JP4788478B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device Download PDF

Info

Publication number
JP4788478B2
JP4788478B2 JP2006146073A JP2006146073A JP4788478B2 JP 4788478 B2 JP4788478 B2 JP 4788478B2 JP 2006146073 A JP2006146073 A JP 2006146073A JP 2006146073 A JP2006146073 A JP 2006146073A JP 4788478 B2 JP4788478 B2 JP 4788478B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor region
region
potential
charge
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006146073A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2007318465A (en
Inventor
秀司 阿部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2006146073A priority Critical patent/JP4788478B2/en
Publication of JP2007318465A publication Critical patent/JP2007318465A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4788478B2 publication Critical patent/JP4788478B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、過剰電荷を半導体の深さ方向に排出する縦型オーバーフローバリア構造を持つ固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device having a vertical overflow barrier structure that discharges excess charges in the depth direction of a semiconductor.

撮像部内に複数の光電変換素子(フォトダイオードなど)から成る電荷生成部(センサ部)を備えた固体撮像素子(固体撮像装置やイメージセンサとも言われる)が、画像を取り込む手段として様々な分野で利用されている。   A solid-state imaging device (also referred to as a solid-state imaging device or an image sensor) having a charge generation unit (sensor unit) including a plurality of photoelectric conversion elements (photodiodes or the like) in an imaging unit is used as a means for capturing an image in various fields. It's being used.

一般に、固体撮像素子は、フォトダイオードなどで構成された各受光素子で受光面から入射した入射光を受光して光電変換を行ない、発生した電荷を検出回路によって検出し、その後増幅し、順次出力する。   In general, solid-state imaging devices receive light incident from the light-receiving surface with each light-receiving element composed of photodiodes, etc., perform photoelectric conversion, detect the generated charges with a detection circuit, then amplify and output sequentially To do.

固体撮像素子の一構成例として、N型シリコン基板(第1導電型の半導体基板)上に、第2導電型の半導体層としてのP型不純物(Pウェル)が形成されており、第2導電型の半導体層に第1導電型の不純物をイオン注入することによって形成された電荷蓄積層(以下第1センサ領域ともいう)を具備したセンサ部(受光部)が形成される。光を受光し光電変換して得た信号電荷が、この電荷蓄積層に蓄積される。   As one configuration example of the solid-state imaging device, a P-type impurity (P well) as a second conductivity type semiconductor layer is formed on an N-type silicon substrate (first conductivity type semiconductor substrate), and the second conductivity A sensor unit (light receiving unit) including a charge storage layer (hereinafter also referred to as a first sensor region) formed by ion-implanting a first conductivity type impurity into a type semiconductor layer is formed. Signal charges obtained by receiving light and performing photoelectric conversion are accumulated in the charge accumulation layer.

ところで、一般的な固体撮像素子では、被写体の高照度部分からの強い光によって過剰電荷が発生し、その過剰電荷によって再生画像が損なわれ、ブルーミング現象やスメア現象が発生する。   By the way, in a general solid-state imaging device, excessive charges are generated by strong light from a high illuminance portion of a subject, and the reproduced image is damaged by the excessive charges, and a blooming phenomenon and a smear phenomenon occur.

この問題を解消する手法の一例として、隣接するチャンネル間にオーバーフロードレインを設け、このオーバーフロードレインによって過剰電荷を吸収するようにする手法や、センサの深さ方向にオーバーフロードレインを設けた縦形のオーバーフローバリア(OFB:Over Flow Barrier )構造とし、縦形(深さ方向)のオーバーフロードレインによって過剰電荷を吸収するようにする手法などが考えられている(たとえば特許文献1〜3を参照)。   As an example of a method for solving this problem, a method of providing an overflow drain between adjacent channels and absorbing excess charge by this overflow drain, or a vertical overflow barrier provided with an overflow drain in the depth direction of the sensor A method of using an (OFB: Over Flow Barrier) structure and absorbing excess charges with a vertical (depth direction) overflow drain is considered (for example, see Patent Documents 1 to 3).

隣接チャンネル間にオーバーフロードレインを設ける前者の手法では、開口率を低くしてしまうという問題を生じるのに対して、縦形オーバーフローバリア構造とする後者の手法では、開口率を低くすることなく過剰電荷を吸収できる利点がある。   The former method, in which an overflow drain is provided between adjacent channels, causes a problem of lowering the aperture ratio, whereas the latter method using a vertical overflow barrier structure causes excess charge to be obtained without reducing the aperture ratio. There is an advantage that can be absorbed.

特許第2576813号公報Japanese Patent No. 2576813 特開2001−185711号公報JP 2001-185711 A 特開2000−091550号公報JP 2000-091550 A

図7は、縦形オーバーフローバリア構造を有する従来のCCD固体撮像素子を説明する図である。ここで、図7(A)は、ユニットセルのセンサ水平方向断面の不純物構成を示す図である。また、図7(B)は、ユニットセルにおける深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図であり、図7(C)は、信号電荷の蓄積特性を示す図である。   FIG. 7 is a diagram for explaining a conventional CCD solid-state imaging device having a vertical overflow barrier structure. Here, FIG. 7A is a diagram showing an impurity configuration of a cross section in the sensor horizontal direction of the unit cell. FIG. 7B is a diagram showing a potential profile in the depth direction in the unit cell, and FIG. 7C is a diagram showing signal charge accumulation characteristics.

図7(A)に示すように、ユニットセルは、たとえばN- 型シリコンからなる半導体基板NSUBの表面にP型半導体ウェルの第1Pウェル領域PW1が製膜され、この第1Pウェル領域PW1上にて、第1導電型の半導体領域で構成された感光部SENS、感光部SENSに蓄積された信号電荷を読み出す信号電荷読出部RO、転送レジスタCCD(Charge Coupled Device )、および素子分離部としてのチャネルストップCSが、この順に水平方向に形成されており、下地の構造はIT(インターライン)−CCDのそれと同じである。   As shown in FIG. 7A, in the unit cell, a first P well region PW1 of a P type semiconductor well is formed on the surface of a semiconductor substrate NSUB made of, for example, N − type silicon, and on the first P well region PW1. The first conductive type semiconductor region, the signal charge readout unit RO for reading out the signal charges accumulated in the photosensitive unit SENS, the transfer register CCD (Charge Coupled Device), and the channel as the element isolation unit The stop CS is formed in the horizontal direction in this order, and the structure of the base is the same as that of IT (interline) -CCD.

第1Pウェル領域PW1は、感光部SENSの第1導電型とは異なる第2導電型の半導体領域であり、その接合深さが、感光部SENSの下部において浅く、かつ転送領域である転送レジスタCCD下において深くされており、これによって感光部SENSの下部全体にオーバーフローバリア領域OFBが形成されるようになっている。   The first P well region PW1 is a semiconductor region of a second conductivity type different from the first conductivity type of the photosensitive portion SENS, and its junction depth is shallow below the photosensitive portion SENS and is a transfer register CCD which is a transfer region. The overflow barrier region OFB is formed in the entire lower portion of the photosensitive portion SENS.

感光部SENSは、フォトダイオード型の感光素子で、第1Pウェル領域PW1の接合深さの浅い領域の表面に選択的に形成された第1導電型としてのN+ 型の半導体領域からなり、信号電荷の生成と蓄積を行なう電荷蓄積領域としての機能を持つ。   The photosensitive portion SENS is a photodiode-type photosensitive element, and includes an N + type semiconductor region as a first conductivity type selectively formed on a surface of a region having a shallow junction depth of the first P well region PW1. It functions as a charge accumulation region for generating and accumulating charges.

チャネルストップ部CSは、第1Pウェル領域PW1表面において、感光部SENSを囲繞するように形成され、P+ 型半導体領域からなる。   The channel stop portion CS is formed on the surface of the first P well region PW1 so as to surround the photosensitive portion SENS and is made of a P + type semiconductor region.

転送レジスタCCDは、第1Pウェル領域PW1上に形成された第2Pウェル領域PW2上に埋込チャネルBCが設けられた構造となっている。センサ表面部分における埋込チャネルBCと感光部SENSとの間には、第2Pウェル領域PW2が介在することで、感光部SENSと転送レジスタCCDとの間を結ぶ信号電荷読出部ROが形成されるようになっている。   The transfer register CCD has a structure in which a buried channel BC is provided on a second P well region PW2 formed on the first P well region PW1. Between the buried channel BC and the photosensitive portion SENS in the sensor surface portion, the signal charge reading portion RO connecting the photosensitive portion SENS and the transfer register CCD is formed by interposing the second P well region PW2. It is like that.

信号電荷読出部ROの第2Pウェル領域PW2は、チャネルストップ部CSの不純物濃度よりも低い濃度のP- 型半導体領域からなる。   The second P well region PW2 of the signal charge readout portion RO is formed of a P − type semiconductor region having a concentration lower than the impurity concentration of the channel stop portion CS.

センサ表面には、半導体表面を被覆する図示を割愛したシリコン酸化膜が形成され、このシリコン酸化膜を挟んで、埋込チャネルBCと信号電荷読出部ROを覆うように、読出電極と転送電極を兼用する電極ELが形成されている。   A silicon oxide film (not shown) that covers the semiconductor surface is formed on the sensor surface, and the reading electrode and the transfer electrode are arranged so as to cover the buried channel BC and the signal charge reading portion RO with the silicon oxide film interposed therebetween. An electrode EL that is also used is formed.

しかしながら、従来の縦型オーバーフロードレインでは、基板電位でオーバーフローバリアの高さを調整し電子一括シャッタを行なっている。また、オーバーフローバリアの位置が基板深くに形成されるため、薄く水平に一様な濃度で形成される。加えて、電荷転送のためにも、垂直転送路とフォトダイオード下は完全空乏化させた状態にしている。   However, in the conventional vertical overflow drain, the electronic barrier shutter is performed by adjusting the height of the overflow barrier with the substrate potential. In addition, since the overflow barrier is formed deep in the substrate, it is formed thin and horizontally with a uniform concentration. In addition, the vertical transfer path and the photodiode are completely depleted for charge transfer.

このため、GND(接地)レベルである表面のP+とオーバーフローバリアとの結合が弱く、フォトダイオードに電荷が飽和レベルを超えて溜まるようになると、電荷が空のときに比べて、徐々にオーバーフローバリア領域の障壁電位が変動してしまう(たとえば特許文献1の段落6〜12を参照)。その結果として、電子濃度に追従して実行的な飽和が大きくなる。   Therefore, the coupling between the surface P + at the GND (ground) level and the overflow barrier is weak, and when the charge accumulates in the photodiode exceeding the saturation level, the overflow barrier is gradually increased as compared with when the charge is empty. The barrier potential of the region fluctuates (see, for example, paragraphs 6 to 12 of Patent Document 1). As a result, the practical saturation increases following the electron concentration.

縦型オーバーフロードレイン構造の固体撮像素子においての電荷蓄積と光量の依存性は、図7(C)に示すように、光りの量に応じて一定の割合、通常比例の関係で増加していき、ある一定のところで飽和レベルに達する。そこでは、過剰な電子は基板に掃き捨てられる。   As shown in FIG. 7C, the dependence of charge accumulation and light amount in a solid-state imaging device having a vertical overflow drain structure increases with a constant proportion, usually proportional, according to the amount of light. A saturation level is reached at a certain point. There, excess electrons are swept away by the substrate.

ところが、ポテンシャルプロファイルは不変でなく、感光部SENSに蓄積される信号電荷の量によって変化し、信号電荷の量が増加するとそれに応じて障壁電位も図7(B)における上側に移動してしまう。つまり、オーバーフローバリア領域OFBの電位障壁が上昇するのである。   However, the potential profile is not invariant and changes depending on the amount of signal charge accumulated in the photosensitive portion SENS. When the amount of signal charge increases, the barrier potential also moves upward in FIG. 7B. That is, the potential barrier of the overflow barrier region OFB rises.

その結果、オーバーフローが開始されても、電荷蓄積開始時点における障壁を越える信号電荷の全てが半導体基板NSUBに吸収されてしまうわけではなく、一部は感光部SENS内に蓄積されてしまうことになる。つまり、実際には、飽和レベルよりも光量が増え続けると、信号電荷は飽和レベルを超えて溜まり続ける。   As a result, even if the overflow is started, not all the signal charges exceeding the barrier at the start of charge accumulation are absorbed by the semiconductor substrate NSUB, and a part is accumulated in the photosensitive portion SENS. . That is, in practice, if the light quantity continues to increase above the saturation level, the signal charge continues to accumulate beyond the saturation level.

このため、過剰電荷の全てを完全に感光部SENSから半導体基板NSUBへ排除することができるわけではなく、その結果として、図7(C)に示すように、光量の増加とともに、飽和レベルを超えて信号電荷が少し上昇してしまう。そして、このような特性が存在すると、この特性に関係する様々な問題も生じてくる。なお、このような特性を一般にニー特性と呼んでいる。   For this reason, it is not possible to completely eliminate all excess charges from the photosensitive portion SENS to the semiconductor substrate NSUB. As a result, as shown in FIG. The signal charge will rise slightly. When such characteristics exist, various problems related to these characteristics also arise. Such a characteristic is generally called a knee characteristic.

すなわち、このように、一般に、被写体となる像には飽和信号レベルを遙かに上回る強い光りも存在しており、フォトダイオードに蓄積された飽和信号レベル以上の光りを電荷転送路(転送レジスタCCD)で運ぶ必要がある。もし、運べないと、電荷転送路の上と下の画素に溢れることになり、ブルーミングと似た現象を電荷転送路で起してしまう。   In other words, in general, an intense light exceeding the saturation signal level is also present in the subject image, and light exceeding the saturation signal level accumulated in the photodiode is transferred to the charge transfer path (transfer register CCD). ). If it cannot be carried, it will overflow the pixels above and below the charge transfer path, causing a phenomenon similar to blooming in the charge transfer path.

一方、飽和信号レベル以上の信号電荷は、実際の画像として使われることは殆どなく、出力信号のダイナミックレンジを越えるため、後段の信号処理で強制的にクリッピングしている。このように、ニー特性による電荷蓄積は無駄な電荷である。   On the other hand, the signal charge above the saturation signal level is rarely used as an actual image and exceeds the dynamic range of the output signal, so that it is forcibly clipped in the subsequent signal processing. Thus, charge accumulation due to knee characteristics is a wasteful charge.

しかしながら、実際には、その無駄な電荷も電荷転送路で溢れてはいけないので、電荷転送路で電荷を運べる能力を、たとえば飽和レベルの2倍も取ることが一般的になっている。   However, in practice, the useless charge must not overflow in the charge transfer path, so it is common to take the ability to carry charge in the charge transfer path, for example, twice the saturation level.

そのため、ニー成分の信号電荷も運ぶための電荷転送路の能力向上のため、電荷転送路の幅を広く取る必要がある。これは、結果的に、フォトダイオードの面積を低下させることになり、微細化の妨げになっている。また、電極の振幅を大きくすることで、転送能力を上げることも採り得るが、この場合、消費電力の増加を引き起こしてしまう。   Therefore, it is necessary to increase the width of the charge transfer path in order to improve the capacity of the charge transfer path for carrying the knee component signal charge. As a result, the area of the photodiode is reduced, which hinders miniaturization. Further, it is possible to increase the transfer capability by increasing the amplitude of the electrode, but in this case, the power consumption is increased.

これらの電荷転送路に関する問題は、垂直転送レジスタV−CCDだけでなく、水平転送レジスタH−CCDにも言えることである。   The problem related to these charge transfer paths is applicable not only to the vertical transfer register V-CCD but also to the horizontal transfer register H-CCD.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、縦形オーバーフローバリア構造を有する固体撮像素子において、過剰電荷時のニー特性を改善することのできる仕組みを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a mechanism capable of improving knee characteristics at the time of excess charge in a solid-state imaging device having a vertical overflow barrier structure.

本発明に係る仕組みにおいては、電荷蓄積領域の下部における第2導電型の半導体領域でなるオーバーフローバリア領域の周囲に、電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷量に依存するオーバーフローバリア領域の電位障壁の変動を抑制するための電位変動抑制半導体領域を備えるデバイス構造とした。この電位変動抑制半導体領域は、第2導電型の半導体領域でなるオーバーフローバリア領域よりも高濃度の第2導電型で形成された領域である。 In the mechanism according to the present invention, the potential barrier of the overflow barrier region depending on the amount of signal charge accumulated in the charge accumulation region is formed around the overflow barrier region which is the second conductivity type semiconductor region below the charge accumulation region. A device structure provided with a potential fluctuation suppressing semiconductor region for suppressing fluctuation was used. This potential fluctuation suppressing semiconductor region is a region formed of the second conductivity type having a higher concentration than the overflow barrier region formed of the second conductivity type semiconductor region.

このような電位変動抑制半導体領域を備えるデバイス構造とするに当たっては、様々なデバイス構造を採り得るが、第1には、隣接するユニットセルとの分離を行なうための素子分離領域が電位変動抑制半導体領域を兼用する構造とするのがよい。こうすることで、素子分離領域とは別に電位変動抑制半導体領域を設けなくてもよくなるので、素子面積の増大を招かずに、本願発明のデバイス構造を実現できる。   Various device structures can be adopted for the device structure including such a potential variation suppressing semiconductor region. First, an element isolation region for isolation from an adjacent unit cell is a potential variation suppressing semiconductor. A structure that also serves as a region is preferable. By doing so, it is not necessary to provide a potential variation suppressing semiconductor region separately from the element isolation region, so that the device structure of the present invention can be realized without increasing the element area.

また、電位変動抑制半導体領域で、オーバーフローバリア領域の一部の周囲だけを囲むように形成してもよいが、電位変動を抑制する上では、電位変動抑制半導体領域をオーバーフローバリア領域の全周囲を囲むように形成するのが効果的である。   In addition, the potential fluctuation suppressing semiconductor region may be formed so as to surround only a part of the overflow barrier region. However, in order to suppress the potential fluctuation, the potential fluctuation suppressing semiconductor region is arranged around the entire overflow barrier region. It is effective to form so as to surround.

このためには、素子分離領域と兼用されている第1の電位変動抑制半導体領域のみで、電荷蓄積領域の下部において、オーバーフローバリア領域の全周囲を囲むように形成する手法を取ることができる。   For this purpose, it is possible to adopt a method in which only the first potential fluctuation suppressing semiconductor region that is also used as the element isolation region is formed so as to surround the entire periphery of the overflow barrier region below the charge storage region.

この場合、CCD型の固体撮像素子の場合には、電位変動抑制半導体領域が信号電荷の読出しや転送に与える影響を少なくするべく、電荷蓄積領域の下部のみで、素子分離領域と兼用されている第1の電位変動抑制半導体領域で、オーバーフローバリア領域の全周囲を囲むようにするのがよい。   In this case, in the case of a CCD type solid-state imaging device, the potential fluctuation suppressing semiconductor region is also used as an element isolation region only under the charge storage region in order to reduce the influence of signal charge reading and transfer. The first potential fluctuation suppressing semiconductor region may surround the entire periphery of the overflow barrier region.

あるいは、2種類の電位変動抑制半導体領域を設けることにし、素子分離領域と兼用されている第1の電位変動抑制半導体領域で、オーバーフローバリア領域の片側の周囲を囲み、かつ、信号電荷読出部や電荷転送部の下部にも、第2の電位変動抑制半導体領域を設け、第2の電位変動抑制半導体領域で、オーバーフローバリア領域のもう片側の周囲を囲むようにすることも考えられる。   Alternatively, by providing two types of potential fluctuation suppressing semiconductor regions, the first potential fluctuation suppressing semiconductor region that is also used as the element isolation region surrounds one side of the overflow barrier region, and the signal charge reading unit, It is also conceivable that a second potential fluctuation suppressing semiconductor region is provided also below the charge transfer portion, and the second potential fluctuation suppressing semiconductor region surrounds the other side of the overflow barrier region.

なお、この場合、第2の電位変動抑制半導体領域が信号電荷の読出しや電荷転送に与える影響を少なくするには、第2の電位変動抑制半導体領域は、電荷転送部の下部には延在せず、信号電荷読出部の下部までに留めておくのがよい。   In this case, in order to reduce the influence of the second potential fluctuation suppressing semiconductor region on signal charge reading and charge transfer, the second potential fluctuation suppressing semiconductor region extends below the charge transfer portion. Instead, it is preferable to keep it under the signal charge reading portion.

また、2種類の電位変動抑制半導体領域を設ける場合、第2の電位変動抑制半導体領域を第1の電位変動抑制半導体領域と繋ぐことで、実質的に、オーバーフローバリア領域の全周囲を囲むように形成する手法を取ることもできるし、第2の電位変動抑制半導体領域を第1の電位変動抑制半導体領域と離間させて繋がないようにすることで、オーバーフローバリア領域の一部の周囲だけを囲むように形成する手法を取ることもできる。もちろん、素子分離領域と兼用されている第1の電位変動抑制半導体領域で、オーバーフローバリア領域の一部の周囲だけを囲むように形成する手法を取ることもできる。   When two types of potential fluctuation suppressing semiconductor regions are provided, the second potential fluctuation suppressing semiconductor region is connected to the first potential fluctuation suppressing semiconductor region so as to substantially surround the entire periphery of the overflow barrier region. The second potential fluctuation suppressing semiconductor region can be separated from the first potential fluctuation suppressing semiconductor region so as not to be connected to surround only a part of the overflow barrier region. It is also possible to take a method of forming as follows. Of course, the first potential fluctuation suppressing semiconductor region also used as the element isolation region may be formed so as to surround only a part of the overflow barrier region.

本発明によれば、オーバーフローバリア領域の周囲に、信号電荷の蓄積量に依存した電位障壁の変動を抑制するための電位変動抑制半導体領域を備えるデバイス構造としたので、信号電荷が飽和レベル以上に溜まろうとするときには、オーバーフローバリア領域付近の電位が電位変動抑制半導体領域による電位の影響を受けて、障壁電位が変動しようとすることを、従来に比べて抑制することができる。この結果、飽和レベルを超えて信号電荷が蓄積されることに起因するニー特性を抑制することができる。ニー特性を抑制することができるので、ニー特性に関係する様々な問題も解消することができる。   According to the present invention, since the device structure is provided with the potential fluctuation suppressing semiconductor region for suppressing the fluctuation of the potential barrier depending on the accumulation amount of the signal charge around the overflow barrier region, the signal charge is higher than the saturation level. When trying to accumulate, it is possible to suppress the potential near the overflow barrier region from being affected by the potential variation of the potential variation suppressing semiconductor region and to attempt to vary the barrier potential as compared with the conventional case. As a result, it is possible to suppress knee characteristics resulting from the accumulation of signal charges exceeding the saturation level. Since the knee characteristic can be suppressed, various problems related to the knee characteristic can be solved.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

<撮像装置の全体構成>
図1は、電子機器の一例である撮像装置(カメラシステム)の一実施形態を示す構成図である。なお、ここでは、インターライン転送(IT)方式のCCD固体撮像素子を用いた事例で示す。垂直転送電極としては、2フィールド読出方式の場合で示す。
<Overall configuration of imaging device>
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an embodiment of an imaging apparatus (camera system) that is an example of an electronic apparatus. Here, an example using an interline transfer (IT) type CCD solid-state imaging device is shown. The vertical transfer electrode is shown in the case of a two-field readout method.

ここで一般的なIT方式のCCD固体撮像素子は、多数のセンサ部(フォトセル、受光センサ)が2次元マトリクス(行列)状に配され、各垂直列のフォトセルの間にそれぞれ複数の垂直転送CCD(Vレジスタ)が配列され、最後の行の垂直転送CCDに隣接して水平転送CCDが通常1ライン分設けられた構造となっている。以下具体的に説明する。   Here, in a general IT type CCD solid-state imaging device, a large number of sensor units (photocells, light receiving sensors) are arranged in a two-dimensional matrix, and a plurality of vertical lines are arranged between photocells in each vertical column. A transfer CCD (V register) is arranged, and a horizontal transfer CCD is usually provided for one line adjacent to the vertical transfer CCD in the last row. This will be specifically described below.

図示するように、本実施形態の撮像装置1は、IT方式のCCD固体撮像素子10と、このCCD固体撮像素子10を駆動する駆動装置の一例である駆動制御部50とを備えている。   As shown in the figure, the imaging apparatus 1 of the present embodiment includes an IT-type CCD solid-state imaging element 10 and a drive control unit 50 that is an example of a driving apparatus that drives the CCD solid-state imaging element 10.

なお、図示しないが、撮像装置1は、図示したCCD固体撮像素子10や駆動制御部50の他に、たとえば図示しない撮像レンズを含めて撮像装置モジュールが構成され、さらに、この撮像装置モジュールの他に、たとえば撮像装置モジュールにより得られる撮像信号に基づいて映像信号を生成しモニタ出力したり所定の記憶メディアに画像を格納したりする本体ユニットが設けられ、全体として、たとえばビデオカメラやデジタルスチルカメラなどが構成される。撮像装置モジュールは、CCD固体撮像素子10と駆動制御部50とが、1枚の回路基板上に配されたものとして提供されるものであるのがよい。   Although not shown, the imaging device 1 includes an imaging device module including an imaging lens (not shown) in addition to the CCD solid-state imaging device 10 and the drive control unit 50 shown in the drawing. In addition, a main unit for generating a video signal based on an imaging signal obtained by an imaging device module and outputting it to a monitor or storing an image in a predetermined storage medium is provided as a whole, for example, a video camera or a digital still camera. Etc. are configured. The imaging device module is preferably provided as a CCD solid-state imaging device 10 and a drive control unit 50 arranged on a single circuit board.

撮像装置1の処理系統は、大別して、光学系、画像処理部やCODEC(Code/Decode あるいはCompression/Decompression の略)を主要部とする信号処理系、CODECによりデータ圧縮した画像データを所定の記憶媒体に記録する記録系、画像を液晶表示装置(LCD;Liquid Crystal Display)などの所定の表示デバイスに表示する表示系、および撮像装置1の各部を制御する制御系から構成される。なお、撮像装置モジュールおよび本体ユニットが、図示しない外装ケースに収容されて、実際の製品(完成品)が仕上がるのは言うまでもない。   The processing system of the imaging apparatus 1 is roughly divided into an optical system, an image processing unit, a signal processing system mainly including CODEC (abbreviation of Code / Decode or Compression / Decompression), and image data compressed by CODEC in a predetermined storage. A recording system for recording on a medium, a display system for displaying an image on a predetermined display device such as a liquid crystal display (LCD), and a control system for controlling each part of the imaging apparatus 1 are configured. Needless to say, the imaging device module and the main unit are housed in an exterior case (not shown), and an actual product (finished product) is finished.

光学系は、シャッタ、被写体の光画像を集光するレンズ、および光画像の光量を調整する絞りを有する撮像レンズと、集光された光画像を光電変換して電気信号に変換するCCD固体撮像素子10とから構成される。被写体からの光は、シャッタおよび撮像レンズを透過し、絞りにより調整されて、適度な明るさでCCD固体撮像素子10に入射する。このとき、撮像レンズは、被写体からの光からなる映像が、CCD固体撮像素子10上で結像されるように焦点位置を調整する。   The optical system includes a shutter, a lens that collects a light image of a subject, and an imaging lens that has a diaphragm that adjusts the amount of light of the light image, and a CCD solid-state imaging that photoelectrically converts the collected light image into an electrical signal It is comprised from the element 10. FIG. The light from the subject passes through the shutter and the imaging lens, is adjusted by the diaphragm, and enters the CCD solid-state imaging device 10 with an appropriate brightness. At this time, the imaging lens adjusts the focal position so that an image composed of light from the subject is formed on the CCD solid-state imaging device 10.

制御系は、駆動制御部50の他に、ディスク駆動装置を制御して磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリに記憶されている制御用プログラムを読み出し、読み出した制御用プログラム、あるいはユーザからのコマンドなどに基づいて撮像装置1の全体を制御するCPU(Central Processing Unit )などよりなる中央制御部を備える。   In addition to the drive control unit 50, the control system controls the disk drive device to read the control program stored in the magnetic disk, optical disk, magneto-optical disk, or semiconductor memory, and the read control program or user A central control unit including a CPU (Central Processing Unit) that controls the entire image pickup apparatus 1 based on a command or the like is provided.

また制御系は、画像処理部に送られた画像の明るさが適度な明るさを保つようにシャッタや絞りを制御する露出コントローラ、CCD固体撮像素子10から画像処理部やCODECまでの各機能部の動作タイミングを制御するタイミング信号生成部(タイミングジェネレータ;TG)を具備した駆動制御部50やユーザがシャッタタイミングやその他のコマンドを入力する操作部を有する。   The control system also includes an exposure controller that controls the shutter and the diaphragm so that the brightness of the image sent to the image processing unit is maintained at an appropriate level, and each functional unit from the CCD solid-state imaging device 10 to the image processing unit and the CODEC. A drive control unit 50 having a timing signal generation unit (timing generator; TG) for controlling the operation timing of the camera, and an operation unit for a user to input shutter timing and other commands.

中央制御部は、撮像装置1のバスに接続された画像処理部、CODEC、メモリ、露出コントローラ、およびタイミング信号生成部を制御する。   The central control unit controls the image processing unit, the CODEC, the memory, the exposure controller, and the timing signal generation unit that are connected to the bus of the imaging apparatus 1.

ここで、駆動制御部50には、CCD固体撮像素子10を駆動するための各種のパルス信号であるクロックパルスを生成するタイミング信号生成部52と、このタイミング信号生成部52からのパルス信号を受けて、CCD固体撮像素子10を駆動するためのドライブパルスに変換するドライバ(駆動部)54と、CCD固体撮像素子10やドライバ54などに電源供給する駆動電源56が設けられている。   Here, the drive control unit 50 receives a timing signal generation unit 52 that generates clock pulses, which are various pulse signals for driving the CCD solid-state imaging device 10, and a pulse signal from the timing signal generation unit 52. A driver (drive unit) 54 that converts the drive pulse to drive the CCD solid-state image sensor 10 and a drive power source 56 that supplies power to the CCD solid-state image sensor 10 and the driver 54 are provided.

タイミング信号生成部52は、一例として、センサ部(受光センサ)11から垂直転送レジスタ13に信号電荷を読み出すための読出クロックROGや、CCD固体撮像素子10を垂直方向に4相で駆動するための4種類の垂直転送クロックV1〜V4や、水平方向に2相で駆動するための2種類の水平転送クロックH1,H2や、電子シャッタパルスXSGなどをドライバ54に供給するようになっている。   As an example, the timing signal generation unit 52 reads the signal charge from the sensor unit (light receiving sensor) 11 to the vertical transfer register 13 and drives the CCD solid-state imaging device 10 in four phases in the vertical direction. Four types of vertical transfer clocks V1 to V4, two types of horizontal transfer clocks H1 and H2 for driving in two phases in the horizontal direction, an electronic shutter pulse XSG, and the like are supplied to the driver 54.

ドライバ54は、タイミング信号生成部52から受け取った読出クロックROGと垂直転送クロックV1〜V4とに基づき、垂直転送レジスタ13を垂直転送駆動するための2値レベルもしくは3値レベルのドライブパルス(垂直転送パルス)ΦV1〜ΦV4や水平転送レジスタ15を水平転送駆動するためのドライブパルス(水平転送パルス)ΦH1,ΦH2を生成する。なお、L(ロー)/H(ハイ)/SH(超ハイ)の3値レベルを持つドライブパルス(垂直転送パルス)ΦV1,ΦV3のうち、読出クロックROGに対応するSHレベルのドライブパルス部分を特に読出パルスΦROGと呼ぶ。   Based on the read clock ROG received from the timing signal generator 52 and the vertical transfer clocks V1 to V4, the driver 54 drives a binary-level or ternary-level drive pulse (vertical transfer) to drive the vertical transfer register 13 in the vertical transfer mode. Pulses) [Phi] V1 to [Phi] V4 and drive pulses (horizontal transfer pulses) [Phi] H1 and [Phi] H2 for horizontally transferring the horizontal transfer register 15 are generated. Of the drive pulses (vertical transfer pulses) ΦV1 and ΦV3 having ternary levels of L (low) / H (high) / SH (super high), the SH level drive pulse portion corresponding to the read clock ROG is particularly selected. This is called a read pulse ΦROG.

CCD固体撮像素子10は、画素となる複数のセンサ部11が2次元マトリクス(行列)状に配列され、また各受光センサ列に対応して図の上下方向に延在する複数のCCD構造の垂直転送レジスタ(第1電荷転送部の一例)13が形成された撮像部(受光部)10aを備えている。センサ部11は、入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積する。図示しないが、カラー撮像に対応するべく、センサ部11の受光面にはオンチップカラーフィルタが設けられる。   In the CCD solid-state imaging device 10, a plurality of sensor units 11 serving as pixels are arranged in a two-dimensional matrix, and a plurality of CCD structures vertically extending in the vertical direction corresponding to each light receiving sensor column. An image pickup unit (light receiving unit) 10a in which a transfer register (an example of a first charge transfer unit) 13 is formed is provided. The sensor unit 11 converts incident light into a signal charge having a charge amount corresponding to the amount of light, and accumulates the signal light. Although not shown, an on-chip color filter is provided on the light receiving surface of the sensor unit 11 in order to cope with color imaging.

撮像部10aにおいては、さらに垂直転送レジスタ13と各センサ部11との間に、電荷蓄積領域としてのセンサ部11に蓄積された信号電荷を電荷転送路としての垂直転送レジスタ13に読み出す信号電荷読出部としての読出ゲート部ROGが介在し、また各画素(ユニットセル)の境界部分には、隣接するユニットセルとの分離を行なうための素子分離領域としてのチャネルストップ部が設けられている。特に、隣接ユニットセル間の水平方向のチャネルストップ部をチャネルストップ部CS1とする。   In the imaging unit 10a, the signal charge readout that further reads out the signal charges accumulated in the sensor unit 11 as a charge accumulation region to the vertical transfer register 13 as a charge transfer path between the vertical transfer register 13 and each sensor unit 11. A reading gate portion ROG as a portion is interposed, and a channel stop portion as an element isolation region for separating from an adjacent unit cell is provided at a boundary portion of each pixel (unit cell). In particular, a channel stop portion in the horizontal direction between adjacent unit cells is defined as a channel stop portion CS1.

撮像部10aの外側には、各垂直転送レジスタ13の最終段に接続するように、図の左右方向に延在するCCD構造の水平転送レジスタ15が1ライン分形成されている。そして、水平転送レジスタ15の後段には電荷信号を電気信号(通常は電圧信号)に変換する電荷検出部(あるいは出力部)としての出力アンプ部17が接続されている。   A horizontal transfer register 15 having a CCD structure extending in the left-right direction in the drawing is formed for one line so as to be connected to the final stage of each vertical transfer register 13 outside the imaging unit 10a. An output amplifier unit 17 as a charge detection unit (or output unit) that converts a charge signal into an electric signal (usually a voltage signal) is connected to the subsequent stage of the horizontal transfer register 15.

出力アンプ部17は、水平転送レジスタ15から順に注入される信号電荷を図示しないフローティングディフュージョンに蓄積し、この蓄積した信号電荷を信号電圧に変換して、たとえば図示しないソースフォロア構成のトランジスタ回路で構成された出力回路を介してCCD出力信号Sout として出力端子tout から素子外部に出力する。   The output amplifier unit 17 accumulates signal charges sequentially injected from the horizontal transfer register 15 in a floating diffusion (not shown), converts the accumulated signal charges into a signal voltage, and is configured by, for example, a transistor circuit having a source follower configuration (not shown). Through the output circuit, a CCD output signal Sout is output from the output terminal tout to the outside of the device.

列(垂直)方向に延在した垂直転送レジスタ13の上(受光面側)には、各列の同垂直位置の垂直転送レジスタ13に共通となるように、4種類の垂直転送電極12(それぞれに参照子_1,_2,_3,_4を付して示す)が、垂直方向に所定の順序で、センサ部11の受光面に開口部(後述する図2を参照)を形成するように配置されている。   On the vertical transfer register 13 extending in the column (vertical) direction (on the light receiving surface side), four types of vertical transfer electrodes 12 (each of which is common to the vertical transfer register 13 at the same vertical position in each column) Are attached so as to form openings (see FIG. 2 to be described later) in the light receiving surface of the sensor unit 11 in a predetermined order in the vertical direction. Has been.

4種類の垂直転送電極12は、概ね、1つのセンサ部11に1つの垂直転送電極12の全体が対応し、その両側の垂直転送電極12の一部も対応するように形成され、かつ駆動制御部50から供給される4種類の垂直転送パルスΦV_1,ΦV_2,ΦV_3,ΦV_4で信号電荷を垂直方向に転送駆動するように構成されている。   The four types of vertical transfer electrodes 12 are generally formed so that one sensor portion 11 corresponds to the entirety of one vertical transfer electrode 12 and part of the vertical transfer electrodes 12 on both sides thereof, and is driven and controlled. The signal charges are transferred and driven in the vertical direction by four types of vertical transfer pulses ΦV_1, ΦV_2, ΦV_3, and ΦV_4 supplied from the unit 50.

すなわち、4種類の垂直転送電極12のうちの2種類はほぼ1つのセンサ部11のみに対応し、この1つのセンサ部11のみに対応する垂直転送電極12の両隣に配される2種類の垂直転送電極12は、両側のセンサ部11に対応するように配置されている。また、2つのセンサ部11を1組にして(水平転送レジスタ15側の最終段も含めて)、4つの垂直転送電極12にそれぞれ垂直転送パルスΦV_1,ΦV_2,ΦV_3,ΦV_4が駆動制御部50から印加されるようになっている。   That is, two of the four types of vertical transfer electrodes 12 correspond to only one sensor unit 11, and two types of vertical transfer electrodes arranged on both sides of the vertical transfer electrode 12 corresponding to only one sensor unit 11. The transfer electrode 12 is disposed so as to correspond to the sensor units 11 on both sides. Further, the two sensor units 11 are combined into one set (including the final stage on the horizontal transfer register 15 side), and vertical transfer pulses ΦV_1, ΦV_2, ΦV_3, and ΦV_4 are respectively supplied from the drive control unit 50 to the four vertical transfer electrodes 12. It is to be applied.

図示した例では、水平転送レジスタ15側において、垂直方向に4つの垂直転送レジスタ13の一組に対応して、組ごとに垂直転送電極12が設けられ、その中で、垂直方向の最上部に位置するセンサ部11_1は、3値レベルの垂直転送パルスΦV_1が印加される読出電極兼用の第1垂直転送電極12_1に対応している。さらに1段前(より水平転送レジスタ15側)の第2垂直転送電極12_2には2値レベルの垂直転送パルスΦV_2が印加される。さらに垂直方向の2段目に位置するセンサ部11_3は、さらに1段前(より水平転送レジスタ15側)の3値レベルの垂直転送パルスΦV_3が印加される読出電極兼用の第3垂直転送電極12_3に対応し、最も水平転送レジスタ15側の第4垂直転送電極12_4には2値レベルの垂直転送パルスΦV_4が印加される。   In the illustrated example, on the horizontal transfer register 15 side, a vertical transfer electrode 12 is provided for each set corresponding to one set of four vertical transfer registers 13 in the vertical direction, and among them, the vertical transfer electrode 12 is provided at the top in the vertical direction. The sensor unit 11_1 positioned corresponds to the first vertical transfer electrode 12_1 also serving as a read electrode to which the three-level vertical transfer pulse ΦV_1 is applied. Further, a binary level vertical transfer pulse ΦV_2 is applied to the second vertical transfer electrode 12_2 one stage ahead (more on the horizontal transfer register 15 side). Further, the sensor unit 11_3 located at the second stage in the vertical direction further receives the third vertical transfer electrode 12_3 serving also as a read electrode to which the three-level vertical transfer pulse ΦV_3 of the previous stage (more on the horizontal transfer register 15 side) is applied. In other words, a binary level vertical transfer pulse ΦV_4 is applied to the fourth vertical transfer electrode 12_4 closest to the horizontal transfer register 15 side.

以下2値レベルの垂直転送パルスΦV_2,ΦV_4が印加される垂直転送電極12_2,12_4を読出電極兼用の垂直転送電極12_1,12_3と区別するため専用転送電極(あるいは非読出電極)12Aともいい、読出パルスΦROGをも含む3値レベルの垂直転送パルスΦV_1,ΦV_3が印加される垂直転送電極12_1,12_3を読出転送電極12Bともいう。   Hereinafter, the vertical transfer electrodes 12_2, 12_4 to which the binary level vertical transfer pulses ΦV_2, ΦV_4 are applied are also referred to as dedicated transfer electrodes (or non-read electrodes) 12A in order to distinguish them from the vertical transfer electrodes 12_1, 12_3 that also serve as read electrodes. The vertical transfer electrodes 12_1 and 12_3 to which the three-level vertical transfer pulses ΦV_1 and ΦV_3 including the pulse ΦROG are applied are also referred to as the read transfer electrode 12B.

垂直転送レジスタ13は、最終段の1組分の垂直転送電極12(ΦV_1〜ΦV_4が印加される転送電極)12_1〜12_4を介してさらに水平転送レジスタ15に引き継がれる。   The vertical transfer register 13 is further taken over by the horizontal transfer register 15 via one set of vertical transfer electrodes 12 (transfer electrodes to which ΦV_1 to ΦV_4 are applied) 12_1 to 12_4 in the final stage.

水平転送レジスタ15は、各垂直転送レジスタ13に対応して2つの水平転送電極16(それぞれに参照子_1,_2を付して示す)が対応するように形成され、駆動制御部50から供給される2相の水平駆動パルスΦH_1,ΦH_2で信号電荷を水平方向に転送駆動するように構成されている。   The horizontal transfer register 15 is formed so that two horizontal transfer electrodes 16 (respectively denoted by reference elements _1 and _2) correspond to each vertical transfer register 13 and are supplied from the drive control unit 50. The signal charges are transferred and driven in the horizontal direction by the two-phase horizontal drive pulses ΦH_1 and ΦH_2.

このような構成の撮像装置1の動作概要を纏めると以下の通りである。すなわち、CCD固体撮像素子10のセンサ部11の各々に蓄積された信号電荷が、駆動制御部50から発せられた読出パルスΦROGが読出ゲート部ROGのゲート電極に印加されそのゲート電極下のポテンシャルが深くなることにより、当該読出ゲート部ROGを通して垂直転送レジスタ13に読み出される。   A summary of the operation of the imaging apparatus 1 having such a configuration is summarized as follows. That is, the signal charge accumulated in each of the sensor units 11 of the CCD solid-state imaging device 10 is applied with the read pulse ΦROG emitted from the drive control unit 50 to the gate electrode of the read gate unit ROG, and the potential below the gate electrode is By becoming deeper, the data is read to the vertical transfer register 13 through the read gate portion ROG.

撮像部10aの垂直転送レジスタ13は4種類の垂直転送電極12に対応する4種類の垂直転送パルスΦV_1〜ΦV_4によって転送駆動される。これにより、各センサ部11から読み出された信号電荷は、1走査線(1ライン)に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送され水平転送レジスタ15に送られる。   The vertical transfer register 13 of the imaging unit 10a is driven to transfer by four types of vertical transfer pulses ΦV_1 to ΦV_4 corresponding to the four types of vertical transfer electrodes 12. As a result, the signal charges read from each sensor unit 11 are transferred in the vertical direction in order corresponding to one scanning line (one line) and sent to the horizontal transfer register 15.

水平転送レジスタ15は、駆動制御部50から発せられた2相の水平転送パルスΦH_1,ΦH_2に基づいて、複数本の垂直転送レジスタ13の各々から垂直転送された1ラインに相当する信号電荷を順次出力アンプ部17側に水平転送する。   The horizontal transfer register 15 sequentially applies signal charges corresponding to one line vertically transferred from each of the plurality of vertical transfer registers 13 based on the two-phase horizontal transfer pulses ΦH_1 and ΦH_2 emitted from the drive control unit 50. Horizontal transfer to the output amplifier unit 17 side.

出力アンプ部17は、水平転送レジスタ15から順に注入される信号電荷を信号電圧に変換してCCD出力信号Sout として出力端子tout から出力する。このCCD出力信号Sout は、図示しない信号処理系に引き継がれ、所定の信号処理が施された後に、表示デバイスにて表示されたり記憶媒体に記録されたりする。   The output amplifier unit 17 converts the signal charges sequentially injected from the horizontal transfer register 15 into a signal voltage, and outputs it as a CCD output signal Sout from the output terminal tout. The CCD output signal Sout is taken over by a signal processing system (not shown), and after being subjected to predetermined signal processing, is displayed on a display device or recorded on a storage medium.

たとえば、信号処理系の初段には、CCD固体撮像素子10からのアナログ撮像信号(CCD出力信号Sout )を増幅する増幅アンプや、増幅された撮像信号をサンプリングすることによってノイズを低減させるCDS(Correlated Double Sampling:相関2重サンプリング)回路などを有するプリアンプ部が配される。さらにその後段には、プリアンプ部が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D(Analog/Digital)変換部、A/D変換部から入力されるデジタル信号に所定の画像処理を施すDSP(Digital Signal Processor)で構成された画像処理部が配される。   For example, in the first stage of the signal processing system, an amplification amplifier that amplifies an analog imaging signal (CCD output signal Sout) from the CCD solid-state imaging device 10 or a CDS (Correlated) that reduces noise by sampling the amplified imaging signal. A preamplifier unit having a Double Sampling (correlated double sampling) circuit is arranged. Further, an A / D (Analog / Digital) conversion unit that converts an analog signal output from the preamplifier unit into a digital signal and a DSP (a DSP that performs predetermined image processing on the digital signal input from the A / D conversion unit are provided at the subsequent stage. An image processing unit composed of a digital signal processor is arranged.

<垂直転送電極の配線構造>
図2は、図1に示したCCD固体撮像素子10の4種類の垂直転送電極12の配置構造の一例を示す図である。
<Wiring structure of vertical transfer electrode>
FIG. 2 is a diagram showing an example of an arrangement structure of the four types of vertical transfer electrodes 12 of the CCD solid-state imaging device 10 shown in FIG.

図2に示すように、本実施形態のCCD固体撮像素子10では、2次元マトリクスに配されたセンサ部11の各垂直列のセンサ部11の間にそれぞれ複数の垂直転送レジスタ(V−CCD)13が配列され、各センサ部11と垂直転送レジスタ13の転送チャネル領域13aとの間には読出ゲート部ROGが介在している。また各画素(ユニットセル)の水平方向の境界部分にはチャネルストップ部CS1が設けられている。   As shown in FIG. 2, in the CCD solid-state imaging device 10 of this embodiment, a plurality of vertical transfer registers (V-CCD) are provided between the sensor units 11 in each vertical column of the sensor units 11 arranged in a two-dimensional matrix. 13 is arranged, and a read gate portion ROG is interposed between each sensor portion 11 and the transfer channel region 13a of the vertical transfer register 13. Further, a channel stop portion CS1 is provided at a horizontal boundary portion of each pixel (unit cell).

垂直転送レジスタ13の受光面(紙面の前面)側には、薄膜化した多結晶シリコン膜(Poly)などでなる4種類の垂直転送電極12が、各列の同垂直位置の垂直転送レジスタ13に共通となり、またセンサ部11の受光面にセンサ開口部118を形成し、撮像部10a(図1参照)のほぼ全面を覆うように配置されている。   On the light receiving surface (front side of the paper surface) of the vertical transfer register 13, four types of vertical transfer electrodes 12 made of a thin polycrystalline silicon film (Poly) or the like are connected to the vertical transfer register 13 at the same vertical position in each column. The sensor opening 118 is formed in the light receiving surface of the sensor unit 11 and is arranged so as to cover almost the entire surface of the imaging unit 10a (see FIG. 1).

垂直転送電極12は、垂直転送専用の第2および第4の垂直転送電極12_2,12_4(専用転送電極12A)がたとえば1層目(紙面の奥側)の多結晶シリコン膜で形成され、読出電極14をも兼ねる第1および第3の垂直転送電極12_1,12_3(読出転送電極12B)がたとえば2層目(紙面の手前側)の多結晶シリコン膜で形成される。   In the vertical transfer electrode 12, the second and fourth vertical transfer electrodes 12_2 and 12_4 (dedicated transfer electrode 12A) dedicated to vertical transfer are formed of, for example, a first layer (back side of the paper) of a polycrystalline silicon film, and read electrodes The first and third vertical transfer electrodes 12_1 and 12_3 (read transfer electrode 12B) that also serve as 14 are formed of, for example, a second layer (front side of the paper) of a polycrystalline silicon film.

なお、ここでは、画素間11aで、2層配線となるように、各垂直転送電極12を形成しているが、画素間11aに、第1と第2の垂直転送電極12_1,12_2の組合せおよび第3と第4の垂直転送電極12_3,12_4の組合せで2本配置した単層の構造でもかまわない。単層構造で配線すると、1本当たりの配線幅が狭くなり線抵抗が大きくなるので、一般的には、1本当たりの配線幅を画素間幅と略同幅にできる2層配線が採用される。   Here, the vertical transfer electrodes 12 are formed so as to form a two-layer wiring between the pixels 11a, but the combination of the first and second vertical transfer electrodes 12_1 and 12_2 and the inter-pixel 11a A single-layer structure in which two third and fourth vertical transfer electrodes 12_3 and 12_4 are arranged in combination may be used. When wiring with a single layer structure, the wiring width per line becomes narrow and the line resistance increases, so in general, a two-layer wiring that can make the wiring width per line substantially the same as the inter-pixel width is adopted. The

垂直転送レジスタ13の各垂直転送電極12は、各センサ部11に対して2つの転送電極が対応してセンサ開口部118をセンサ部11部分に形成するように配列される。たとえば1つおきの水平ラインのセンサ部11Aではこれに接するように第1および第4の垂直転送電極12_1,12_4が対応し、他の1つおききの水平ラインのセンサ部11Bではこれに接するように第2および第3の垂直転送電極12_2,12_3が対応するようになされる。この例の垂直転送レジスタ13では、垂直転送電極12_1〜32_4に4相の駆動パルスΦV1,ΦV2,ΦV3,ΦV4を印加する4相駆動方式が採用される。   Each vertical transfer electrode 12 of the vertical transfer register 13 is arranged such that two transfer electrodes correspond to each sensor unit 11 and form a sensor opening 118 in the sensor unit 11 portion. For example, the first and fourth vertical transfer electrodes 12_1 and 12_4 correspond to the sensor unit 11A of every other horizontal line so as to be in contact therewith, and the sensor unit 11B of every other horizontal line is in contact with this. Thus, the second and third vertical transfer electrodes 12_2 and 12_3 are made to correspond. In the vertical transfer register 13 of this example, a four-phase driving method is applied in which four-phase driving pulses ΦV1, ΦV2, ΦV3, and ΦV4 are applied to the vertical transfer electrodes 12_1 to 32_4.

ここで、2値レベルの垂直転送パルスΦV_2,ΦV_4が供給される専用の垂直転送電極12_2,12_4(専用転送電極12A)は、センサ部11の垂直転送方向間(画素間11a)を介して水平方向に延在するように形成されている。これら第2垂直転送電極12_2と第4垂直転送電極12_4とは、パターン形状が殆ど同じ構造である。   Here, the dedicated vertical transfer electrodes 12_2 and 12_4 (dedicated transfer electrodes 12A) to which the binary level vertical transfer pulses ΦV_2 and ΦV_4 are supplied are horizontal between the vertical transfer directions of the sensor unit 11 (between pixels 11a). It is formed to extend in the direction. The second vertical transfer electrode 12_2 and the fourth vertical transfer electrode 12_4 have almost the same pattern shape.

概略的には、専用転送電極12Aは、垂直方向に隣り合うセンサ部11間(画素間11a)に水平方向に延長して設けられ、各垂直転送レジスタ13内に配置された対応する専用転送電極12A同士が一体的に連結されるように、下側辺が櫛歯状に形成されている。   Schematically, the dedicated transfer electrode 12A is provided extending in the horizontal direction between the sensor units 11 adjacent in the vertical direction (between the pixels 11a), and the corresponding dedicated transfer electrode disposed in each vertical transfer register 13 is provided. The lower side is formed in a comb-tooth shape so that 12A is integrally connected.

これに対して、3値レベルの垂直転送パルスΦV_1,ΦV_3が供給され、読出電極14(それぞれに対応する参照子_1,_3を付して示す)としても機能するようになっている垂直転送電極12_1,12_3(読出転送電極12B)は、センサ部11の垂直転送方向間(画素間11a)を介して水平方向に延在するように形成されている。これら第1垂直転送電極12_1と第3垂直転送電極12_3とは、パターン形状が殆ど同じ構造である。   On the other hand, vertical transfer pulses ΦV_1 and ΦV_3 at three levels are supplied, and the vertical transfer is configured to function also as the readout electrode 14 (respectively denoted by reference elements _1 and _3). The electrodes 12_1 and 12_3 (read transfer electrode 12B) are formed to extend in the horizontal direction between the vertical transfer directions of the sensor unit 11 (between pixels 11a). The first vertical transfer electrode 12_1 and the third vertical transfer electrode 12_3 have almost the same pattern shape.

概略的には、読出転送電極12Bは、垂直方向に隣り合うセンサ部11間(画素間11a)に水平方向に延長して設けられ、各垂直転送レジスタ13内に配置された対応する読出転送電極12B同士が一体的に連結されるように、上側辺が櫛歯状に形成されている。   Schematically, the read transfer electrodes 12B are provided so as to extend in the horizontal direction between the sensor units 11 adjacent to each other in the vertical direction (between the pixels 11a), and correspond to the read transfer electrodes disposed in each vertical transfer register 13. The upper side is formed in a comb-tooth shape so that 12B is integrally connected.

垂直転送レジスタ13の転送チャネル領域33aと各センサ部11間には読出ゲート部ROGが形成される。読出ゲート部ROGのゲート電極(読出電極14という)は、第1垂直転送電極12_1と第3垂直転送電極12_3の延長部で形成されるようになっている。つまり、このCCD固体撮像素子10では、第1垂直転送電極12_1と第3垂直転送電極12_3は、垂直転送レジスタ13用の転送電極として機能するだけでなく、読出電極14としても機能するようになっているのである。   A read gate portion ROG is formed between the transfer channel region 33 a of the vertical transfer register 13 and each sensor unit 11. A gate electrode (referred to as a read electrode 14) of the read gate portion ROG is formed by an extension of the first vertical transfer electrode 12_1 and the third vertical transfer electrode 12_3. That is, in the CCD solid-state imaging device 10, the first vertical transfer electrode 12_1 and the third vertical transfer electrode 12_3 function not only as transfer electrodes for the vertical transfer register 13 but also as read electrodes 14. -ing

また、センサ部11の垂直列の他側と、垂直方向に隣り合うセンサ部11間とには、センサ部11を分離するためのチャネルストップ部CS1が形成される。   Further, a channel stop portion CS1 for separating the sensor portions 11 is formed between the other side of the vertical rows of the sensor portions 11 and between the sensor portions 11 adjacent in the vertical direction.

<センサの構造:第1実施形態>
図3は、第1実施形態のユニットセルの構造の一例を示す図である。ここで、図3(A)は、センサ水平方向断面の不純物構成を示した図、図3(B)は、図3(A)におけるz−z線の平面図、図3(C)は、センサ水平方向の断面の電位分布を示した図である。
<Sensor Structure: First Embodiment>
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a unit cell structure according to the first embodiment. Here, FIG. 3A is a diagram showing an impurity configuration in a horizontal cross section of the sensor, FIG. 3B is a plan view of the zz line in FIG. 3A, and FIG. It is the figure which showed the electric potential distribution of the cross section of a sensor horizontal direction.

本実施形態のセンサ部11としては、N+ 型不純物領域からなるNPダイオードの表面側の電荷蓄積層11x上にさらに、P+ 型不純物領域からなる正孔蓄積層(第2センサ領域ともいう)11yが積層された、いわゆるHAD(Hole Accumulated Diode)構造となっている(たとえば特開平5−335548号公報や特開2003−78125号公報を参照)。   As the sensor unit 11 of this embodiment, a hole storage layer (also referred to as a second sensor region) made of a P + type impurity region is further formed on the charge storage layer 11x on the surface side of the NP diode made of an N + type impurity region. 11y is laminated so-called HAD (Hole Accumulated Diode) structure (see, for example, JP-A-5-335548 and JP-A-2003-78125).

ここで、第1実施形態のユニットセルは、図7に示した従来構造と比べた場合、オーバーフローバリア領域OFBを有するセンサ構造において、センサ表面に設けられている素子分離領域としてのチャネルストップ部CS1が、電位的に連続してオーバーフローバリア領域OFBに隣接する所まで延長されている構造となっている点に特徴を有する。   Here, when compared with the conventional structure shown in FIG. 7, the unit cell of the first embodiment has a channel stop portion CS1 as an element isolation region provided on the sensor surface in a sensor structure having an overflow barrier region OFB. However, it is characterized in that it has a structure that is continuously extended in potential to a place adjacent to the overflow barrier region OFB.

特に、この第1実施形態のセンサ構造は、後述する第2実施形態のセンサ構造との相違点として、オーバーフローバリア領域OFBの全周囲が電位変動抑制半導体領域で囲まれている構造となっている点に特徴を有する。   In particular, the sensor structure of the first embodiment has a structure in which the entire periphery of the overflow barrier region OFB is surrounded by a potential fluctuation suppressing semiconductor region as a difference from the sensor structure of the second embodiment described later. Characterized by points.

すなわち、先ず、図3(A)および図3(B)に示すように、隣接するユニットセルと間のチャネルストップ部CS1は、オーバーフローバリア領域OFB近くまで、表面のGND(接地)電位を供給できるように、第1Pウェル領域PW1および第2Pウェル領域PW2とは不純物濃度が異なる、空乏化しない半導体領域EPCR_1で繋がれている。   That is, first, as shown in FIGS. 3A and 3B, the channel stop portion CS1 between adjacent unit cells can supply the GND (ground) potential on the surface to the vicinity of the overflow barrier region OFB. As described above, the first P well region PW1 and the second P well region PW2 are connected by a semiconductor region EPCR_1 having a different impurity concentration and not depleted.

一方、読出ゲート部ROG下部の第1Pウェル領域PW1上にも、センサ表面よりも所定の深さで、かつ、半導体領域EPCR_1と繋がるように、第1Pウェル領域PW1および第2Pウェル領域PW2とは不純物濃度が異なる、空乏化しない半導体領域EPCR_2が設けられている。   On the other hand, the first P well region PW1 and the second P well region PW2 are also formed on the first P well region PW1 below the read gate portion ROG at a predetermined depth from the sensor surface and connected to the semiconductor region EPCR_1. Semiconductor regions EPCR_2 that have different impurity concentrations and are not depleted are provided.

半導体領域EPCR_1および半導体領域EPCR_2は、何れも、電荷蓄積領域としてのセンサ部11の下部における第2導電型の半導体領域であるオーバーフローバリア領域OFBの周囲に、電荷蓄積領域としてのセンサ部11に蓄積された信号電荷量に依存する電位障壁の変動を抑制するための電位変動抑制半導体領域EPCR(Electric Potential Change Repression)として機能するものである。半導体領域EPCR_1が第1の電位変動抑制半導体領域EPCRであり、半導体領域EPCR_2が第2の電位変動抑制半導体領域EPCRである。   Both the semiconductor region EPCR_1 and the semiconductor region EPCR_2 are accumulated in the sensor unit 11 as the charge accumulation region around the overflow barrier region OFB, which is the second conductivity type semiconductor region, below the sensor unit 11 as the charge accumulation region. It functions as a potential fluctuation suppressing semiconductor region EPCR (Electric Potential Change Repression) for suppressing fluctuations in the potential barrier depending on the amount of signal charge. The semiconductor region EPCR_1 is the first potential variation suppressing semiconductor region EPCR, and the semiconductor region EPCR_2 is the second potential variation suppressing semiconductor region EPCR.

半導体領域EPCR_2は、垂直転送レジスタ13における信号電荷の転送効率に与える影響が少なくなるように、読出ゲート部ROGの下部程度で留まり、電荷垂直転送レジスタ13を構成する埋込チャネルBCの下部までは延在しないようにしておくのがよい。   The semiconductor region EPCR_2 stays at the lower part of the read gate portion ROG so that the influence on the transfer efficiency of the signal charge in the vertical transfer register 13 is reduced, and up to the lower part of the buried channel BC constituting the charge vertical transfer register 13. It is better not to extend.

読出ゲート部ROGの下部に半導体領域EPCR_2が存在することで、半導体領域EPCR_2による垂直転送レジスタ13へのGND電位の変調を受け易くなり転送効率が低下し得るが、これに加えて、半導体領域EPCR_2が垂直転送レジスタ13(埋込チャネルBC)の下部まで存在するようになると、その影響度合いが増し、転送効率の低下が増大してしまうからである。   The presence of the semiconductor region EPCR_2 below the read gate portion ROG makes it easy to be subjected to the modulation of the GND potential to the vertical transfer register 13 by the semiconductor region EPCR_2, and the transfer efficiency may be reduced. In addition, the semiconductor region EPCR_2 This is because the degree of the influence increases and the reduction in transfer efficiency increases when the signal reaches the lower part of the vertical transfer register 13 (buried channel BC).

MOS(Metal Oxide Semiconductor )型やCMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor )のようなX−Yアドレス型の固体撮像素子の場合、画素を囲むPウェルは電位を接地GNDにでき、しかも、オーバーフローバリア領域OFBをも接地GNDにすることは可能である。   In the case of an XY address type solid-state imaging device such as a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type or a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) type, the P well surrounding the pixel can be set to the ground GND, and the overflow barrier region OFB. Can also be connected to ground GND.

しかしながら、CCD型の固体撮像素子では、垂直転送レジスタ13を構成する第2Pウェル領域PW2の下側(半導体基板NSUB側)を空乏化し、かつ転送効率の低下を抑制するべく、接地GNDより正電位としておくことが肝要となる。   However, in the CCD type solid-state imaging device, the lower side (semiconductor substrate NSUB side) of the second P well region PW2 constituting the vertical transfer register 13 is depleted, and a positive potential is supplied from the ground GND in order to suppress a decrease in transfer efficiency. It is important to keep

このため、第2Pウェル領域PW2の下側が空乏化して、かつ転送効率が悪化することがないように、半導体領域EPCR_2の延在範囲は、読出ゲート部ROGの下部までに留めるのが好ましいのである。   Therefore, it is preferable that the extension range of the semiconductor region EPCR_2 is limited to the lower part of the read gate portion ROG so that the lower side of the second P well region PW2 is not depleted and the transfer efficiency is not deteriorated. .

つまり、CCD型の固体撮像素子では、第2Pウェル領域PW2の下側が、空乏化していることが必須であり、かつ、図3(A)のD1−D2線で示す基板方向に、ポテンシャルが傾斜する必要があるのである。   That is, in the CCD type solid-state imaging device, it is essential that the lower side of the second P well region PW2 is depleted, and the potential is inclined in the substrate direction indicated by the D1-D2 line in FIG. It is necessary to do.

半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とで、水平方向の隣接ユニットセル間のチャネルストップ部CS1の全体が構成され、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とが、センサ部11の深層領域で、オーバーフローバリア領域OFBを一周して取り囲むようにすることで、センサ部11の下部にオーバーフローバリア領域OFBを構成するようにしている。つまり、オーバーフローバリア領域OFBの周囲に、チャネルストップ部CS1を兼用する半導体領域EPCR_1と、この半導体領域EPCR_1と繋がれた半導体領域EPCR_2とが設けられたデバイス構造を採用しているのである。   The semiconductor region EPCR_1 and the semiconductor region EPCR_2 constitute the entire channel stop portion CS1 between adjacent unit cells in the horizontal direction. The semiconductor region EPCR_1 and the semiconductor region EPCR_2 are deep regions of the sensor unit 11, and the overflow barrier region OFB. The overflow barrier region OFB is configured in the lower part of the sensor unit 11 by surrounding the circuit board with a circle. That is, a device structure is employed in which a semiconductor region EPCR_1 that also serves as the channel stop portion CS1 and a semiconductor region EPCR_2 connected to the semiconductor region EPCR_1 are provided around the overflow barrier region OFB.

なお、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とは、全く異なる不純物濃度のものとしてもよいし、両者を同一の不純物濃度として、事実上一体的なものとしてもよい。   Note that the semiconductor region EPCR_1 and the semiconductor region EPCR_2 may have completely different impurity concentrations, or may be substantially integrated with the same impurity concentration.

何れにしても、この第1実施形態のセンサ構造は、オーバーフローバリア領域OFBを、従来のように、センサ部11の下部における第1Pウェル領域PW1の全体ではなく、電位変動抑制半導体領域EPCR(本例では半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2)で周囲の全体を取り囲むことで、センサ部11下部の一部分に積極的にオーバーフローバリア領域OFBを形成するようにしている点に大きな特徴を有する。   In any case, in the sensor structure of the first embodiment, the overflow barrier region OFB is not the entire first P well region PW1 in the lower part of the sensor unit 11 as in the prior art, but the potential variation suppressing semiconductor region EPCR (this In the example, the semiconductor region EPCR_1 and the semiconductor region EPCR_2) surround the entire periphery, so that the overflow barrier region OFB is positively formed in a part of the lower part of the sensor unit 11.

図3(C)に示すように、チャネルストップ部CS1を兼用する半導体領域EPCR_1は、接地電位とされる。その結果、半導体領域EPCR_1に繋がれた半導体領域EPCR_2も接地電位とされる。こうすることで、露光蓄積状態時において、オーバーフローバリア領域OFBの近くまでを、確実にGND電位にすることができる。   As shown in FIG. 3C, the semiconductor region EPCR_1 also serving as the channel stop portion CS1 is set to the ground potential. As a result, the semiconductor region EPCR_2 connected to the semiconductor region EPCR_1 is also set to the ground potential. In this way, in the exposure accumulation state, the potential close to the overflow barrier region OFB can be reliably set to the GND potential.

第1実施形態のセンサ構造では、センサ部11の下部で、電位変動抑制半導体領域EPCRでオーバーフローバリア領域OFBの周囲の全体を取り囲むように形成しているので、オーバーフローバリア領域OFBの全体を囲むようにGND電位が形成されることになる。   In the sensor structure of the first embodiment, the potential fluctuation suppressing semiconductor region EPCR is formed so as to surround the entire periphery of the overflow barrier region OFB at the lower part of the sensor unit 11, so that the entire overflow barrier region OFB is surrounded. Thus, a GND potential is formed.

後述する第3実施形態のセンサ構造との相違点として、センサ部11の下部のみでなく、垂直転送レジスタ13に隣接する読出ゲート部ROGの下部に設けられた半導体領域EPCR_2をも使って、オーバーフローバリア領域OFBを一周して取り囲むようにしている点に特徴を有する。   The difference from the sensor structure of the third embodiment to be described later is that not only the lower part of the sensor part 11 but also the semiconductor region EPCR_2 provided under the read gate part ROG adjacent to the vertical transfer register 13 is used to overflow. It is characterized in that the barrier region OFB is surrounded by a circle.

なお、露光電荷蓄積時間中は、少なくともチャネルストップ部CS1が空乏化しないようにし、また、オーバーフローバリア領域OFBを空乏化しておく。   During the exposure charge accumulation time, at least the channel stop portion CS1 is not depleted, and the overflow barrier region OFB is depleted.

たとえば、センサ部11と、隣接するユニットセルの垂直転送レジスタ13とを分離するチャネルストップ部CS1を、センサ表面から、従来のオーバーフローバリア領域OFBを構成するための第1Pウェル領域PW1まで連続的に繋げる。   For example, the channel stop CS1 that separates the sensor unit 11 from the vertical transfer register 13 of the adjacent unit cell is continuously provided from the sensor surface to the first P well region PW1 for forming the conventional overflow barrier region OFB. Connect.

ここで、チャネルストップ部CS1を兼用する半導体領域EPCR_1は、一般的に、表面付近には、1E12〜1E14/cm2のBを注入し形成する。オーバーフローバリア領域OFBへ向かって濃度は減らしていってもよいが、露光蓄積動作期間にセンサ表面からオーバーフローバリア領域OFBまで空乏化しない程度のP+濃度に設定する。たとえば、5E15/cm3以上の濃度とする。ここで、オーバーフローバリア領域OFBは、実効的に、周りより低濃度のP層で形成する。 Here, the semiconductor region EPCR_1 also serving as the channel stop portion CS1 is generally formed by injecting B of 1E12 to 1E14 / cm 2 near the surface. Although the concentration may decrease toward the overflow barrier region OFB, it is set to a P + concentration that does not cause depletion from the sensor surface to the overflow barrier region OFB during the exposure accumulation operation period. For example, the concentration is 5E15 / cm 3 or more. Here, the overflow barrier region OFB is effectively formed of a P layer having a lower concentration than the surroundings.

従来は、図7に示したように、オーバーフローバリア領域OFBをセンサ部11の下部の全面に設けたが、この第1実施形態のセンサ構造では、以下の条件を満たせば、オーバーフローバリア領域OFB以外は、相対的に濃度が濃くなる。   Conventionally, as shown in FIG. 7, the overflow barrier region OFB is provided on the entire lower surface of the sensor unit 11. However, in the sensor structure of the first embodiment, if the following conditions are satisfied, the overflow barrier region OFB Is relatively dense.

ここで、オーバーフローバリア領域OFBの条件は、露光蓄積動作期間にN- 型シリコンからなる半導体基板NSUBに一定の電圧(たとえば5V)を印加したとき、空乏化する程度に濃度が薄く、かつ半導体基板NSUBに電荷掃捨ての電子シャッタの電圧としてたとえば15Vが加わったときに、オーバーフローバリア領域OFBが完全にバリアが潰れる条件とする。   Here, the condition of the overflow barrier region OFB is that the concentration is low enough to deplete when a constant voltage (for example, 5 V) is applied to the semiconductor substrate NSUB made of N-type silicon during the exposure accumulation operation period, and the semiconductor substrate It is assumed that the overflow barrier region OFB is completely crushed when, for example, 15V is applied to NSUB as the voltage of the electronic shutter for charge sweeping.

その条件は、オーバーフローバリア領域OFBを囲む第2Pウェル領域W2やチャネルストップ部CS1の電位とオーバーフローバリア領域OFBの広さによって、最適な濃度は異なるが、たとえば、0.5μ□のオーバーフローバリア領域OFBの領域であった場合、5E14〜1E16/cm2にすればよい。 The optimum concentration differs depending on the potential of the second P well region W2 surrounding the overflow barrier region OFB and the channel stop portion CS1 and the size of the overflow barrier region OFB. For example, the overflow barrier region OFB of 0.5 μ □ If it is the region, it may be 5E14 to 1E16 / cm 2 .

<ニー特性の改善について>
図4は、図3に示したデバイス構造を適用することによる、ニー特性の改善を説明する図である。ここで、図4(A)は、ユニットセルにおける深さ方向のポテンシャルプロファイルを示す図であり、図4(B)は、信号電荷の蓄積特性を示す図である。
<About improvement of knee characteristics>
FIG. 4 is a diagram for explaining improvement of knee characteristics by applying the device structure shown in FIG. Here, FIG. 4A is a diagram showing a potential profile in the depth direction in the unit cell, and FIG. 4B is a diagram showing signal charge accumulation characteristics.

図4(A)において、実線aは図3(A)のC1−C2線で示すセンサ部11のオーバーフローバリア領域OFBを通る中央部分におけるセンサ部11に信号電荷が全く蓄積されていない状態のポテンシャルを示す。実線bは図3(A)のC1−C2線で示すセンサ部11の中央部分におけるセンサ部11に信号電荷が飽和レベルまで蓄積された状態のポテンシャルを示す。   In FIG. 4A, a solid line a is a potential in a state where no signal charge is accumulated in the sensor unit 11 in the central portion passing through the overflow barrier region OFB of the sensor unit 11 indicated by the C1-C2 line in FIG. Indicates. A solid line b indicates a potential in a state where signal charges are accumulated up to a saturation level in the sensor unit 11 in the central portion of the sensor unit 11 indicated by a C1-C2 line in FIG.

点線cは図3(A)のB1−B2線で示すセンサ部11のオーバーフローバリア領域OFB近傍の半導体領域EPCR_1側のチャネルストップ部CS1を通る部分におけるポテンシャルを示す。点線dは図3(A)のA1−A2線で示す半導体領域EPCR_1側のチャネルストップ部CS1を貫く部分におけるポテンシャルを示す。   A dotted line c indicates a potential in a portion passing through the channel stop portion CS1 on the semiconductor region EPCR_1 side in the vicinity of the overflow barrier region OFB of the sensor portion 11 indicated by the B1-B2 line in FIG. A dotted line d indicates a potential in a portion penetrating the channel stop portion CS1 on the semiconductor region EPCR_1 side indicated by the A1-A2 line in FIG.

図4(A)から明らかなように、センサ部11と第1Pウェル領域PW1との間に、ある高さの電位障壁が形成される。   As apparent from FIG. 4A, a potential barrier having a certain height is formed between the sensor unit 11 and the first P well region PW1.

ここで、第1実施形態のセンサ構造において、信号電荷がセンサ部11の受光素子(フォトダイオードなど)に蓄積されたとき、飽和レベルを超える光りが照射され続けて、電位障壁を越える量の信号電荷がセンサ部11に生じると、その電位障壁を越える分の電荷が半導体基板NSUBの深さ方向に流れる。   Here, in the sensor structure of the first embodiment, when the signal charge is accumulated in the light receiving element (photodiode or the like) of the sensor unit 11, the light exceeding the saturation level is continuously irradiated, and the signal exceeds the potential barrier. When charge is generated in the sensor unit 11, the charge that exceeds the potential barrier flows in the depth direction of the semiconductor substrate NSUB.

したがって、センサ部11に蓄積される過剰電荷は第1Pウェル領域PW1を越えて半導体基板NSUBに流れ、半導体基板NSUBに吸収されることになり、隣接チャンネル間にオーバーフロードレインを設ける必要性がなく、その結果、開口率を小さくすることなく過剰電荷を吸収できる。ところが、このとき、オーバーフローバリア領域OFBの障壁電位が変化しようとする。   Therefore, excess charge accumulated in the sensor unit 11 flows over the first P well region PW1 to the semiconductor substrate NSUB and is absorbed by the semiconductor substrate NSUB, and there is no need to provide an overflow drain between adjacent channels. As a result, excess charges can be absorbed without reducing the aperture ratio. However, at this time, the barrier potential of the overflow barrier region OFB tends to change.

しかしながら、第1実施形態のセンサ構造では、空乏化してない半導体領域EPCR_1によって、センサ表面からオーバーフローバリア領域OFB近傍までGND電位を延ばしておくような電位分布が形成されているので、障壁電位の変化が抑制される。このため、信号電荷が飽和レベル以上に溜まろうとするときには、オーバーフローバリア領域OFB付近の電位が自己上昇し信号電荷が余分に蓄積されるというニー特性を抑制することができる。すなわち、オーバーフローバリア領域OFBの周囲の電位変動抑制半導体領域EPCRによるGND電位の影響を受けて、障壁電位が変動しようとすることを、従来に比べて大幅に抑制することができる。   However, in the sensor structure according to the first embodiment, the potential distribution that extends the GND potential from the sensor surface to the vicinity of the overflow barrier region OFB is formed by the semiconductor region EPCR_1 that is not depleted. Is suppressed. For this reason, when the signal charge is to be accumulated at the saturation level or higher, the knee characteristic that the potential in the vicinity of the overflow barrier region OFB rises itself and the signal charge is excessively accumulated can be suppressed. That is, it is possible to significantly suppress the barrier potential from changing due to the influence of the GND potential due to the potential fluctuation suppressing semiconductor region EPCR around the overflow barrier region OFB as compared with the conventional case.

この結果、図4(B)に示すように、飽和レベルを超えて信号電荷が蓄積されることに起因するニー特性を、大幅に抑制することができ、光量に対し飽和信号レベルがほぼ一定となるようにすることができるのである。   As a result, as shown in FIG. 4B, knee characteristics resulting from accumulation of signal charges exceeding the saturation level can be significantly suppressed, and the saturation signal level is substantially constant with respect to the amount of light. It can be made to be.

このように、本実施形態のセンサ構造を採ることで、センサ部11の下部の基板深くに設けたオーバーフローバリア領域OFBが、電子蓄積の影響を受けず、その結果として電位障壁が変動しないので、ニー特性を大幅に改善できるのである。特に、第1実施形態のセンサ構造では、センサ表面に繋がった半導体領域EPCR_1に接続されて半導体領域EPCR_2が設けられ、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とで、オーバーフローバリア領域OFBの全周囲を取り囲むようにしているので、後述の第2実施形態のセンサ構造と比べて、障壁電位変動に対する抑制効果が高い。   Thus, by adopting the sensor structure of this embodiment, the overflow barrier region OFB provided deep in the substrate below the sensor unit 11 is not affected by electron accumulation, and as a result, the potential barrier does not fluctuate. Knee characteristics can be greatly improved. In particular, in the sensor structure of the first embodiment, a semiconductor region EPCR_2 is provided connected to the semiconductor region EPCR_1 connected to the sensor surface, and the semiconductor region EPCR_1 and the semiconductor region EPCR_2 surround the entire periphery of the overflow barrier region OFB. Therefore, compared with the sensor structure of the second embodiment described later, the effect of suppressing the barrier potential fluctuation is high.

つまり、露光電荷蓄積期間中にオーバーフローバリア領域OFBがセンサ表面のGND電位に繋がるように、オーバーフローバリア領域OFBの周囲に不純物を配置して空乏化した半導体層を形成するようにした本実施形態のセンサ構造を採ることで、センサ部11の信号電荷が、飽和信号レベル以上に蓄積され続けるといったニー特性を改善することができる。   That is, in the present embodiment, a depleted semiconductor layer is formed by arranging impurities around the overflow barrier region OFB so that the overflow barrier region OFB is connected to the GND potential on the sensor surface during the exposure charge accumulation period. By adopting the sensor structure, it is possible to improve knee characteristics such that the signal charge of the sensor unit 11 continues to be accumulated at a saturation signal level or higher.

また、ニー特性が抑制されることから、以下のような付加的な効果も享受できるようになる。すなわち、ニー成分の電荷を転送する要がなくなるので、飽和信号量以上に運ばなければいけない電荷量(飽和+ニー成分)が減るため、電荷転送領域(垂直転送レジスタ13だけでなく水平転送レジスタ15も)は、転送幅を狭くできる。その分、センサ部11のフォトダイオードなどの受光素子の面積を大きく取れるため、結果的に、感度を向上させることができる。あるいは、同じ受光感度とする場合には、微細化すなわち高解像度化を実現することもできる。   In addition, since the knee characteristic is suppressed, the following additional effects can be enjoyed. That is, since it is not necessary to transfer the charge of the knee component, the amount of charge (saturation + knee component) that has to be carried more than the saturation signal amount is reduced, so that the charge transfer region (not only the vertical transfer register 13 but also the horizontal transfer register 15 Can also reduce the transfer width. Accordingly, the area of the light receiving element such as the photodiode of the sensor unit 11 can be increased, and as a result, the sensitivity can be improved. Alternatively, in the case of the same light receiving sensitivity, miniaturization, that is, higher resolution can be realized.

また、ニー成分の電荷を転送する要がなくなるので、垂直転送レジスタ13および水平転送レジスタ15の何れについても、転送電極に印加する電圧振幅を小さくすることができるため、すなわち垂直転送振幅を低下させることができるため、消費電力を低減できる。加えて、垂直転送電極12下のゲート膜に加わる電圧ストレスも減るため、長期信頼性上の特性の安定性も改善される。   Further, since it is not necessary to transfer the charge of the knee component, the voltage amplitude applied to the transfer electrode can be reduced in any of the vertical transfer register 13 and the horizontal transfer register 15, that is, the vertical transfer amplitude is reduced. Therefore, power consumption can be reduced. In addition, since the voltage stress applied to the gate film under the vertical transfer electrode 12 is reduced, the stability of the long-term reliability characteristics is also improved.

さらに、垂直転送レジスタ13を構成する埋込チャネルBCをさらに微細化することができるし、これによって垂直転送幅が狭くなるため、スミア成分を減らすこともできる。   Further, the buried channel BC constituting the vertical transfer register 13 can be further miniaturized, and the vertical transfer width is thereby narrowed, so that smear components can be reduced.

また、本実施形態のデバイス構造では、オーバーフローバリア領域OFBの信号電荷量に依存した障壁電位変動を抑制するための半導体領域EPCR_1を素子分離領域としてのチャネルストップ部CS1と兼用した構造を採用しており、本実施形態のデバイス構造を実現する際に、面積増大を招くことがない。   In the device structure of the present embodiment, a structure is used in which the semiconductor region EPCR_1 for suppressing the fluctuation of the barrier potential depending on the signal charge amount of the overflow barrier region OFB is also used as the channel stop portion CS1 as the element isolation region. Thus, when the device structure of the present embodiment is realized, the area is not increased.

手法としては、素子分離領域(チャネルストップ部CS1)とは別に、障壁電位変動を抑制するための半導体領域EPCR_1をオーバーフローバリア領域OFBの周囲に設けることも考えられるが、この場合、面積増大を招いてしまうので、半導体領域EPCR_1が隣接ユニットセル間の水平方向のチャネルストップ部CS1を兼ねる本実施形態のデバイス構造の方が有利である。   As a technique, it may be possible to provide a semiconductor region EPCR_1 for suppressing the barrier potential fluctuation separately from the element isolation region (channel stop portion CS1) around the overflow barrier region OFB. In this case, however, the area increases. Therefore, the device structure of this embodiment in which the semiconductor region EPCR_1 also serves as the horizontal channel stop portion CS1 between adjacent unit cells is more advantageous.

<センサの構造:第2実施形態>
図5は、第2実施形態のユニットセルの構造を説明する図である。ここで、図5(A)および図5(B)は、第2実施形態の第1例を示し、図5(C)および図5(D)は、第2実施形態の第2例を示す。なお、図5(A)は、センサ水平方向断面の不純物構成を示した図、図5(B)は、図5(A)におけるz−z線の平面図である。同様に、図5(C)は、センサ水平方向断面の不純物構成を示した図、図5(D)は、図5(C)におけるz−z線の平面図である。
<Sensor structure: Second embodiment>
FIG. 5 is a diagram illustrating the structure of the unit cell according to the second embodiment. Here, FIG. 5 (A) and FIG. 5 (B) show a first example of the second embodiment, and FIG. 5 (C) and FIG. 5 (D) show a second example of the second embodiment. . 5A is a diagram showing the impurity structure in the sensor horizontal cross section, and FIG. 5B is a plan view of the zz line in FIG. 5A. Similarly, FIG. 5C is a diagram illustrating an impurity structure in a horizontal cross section of the sensor, and FIG. 5D is a plan view of a zz line in FIG. 5C.

第2実施形態のセンサ部11も、基本的には、第1実施形態のセンサ構造と同様に、図7に示した従来構造と比べた場合、オーバーフローバリア領域OFBを有するセンサ構造において、センサ表面に設けられている素子分離領域としてのチャネルストップ部CS1が、電位的に連続してオーバーフローバリア領域OFBに隣接する所まで延長されている構造となっている点に特徴を有する。   Similarly to the sensor structure of the first embodiment, the sensor unit 11 of the second embodiment also has a sensor structure having an overflow barrier region OFB as compared with the conventional structure shown in FIG. The channel stop portion CS1 as an element isolation region provided in the device is characterized in that it has a structure in which the potential is continuously extended to a position adjacent to the overflow barrier region OFB.

特に、この第2実施形態のセンサ構造は、前述の第1実施形態のセンサ構造との相違点として、オーバーフローバリア領域OFBの一部が電位変動抑制半導体領域EPCRに接している、つまりオーバーフローバリア領域OFBの一部が電位変動抑制半導体領域EPCRで囲まれている構造となっている点に特徴を有する。   In particular, the sensor structure of the second embodiment differs from the sensor structure of the first embodiment described above in that a part of the overflow barrier region OFB is in contact with the potential fluctuation suppressing semiconductor region EPCR, that is, the overflow barrier region. This is characterized in that a part of the OFB is surrounded by a potential fluctuation suppressing semiconductor region EPCR.

すなわち、図5(A)および図5(B)に示す第2実施形態の第1例のセンサ構造および図5(C)および図5(D)に示す第2実施形態の第2例のセンサ構造では、先ず、隣接するセンサ部11と間のチャネルストップ部CS1は、オーバーフローバリア領域OFB近くまで、表面のGND(接地)電位を供給できるように、第1Pウェル領域PW1および第2Pウェル領域PW2とは不純物濃度が異なる、空乏化しない半導体領域EPCR_1で繋がれている。   That is, the sensor structure of the first example of the second embodiment shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B) and the sensor of the second example of the second embodiment shown in FIGS. 5 (C) and 5 (D). In the structure, first, the first P well region PW1 and the second P well region PW2 are provided so that the channel stop portion CS1 between the adjacent sensor portions 11 can supply the surface GND (ground) potential to the vicinity of the overflow barrier region OFB. Are connected by a non-depleted semiconductor region EPCR_1 having a different impurity concentration.

一方、第1例のセンサ構造では、読出ゲート部ROGの下部の第1Pウェル領域PW1上に、センサ表面よりも所定の深さで、かつ、図5(B)に示すように、半導体領域EPCR_1とは離間して繋がらないように、第1Pウェル領域PW1および第2Pウェル領域PW2とは不純物濃度が異なる、空乏化しない半導体領域EPCR_2が設けられている。第1実施形態のセンサ構造との比較では、半導体領域EPCR_2が、半導体領域EPCR_1とは離間して繋がらないようになっている点に特徴を有するのである。   On the other hand, in the sensor structure of the first example, the semiconductor region EPCR_1 is formed on the first P well region PW1 below the read gate portion ROG at a predetermined depth from the sensor surface and as shown in FIG. 5B. A semiconductor region EPCR_2 that has a different impurity concentration from that of the first P well region PW1 and the second P well region PW2 and is not depleted is provided so as not to be separated from each other. The comparison with the sensor structure of the first embodiment is characterized in that the semiconductor region EPCR_2 is not connected to the semiconductor region EPCR_1 apart from the semiconductor region EPCR_1.

なお、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とは、全く異なる不純物濃度のものとしてもよいし、両者を同一の不純物濃度としてもよい。   Note that the semiconductor region EPCR_1 and the semiconductor region EPCR_2 may have completely different impurity concentrations, or both may have the same impurity concentration.

この第2実施形態のデバイス構造でも、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とで、水平方向の隣接ユニットセル間のチャネルストップ部CS1の全体が構成され、半導体領域EPCR_1と半導体領域EPCR_2とが、センサ部11の深層領域で、第1Pウェル領域PW1の一部分を取り囲むようにすることで、センサ部11の下部にオーバーフローバリア領域OFBを構成するようにしているのである。   Also in the device structure of the second embodiment, the semiconductor region EPCR_1 and the semiconductor region EPCR_2 constitute the entire channel stop portion CS1 between adjacent unit cells in the horizontal direction, and the semiconductor region EPCR_1 and the semiconductor region EPCR_2 Thus, the overflow barrier region OFB is formed below the sensor unit 11 by surrounding a part of the first P well region PW1 in the 11 deep layer regions.

つまり、図5(B)に示すように、オーバーフローバリア領域OFBを挟むように、半導体領域EPCR_2が半導体領域EPCR_1と対向し、オーバーフローバリア領域OFBを通る垂直方向の上下には、第2Pウェル領域PW2が存在するのである。   That is, as shown in FIG. 5B, the semiconductor region EPCR_2 is opposed to the semiconductor region EPCR_1 so as to sandwich the overflow barrier region OFB, and the second P well region PW2 is vertically disposed above and below the overflow barrier region OFB. There exists.

これに対して、第2例のセンサ構造では、読出ゲート部ROG下部の第1Pウェル領域PW1上には、チャネルストップ部CS1をなす半導体領域EPCR_2を設けていない点に特徴を有する。   On the other hand, the sensor structure of the second example is characterized in that the semiconductor region EPCR_2 forming the channel stop portion CS1 is not provided on the first P well region PW1 below the read gate portion ROG.

半導体領域EPCR_1のみで水平方向の隣接ユニットセル間のチャネルストップ部CS1の全体が構成され、このチャネルストップ部CS1(半導体領域EPCR_1)が、センサ部11の深層領域で、第1Pウェル領域PW1の一部分を取り囲むようにすることで、センサ部11の下部にオーバーフローバリア領域OFBを構成するようにしているのである。   Only the semiconductor region EPCR_1 constitutes the entire channel stop portion CS1 between adjacent unit cells in the horizontal direction. This channel stop portion CS1 (semiconductor region EPCR_1) is a deep region of the sensor portion 11 and a part of the first P well region PW1. As a result, the overflow barrier region OFB is formed in the lower part of the sensor unit 11.

つまり、図5(C)および図5(D)に示すように、オーバーフローバリア領域OFBを通る垂直方向の上下には、第2Pウェル領域PW2が存在するのである。   That is, as shown in FIGS. 5C and 5D, the second P well region PW2 exists above and below in the vertical direction passing through the overflow barrier region OFB.

何れにしても、この第2実施形態のセンサ構造は、オーバーフローバリア領域OFBを、従来のように、センサ部11の下部における第1Pウェル領域PW1の全体ではなく、チャネルストップ部CS1で周囲の一部分を取り囲むことで、センサ部11下部の一部分に積極的にオーバーフローバリア領域OFBを形成するようにしている点に大きな特徴を有する。   In any case, in the sensor structure of the second embodiment, the overflow barrier region OFB is not the entirety of the first P well region PW1 in the lower part of the sensor unit 11 as in the prior art, but a part of the periphery in the channel stop unit CS1. Is characterized in that the overflow barrier region OFB is positively formed in a part of the lower part of the sensor unit 11.

このような第2実施形態のセンサ構造でも、チャネルストップ部CS1を兼用される半導体領域EPCR_1は、接地電位とされる。半導体領域EPCR_2は半導体領域EPCR_1と繋がっていないので、チャネルストップ部CS1を兼用する半導体領域EPCR_1が接地電位とされても、半導体領域EPCR_2はフローティング状態とされている。こうすることでも、露光蓄積状態時において、第1実施形態のセンサ構造と同様に、オーバーフローバリア領域OFBの近くまでを、確実にGND電位にすることができる。   Even in the sensor structure of the second embodiment, the semiconductor region EPCR_1 that also serves as the channel stop portion CS1 is set to the ground potential. Since the semiconductor region EPCR_2 is not connected to the semiconductor region EPCR_1, the semiconductor region EPCR_2 is in a floating state even if the semiconductor region EPCR_1 that also serves as the channel stop portion CS1 is set to the ground potential. By doing this as well, in the exposure accumulation state, the potential near the overflow barrier region OFB can be reliably set to the GND potential as in the sensor structure of the first embodiment.

したがって、第1実施形態のセンサ構造と同様に、オーバーフローバリア領域OFBの周囲のチャネルストップ部CS1によるGND電位の影響を受けて、障壁電位が変動することが、大幅に従来に比べ抑制される。この結果、飽和レベルを超えて信号電荷が蓄積されることに起因するニー特性を、大幅に抑制することができ、光量に対し飽和信号レベルがほぼ一定となるようにすることができるのである。   Therefore, similarly to the sensor structure of the first embodiment, the fluctuation of the barrier potential due to the influence of the GND potential by the channel stop portion CS1 around the overflow barrier region OFB is greatly suppressed compared to the conventional case. As a result, the knee characteristic resulting from the accumulation of signal charges exceeding the saturation level can be greatly suppressed, and the saturation signal level can be made substantially constant with respect to the amount of light.

ただし、この第2実施形態のセンサ構造では、センサ部11の深層領域で、第1Pウェル領域PW1の一部分だけを取り囲むようにしているので、第1Pウェル領域PW1の全周囲を取り囲むようにしている第1実施形態のセンサ構造と比べた場合、障壁電位変動の抑制効果は若干劣る。   However, in the sensor structure of the second embodiment, since only a part of the first P well region PW1 is surrounded by the deep region of the sensor unit 11, the entire periphery of the first P well region PW1 is surrounded. When compared with the sensor structure of the first embodiment, the barrier potential fluctuation suppressing effect is slightly inferior.

しかしながら、第2実施形態の第2例のセンサ構造では、垂直転送レジスタ13に隣接する読出ゲート部ROGの下部に空乏化していない半導体領域EPCR_2を設けていないので、第1実施形態や第2実施形態の第1例のセンサ構造に比べて、素子の製造が容易である利点がある。   However, in the sensor structure of the second example of the second embodiment, the non-depleted semiconductor region EPCR_2 is not provided below the read gate portion ROG adjacent to the vertical transfer register 13, and therefore the first embodiment and the second embodiment are not provided. Compared with the sensor structure of the first example of the form, there is an advantage that the device is easily manufactured.

加えて、半導体領域EPCR_2による垂直転送レジスタ13へのGND電位の変調をなくすことで垂直転送レジスタ13の下部を常に空乏化しておけるため、電荷転送期間にも、垂直転送レジスタ13の下部の第2Pウェル領域PW2が空乏化した状態を確実に維持することができ、垂直転送動作で転送効率の低下が行ならない状態で垂直転送動作をさせることができるという利点もある。   In addition, since the lower portion of the vertical transfer register 13 can be always depleted by eliminating the modulation of the GND potential to the vertical transfer register 13 by the semiconductor region EPCR_2, the second P of the lower portion of the vertical transfer register 13 is also used during the charge transfer period. There is also an advantage that the state in which the well region PW2 is depleted can be reliably maintained, and the vertical transfer operation can be performed in a state where the transfer efficiency is not lowered by the vertical transfer operation.

<センサの構造:第3実施形態>
図6は、第3実施形態のユニットセルの構造を説明する図である。ここで、図6(A)は、センサ垂直方向のセンサ表面の平面図、図6(B)は、図6(A)におけるy−y線のセンサ垂直方向断面の不純物構成を示した図、図6(C)は、図6(B)におけるz−z線の平面図である。
<Sensor Structure: Third Embodiment>
FIG. 6 is a diagram illustrating the structure of a unit cell according to the third embodiment. Here, FIG. 6A is a plan view of the sensor surface in the sensor vertical direction, and FIG. 6B is a diagram showing an impurity configuration in the sensor vertical direction cross section of the yy line in FIG. 6A. FIG. 6C is a plan view of the zz line in FIG.

第2実施形態のセンサ部11は、図7に示した従来構造と比べた場合、オーバーフローバリア領域OFBを有するセンサ構造において、オーバーフローバリア領域OFBにGND電位を与えるP型半導体層でなるチャネルストップ部CS2を画素間11aに設けることにより、第1実施形態や第2実施形態のセンサ構造と同じ効果を持たせるようにした点に特徴を有する。図示を割愛するが、センサ水平方向断面の不純物構成は、従来例と同様である。   The sensor unit 11 of the second embodiment is a channel stop unit made of a P-type semiconductor layer that applies a GND potential to the overflow barrier region OFB in the sensor structure having the overflow barrier region OFB as compared with the conventional structure shown in FIG. It is characterized in that CS2 is provided between the pixels 11a to provide the same effect as the sensor structure of the first embodiment or the second embodiment. Although illustration is omitted, the impurity configuration of the sensor horizontal cross section is the same as that of the conventional example.

すなわち、先ず、図6(A)に示すように、画素間11aのチャネルストップ部CS2は、オーバーフローバリア領域OFB近くまで、表面のGND(接地)電位を供給できるように、第1Pウェル領域PW1および第2Pウェル領域PW2とは不純物濃度が異なる、空乏化しない半導体領域EPCR_3で繋がれている。   That is, first, as shown in FIG. 6A, the first P well region PW1 and the channel stop portion CS2 between the pixels 11a are supplied so that the surface GND (ground) potential can be supplied to the vicinity of the overflow barrier region OFB. The second P well region PW2 is connected by a semiconductor region EPCR_3 having a different impurity concentration and not depleted.

半導体領域EPCR_3は、第1実施形態や第2実施形態の半導体領域EPCR_1,EPCR_2と同様に、電荷蓄積領域としてのセンサ部11の下部における第2導電型の半導体領域であるオーバーフローバリア領域OFBの周囲に、電荷蓄積領域としてのセンサ部11に蓄積された信号電荷量に依存する電位障壁の変動を抑制するための第1の電位変動抑制半導体領域EPCRとして機能するものである。   Similar to the semiconductor regions EPCR_1 and EPCR_2 in the first and second embodiments, the semiconductor region EPCR_3 is around the overflow barrier region OFB, which is a second conductivity type semiconductor region under the sensor unit 11 as a charge storage region. In addition, it functions as a first potential fluctuation suppressing semiconductor region EPCR for suppressing potential barrier fluctuations depending on the amount of signal charge accumulated in the sensor unit 11 as a charge accumulation region.

半導体領域EPCR_3で、画素間11aのチャネルストップ部CS2の全体が構成されている。つまり、半導体領域EPCR_3が画素間11a間のチャネルストップ部CS2を兼用するデバイス構造となっているのである。この点は、第1実施形態の半導体領域EPCR_1が、隣接ユニットセル間の水平方向のチャネルストップ部CS1を兼用するのと同様である。   In the semiconductor region EPCR_3, the entire channel stop portion CS2 between the pixels 11a is configured. That is, the semiconductor region EPCR_3 has a device structure that also serves as the channel stop portion CS2 between the pixels 11a. This is the same as the semiconductor region EPCR_1 of the first embodiment also serving as the horizontal channel stop portion CS1 between adjacent unit cells.

そして、このチャネルストップ部CS2を兼用する半導体領域EPCR_3が、センサ部11の深層領域で、オーバーフローバリア領域OFBを一周して取り囲むようにすることで、センサ部11の下部にオーバーフローバリア領域OFBを構成するようにしている。   The semiconductor region EPCR_3 also serving as the channel stop portion CS2 is a deep region of the sensor unit 11 so as to surround the overflow barrier region OFB, thereby forming the overflow barrier region OFB below the sensor unit 11. Like to do.

この第3実施形態のセンサ構造は、オーバーフローバリア領域OFBを、従来のように、センサ部11の下部における第1Pウェル領域PW1の全体ではなく、半導体領域EPCR_3で周囲の全体を取り囲むことで、センサ部11下部の一部分に積極的にオーバーフローバリア領域OFBを形成するようにしている点に大きな特徴を有する。   In the sensor structure of the third embodiment, the overflow barrier region OFB is surrounded by the semiconductor region EPCR_3 instead of the entire first P well region PW1 in the lower part of the sensor unit 11 as in the prior art. A major feature is that the overflow barrier region OFB is positively formed in a part of the lower portion of the portion 11.

特に、第1実施形態のセンサ構造との相違点として、図6(C)に示すように、センサ部11の下部のみで、半導体領域EPCR_3によりオーバーフローバリア領域OFBを一周して取り囲むようにしている点に特徴を有するのである。この場合、図6(C)に示すように、画素間11aの深い位置まで、半導体領域EPCR_3を、空乏化しない程度の濃さで形成することになる。   In particular, as a difference from the sensor structure of the first embodiment, as shown in FIG. 6C, only the lower part of the sensor unit 11 surrounds the overflow barrier region OFB by the semiconductor region EPCR_3. It is characterized by a point. In this case, as shown in FIG. 6C, the semiconductor region EPCR_3 is formed to a depth not to be depleted up to a deep position between the pixels 11a.

このような第3実施形態のセンサ構造でも、画素間11aのチャネルストップ部CS2を兼用する半導体領域EPCR_3は、接地電位とされる。こうすることで、露光蓄積状態時において、第1実施形態や第2実施形態のセンサ構造と同様に、オーバーフローバリア領域OFBの近くまでを、確実にGND電位にすることができる。   Even in the sensor structure of the third embodiment, the semiconductor region EPCR_3 also serving as the channel stop portion CS2 between the pixels 11a is set to the ground potential. In this way, in the exposure accumulation state, the potential close to the overflow barrier region OFB can be reliably set to the GND potential, as in the sensor structures of the first and second embodiments.

したがって、第1実施形態や第2実施形態のセンサ構造と同様に、オーバーフローバリア領域OFBの周囲の半導体領域EPCR_3によるGND電位の影響を受けて、障壁電位が変動することが、大幅に従来に比べ抑制される。この結果、飽和レベルを超えて信号電荷が蓄積されることに起因するニー特性を、大幅に抑制することができ、光量に対し飽和信号レベルがほぼ一定となるようにすることができるのである。   Therefore, similarly to the sensor structure of the first and second embodiments, the barrier potential varies due to the influence of the GND potential due to the semiconductor region EPCR_3 around the overflow barrier region OFB. It is suppressed. As a result, the knee characteristic resulting from the accumulation of signal charges exceeding the saturation level can be greatly suppressed, and the saturation signal level can be made substantially constant with respect to the amount of light.

センサ部11の深層領域で、第1Pウェル領域PW1の全周囲を半導体領域EPCR_3で取り囲むようにしているので、第1実施形態のセンサ構造と同程度の障壁電位変動の抑制効果を享受できる。   Since the entire periphery of the first P well region PW1 is surrounded by the semiconductor region EPCR_3 in the deep region of the sensor unit 11, it is possible to enjoy the same barrier potential fluctuation suppressing effect as that of the sensor structure of the first embodiment.

加えて、第1実施形態のセンサ構造とは異なり、垂直転送レジスタ13に隣接する読出ゲート部ROGの下部には、半導体領域EPCR_2を設けていないので、第2実施形態の第2例のセンサ構造と同様に、第1実施形態や第2実施形態の第1例のセンサ構造に比べて、垂直転送レジスタ13へのGND電位の変調を少なくできるため、垂直転送レジスタ13を容易に空乏化しておけるという利点がある。   In addition, unlike the sensor structure of the first embodiment, since the semiconductor region EPCR_2 is not provided below the read gate portion ROG adjacent to the vertical transfer register 13, the sensor structure of the second example of the second embodiment is provided. Similarly to the sensor structure of the first example of the first embodiment or the second embodiment, since the modulation of the GND potential to the vertical transfer register 13 can be reduced, the vertical transfer register 13 can be easily depleted. There is an advantage.

なお、上述の第1〜第3実施形態の仕組みは、空乏化していないP型半導体層よって、センサ表面からオーバーフローバリア領域OFB近傍までGND電位を延ばしておくような電位分布を素子構造の側面から形成することで、信号電荷が飽和レベル以上に溜まろうとするときには、オーバーフローバリア領域OFB付近の電位が自己上昇し信号電荷が余分に蓄積されるというニー特性を抑制するようにしていた。   Note that the mechanism of the first to third embodiments described above has a potential distribution from the side of the element structure in which the GND potential is extended from the sensor surface to the vicinity of the overflow barrier region OFB by the non-depleted P-type semiconductor layer. By forming, when the signal charge is to be accumulated at the saturation level or higher, the knee characteristic that the potential in the vicinity of the overflow barrier region OFB self-rises and the signal charge is excessively accumulated is suppressed.

これに対して、別の手法としては、デバイス構造としては概ね従来と同様のものを使用しつつ、電荷蓄積期間に前述のような電位分布が形成され、その後の読出期間や転送期間には、それぞれの動作に適した電位分布となるように、駆動電圧や駆動タイミングを制御することも考えられる。   On the other hand, as another method, the above-described potential distribution is formed in the charge accumulation period while using the same device structure as the conventional device structure, and in the subsequent readout period and transfer period, It is also conceivable to control the drive voltage and drive timing so that the potential distribution is suitable for each operation.

しかしながら、従来のデバイス構造のままで、駆動電圧や駆動タイミングを制御することにより、電荷蓄積期間に前述のような電位分布にしたり、その後の読出期間や転送期間にそれぞれの動作に適した電位分布にしたりすることは、読出効率や転送効率の低下を招いたり、この問題を解消するための新たな仕組みを考える必要が生じるなど、困難性を伴うことになる。   However, by controlling the drive voltage and drive timing with the conventional device structure, the potential distribution as described above during the charge accumulation period, or the potential distribution suitable for each operation during the subsequent readout period and transfer period In other words, there is a difficulty in reducing the reading efficiency and the transfer efficiency, and it is necessary to consider a new mechanism for solving this problem.

これに比べて、デバイス構造の側面から、読出効率や転送効率に大きな悪影響を与えない範囲で、電荷蓄積期間に前述のような電位分布が形成されるような構造とすれば、困難性を伴うことがない。   Compared to this, from the aspect of the device structure, it is difficult to achieve the structure in which the above-described potential distribution is formed during the charge accumulation period within a range that does not have a large adverse effect on the reading efficiency and the transfer efficiency. There is nothing.

電子機器の一例である撮像装置(カメラシステム)の一実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the imaging device (camera system) which is an example of an electronic device. 図1に示したCCD固体撮像素子の4種類の垂直転送電極の配置構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the arrangement structure of four types of vertical transfer electrodes of the CCD solid-state image sensor shown in FIG. 第1実施形態のユニットセルの構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the unit cell of 1st Embodiment. 図3に示したデバイス構造を適用することによる、ニー特性の改善を説明する図である。It is a figure explaining improvement of knee characteristics by applying the device structure shown in FIG. 第2実施形態のユニットセルの構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the unit cell of 2nd Embodiment. 第3実施形態のユニットセルの構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the unit cell of 3rd Embodiment. 縦形オーバーフローバリア構造を有する従来の固体撮像素子を説明する図である。It is a figure explaining the conventional solid-state image sensor which has a vertical overflow barrier structure.

符号の説明Explanation of symbols

1…撮像装置、10…CCD固体撮像素子、10a…撮像部、11…センサ部、118…センサ開口部、11a…画素間、12…垂直転送電極、12A…専用転送電極、12B…読出転送電極、13…垂直転送レジスタ、15…水平転送レジスタ、17…出力アンプ部、50…駆動制御部、52…タイミング信号生成部、54…ドライバ、56…駆動電源、BC…埋込チャネル、CS1,CS2…チャネルストップ部、ROG…読出ゲート部、PW1…第1Pウェル領域、PW2…第2Pウェル領域、EPCR…電位変動抑制半導体領域、EPCR_1,EPCR_2,EPCR_3…半導体領域、OFB…オーバーフローバリア領域、NSUB…半導体基板   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Imaging device, 10 ... CCD solid-state image sensor, 10a ... Imaging part, 11 ... Sensor part, 118 ... Sensor opening part, 11a ... Between pixels, 12 ... Vertical transfer electrode, 12A ... Dedicated transfer electrode, 12B ... Read transfer electrode , 13 ... Vertical transfer register, 15 ... Horizontal transfer register, 17 ... Output amplifier unit, 50 ... Drive control unit, 52 ... Timing signal generation unit, 54 ... Driver, 56 ... Drive power supply, BC ... Embedded channel, CS1, CS2 ... channel stop part, ROG ... read gate part, PW1 ... first P well region, PW2 ... second P well region, EPCR ... potential fluctuation suppressing semiconductor region, EPCR_1, EPCR_2, EPCR_3 ... semiconductor region, OFB ... overflow barrier region, NSUB ... Semiconductor substrate

Claims (7)

各ユニットセルに生じた信号電子を蓄積する第1導電型の電荷蓄積領域と、前記電荷蓄積領域より下部の半導体領域との間に、前記電荷蓄積領域から深さ方向への信号電荷の流れに対する電位障壁をなす第2導電型の半導体領域を有する縦形オーバーフローバリア構造を持つ固体撮像装置であって、
前記電荷蓄積領域の下部における前記第2導電型の半導体領域の周囲に、前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷量に依存する電位障壁の変動を抑制するための電位変動抑制半導体領域が形成され、
前記電位変動抑制半導体領域は、前記第2導電型の半導体領域よりも高濃度の第2導電型で形成されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
Between the charge accumulation region of the first conductivity type that accumulates signal electrons generated in each unit cell and the semiconductor region below the charge accumulation region, the flow of signal charges in the depth direction from the charge accumulation region A solid-state imaging device having a vertical overflow barrier structure having a semiconductor region of a second conductivity type forming a potential barrier,
A potential fluctuation suppressing semiconductor region is formed around the second conductivity type semiconductor region below the charge storage region to suppress potential barrier fluctuations depending on the amount of signal charge stored in the charge storage region. And
The solid state imaging device , wherein the potential fluctuation suppressing semiconductor region is formed of a second conductivity type having a higher concentration than the second conductivity type semiconductor region .
第1の前記電位変動抑制半導体領域は、隣接するユニットセルとの分離を行なうための素子分離領域と兼用されている
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first potential variation suppressing semiconductor region is also used as an element isolation region for isolation from an adjacent unit cell.
前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を読み出す信号電荷読出部と、前記信号電荷読出部により読み出された信号電荷を転送する電荷転送部とを具備し、
前記信号電荷読出部の下部において、前記第2導電型の半導体領域の一部を囲むように、第2の前記電位変動抑制半導体領域が形成されており、
前記第2の前記電位変動抑制半導体領域は、前記第1の電位変動抑制半導体領域と繋がっており、
前記電荷蓄積領域の下部において、前記第1の電位変動抑制半導体領域と前記第2電位変動抑制半導体領域とで、前記第2導電型の半導体領域の全周囲を取り囲んでいる
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
A signal charge reading unit for reading the signal charge stored in the charge storage region; and a charge transfer unit for transferring the signal charge read by the signal charge reading unit,
A second potential fluctuation suppressing semiconductor region is formed so as to surround a part of the second conductivity type semiconductor region under the signal charge readout portion,
The second potential fluctuation suppressing semiconductor region is connected to the first potential fluctuation suppressing semiconductor region;
The lower part of the charge storage region is characterized in that the first potential fluctuation suppressing semiconductor region and the second potential fluctuation suppressing semiconductor region surround the entire periphery of the second conductivity type semiconductor region. Item 3. The solid-state imaging device according to Item 2.
前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を読み出す信号電荷読出部と、前記信号電荷読出部により読み出された信号電荷を転送する電荷転送部とを具備し、
前記信号電荷読出部の下部において、前記第2導電型の半導体領域の一部を囲むように、第2の前記電位変動抑制半導体領域が形成されており、
前記第2の前記電位変動抑制半導体領域は、前記第1の電位変動抑制半導体領域と離間している
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
A signal charge reading unit for reading the signal charge stored in the charge storage region; and a charge transfer unit for transferring the signal charge read by the signal charge reading unit,
A second potential fluctuation suppressing semiconductor region is formed so as to surround a part of the second conductivity type semiconductor region under the signal charge readout portion,
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the second potential fluctuation suppressing semiconductor region is separated from the first potential fluctuation suppressing semiconductor region.
前記素子分離領域と兼用されている前記第1の電位変動抑制半導体領域は、前記電荷蓄積領域の下部において、前記第2導電型の半導体領域の全周囲を取り囲んでいる
ことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像装置。
The first potential fluctuation suppressing semiconductor region that is also used as the element isolation region surrounds the entire periphery of the second conductivity type semiconductor region under the charge storage region. 2. The solid-state imaging device according to 2.
前記電位変動抑制半導体領域は、第2導電型の不純物濃度が空乏化しない濃度に設定されているThe potential fluctuation suppressing semiconductor region is set to a concentration at which the impurity concentration of the second conductivity type is not depleted.
請求項1〜5の何れかに記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1.
前記電位変動抑制半導体領域は、接地電位とされるThe potential fluctuation suppressing semiconductor region is set to a ground potential.
請求項1〜6の何れかに記載の固体撮像装置。The solid-state imaging device according to claim 1.
JP2006146073A 2006-05-26 2006-05-26 Solid-state imaging device Expired - Fee Related JP4788478B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006146073A JP4788478B2 (en) 2006-05-26 2006-05-26 Solid-state imaging device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006146073A JP4788478B2 (en) 2006-05-26 2006-05-26 Solid-state imaging device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007318465A JP2007318465A (en) 2007-12-06
JP4788478B2 true JP4788478B2 (en) 2011-10-05

Family

ID=38851926

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006146073A Expired - Fee Related JP4788478B2 (en) 2006-05-26 2006-05-26 Solid-state imaging device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4788478B2 (en)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58161367A (en) * 1982-03-18 1983-09-24 Sharp Corp Charge coupling element and solid-state image pickup element therewith
JP3840203B2 (en) * 2002-06-27 2006-11-01 キヤノン株式会社 Solid-state imaging device and camera system using the solid-state imaging device
JP3621400B2 (en) * 2003-03-03 2005-02-16 松下電器産業株式会社 Solid-state imaging device and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007318465A (en) 2007-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10136092B2 (en) Solid state image sensor, method for driving a solid state image sensor, imaging apparatus, and electronic device
US10229941B2 (en) Solid-state imaging element, driving method, and electronic apparatus
US8810703B2 (en) Solid-state image pickup device, driving method of solid-state image pickup device, and electronic device
US7550793B2 (en) Image pickup device and camera with expanded dynamic range
JP4514188B2 (en) Photoelectric conversion device and imaging device
JP2011204878A (en) Solid-state image pickup device and electronic equipment
JP2008004692A (en) Solid-state imaging device
JP2011216673A (en) Solid-state imaging device, method for manufacturing of solid-state imaging device, and electronic apparatus
KR20150002593A (en) Solid-state imaging device and electronic device
KR20100090189A (en) Solid-state image capturing device, method of manufacturing solid-state image capturing device, method of driving solid-state image capturing device, and electronic apparatus
JP5326507B2 (en) Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus
JP4155568B2 (en) Solid-state imaging device and camera
JP5422455B2 (en) Solid-state imaging device
JP4285388B2 (en) Solid-state imaging device
JPWO2008133144A1 (en) Solid-state imaging device
JP2005217302A (en) Solid-state imaging device
JP4525235B2 (en) Solid-state imaging device and driving method thereof
JP4788478B2 (en) Solid-state imaging device
JP4212447B2 (en) Solid-state imaging device and electronic camera
JP2006165006A (en) Solid-state imaging element
JP4921345B2 (en) Solid-state imaging device and camera
JP2010080791A (en) Solid-state image sensing device and electronic instrument
JP2008263086A (en) Photodiode and solid-state imaging element using the same
JP2006120967A (en) Solid-state imaging device
JP2009153057A (en) Solid-state imaging device and method of driving the same, and camera

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090129

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20091007

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20091020

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110308

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110315

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110509

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110621

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110704

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140729

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees