obtained by the semiconductor device 930. Alternatively, the device 9191 may be a medical device such as an endoscope, a measuring device such as a distance sensor, an analytical device such as an electron microscope, an office device such as a copying machine, or an industrial device such as a robot.

上述した実施形態によれば、良好な画素特性を得ることが可能となる。従って、半導体装置の価値を高めることができる。ここでいう価値を高めることには、機能の追加、性能の向上、特性の向上、信頼性の向上、製造歩留まりの向上、環境負荷の低減、コストダウン、小型化、軽量化の少なくともいずれかが該当する。 According to the embodiments described above, it is possible to obtain good pixel characteristics. Therefore, the value of the semiconductor device can be increased. Increasing value here includes at least one of the following: adding functionality, improving performance, improving characteristics, improving reliability, improving manufacturing yield, reducing environmental impact, reducing cost, downsizing, and reducing weight. Applicable.

従って、本実施形態に係る半導体装置930を機器9191に用いれば、機器の価値をも向上することができる。例えば、半導体装置930を輸送機器に搭載して、輸送機器の外部の撮影や外部環境の測定を行う際に優れた性能を得ることができる。よって、輸送機器の製造、販売を行う上で、本実施形態に係る半導体装置を輸送機器へ搭載することを決定することは、輸送機器自体の性能を高める上で有利である。特に、半導体装置で得られた情報を用いて輸送機器の運転支援および/または自動運転を行う輸送機器に半導体装置930は好適である。 Therefore, if the semiconductor device 930 according to this embodiment is used in the device 9191, the value of the device can also be improved. For example, by mounting the semiconductor device 930 on a transportation device, excellent performance can be obtained when photographing the exterior of the transportation device or measuring the external environment. Therefore, when manufacturing and selling transportation equipment, deciding to mount the semiconductor device according to this embodiment on the transportation equipment is advantageous in improving the performance of the transportation equipment itself. In particular, the semiconductor device 930 is suitable for transportation equipment that performs driving support and/or automatic operation of transportation equipment using information obtained by the semiconductor device.

また、本実施形態の光電変換システム及び移動体について、図11(b)、(c)を用いて説明する。 Further, the photoelectric conversion system and moving body of this embodiment will be explained using FIGS. 11(b) and 11(c).

図11(a)は、車載カメラに関する光電変換システムの一例を示したものである。光電変換システム8は、光電変換装置80を有する。光電変換装置80は、上記のいずれかの実施形態に記載の光電変換装置(撮像装置)である。光電変換システム8は、光電変換装置80により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部801と、光電変換システム8により取得された複数の画像データから視差(視差画像の位相差)の算出を行う視差取得部802を有する。また、光電変換システム8は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部803と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部804と、を有する。ここで、視差取得部802や距離取得部803は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部804はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。 FIG. 11(a) shows an example of a photoelectric conversion system related to an on-vehicle camera. The photoelectric conversion system 8 includes a photoelectric conversion device 80. The photoelectric conversion device 80 is the photoelectric conversion device (imaging device) described in any of the above embodiments. The photoelectric conversion system 8 includes an image processing unit 801 that performs image processing on the plurality of image data acquired by the photoelectric conversion device 80, and a parallax (position of parallax images) from the plurality of image data acquired by the photoelectric conversion system 8. It has a parallax acquisition unit 802 that calculates phase difference). The photoelectric conversion system 8 also includes a distance acquisition unit 803 that calculates the distance to the object based on the calculated parallax, and a collision determination unit that determines whether there is a possibility of a collision based on the calculated distance. 804. Here, the parallax acquisition unit 802 and the distance acquisition unit 803 are examples of distance information acquisition means that acquires distance information to the target object. That is, distance information is information regarding parallax, defocus amount, distance to a target object, and the like. The collision determination unit 804 may determine the possibility of collision using any of these distance information. The distance information acquisition means may be realized by specially designed hardware or may be realized by a software module. Further, it may be realized by an FPGA (Field Programmable Gate Array), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or a combination thereof.

光電変換システム8は車両情報取得装置810と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、光電変換システム8は、衝突判定部804での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ECU820が接続されている。また、光電変換システム8は、衝突判定部804での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置830とも接続されている。例えば、衝突判定部804の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ECU820はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置830は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。 The photoelectric conversion system 8 is connected to a vehicle information acquisition device 810, and can acquire vehicle information such as vehicle speed, yaw rate, and steering angle. Further, the photoelectric conversion system 8 is connected to a control ECU 820 that is a control device that outputs a control signal for generating a braking force to the vehicle based on the determination result by the collision determination unit 804. The photoelectric conversion system 8 is also connected to a warning device 830 that issues a warning to the driver based on the determination result of the collision determination unit 804. For example, if the collision determination unit 804 determines that there is a high possibility of a collision, the control ECU 820 performs vehicle control to avoid the collision and reduce damage by applying the brakes, releasing the accelerator, or suppressing engine output. The alarm device 830 warns the user by sounding an alarm such as a sound, displaying alarm information on a screen of a car navigation system, etc., or applying vibration to a seat belt or steering wheel.

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を光電変換システム8で撮像する。図11(c)に、車両前方(撮像範囲850)を撮像する場合の光電変換システムを示した。車両情報取得装置810が、光電変換システム8ないしは光電変換装置80に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。 In this embodiment, the photoelectric conversion system 8 images the surroundings of the vehicle, for example, the front or the rear. FIG. 11C shows a photoelectric conversion system used to image the front of the vehicle (imaging range 850). Vehicle information acquisition device 810 sends instructions to photoelectric conversion system 8 or photoelectric conversion device 80 . With such a configuration, the accuracy of distance measurement can be further improved.

上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。更に、光電変換システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体(移動装置)に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム(ITS)等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。 Above, we explained an example of control to avoid collisions with other vehicles, but it can also be applied to control to automatically drive while following other vehicles, control to automatically drive to avoid moving out of the lane, etc. . Furthermore, the photoelectric conversion system can be applied not only to vehicles such as own vehicle, but also to mobile objects (mobile devices) such as ships, aircraft, and industrial robots. In addition, the present invention can be applied not only to mobile objects but also to a wide range of devices that use object recognition, such as intelligent transportation systems (ITS).

[変形実施形態]
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified embodiment]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible.

例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態に含まれる。 For example, examples in which a part of the configuration of one embodiment is added to another embodiment, or examples in which part of the configuration of another embodiment is replaced are also included in the embodiments of the present invention.

また、上記第4実施形態に示した機器(光電変換システム)は、光電変換装置を適用しうる光電変換システム例を示したものであって、本発明の光電変換装置を適用可能な光電変換システムは図11に示した構成に限定されるものではない。 Further, the device (photoelectric conversion system) shown in the fourth embodiment is an example of a photoelectric conversion system to which the photoelectric conversion device can be applied, and is a photoelectric conversion system to which the photoelectric conversion device of the present invention can be applied. is not limited to the configuration shown in FIG.

なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 Note that the above embodiments are merely examples of implementation of the present invention, and the technical scope of the present invention should not be interpreted to be limited by these embodiments. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from its technical idea or main features.

以上、説明した実施形態は、技術思想を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。なお、本明細書の開示内容は、本明細書に記載したことのみならず、本明細書および本明細書に添付した図面から把握可能な全ての事項を含む。また本明細書の開示内容は、本明細書に記載した概念の補集合を含んでいる。すなわち、本明細書に例えば「AはBよりも大きい」旨の記載があれば、「AはBよりも大きくない」旨の記載を省略しても、本明細書は「AはBよりも大きくない」旨を開示していると云える。なぜなら、「AはBよりも大きい」旨を記載している場合には、「AはBよりも大きくない」場合を考慮していることが前提だからである。 The embodiments described above can be modified as appropriate without departing from the technical concept. Note that the disclosure content of this specification includes not only what is described in this specification, but also all matters that can be understood from this specification and the drawings attached to this specification. The disclosure herein also includes the complement of the concepts described herein. In other words, if the specification includes, for example, the statement "A is greater than B," even if the statement "A is not greater than B" is omitted, the specification still states "A is greater than B." It can be said that the company has disclosed that it is not large. This is because when it is stated that "A is larger than B", it is assumed that "A is not larger than B" is being considered.

なお、本開示は以下の構成を備える。 Note that the present disclosure includes the following configuration.

(構成1)
第1面と、前記第1面に対向する第2面を備える第1半導体基板と、前記第2面から光を受ける光電変換部と、第1半導体領域と、前記光電変換部の信号電荷を前記第1半導体領域に転送する、前記第1面の側に設けられた転送ゲートを有する転送トランジスタとを有する第1部品と、
前記第1部品に積層される部品であって、第3面と、前記第3面に対向する第4面を備える第2半導体基板と、前記第1半導体領域に接続され、前記第3面の側に設けられたゲートを有する増幅トランジスタと、前記ゲートをリセットするリセットトランジスタを有する第2部品とを備え、
前記リセットトランジスタの主ノードに与えられる電源電圧と基準電圧との差よりも、前記光電変換部から前記第1半導体領域に前記信号電荷を転送する期間に前記転送ゲートに与えられる電圧と前記基準電圧との差の方が大きいことを特徴とする光電変換装置。
(Configuration 1)
A first semiconductor substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, a photoelectric conversion section that receives light from the second surface, a first semiconductor region, and a signal charge of the photoelectric conversion section. a first component having a transfer transistor having a transfer gate provided on the side of the first surface, which transfers data to the first semiconductor region;
a second semiconductor substrate laminated on the first component, the second semiconductor substrate having a third surface and a fourth surface opposite to the third surface; an amplification transistor having a gate provided on the side; and a second component having a reset transistor for resetting the gate;
The difference between the power supply voltage applied to the main node of the reset transistor and the reference voltage is greater than the difference between the voltage applied to the transfer gate and the reference voltage during the period of transferring the signal charge from the photoelectric conversion unit to the first semiconductor region. A photoelectric conversion device characterized in that the difference between the two is larger.

(構成2)
第1面と、前記第1面に対向する第2面を備える第1半導体基板と、前記第2面から光を受ける光電変換部と、第1半導体領域と、前記光電変換部の信号電荷を前記第1半導体領域に転送する、前記第1面の側に設けられた転送ゲートを有する転送トランジスタとを有する第1部品と、
前記第1部品に積層される部品であって、第3面と、前記第3面に対向する第4面を備える第2半導体基板と、前記第1半導体領域に接続され、前記第3面の側に設けられたゲートを有する増幅トランジスタと、前記ゲートをリセットするリセットトランジスタを有する第2部品とを備え、
前記リセットトランジスタの主ノードには第1電源電圧が与えられ、前記増幅トランジスタの主ノードには第2電源電圧が与えられ、
前記光電変換部から前記第1半導体領域に前記信号電荷を転送する期間に前記転送ゲートに与えられる電圧と基準電圧との差の方が、前記第1電源電圧と前記基準電圧との差および前記第2電源電圧と前記基準電圧との差の少なくとも一方よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。
(Configuration 2)
A first semiconductor substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, a photoelectric conversion section that receives light from the second surface, a first semiconductor region, and a signal charge of the photoelectric conversion section. a first component having a transfer transistor having a transfer gate provided on the side of the first surface, which transfers data to the first semiconductor region;
a second semiconductor substrate laminated on the first component, the second semiconductor substrate having a third surface and a fourth surface opposite to the third surface; an amplification transistor having a gate provided on the side; and a second component having a reset transistor for resetting the gate;
A first power supply voltage is applied to the main node of the reset transistor, a second power supply voltage is applied to the main node of the amplification transistor,
The difference between the voltage applied to the transfer gate during the period of transferring the signal charge from the photoelectric conversion unit to the first semiconductor region and the reference voltage is larger than the difference between the first power supply voltage and the reference voltage and the reference voltage. A photoelectric conversion device characterized in that the difference between the second power supply voltage and the reference voltage is greater than at least one of the two.

(構成3)
前記光電変換部はウエル領域の内部に形成されており、
前記基準電圧は前記ウエル領域に与えられる電圧であることを特徴とする構成1または構成2に記載の光電変換装置。
(Configuration 3)
The photoelectric conversion section is formed inside a well region,
The photoelectric conversion device according to Structure 1 or Structure 2, wherein the reference voltage is a voltage applied to the well region.

(構成4)
前記基準電圧は前記転送トランジスタがオフしている期間に前記転送ゲートに与えられる電圧であることを特徴とする構成1または構成2に記載の光電変換装置。
(Configuration 4)
The photoelectric conversion device according to configuration 1 or configuration 2, wherein the reference voltage is a voltage applied to the transfer gate during a period when the transfer transistor is off.

(構成5)
前記第1面と前記転送ゲートとの間に第1ゲート絶縁膜が設けられ、
前記ゲートと前記ゲートとの間に第2ゲート絶縁膜が設けられ、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さが、前記第2ゲート絶縁膜の厚さよりも大きいことを特徴とする構成1~4のいずれか1つの構成に記載の光電変換装置。
(Configuration 5)
a first gate insulating film is provided between the first surface and the transfer gate,
a second gate insulating film is provided between the gates;
5. The photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 4, wherein the thickness of the first gate insulating film is greater than the thickness of the second gate insulating film.

(構成6)
前記第1面と前記転送ゲートとの間に第1ゲート絶縁膜が設けられ、
前記ゲートと前記ゲートとの間に第2ゲート絶縁膜が設けられ、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さと、前記第2ゲート絶縁膜の厚さが略等しいことを特徴とする構成1~4のいずれか1つの構成に記載の光電変換装置。
(Configuration 6)
a first gate insulating film is provided between the first surface and the transfer gate,
a second gate insulating film is provided between the gates;
5. The photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 4, wherein the thickness of the first gate insulating film and the thickness of the second gate insulating film are substantially equal.

(構成7)
前記第1ゲート絶縁膜の比誘電率と、前記第2ゲート絶縁膜の比誘電率が異なることを特徴とする構成6または構成7に記載の光電変換装置。
(Configuration 7)
The photoelectric conversion device according to Structure 6 or Structure 7, wherein the relative permittivity of the first gate insulating film and the relative permittivity of the second gate insulating film are different.

(構成8)
前記第1ゲート絶縁膜がシリコンと酸素を主に含む膜であり、前記第2ゲート絶縁膜がシリコンと窒素を主に含む膜であることを特徴とする構成7に記載の光電変換装置。
(Configuration 8)
8. The photoelectric conversion device according to configuration 7, wherein the first gate insulating film is a film mainly containing silicon and oxygen, and the second gate insulating film is a film mainly containing silicon and nitrogen.

(構成9)
前記増幅トランジスタが出力する信号をデジタル信号に変換するAD変換部を有する第3部品をさらに備え、前記第1部品、前記第2部品、前記第3部品が積層されていることを特徴とする構成1~8のいずれか1つの構成に記載の光電変換装置。
(Configuration 9)
The configuration further includes a third component having an AD conversion section that converts the signal output by the amplification transistor into a digital signal, and the first component, the second component, and the third component are stacked. 9. The photoelectric conversion device according to any one of configurations 1 to 8.

(構成10)
構成1~9のいずれか1項に記載の光電変換装置を備える機器であって、
前記光電変換装置に対応した光学装置、
前記光電変換装置を制御する制御装置、
前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置、
前記光電変換装置で得られた情報を表示する表示装置、
前記光電変換装置で得られた情報を記憶する記憶装置、および、
前記光電変換装置で得られた情報に基づいて動作する機械装置、の少なくともいずれかを更に備えることを特徴とする機器。
(Configuration 10)
A device comprising the photoelectric conversion device according to any one of Configurations 1 to 9,
an optical device compatible with the photoelectric conversion device;
a control device that controls the photoelectric conversion device;
a processing device that processes the signal output from the photoelectric conversion device;
a display device that displays information obtained by the photoelectric conversion device;
a storage device that stores information obtained by the photoelectric conversion device; and
A device further comprising at least one of a mechanical device that operates based on information obtained by the photoelectric conversion device.

10 第1部品
14 第1半導体基板
20 第2部品
21 第2半導体基板
30 第3部品
31 第3半導体基板
101 半導体領域(光電変換部)
111 転送ゲート
121 半導体領域(第1半導体領域)
141 増幅トランジスタのゲート
205 導電体
F1 第1面
F2 第2面
F3 第3面
F4 第4面
G1 第1ゲート絶縁膜
G2 第2ゲート絶縁膜
10 First component 14 First semiconductor substrate 20 Second component 21 Second semiconductor substrate 30 Third component 31 Third semiconductor substrate 101 Semiconductor region (photoelectric conversion section)
111 Transfer gate 121 Semiconductor region (first semiconductor region)
141 Gate of amplification transistor 205 Conductor F1 First surface F2 Second surface F3 Third surface F4 Fourth surface G1 First gate insulating film G2 Second gate insulating film

Claims (18)

第1面と、前記第1面に対向する第2面を備える第1半導体基板と、前記第2面から光を受ける光電変換部と、第1半導体領域と、前記光電変換部の信号電荷を前記第1半導体領域に転送する、前記第1面の側に設けられた転送ゲートを有する転送トランジスタとを有する第1部品と、
前記第1部品に積層される部品であって、第3面と、前記第3面に対向する第4面を備える第2半導体基板と、前記第1半導体領域に接続され、前記第3面の側に設けられたゲートを有する増幅トランジスタと、前記ゲートをリセットするリセットトランジスタを有する第2部品とを備え、
前記リセットトランジスタの主ノードに与えられる電源電圧と基準電圧の差よりも、前記光電変換部から前記第1半導体領域に前記信号電荷を転送する期間に前記転送ゲートに与えられる電圧と前記基準電圧との差の方が大きいことを特徴とする光電変換装置。
A first semiconductor substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, a photoelectric conversion section that receives light from the second surface, a first semiconductor region, and a signal charge of the photoelectric conversion section. a first component having a transfer transistor having a transfer gate provided on the side of the first surface, which transfers data to the first semiconductor region;
a second semiconductor substrate laminated on the first component, the second semiconductor substrate having a third surface and a fourth surface opposite to the third surface; an amplification transistor having a gate provided on the side; and a second component having a reset transistor for resetting the gate;
The voltage applied to the transfer gate during the period of transferring the signal charge from the photoelectric conversion unit to the first semiconductor region is greater than the difference between the power supply voltage applied to the main node of the reset transistor and the reference voltage. A photoelectric conversion device characterized in that the difference is larger.
第1面と、前記第1面に対向する第2面を備える第1半導体基板と、前記第2面から光を受ける光電変換部と、第1半導体領域と、前記光電変換部の信号電荷を前記第1半導体領域に転送する、前記第1面の側に設けられた転送ゲートを有する転送トランジスタとを有する第1部品と、
前記第1部品に積層される部品であって、第3面と、前記第3面に対向する第4面を備える第2半導体基板と、前記第1半導体領域に接続され、前記第3面の側に設けられたゲートを有する増幅トランジスタと、前記ゲートをリセットするリセットトランジスタを有する第2部品とを備え、
前記リセットトランジスタの主ノードには第1電源電圧が与えられ、前記増幅トランジスタの主ノードには第2電源電圧が与えられ、
前記光電変換部から前記第1半導体領域に前記信号電荷を転送する期間に前記転送ゲートに与えられる電圧と基準電圧との差の方が、前記第1電源電圧と前記基準電圧との差および前記第2電源電圧と前記基準電圧との差の少なくとも一方よりも大きいことを特徴とする光電変換装置。
A first semiconductor substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, a photoelectric conversion section that receives light from the second surface, a first semiconductor region, and a signal charge of the photoelectric conversion section. a first component having a transfer transistor having a transfer gate provided on the side of the first surface, which transfers data to the first semiconductor region;
a second semiconductor substrate laminated on the first component, the second semiconductor substrate having a third surface and a fourth surface opposite to the third surface; an amplification transistor having a gate provided on the side; and a second component having a reset transistor for resetting the gate;
A first power supply voltage is applied to the main node of the reset transistor, a second power supply voltage is applied to the main node of the amplification transistor,
The difference between the voltage applied to the transfer gate during the period of transferring the signal charge from the photoelectric conversion unit to the first semiconductor region and the reference voltage is larger than the difference between the first power supply voltage and the reference voltage and the reference voltage. A photoelectric conversion device characterized in that the difference between the second power supply voltage and the reference voltage is greater than at least one of the two.
前記光電変換部はウエル領域の内部に形成されており、
前記基準電圧は前記ウエル領域に与えられる電圧であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion section is formed inside a well region,
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the reference voltage is a voltage applied to the well region.
前記光電変換部はウエル領域の内部に形成されており、
前記基準電圧は前記ウエル領域に与えられる電圧であることを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。
The photoelectric conversion section is formed inside a well region,
3. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the reference voltage is a voltage applied to the well region.
前記基準電圧は前記転送トランジスタがオフしている期間に前記転送ゲートに与えられる電圧であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the reference voltage is a voltage applied to the transfer gate while the transfer transistor is off. 前記基準電圧は前記転送トランジスタがオフしている期間に前記転送ゲートに与えられる電圧であることを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。 3. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the reference voltage is a voltage applied to the transfer gate while the transfer transistor is off. 前記第1面と前記転送ゲートとの間に第1ゲート絶縁膜が設けられ、
前記ゲートと前記ゲートとの間に第2ゲート絶縁膜が設けられ、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さが、前記第2ゲート絶縁膜の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
a first gate insulating film is provided between the first surface and the transfer gate,
a second gate insulating film is provided between the gates;
The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the thickness of the first gate insulating film is greater than the thickness of the second gate insulating film.
前記第1面と前記転送ゲートとの間に第1ゲート絶縁膜が設けられ、
前記ゲートと前記ゲートとの間に第2ゲート絶縁膜が設けられ、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さが、前記第2ゲート絶縁膜の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。
a first gate insulating film is provided between the first surface and the transfer gate,
a second gate insulating film is provided between the gates;
3. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the thickness of the first gate insulating film is greater than the thickness of the second gate insulating film.
前記第1面と前記転送ゲートとの間に第1ゲート絶縁膜が設けられ、
前記ゲートと前記ゲートとの間に第2ゲート絶縁膜が設けられ、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さと、前記第2ゲート絶縁膜の厚さが略等しいことを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
a first gate insulating film is provided between the first surface and the transfer gate,
a second gate insulating film is provided between the gates;
2. The photoelectric conversion device according to claim 1, wherein the thickness of the first gate insulating film and the thickness of the second gate insulating film are approximately equal.
前記第1面と前記転送ゲートとの間に第1ゲート絶縁膜が設けられ、
前記ゲートと前記ゲートとの間に第2ゲート絶縁膜が設けられ、
前記第1ゲート絶縁膜の厚さと、前記第2ゲート絶縁膜の厚さが略等しいことを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。
a first gate insulating film is provided between the first surface and the transfer gate,
a second gate insulating film is provided between the gates;
3. The photoelectric conversion device according to claim 2, wherein the thickness of the first gate insulating film and the thickness of the second gate insulating film are approximately equal.
前記第1ゲート絶縁膜の比誘電率と、前記第2ゲート絶縁膜の比誘電率が異なることを特徴とする請求項7に記載の光電変換装置。 8. The photoelectric conversion device according to claim 7, wherein the relative permittivity of the first gate insulating film and the relative permittivity of the second gate insulating film are different. 前記第1ゲート絶縁膜の比誘電率と、前記第2ゲート絶縁膜の比誘電率が異なることを特徴とする請求項8に記載の光電変換装置。 9. The photoelectric conversion device according to claim 8, wherein the relative permittivity of the first gate insulating film and the relative permittivity of the second gate insulating film are different. 前記第1ゲート絶縁膜の比誘電率と、前記第2ゲート絶縁膜の比誘電率が異なることを特徴とする請求項9に記載の光電変換装置。 10. The photoelectric conversion device according to claim 9, wherein the relative permittivity of the first gate insulating film and the relative permittivity of the second gate insulating film are different. 前記第1ゲート絶縁膜の比誘電率と、前記第2ゲート絶縁膜の比誘電率が異なることを特徴とする請求項10に記載の光電変換装置。 11. The photoelectric conversion device according to claim 10, wherein the relative permittivity of the first gate insulating film and the relative permittivity of the second gate insulating film are different. 前記第1ゲート絶縁膜がシリコンと酸素を主に含む膜であり、前記第2ゲート絶縁膜がシリコンと窒素を主に含む膜であることを特徴とする請求項11に記載の光電変換装置。 12. The photoelectric conversion device according to claim 11, wherein the first gate insulating film is a film mainly containing silicon and oxygen, and the second gate insulating film is a film mainly containing silicon and nitrogen. 前記増幅トランジスタが出力する信号をデジタル信号に変換するAD変換部を有する第3部品をさらに備え、前記第1部品、前記第2部品、前記第3部品が積層されていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 A claim further comprising a third component having an AD conversion section that converts the signal output by the amplification transistor into a digital signal, and the first component, the second component, and the third component are stacked. Item 1. The photoelectric conversion device according to item 1. 前記増幅トランジスタが出力する信号をデジタル信号に変換するAD変換部を有する第3部品をさらに備え、前記第1部品、前記第2部品、前記第3部品が積層されていることを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。 A claim further comprising a third component having an AD conversion section that converts the signal output by the amplification transistor into a digital signal, and the first component, the second component, and the third component are stacked. Item 2. The photoelectric conversion device according to item 2. 請求項1~17のいずれか1項に記載の光電変換装置を備える機器であって、
前記光電変換装置に対応した光学装置、
前記光電変換装置を制御する制御装置、
前記光電変換装置から出力された信号を処理する処理装置、
前記光電変換装置で得られた情報を表示する表示装置、
前記光電変換装置で得られた情報を記憶する記憶装置、および、
前記光電変換装置で得られた情報に基づいて動作する機械装置、の少なくともいずれかを更に備えることを特徴とする機器。
A device comprising the photoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 17,
an optical device compatible with the photoelectric conversion device;
a control device that controls the photoelectric conversion device;
a processing device that processes the signal output from the photoelectric conversion device;
a display device that displays information obtained by the photoelectric conversion device;
a storage device that stores information obtained by the photoelectric conversion device; and
A device further comprising at least one of a mechanical device that operates based on information obtained by the photoelectric conversion device.
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