JP4742523B2 - Solid-state imaging device and driving method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子及びその駆動方法に係わる。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method thereof.
一般に、CMOSイメージセンサーでは、信号及び駆動信号の本数により、2層から4層の配線層が設けられる(例えば特許文献1参照。)。 In general, in a CMOS image sensor, two to four wiring layers are provided depending on the number of signals and drive signals (see, for example, Patent Document 1).
一般的なCMOSイメージセンサーの例として、3トランジスタ型の画素セルを有するCMOSセンサーの要部の回路構成図を図8に示す。
このCMOSイメージセンサー50において、1つの画素セル51は、受光・光電変換を行うPD(フォトダイオード)、PDから信号電荷を読み出す読み出しトランジスタ52、受光・蓄積に先立ちPDを電源電位にリセットするリセットトランジスタ53、読み出された信号電荷に応じた電流に変換する増幅トランジスタ54、信号電流を読み出す垂直信号線55と電源及び駆動信号を伝える選択電源線56、読み出し選択線57、リセット線58から構成されている。
垂直信号線55の一端側にサンプル・ホールド回路59及び負荷トランジスタ60が接続されている。サンプル・ホールド回路59には、入力側に水平選択線61が接続され、出力側にバッファアンプ62が接続されている。
As an example of a general CMOS image sensor, a circuit configuration diagram of a main part of a CMOS sensor having a three-transistor pixel cell is shown in FIG.
In the
A sample and hold
そして、このCMOSイメージセンサー50は次のように動作する。
選択電源線56に電源電圧Vdを印加して、読み出し選択線57及びリセット線58にハイレベルの信号を与えることにより、読み出しトランジスタ52とリセットトランジスタ53がオンになり、フォトダイオードPDがVd電位にリセットされる。
次に、読み出し選択線57及びリセット線58をローレベルとすることにより、読み出しトランジスタ52とリセットトランジスタ53がオフし、フォトダイオードPDはフローティング状態となり、フォトダイオードPDに入射した光量に応じて光電変換された電子がフォトダイオードPDに蓄積され、フォトダイオードPDの電位はVdよりも低くなる。
蓄積期間が終了した後に、読み出し選択線57と選択電源線56をハイレベルとすることにより、フォトダイオードPDに蓄積された光量に応じた信号電荷が増幅トランジスタ54のゲートにかかり、光量に応じた電流が垂直信号線55を通して負荷トランジスタ60に流れる。この垂直信号線55の電位を、サンプル・ホールド回路59により記憶して、水平選択線61により1列毎に信号を出力することにより、画素信号がバッファアンプ62を経て信号出力63として出力される。
The
By applying a power supply voltage Vd to the selected
Next, by setting the
After the accumulation period ends, the
この回路構成に対応する、従来のCMOSイメージセンサーの断面構造を図9に示す。
例えばp型のシリコン基板66に、トランジスタやフォトダイオードPDを電気的に分離するトレンチ素子分離層67が形成され、このトレンチ素子分離層67間のシリコン基板66の表面付近にフォトダイオードPDやトランジスタのソース・ドレイン等の領域が形成されている。
また、読み出しトランジスタ52のゲート電極やトランジスタのソース又はドレイン領域には、ゲート電極68を覆う1層目の絶縁層69を貫通するプラグ層70が接続され、このプラグ層70は、絶縁層69上に形成された第1層の配線層(電極層)71に接続されている。また、第1層の配線層(電極層)71のうち一部は、第1層の配線層71を覆う2層目の絶縁層72を貫通するプラグ層73が接続され、このプラグ層73は、絶縁層72上に形成された第2層の配線層(電極層)74に接続されている。プラグ層70,73は、それぞれコンタクトホールの外壁及び底面を覆う薄い膜70A,73Aとその内部の厚い層70B,73Bとの2層構造になっている。
第1層及び第2層の配線層(電極層)71,74は、例えばアルミニウム、銅等の金属を電極材料として用いることができる。
FIG. 9 shows a cross-sectional structure of a conventional CMOS image sensor corresponding to this circuit configuration.
For example, a trench
Further, a
For the first and second wiring layers (electrode layers) 71 and 74, for example, a metal such as aluminum or copper can be used as an electrode material.
トレンチ素子分離層67は、例えば、エッチングによりシリコン基板66に溝(トレンチ)を掘り、その溝の中を埋めるように酸化膜等の絶縁層を形成した後に、エッチングもしくはCMPにより表面を平坦化して、表面上に残った絶縁層を除去することにより、形成することができる。
また、プラグ層70,73は、例えば、絶縁層69,72にエッチングによりコンタクトホールを開けて、このコンタクトホールを埋めるようにタングステンW等の電極材料を形成して、エッチングもしくはCMPにより表面を平坦化することにより形成することができる。
配線層は、撮像信号や駆動信号等の配線により伝達される信号の数に応じて、必要な層(一般に2層から4層)の配線層が形成される。
The
The
As the wiring layer, necessary wiring layers (generally, two to four layers) are formed according to the number of signals transmitted by wiring such as an imaging signal and a driving signal.
しかしながら、上述した断面構造では、垂直信号線55、選択電源線56、読み出し選択線57、リセット線58、さらに必要によりグランド電位を与えるグランド線をも含む4本もしくは5本の配線を、シリコン基板66付近ではなく、上層の配線層71,74により形成しなければならない。
このため、上層に広い配線スペースが必要となる。
However, in the cross-sectional structure described above, four or five wirings including the
For this reason, a wide wiring space is required in the upper layer.
そして、配線層71,74のある部分は、光が配線層71,74にけられてシリコン基板66に入射しないことから、配線スペースを広く確保しようとすると、その分PDの面積が制約されてしまう。
さらに、基板66の表面にトレンチ素子分離層67、読み出しトランジスタ56、リセットトランジスタ66、増幅トランジスタ68を配置する必要がある。
従って、これら配線や回路部品のスペースを確保するために、フォトダイオードPDの面積が制約されてしまう。
そのため、CMOSセンサーでは、一般にフォトダイオードPDの面積が画素セル面積の30%以下に留まっている。
In a portion of the
Furthermore, it is necessary to dispose the trench
Therefore, the area of the photodiode PD is restricted in order to secure a space for these wirings and circuit components.
Therefore, in the CMOS sensor, the area of the photodiode PD generally remains at 30% or less of the pixel cell area.
フォトダイオードPDの面積が小さくなると、蓄積できる電荷量が少なくなり、また光が入射する面積が小さくなることから感度が低くなる。このため、イメージセンサーの基本特性として重要な、光学的特性や電気的特性が劣化してしまう、という問題が生じる。 If the area of the photodiode PD is reduced, the amount of charge that can be accumulated is reduced, and the sensitivity is lowered because the area on which light is incident is reduced. For this reason, there arises a problem that optical characteristics and electrical characteristics, which are important as basic characteristics of the image sensor, are deteriorated.
この改善策として、配線層が形成された表面側とは反対の、基板の裏面側より光を入射させる裏面照射型イメージセンサーが提案され、特殊な用途において既に実用化されている(特許文献2又は特許文献3参照)。提案されている裏面照射型イメージセンサーでは、画素部分のシリコン基板を数μm〜数十μmの厚さにエッチング等により薄膜化している。
ここで、裏面照射型イメージセンサーを、CMOSイメージセンサーに適用した構成の概略断面図を図10に示す。
図10に示すように、図9に示した従来のCMOSイメージセンサーの構成、即ち表面照射型CMOSイメージセンサーに対して、シリコン基板66の内部にフォトダイオードを構成するn−拡散層82を有し、この拡散層82を基板66の表面側まで連続的に形成し、このn−拡散層82を、n型の拡散領域83を介して基板66の表面側の界面付近に形成されているn型の蓄積拡散層84に接続している。
また、基板66の内部で光電変換した信号電子が隣の画素のフォトダイオードへ漏れ込まないようにするために、p型の素子分離拡散層81によりフォトダイオードを画素毎に分離している。
Here, FIG. 10 shows a schematic sectional view of a configuration in which the back-illuminated image sensor is applied to a CMOS image sensor.
As shown in FIG. 10, in contrast to the configuration of the conventional CMOS image sensor shown in FIG. 9, that is, the front-illuminated CMOS image sensor, an n − diffusion layer 82 that constitutes a photodiode is provided inside a
Further, in order to prevent the signal electrons photoelectrically converted inside the
ここで、図10に示すCMOSイメージセンサーのA−A´断面における電位(ポテンシャル)分布を図11に示す。
フォトダイオードの拡散層82を基板66の裏面側の界面付近まで形成していないことにより、電位分布は図11の実線で示すようになり、空乏層が基板66の裏面側の界面まで達していない。
これにより、基板66の裏面側の界面で発生する暗電流成分が信号として混入することが少ない。
Here, FIG. 11 shows a potential distribution in the AA ′ cross section of the CMOS image sensor shown in FIG.
Since the diffusion layer 82 of the photodiode is not formed to the vicinity of the interface on the back surface side of the
Thereby, the dark current component generated at the interface on the back surface side of the
ところで、このような裏面照射型イメージセンサーにおいても、多画素化や小型化のために、画素セルの微細化を図ることが求められる。
しかしながら、CMOSイメージセンサーでは、各画素にそれぞれトランジスタを形成する必要があるため、基板表面に多数のトランジスタを形成することになる。
このため、画素セルの微細化が困難になっている。
By the way, also in such a back-illuminated image sensor, it is required to make the pixel cells finer in order to increase the number of pixels and reduce the size.
However, in the CMOS image sensor, since it is necessary to form a transistor for each pixel, a large number of transistors are formed on the substrate surface.
For this reason, it is difficult to miniaturize the pixel cell.
なお、図10に示した構成でも、実際には、基板66内への不純物の拡散等により、ある程度の暗電流が混入することがある。
さらに、図10の構成では、基板66の裏面側の界面近傍に空乏層が存在しないため、裏面側の界面近傍において光電変換した電荷が、フォトダイオードの拡散層82に入らないうちに再結合してしまうことがある。
このような場合には、基板66の奥へ入り込みにくい、波長の短い光に対して、感度低下が著しくなる。
Even in the configuration shown in FIG. 10, a certain amount of dark current may actually be mixed due to the diffusion of impurities into the
Furthermore, in the configuration of FIG. 10, since there is no depletion layer in the vicinity of the interface on the back surface side of the
In such a case, the sensitivity is significantly reduced with respect to light having a short wavelength that is difficult to enter the back of the
これに対して、図10に示したフォトダイオードの拡散層(半導体領域)82を、基板66の裏面側の界面まで形成すると、図11に鎖線で示す電位分布のように、基板66の裏面側の界面近傍まで空乏層が形成されるため、短波長の光で顕著であった感度低下を抑制することができる。
しかしながら、この構成では、基板66の裏面側の界面に多数存在する界面準位によって発生する暗電流が信号電荷に混入して、画質の劣化を引き起こしてしまうことがある。
On the other hand, when the diffusion layer (semiconductor region) 82 of the photodiode shown in FIG. 10 is formed up to the interface on the back surface side of the
However, in this configuration, dark currents generated by many interface states existing at the interface on the back surface side of the
従って、図10に示した構成と比較して、さらに裏面側の界面からの暗電流を低減することが可能である固体撮像素子の構成が望まれる。 Therefore, compared with the configuration shown in FIG. 10, a configuration of a solid-state imaging device that can further reduce the dark current from the interface on the back surface side is desired.
本発明においては、感度が良好であり、光学的特性や電気的特性が良好であると共に、容易に画素セルの微細化を図ることができる固体撮像素子及びその駆動方法を提供するものである。 The present invention provides a solid-state imaging device having good sensitivity, good optical characteristics and electrical characteristics, and capable of easily miniaturizing a pixel cell, and a driving method thereof.
本発明の固体撮像素子は、光電変換が行われる受光部が形成された第2導電型の半導体層と、画素毎に分離するための、第2導電型の素子分離拡散層と、半導体層の表面側に形成された配線層とを少なくとも有し、半導体層の表面側とは反対の裏面側から光を入射させる構造を有し、受光部を構成する第1導電型の領域から半導体層の表面側に形成された画素形成回路へ信号電荷を選択的に読み出すための読み出しトランジスタが、半導体層の内部に形成され、受光部を構成する第1導電型の領域は、半導体層の裏面側から、第1の第1導電型の拡散層と、第2の第1導電型の拡散層と、第3の第1導電型の拡散層に分かれており、第1導電型の不純物濃度が、第1の第1導電型の拡散層<第2の第1導電型の拡散層<第3の第1導電型の拡散層となっており、半導体層の内部に埋め込まれて、半導体層の面に平行に形成された第2導電型の領域が、読み出しトランジスタのゲートを構成し、この第2導電型の領域が、画素セルの外縁部で第2導電型の素子分離拡散層に接続されているものである。 The solid-state imaging device according to the present invention includes a second conductive type semiconductor layer in which a light receiving portion that performs photoelectric conversion is formed, a second conductive type element isolation diffusion layer for separating each pixel, and a semiconductor layer. At least a wiring layer formed on the front surface side, and has a structure in which light is incident from the back surface side opposite to the front surface side of the semiconductor layer, and from the region of the first conductivity type constituting the light receiving portion, A read transistor for selectively reading signal charges to the pixel formation circuit formed on the front surface side is formed inside the semiconductor layer, and the first conductivity type region constituting the light receiving portion is formed from the back surface side of the semiconductor layer. The first conductivity type diffusion layer, the second first conductivity type diffusion layer, and the third first conductivity type diffusion layer are separated, and the first conductivity type impurity concentration is 1 first conductivity type diffusion layer <second first conductivity type diffusion layer <third first conductivity type extension It has a layer, embedded in the semiconductor layer, a second conductivity type region formed parallel to the plane of the semiconductor layer constitutes the gate of the read transistor, the region of the second conductivity type, The pixel cell is connected to the second conductivity type element isolation diffusion layer at the outer edge of the pixel cell.
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、光電変換が行われる受光部が形成された第2導電型の半導体層と、画素毎に分離するための、第2導電型の素子分離拡散層と、半導体層の表面側に形成された配線層とを少なくとも有し、半導体層の表面側とは反対の裏面側から光を入射させる構造を有し、受光部を構成する第1導電型の領域から半導体層の表面側に形成された画素形成回路へ信号電荷を選択的に読み出すための読み出しトランジスタが、半導体層の内部に形成され、受光部を構成する第1導電型の領域は、半導体層の裏面側から、第1の第1導電型の拡散層と、第2の第1導電型の拡散層と、第3の第1導電型の拡散層に分かれており、第1導電型の不純物濃度が、第1の第1導電型の拡散層<第2の第1導電型の拡散層<第3の第1導電型の拡散層となっており、半導体層の内部に埋め込まれて、半導体層の面に平行に形成された第2導電型の領域が、読み出しトランジスタのゲートを構成し、この第2導電型の領域が、画素セルの外縁部で第2導電型の素子分離拡散層に接続されている固体撮像素子に対して、読み出しトランジスタを全画素で同時にオンすることにより、全画素の受光・蓄積期間を揃えるものである。 The solid-state imaging device driving method of the present invention includes a second conductivity type semiconductor layer in which a light receiving portion where photoelectric conversion is performed, a second conductivity type element isolation diffusion layer for separating each pixel, At least a wiring layer formed on the front surface side of the semiconductor layer, and has a structure in which light is incident from the back surface side opposite to the front surface side of the semiconductor layer, and from the first conductivity type region constituting the light receiving portion A read transistor for selectively reading signal charges to a pixel formation circuit formed on the surface side of the semiconductor layer is formed inside the semiconductor layer, and the first conductivity type region constituting the light receiving portion is formed on the semiconductor layer. The first conductivity type diffusion layer, the second first conductivity type diffusion layer, and the third first conductivity type diffusion layer are separated from the back surface side, and the first conductivity type impurity concentration is divided. The first first conductivity type diffusion layer <the second first conductivity type diffusion layer <the third first Has a conductivity type of the diffusion layer, is embedded in the semiconductor layer, a second conductivity type region formed parallel to the plane of the semiconductor layer constitutes the gate of the read transistor, the second conductivity type When the readout transistor is simultaneously turned on in all the pixels for the solid-state imaging device connected to the element isolation diffusion layer of the second conductivity type at the outer edge of the pixel cell, the light receiving / accumulating period of all the pixels Are aligned.
上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、光電変換が行われる受光部が形成された半導体層と、この半導体層の表面側に形成された配線層とを少なくとも有し、半導体層の表面側とは反対の裏面側から光を入射させる構造を有するため、配線層等により光がけられることがなく、受光部に入射する光量を多くすることが可能になると共に、トランジスタ等が形成される半導体層の表面側ではなく、半導体層の内部の深い位置に受光部のフォトダイオードを形成することができ、このフォトダイオードの面積を広く確保することができる。これにより、フォトダイオードに蓄積できる電荷量を増やすことや、感度を向上することが可能になる。
また、受光部を構成する第1導電型の領域から半導体層の表面側に形成された画素形成回路へ信号電荷を選択的に読み出すための読み出しトランジスタが、半導体層の内部に形成されていることにより、半導体層の表面に読み出しトランジスタが形成された構成と比較して、半導体層の表面側に形成するトランジスタの数と配線数とを低減することが可能になる。
According to the configuration of the above-described solid-state imaging device of the present invention, the semiconductor layer includes at least a semiconductor layer in which a light receiving portion where photoelectric conversion is performed and a wiring layer formed on the surface side of the semiconductor layer. Since it has a structure that allows light to enter from the back side opposite to the front side, light is not shattered by the wiring layer, etc., and it is possible to increase the amount of light incident on the light receiving part, and a transistor is formed. The photodiode of the light receiving portion can be formed not at the surface side of the semiconductor layer, but at a deep position inside the semiconductor layer, and a large area of the photodiode can be ensured. As a result, the amount of charge that can be accumulated in the photodiode can be increased, and the sensitivity can be improved.
Further, a readout transistor for selectively reading out signal charges from the first conductivity type region constituting the light receiving portion to the pixel formation circuit formed on the surface side of the semiconductor layer is formed in the semiconductor layer. Accordingly, the number of transistors and the number of wirings formed on the surface side of the semiconductor layer can be reduced as compared with a structure in which the reading transistor is formed on the surface of the semiconductor layer.
上述の本発明の固体撮像素子の駆動方法によれば、上記本発明の固体撮像素子に対して、読み出しトランジスタを全画素で同時にオンすることにより、全画素の受光・蓄積期間を揃えるため、画素の行毎に蓄積時間が異なることがなく、全画素の蓄積期間を同期間とすることができる。 According to the above-described solid-state image sensor driving method of the present invention, the pixels are arranged in order to align the light receiving / accumulating periods of all the pixels by simultaneously turning on the readout transistors for all the pixels in the solid-state image sensor of the present invention. The accumulation time does not differ for each row, and the accumulation period of all the pixels can be set to the synchronization period.
また、上記本発明の固体撮像素子において、さらに、第2導電型の領域が行列状に配列された全画素において共通に形成されている構成とすることができる。
この構成としたときには、全画素において共通に形成されている第2導電型の領域に高レベルの電圧を印加して、読み出しトランジスタをオン状態とすることにより、全画素で同時に読み出しトランジスタをオン状態にすることができる。これにより、全画素の受光・蓄積期間を揃えることが可能になる。
In the solid-state imaging device of the present invention, the second conductivity type region may be formed in common for all pixels arranged in a matrix.
In this configuration, a high-level voltage is applied to the second conductivity type region that is commonly formed in all the pixels to turn on the readout transistors, thereby simultaneously turning on the readout transistors in all the pixels. Can be. This makes it possible to align the light reception / accumulation periods of all pixels.
また、上記本発明の固体撮像素子において、受光部を構成する第1導電型の領域に対して、裏面側の半導体層の界面に第2導電型の領域が形成されている構成とすることができる。
この構成としたときには、第2導電型の領域によって、受光部の空乏層の裏面側の界面への到達を抑制すると共に、裏面側の界面付近に存在する界面準位による暗電流の発生を抑制することができるため、裏面側の半導体層の界面付近における暗電流の発生を低減することができる。
In the solid-state imaging device of the present invention , the second conductivity type region may be formed at the interface of the semiconductor layer on the back surface side with respect to the first conductivity type region constituting the light receiving unit. it can.
In this configuration, the second conductivity type region suppresses the arrival of the depletion layer of the light receiving unit to the back side interface and suppresses the generation of dark current due to the interface state existing near the back side interface. Therefore, generation of dark current in the vicinity of the interface of the semiconductor layer on the back surface side can be reduced.
また、上記本発明の固体撮像素子の駆動方法において、第2導電型の領域が行列状に配列された全画素において共通に形成されている構成とすることができる。
この構成としたときには、全画素において共通に形成されている第2導電型の領域に高レベルの電圧を印加することにより、全画素で同時に読み出しトランジスタをオン状態にして、全画素の受光・蓄積期間を揃えることが可能になる。
Also be a configuration that is formed in common in all the pixels Oite the driving method, a region of the second conductivity type are arranged in a matrix of solid-state imaging device of the present invention.
In this configuration, by applying a high level voltage to the second conductivity type region that is commonly formed in all pixels, the readout transistors are simultaneously turned on in all the pixels, and light reception / storage in all the pixels is performed. It becomes possible to arrange the period.
上述の本発明によれば、読み出しトランジスタと読み出し選択線を基板内部に形成することにより、表面側に形成するトランジスタ数と配線数が削減できるため、容易に画素セルの微細化を図ることができる。
そして、裏面側から光を入射させる構造を有することにより、フォトダイオードに蓄積できる電荷量を増やすことや、感度を向上することが可能になる。
従って、感度が良好であり、光学的特性や電気的特性が良好であると共に、容易に画素セルの微細化を図ることができる構成の固体撮像素子を実現することが可能になる。
According to the present invention described above, since the number of transistors and wirings formed on the front surface side can be reduced by forming the read transistor and the read selection line inside the substrate, the pixel cell can be easily miniaturized. .
In addition, by having a structure in which light is incident from the back surface side, it is possible to increase the amount of charge that can be accumulated in the photodiode and to improve sensitivity.
Therefore, it is possible to realize a solid-state imaging device having a good sensitivity, excellent optical characteristics and electrical characteristics, and a structure in which pixel cells can be easily miniaturized.
また、特に、第2導電型の領域が行列状に配列された全画素において共通に形成されている構成としたときには、行列状に配列された全画素の受光・蓄積期間を揃えて、同時性のある撮像が可能となる。 In particular, when the second conductivity type region is formed in common for all the pixels arranged in a matrix, the light receiving and accumulation periods of all the pixels arranged in a matrix are aligned, With this, it becomes possible to perform imaging.
また、特に、受光部を構成する第1導電型の領域に対して、裏面側の半導体層の界面に第2導電型の領域が形成されている構成としたときには、裏面側の半導体層の界面付近における暗電流の発生を低減することができるため、低暗電流と高感度とを両立することが可能になる。 In particular, when the second conductivity type region is formed at the interface of the semiconductor layer on the back surface side with respect to the first conductivity type region constituting the light receiving portion, the interface of the semiconductor layer on the back surface side. Since the generation of dark current in the vicinity can be reduced, it is possible to achieve both low dark current and high sensitivity.
図1は、本発明の一実施の形態として、固体撮像素子の概略構成図(断面図)を図1に示す。この図1の断面図は、ほぼ1つの画素セルの分を示している。
本実施の形態は、本発明を裏面照射型のCMOSセンサー(CMOS型固体撮像素子)に適用したものである。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram (cross-sectional view) of a solid-state imaging device as one embodiment of the present invention. The cross-sectional view of FIG. 1 shows almost one pixel cell.
In the present embodiment, the present invention is applied to a back-illuminated CMOS sensor (CMOS solid-state imaging device).
図1に示すように、例えばp型のシリコン基板1に、トランジスタやフォトダイオードPDを電気的に分離するトレンチ素子分離層5が形成され、この素子分離層5間のシリコン基板1の表面付近に、フォトダイオードを構成するn型の蓄積拡散層4やトランジスタのソース・ドレイン等の領域が形成されている。
As shown in FIG. 1, for example, a trench
フォトダイオードは、裏面側のn−拡散層3と、表面側のn型の蓄積拡散層4と、これらの間にあるn型の拡散層3Aとにより構成されている。n型の拡散層3Aは、n−拡散層3と比較して小さい面積に形成されている。
なお、このフォトダイオードの各層3,3A,4においては、後述するポテンシャル分布(図2参照)を形成するために、n型不純物の濃度を、裏面のn−拡散層3<中間のn型の拡散層3A<表面のn型の蓄積拡散層4とする。
また、基板1の内部で光電変換した信号電子が隣の画素のフォトダイオードへ漏れ込まないようにするために、p型の素子分離拡散層2によりフォトダイオードを画素毎に分離している。
The photodiode is composed of an n − diffusion layer 3 on the back surface side, an n-type accumulation diffusion layer 4 on the front surface side, and an n-
In each of the photodiode layers 3, 3 A, 4, the n-type impurity concentration is set so that the back surface n − diffusion layer 3 <intermediate n-type in order to form a potential distribution (see FIG. 2) described later. The
Further, in order to prevent the signal electrons photoelectrically converted inside the
トランジスタのゲート電極7やトランジスタのソース又はドレイン領域には、ゲート電極7を覆う1層目の絶縁層8を貫通するプラグ層9が接続されている。このプラグ層9は、絶縁層8上に形成された第1層の配線層(電極層)10に接続されている。
第1層の配線層(電極層)10のうちの一部には、第1層の配線層10を覆う2層目の絶縁層11を貫通するプラグ層12が接続されている。このプラグ層12は、絶縁層11上に形成された第2層の配線層(電極層)13に接続されている。
第2層の配線層(電極層)13は、絶縁層14により覆われている。
そして、プラグ層9,12は、それぞれコンタクトホールの外壁及び底面を覆う薄い膜9A,12Aとその内部の厚い層9B,12Bとの2層構造になっている。
さらに、必要に応じて、上層に、カラーフィルターやオンチップレンズ等の部品が設けられて固体撮像素子が構成される。
A
A
The second wiring layer (electrode layer) 13 is covered with an insulating
The plug layers 9 and 12 have a two-layer structure of
Furthermore, if necessary, components such as a color filter and an on-chip lens are provided on the upper layer to form a solid-state imaging device.
本実施の形態では、図8に示した従来の裏面照射型CMOSイメージセンサーの構造に対して、基板1の裏面側の界面に、p+拡散層16を追加している。
このp+拡散層16は、ホール蓄積層として作用するため、基板1の裏面側の界面付近に発生するホールを蓄積させることができる。
このp+拡散層16は、好ましくは0.2μm以下の厚さに形成する。
また、p+拡散層16は接地電位(グランド電位)とされる。
In the present embodiment, a p + diffusion layer 16 is added to the interface on the back surface side of the
Since this p + diffusion layer 16 functions as a hole accumulation layer, holes generated near the interface on the back surface side of the
The p + diffusion layer 16 is preferably formed to a thickness of 0.2 μm or less.
The p + diffusion layer 16 is set to the ground potential (ground potential).
このp+拡散層16を追加したことにより、フォトダイオードによる空乏層が基板1の裏面側の界面へ到達することを抑制することができ、また裏面側の界面でのホール濃度を高く保つことが可能になるため、基板1の裏面側の界面付近に存在する界面準位に起因する暗電流の発生を抑制することができる。
By adding this p + diffusion layer 16, it is possible to suppress the depletion layer due to the photodiode from reaching the back side interface of the
また、本実施の形態では、裏面側に形成したフォトダイオードのn−拡散層3と表面側の蓄積拡散層4との間のシリコン基板1内部に、p+埋め込み拡散層15Aとその周囲のp−埋め込み拡散層15Bとを形成し、これらの埋め込み拡散層15(15A,15B)をゲート電極とした静電誘導トランジスタを形成している。
この静電誘導トランジスタは、読み出しトランジスタとして働くことにより、裏面側に形成されたフォトダイオードのn−拡散層3に蓄積されている信号電荷の、表面側に形成された蓄積拡散層4への流入を、制御することが可能となるものである。
In the present embodiment, the p + buried
This electrostatic induction transistor functions as a read transistor, so that the signal charge accumulated in the n − diffusion layer 3 of the photodiode formed on the back surface side flows into the storage diffusion layer 4 formed on the front surface side. Can be controlled.
埋め込み拡散層15は、基板面にほぼ平行に形成され、画素セルの外縁部でp型の素子分離拡散層2に接続されている。
また、埋め込み拡散層15は、後述するように各行の画素で共通に形成するので(図4参照)、図1の断面図には示していないが、素子分離拡散層2の外側に同じ行の隣接する画素セルの埋め込み拡散層15が接続されている。
The buried
Further, since the buried
この埋め込み拡散層15に電圧を印加するための構成としては、例えば、各行の画素毎に形成された埋め込み拡散層15の、撮像領域の外にある部分に、表面側まで低抵抗で接続するp+層を形成し、表面側に電極を形成して配線とのコンタクトを採る構成が考えられる。
また、例えば、裏面側界面の一部の領域で、p+拡散層16を形成する代わりに、電極取り出し用のp+層を形成し、これに接続して電極を形成すると共に、このp+層を素子分離拡散層2を通じて埋め込み拡散層15に接続する構成も考えられる。
As a configuration for applying a voltage to the buried
Further, for example, in some areas of the rear surface side interface, instead of forming the p + diffusion layer 16, with forming a p + layer for electrode extraction, to form an electrode connected thereto, the p + A configuration in which the layer is connected to the buried
図1に示した画素セルの構造は、シリコン基板1上に、フォトリソグラフィ及びイオン注入の組み合わせによる選択的拡散層の形成と、エピタキシャル成長とを、繰り返すことにより、製造することができる。
The structure of the pixel cell shown in FIG. 1 can be manufactured by repeating the formation of a selective diffusion layer by a combination of photolithography and ion implantation and the epitaxial growth on the
さらに、図1のA−A´断面のポテンシャル分布及びB−B´断面のポテンシャル分布を、共に図2に示し、図1の固体撮像素子の回路構成図を図3に示す。 Furthermore, FIG. 2 shows both the potential distribution of the AA ′ section and the potential distribution of the BB ′ section of FIG. 1, and FIG. 3 shows a circuit configuration diagram of the solid-state imaging device of FIG.
図3に示す回路構成図は、一部を除いて、図8に示したCMOSイメージセンサー50の回路構成図と同様になっている。
即ち、1つの画素セル30が、受光・光電変換を行うPD(フォトダイオード)、フォトダイオードPDから信号電荷を読み出す読み出しトランジスタ6、受光・蓄積に先立ちフォトダイオードPDを電源電位にリセットするリセットトランジスタ17、読み出された信号電荷に応じた電流に変換する増幅トランジスタ18、信号電流を読み出す垂直信号線19と電源及び駆動信号を伝える選択電源線22、読み出し選択線21、リセット線20から構成されている。
垂直信号線19の一端側にサンプル・ホールド回路25及び負荷トランジスタ24が接続されている。サンプル・ホールド回路25には、入力側に水平選択線28が接続され、出力側にバッファアンプ26が接続されている。
The circuit configuration diagram shown in FIG. 3 is the same as the circuit configuration diagram of the
That is, one
A sample and hold
フォトダイオードのn−拡散層3は、読み出しトランジスタ6に接続されている。この読み出しトランジスタ6は、前述したように、埋め込み拡散層15をゲート電極として用いるものである。
n型の蓄積拡散層4は、読み出しトランジスタ6及びリセットトランジスタ17の一端と、増幅トランジスタ18のゲートに接続されている。
The n − diffusion layer 3 of the photodiode is connected to the read transistor 6. As described above, the read transistor 6 uses the buried
The n-type storage diffusion layer 4 is connected to one end of the read transistor 6 and the
次に、図2のポテンシャル図及び図3を参照して、本実施の形態の固体撮像素子の動作を説明する。 Next, the operation of the solid-state imaging device of the present embodiment will be described with reference to the potential diagram of FIG. 2 and FIG.
まず、蓄積期間中は、埋め込み拡散層15を低電圧状態(ローレベル状態)とする。
このとき、図1のA−A´断面のポテンシャル分布は、図2の実線で示すようになっており、またB−B´断面のポテンシャル分布は、図2の破線で示すようになっている。
従って、フォトダイオードのn−拡散層3は空乏化状態となっており、基板1の裏面側より入射した光はこの領域において光電変換される。そして、発生した電子は、フォトダイオード内の図2のC部分に蓄積される。
First, during the accumulation period, the buried
At this time, the potential distribution in the AA ′ section in FIG. 1 is as shown by the solid line in FIG. 2, and the potential distribution in the BB ′ section is as shown in the broken line in FIG. .
Therefore, the n − diffusion layer 3 of the photodiode is depleted, and light incident from the back side of the
次に、蓄積された電子を読み出すときには、埋め込み拡散層15を高電圧状態(ハイレベル状態)とする。これにより、A−A´断面のポテンシャル分布が図2の鎖線で示すように変化して、C部分に蓄積されていた入射光量に応じた電子はD部分、即ち、蓄積拡散層4に流入する。
この蓄積拡散層4は、図3の回路構成図に示すように、画素セル30内の増幅トランジスタ18のゲート電極に接続されており、選択電源線22に電源電圧を印加することにより、蓄積された電荷量に対応して、増幅トランジスタ18により制御された電流が垂直信号線19を通して負荷トランジスタ24に流れ、信号電荷に対応した電位が垂直信号線19に生じる。
入射光量が強く、蓄積電荷が多いほど、垂直信号線19の電位は低くなる。この電位信号をサンプル・ホールド回路25及びバッファアンプ26を通じて、信号出力27として出力することができる。
Next, when reading the accumulated electrons, the buried
As shown in the circuit configuration diagram of FIG. 3, the storage diffusion layer 4 is connected to the gate electrode of the
The higher the amount of incident light and the more accumulated charge, the lower the potential of the
なお、図1の構造における埋め込み拡散層15は、図3の回路構成図における読み出し選択線21の画素セル30内の部分に対応するものであるため、2次元センサーの場合、埋め込み拡散層15を、行毎に分離された配線として形成する必要がある。
即ち、図4に平面図を示すように、行毎の画素セル30に共通して埋め込み拡散層15を形成する。
The buried
That is, as shown in the plan view of FIG. 4, the buried
上述の本実施の形態によれば、基板1の配線層10,13が形成された表面側とは反対側(裏面側)の界面に、ホール蓄積層16が形成されているため、このホール蓄積層16により、基板1の裏面側の界面付近で発生する界面準位に起因する暗電流を抑制することができる。
According to the above-described embodiment, the
また、本実施の形態によれば、基板1の内部に形成されたp型の埋め込み拡散層15により、表面側に形成された画素形成回路(蓄積拡散層4及び画素セル内のトランジスタ)へ信号電荷を選択的に読み出すための読み出しトランジスタ6のゲートが構成されているため、読み出しトランジスタ6及び読み出し選択線21が、シリコン基板1の内部に形成されていることになる。
これにより、基板1の表面側に形成するトランジスタ数及び配線数を削減することができるため、画素セル30の微細化が容易となる。
Further, according to the present embodiment, the p-type buried
As a result, the number of transistors and the number of wirings formed on the surface side of the
そして、裏面照射型の構造を有することにより、配線層等により光がけられることがなく、フォトダイオードに入射する光量を多くすることが可能になると共に、トランジスタが形成されている基板1の表面側の界面付近ではなく、基板1の内部の深い位置にフォトダイオードを形成しているので、フォトダイオードの面積を広く確保することができる。
これにより、フォトダイオードに蓄積できる電荷量を増やすことや、感度を向上することが可能になる。
And by having a backside illumination type structure, it is possible to increase the amount of light incident on the photodiode without being scattered by the wiring layer or the like, and at the front side of the
As a result, the amount of charge that can be accumulated in the photodiode can be increased, and the sensitivity can be improved.
従って、本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、低暗電流と高感度とを両立することができる。 Therefore, according to the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment, both low dark current and high sensitivity can be achieved.
さらに、本発明の他の実施の形態として、CMOSイメージセンサーの概略断面図を図5に示す。また、図5に示すCMOSイメージセンサーの画素セル部分の回路構成図を図6に示す。
なお、図6において、画素セル以外の部分は、図3に示した先の実施の形態の回路構成図と同様であるので、図示を省略している。
Furthermore, FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a CMOS image sensor as another embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a circuit configuration diagram of a pixel cell portion of the CMOS image sensor shown in FIG.
In FIG. 6, the portions other than the pixel cell are the same as those in the circuit configuration of the previous embodiment shown in FIG.
従来のCMOSイメージセンサーの構成においては、行毎に読み出し動作を行っていたために、2次元アレー配列された画素セルの行毎に蓄積期間が異なり、2次元画面において同時性の無いフォーカルプレーン動作となってしまう欠点を有していた。
本実施の形態は、さらに、この欠点を改善し、CCDイメージセンサー(CCD固体撮像素子)と同様に、2次元画面全体において、同時性のある蓄積期間を実現するものである。
In the configuration of the conventional CMOS image sensor, since the reading operation is performed for each row, the accumulation period is different for each row of the pixel cells arranged in a two-dimensional array, and there is a focal plane operation having no synchronism on the two-dimensional screen. Had the disadvantage of becoming.
The present embodiment further improves this defect and realizes a simultaneous accumulation period in the entire two-dimensional screen as in the case of a CCD image sensor (CCD solid-state imaging device).
本実施の形態においては、特に、図6の回路構成図に示すように、従来の回路構成に対して転送トランジスタ29を追加している。
この転送トランジスタ29は、そのゲートが転送選択線23に接続され、ソース/ドレインの一方が蓄積拡散層4に接続され、他方が増幅トランジスタ18のゲートに接続されている。
In this embodiment, in particular, as shown in the circuit configuration diagram of FIG. 6, a
The
さらに、図5の埋め込み転送電極拡散層15(図6の画素セル部回路における読み出し選択線21に対応)を、図7に平面図を示すように、2次元アレーに配列された画素セル31全体に共通して形成する。
これにより、2次元アレー配列された画素セル31全体で、蓄積期間を揃えることができる。
Furthermore, the embedded transfer
Thereby, the accumulation period can be made uniform in the
図5及び図6において、その他の構成は、先の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。 5 and 6, the other configurations are the same as those in the previous embodiment, and thus the same reference numerals are given and redundant description is omitted.
本実施の形態の固体撮像素子は、次のように動作する。
まず、蓄積期間中は、埋め込み拡散層15を低電圧状態(ローレベル状態)とすることにより、フォトダイオードのn−拡散層3が空乏化状態となり、基板1の裏面側より入射した光はこの領域において光電変換される。そして、発生した電子は、フォトダイオードのn−拡散層3内に蓄積される。
The solid-state image sensor according to the present embodiment operates as follows.
First, during the accumulation period, by setting the buried
次に、このフォトダイオードのn−拡散層3内に蓄積された電荷(電子)を読み出すために、埋め込み拡散層15を高電圧状態(ハイレベル状態)とする。これにより、2次元アレーに配置された画素全体において、フォトダイオードのn−拡散層3内に蓄積されていた、入射光量に対応した量の電子が、n型の拡散層3Aを通じて蓄積拡散層4に流入する。
Next, in order to read out electric charges (electrons) accumulated in the n − diffusion layer 3 of the photodiode, the buried
その後、埋め込み拡散層15を低電圧状態(ローレベル状態)とすることにより、フォトダイオードでは次の蓄積動作が開始される。
蓄積拡散層4に蓄積された信号電荷は、転送選択線23が行毎にハイレベル状態となることにより、行毎に転送トランジスタ29がオンして増幅トランジスタ18のゲート電極に接続され、選択電源線22に電源電圧を印加することにより、蓄積された電荷量に対応して、増幅トランジスタ18により制御された電流が垂直信号線19を通して負荷トランジスタ24に流れ、信号電荷に対応した電位が垂直信号線19に生じる。
Thereafter, the buried
The signal charge stored in the storage diffusion layer 4 is connected to the gate electrode of the amplifying
このように、本実施の形態では、入射光に応じて光電変換された電子の蓄積期間を、2次元アレー配列された画素セル31全体で同期間にすることができるため、CCD固体撮像素子と同様に、同時性を保った撮像を行うことが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the accumulation period of the electrons photoelectrically converted according to the incident light can be synchronized with the
上述の本実施の形態によれば、先の実施の形態と同様に、基板1の裏面側の界面に形成されたホール蓄積層16により、基板1の裏面側の界面付近で発生する界面準位に起因する暗電流を抑制することができる。
また、先の実施の形態と同様に、基板1の内部に形成されたp型の埋め込み拡散層15により、読み出しトランジスタ6のゲートを構成し、基板1の表面側に形成するトランジスタ数及び配線数を削減することができるため、画素セル30の微細化が容易となる。
そして、裏面照射型の構造を有することにより、フォトダイオードの面積を広く確保して、フォトダイオードに蓄積できる電荷量を増やすことや、感度を向上することが可能になる。
According to the above-described embodiment, the interface states generated near the interface on the back surface side of the
Similarly to the previous embodiment, the gate of the read transistor 6 is constituted by the p-type buried
In addition, by having a back-illuminated structure, it is possible to secure a large area of the photodiode, increase the amount of charge that can be accumulated in the photodiode, and improve sensitivity.
また本実施の形態によれば、特に、転送トランジスタ29を設けると共に、埋め込み拡散層15を2次元アレー配列された画素セル31に共通に形成したことにより、電荷(電子)の蓄積時間を、2次元アレー配列された画素セル31全体で同期間にすることができる。
これにより、同時性を保った撮像を行うことが可能となる。
Further, according to the present embodiment, in particular, the
Thereby, it is possible to perform imaging while maintaining simultaneity.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
1 基板、2 素子分離拡散層、3 n−拡散層、3A n型拡散層、4 蓄積拡散層、5 トレンチ素子分離層、6 読み出しトランジスタ、7 ゲート電極、8,11,14 絶縁層、9,12 プラグ層、10,13 配線層、15 埋め込み拡散層、16 ホール蓄積層、17 リセットトランジスタ、18 増幅トランジスタ、19 垂直信号線、20 リセット線、21 読み出し選択線、22 選択電源線、23 転送選択線、24 負荷トランジスタ、25 サンプル・ホールド回路、27 信号出力、28 水平選択線、29 転送トランジスタ、30,31 画素セル 1 substrate, 2 the element isolation diffusion layer, 3 n - diffusion layer, 3A n-type diffusion layer, 4 storage diffusion layer, 5 a trench isolation layer, 6 a read transistor, 7 gate electrode, 8, 11, 14 insulating layer, 9, 12 plug layers, 10 and 13 wiring layers, 15 buried diffusion layers, 16 hole storage layers, 17 reset transistors, 18 amplification transistors, 19 vertical signal lines, 20 reset lines, 21 readout selection lines, 22 selection power supply lines, 23 transfer selections Line, 24 load transistor, 25 sample and hold circuit, 27 signal output, 28 horizontal selection line, 29 transfer transistor, 30, 31 pixel cell
Claims (6)
画素毎に分離するための、第2導電型の素子分離拡散層と、
前記半導体層の表面側に形成された配線層とを少なくとも有し、
前記半導体層の前記表面側とは反対の裏面側から光を入射させる構造を有し、
前記受光部を構成する第1導電型の領域から、前記半導体層の表面側に形成された画素形成回路へ信号電荷を選択的に読み出すための読み出しトランジスタが、前記半導体層の内部に形成され、
前記受光部を構成する第1導電型の領域は、前記半導体層の裏面側から、第1の第1導電型の拡散層と、第2の第1導電型の拡散層と、第3の第1導電型の拡散層に分かれており、第1導電型の不純物濃度が、前記第1の第1導電型の拡散層<前記第2の第1導電型の拡散層<前記第3の第1導電型の拡散層となっており、
前記半導体層の内部に埋め込まれて、前記半導体層の面に平行に形成された第2導電型の領域が、前記読み出しトランジスタのゲートを構成し、
前記第2導電型の領域が、画素セルの外縁部で前記第2導電型の素子分離拡散層に接続されている
固体撮像素子。 A second-conductivity-type semiconductor layer in which a light-receiving portion that performs photoelectric conversion is formed;
A second conductivity type element isolation diffusion layer for isolation for each pixel;
And at least a wiring layer formed on the surface side of the semiconductor layer,
Having a structure in which light is incident from the back side opposite to the front side of the semiconductor layer;
A readout transistor for selectively reading out signal charges from a first conductivity type region constituting the light receiving portion to a pixel formation circuit formed on the surface side of the semiconductor layer is formed inside the semiconductor layer,
The region of the first conductivity type constituting the light receiving portion is formed from the back side of the semiconductor layer by a first first conductivity type diffusion layer, a second first conductivity type diffusion layer, and a third third type. The first conductivity type diffusion layer is divided into one conductivity type diffusion layer, and the first conductivity type diffusion layer <the second first conductivity type diffusion layer <the third first. It is a conductive diffusion layer,
A second conductivity type region embedded in the semiconductor layer and formed in parallel to the surface of the semiconductor layer constitutes the gate of the read transistor,
The solid-state imaging device, wherein the second conductivity type region is connected to the second conductivity type element isolation diffusion layer at an outer edge portion of the pixel cell.
画素毎に分離するための、第2導電型の素子分離拡散層と、
前記半導体層の表面側に形成された配線層とを少なくとも有し、
前記半導体層の前記表面側とは反対の裏面側から光を入射させる構造を有し、
前記受光部を構成する第1導電型の領域から、前記半導体層の表面側に形成された画素形成回路へ信号電荷を選択的に読み出すための読み出しトランジスタが、前記半導体層の内部に形成され、
前記受光部を構成する第1導電型の領域は、前記半導体層の裏面側から、第1の第1導電型の拡散層と、第2の第1導電型の拡散層と、第3の第1導電型の拡散層に分かれており、第1導電型の不純物濃度が、前記第1の第1導電型の拡散層<前記第2の第1導電型の拡散層<前記第3の第1導電型の拡散層となっており、
前記半導体層の内部に埋め込まれて、前記半導体層の面に平行に形成された第2導電型の領域が、前記読み出しトランジスタのゲートを構成し、
前記第2導電型の領域が、画素セルの外縁部で前記第2導電型の素子分離拡散層に接続されている固体撮像素子に対して、
前記読み出しトランジスタを全画素で同時にオンすることにより、全画素の受光・蓄積期間を揃える
固体撮像素子の駆動方法。 A second-conductivity-type semiconductor layer in which a light-receiving portion that performs photoelectric conversion is formed;
A second conductivity type element isolation diffusion layer for isolation for each pixel;
And at least a wiring layer formed on the surface side of the semiconductor layer,
Having a structure in which light is incident from the back side opposite to the front side of the semiconductor layer;
A readout transistor for selectively reading out signal charges from a first conductivity type region constituting the light receiving portion to a pixel formation circuit formed on the surface side of the semiconductor layer is formed inside the semiconductor layer,
The region of the first conductivity type constituting the light receiving portion is formed from the back side of the semiconductor layer by a first first conductivity type diffusion layer, a second first conductivity type diffusion layer, and a third third type. The first conductivity type diffusion layer is divided into one conductivity type diffusion layer, and the first conductivity type diffusion layer <the second first conductivity type diffusion layer <the third first. It is a conductive diffusion layer,
A second conductivity type region embedded in the semiconductor layer and formed in parallel to the surface of the semiconductor layer constitutes the gate of the read transistor,
For the solid-state imaging device in which the second conductivity type region is connected to the second conductivity type element isolation diffusion layer at the outer edge of the pixel cell.
A method for driving a solid-state imaging device, wherein the light receiving and accumulation periods of all the pixels are aligned by simultaneously turning on the readout transistors in all the pixels.
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