JP4935046B2 - Solid-state image sensor - Google Patents

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JP4935046B2 JP2005304010A JP2005304010A JP4935046B2 JP 4935046 B2 JP4935046 B2 JP 4935046B2 JP 2005304010 A JP2005304010 A JP 2005304010A JP 2005304010 A JP2005304010 A JP 2005304010A JP 4935046 B2 JP4935046 B2 JP 4935046B2
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紀元 中村
彰 水口
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Description

本発明は、固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device.

固体撮像素子として、CCD(電荷結合素子)型のイメージセンサ(以下、CCDセン
サという)と、CMOS型のイメージセンサ(以下、CMOSセンサという)等が知られ
ている。
As a solid-state imaging device, a CCD (charge coupled device) type image sensor (hereinafter referred to as a CCD sensor), a CMOS type image sensor (hereinafter referred to as a CMOS sensor), and the like are known.

さらに、近年、高画質と低消費電力とを共に兼ね備えた閾値電圧変調方式のMOS型固
体撮像素子(以下、基板変調型センサという)が提案されている。基板変調型センサにつ
いては、例えば、特許文献1に開示されている。
Furthermore, in recent years, a threshold voltage modulation type MOS solid-state imaging device (hereinafter referred to as a substrate modulation type sensor) having both high image quality and low power consumption has been proposed. The substrate modulation type sensor is disclosed in Patent Document 1, for example.

CCDセンサは、駆動電圧が高いため、消費電力が大きいが、ノイズ除去のための相関
二重サンプリング(CDS)機能と、高速に動く被写体の像に歪みがないように撮像する
ためのいわゆる一括電子シャッター機能とを実現している。この一括電子シャッター機能
は、2次元的に配列された多数の受光素子について、同時に光発生電荷を蓄積することに
よって、被写体の像の歪みをなくすものである。CCDセンサは、一般に画質に優れてい
るという利点がある。
The CCD sensor consumes a large amount of power because of its high driving voltage, but a correlated double sampling (CDS) function for noise removal and so-called batch electronics for capturing images so as not to distort the object moving at high speed. The shutter function is realized. This collective electronic shutter function eliminates distortion of an image of a subject by simultaneously accumulating photogenerated charges for a large number of light receiving elements arranged two-dimensionally. CCD sensors generally have an advantage of excellent image quality.

一方、CMOSセンサの中でも4トランジスタ構成のCMOS−APS(Active Pixel
Sensor)タイプのものは、一括電子シャッター機能は実現できていないが、CDS機能
が実現されている。またCMOSセンサは駆動電圧が抑えられるため消費電力が少なく、
更にCMOSトランジスタの製造工程に準じた工程で形成できるためプロセスコストが低
いという利点がある。
On the other hand, among CMOS sensors, CMOS-APS (Active Pixel) with a 4-transistor configuration
The sensor type cannot realize the collective electronic shutter function, but realizes the CDS function. Also, the CMOS sensor has low power consumption because the drive voltage can be suppressed,
Further, since it can be formed by a process according to the manufacturing process of the CMOS transistor, there is an advantage that the process cost is low.

一般的なCMOS−APSタイプのセンサにおいて、一括電子シャッターができないの
は、読み出しライン毎に、電荷保持領域であるフローティングディフュージョン部をリセ
ットし、まずノイズ成分を読み出し、その後信号成分を読み出すというCDS機能を実現
するために動作させているからである。
A general CMOS-APS type sensor cannot perform a collective electronic shutter because a CDS function that resets a floating diffusion portion, which is a charge holding region, for each readout line, first reads a noise component, and then reads a signal component. This is because it is operated to realize the above.

CMOS−APSタイプのセンサは、CDS機能実現のために電荷の転送用のトランジ
スタを画素信号を読み出す選択ライン毎に順次リセットしてノイズ成分を読み出し、その
後信号成分を読み出す。信号成分の読み出しは、選択ライン毎に順次リセットしながら行
う。よって、動きのある被写体を撮像した場合に、初めのラインと最後の読み出しライン
の間では、読み出しタイミングが徐々にずれていくので、得られる被写体の像に歪みが生
じる。この歪みを抑えるためには機械的シャッター等が必要となり、動きのある被写体を
撮像するのは困難となる。
In order to realize a CDS function, a CMOS-APS type sensor sequentially resets a charge transfer transistor for each selection line for reading a pixel signal, reads a noise component, and then reads a signal component. The signal component is read while being sequentially reset for each selected line. Therefore, when a moving subject is imaged, the readout timing gradually shifts between the first line and the last readout line, resulting in distortion in the obtained subject image. In order to suppress this distortion, a mechanical shutter or the like is required, and it is difficult to image a moving subject.

このような問題点に対応するため、基板変調型センサやCMOS−APSタイプのセン
サについては、蓄積ウェルに蓄積された光電荷をフローティングディフュージョン部に転
送する前に光電荷を一時蓄える電荷保持部を備えることで、一括電子シャッターとCDS
との両方の動作を実現する技術が特許文献2に開示されている。
In order to cope with such a problem, a substrate holding type sensor or a CMOS-APS type sensor has a charge holding unit that temporarily stores the photocharge before transferring the photocharge accumulated in the accumulation well to the floating diffusion portion. By providing a batch electronic shutter and CDS
A technique for realizing both operations is disclosed in Patent Document 2.

特許文献2に開示された基板変調型センサやCMOS−APSタイプのセンサでは、電
荷保持部やフローティングディフュージョン部で発生した光電荷が混入すると画質の低下
を招くためこれらの部分への光の侵入を抑えることが必要である。特許文献3には、CM
OS−APSタイプのセンサのフローティングディフュージョン部への光の侵入を防ぐた
めにタングステンシリサイド等を用いた遮光膜をフローティングディフュージョン部上に
形成する技術が開示されている。
In the substrate modulation type sensor and the CMOS-APS type sensor disclosed in Patent Document 2, if the photocharge generated in the charge holding unit or the floating diffusion unit is mixed, the image quality is deteriorated. It is necessary to suppress. Patent Document 3 includes CM
In order to prevent light from entering the floating diffusion portion of the OS-APS type sensor, a technique for forming a light shielding film using tungsten silicide or the like on the floating diffusion portion is disclosed.

特開2002−134729号公報JP 2002-134729 A 特願2005−79330号公報Japanese Patent Application No. 2005-79330 特開2004−140152号公報JP 2004-140152 A

しかしながら、上記した特許文献2に記載の技術を用いた場合、蓄積ウェルと近接して
設けられた電荷保持部への光の侵入を抑える構造を有していないため、電荷保持部への光
の侵入により雑音電荷が発生し画質が低下してしまうという問題点がある。
However, when the technique described in Patent Document 2 described above is used, there is no structure that suppresses light from entering the charge holding portion provided close to the accumulation well. There is a problem in that noise charges are generated due to intrusion and image quality is degraded.

また、上記した特許文献3に記載の技術を用いた場合、フローティングディフュージョ
ン部への光の侵入による雑音電荷の発生は抑えられるが、電荷保持部を備えていないので
一括電子シャッター機能は実現できず、動きのある被写体を撮像した場合には、得られる
被写体の像に歪みが生じ、画質の低下を招いてしまうという問題点がある。
Further, when the technique described in Patent Document 3 described above is used, the generation of noise charges due to the intrusion of light into the floating diffusion part can be suppressed, but since the charge holding part is not provided, the collective electronic shutter function cannot be realized. When a moving subject is imaged, there is a problem in that the obtained subject image is distorted and the image quality is degraded.

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものでCDS機能を実現しながら一括電子シャ
ッター機能も実現し、更に電荷保持部への光の侵入を効果的に抑制しうる固体撮像素子を
提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-described points, and provides a solid-state imaging device capable of realizing a collective electronic shutter function while realizing a CDS function and further effectively suppressing light from entering the charge holding portion. For the purpose.

上記目的を達成するために本発明の固体撮像素子は、半導体基板に形成された、入射光
を光電変換することで得られる電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記電荷を前記蓄積ウェル
から転送するための、前記半導体基板の表面に第1の絶縁層を介して設けられた第1のゲ
ート電極層を用いて形成された第1の転送ゲート電極を有する第1の転送制御素子と、前
記蓄積ウェルから前記第1の転送制御素子を介して転送された前記電荷を蓄えるために前
記第1の転送ゲート電極下部に設けられた電荷保持領域と、前記電荷を前記電荷保持領域
から転送するための、前記第1の転送ゲート電極及び前記半導体基板の表面に第2の絶縁
層を介して設けられた第2のゲート電極層を用いて形成された第2の転送ゲート電極を有
する第2の転送制御素子と、前記電荷保持領域から前記第2の転送制御素子を介して転送
された前記電荷を蓄え、且つ前記電荷により生じる電位変動を検出するためのフローティ
ングディフュージョン領域を備える固体撮像素子であって、前記第1の転送ゲート電極を
通して前記電荷保持領域に前記入射光が侵入することを抑制するため、前記第1の転送ゲ
ート電極のうち、前記電荷保持領域上に形成されている部分の少なくとも一部分を前記電
荷保持領域の遮光のために覆うよう前記第2の転送ゲート電極を延在させたことを特徴と
する。
In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention is formed on a semiconductor substrate for accumulating charges obtained by photoelectric conversion of incident light, and for transferring the charges from the accumulation well. A first transfer control element having a first transfer gate electrode formed by using a first gate electrode layer provided on a surface of the semiconductor substrate via a first insulating layer, and the storage well A charge holding region provided under the first transfer gate electrode for storing the charge transferred from the first transfer control element from the first transfer control element, and for transferring the charge from the charge holding region, Second transfer control having a second transfer gate electrode formed by using the first transfer gate electrode and a second gate electrode layer provided on the surface of the semiconductor substrate via a second insulating layer Element and front A solid-state imaging device comprising a floating diffusion region for storing the charge transferred from the charge holding region via the second transfer control element and detecting a potential fluctuation caused by the charge, In order to prevent the incident light from entering the charge holding region through the transfer gate electrode, at least a part of the portion of the first transfer gate electrode formed on the charge holding region is the charge holding region. The second transfer gate electrode is extended so as to cover the light.

この構成によれば、前記第2のゲート電極を前記第1のゲート電極の少なくとも一部分
を遮光のために覆うよう延在させるので、前記電荷を蓄えるために前記第1の転送ゲート
下部に設けられた前記電荷保持領域は前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極によ
り覆われる。
According to this configuration, since the second gate electrode extends so as to cover at least a part of the first gate electrode for light shielding, the second gate electrode is provided under the first transfer gate to store the charge. The charge holding region is covered with the first gate electrode and the second gate electrode.

前記電荷保持領域では前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極により覆われるこ
とで前記入射光の侵入が抑制できるため、画質の低下を招く前記電荷保持領域での前記入
射光の漏れに起因する電荷の発生を抑制することができる。
Since the entrance of the incident light can be suppressed by being covered with the first gate electrode and the second gate electrode in the charge holding region, leakage of the incident light in the charge holding region causing deterioration in image quality can be prevented. Generation of the resulting charge can be suppressed.

また、上記した本発明の固体撮像素子は、前記第2の転送ゲート電極は、前記第1のゲ
ート電極の上部を覆うことに加え、前記蓄積ウェルの一部分も覆うよう延在させたことを
特徴とする。
In the solid-state imaging device of the present invention described above, the second transfer gate electrode extends so as to cover a part of the accumulation well in addition to covering an upper portion of the first gate electrode. And

この構成によれば、前記電荷保持領域は前記第2の転送ゲート電極により、さらに確実
に前記入射光の漏れに起因する電荷の発生を抑制することができる。
According to this configuration, the charge holding region can more reliably suppress the generation of charges due to leakage of the incident light by the second transfer gate electrode.

また、上記した本発明の固体撮像素子は、前記第2の転送ゲート電極はポリシリコン上
に前記ポリシリコンに比べ光の透過率が小さい、タングステン、チタン、又はコバルトの
シリサイド若しくはタングステン、チタン、又はコバルトのうち2種類以上の金属成分を
含むシリサイド若しくはタングステン、チタン、又はコバルトのうち1種類以上の成分を
含む金属との2層構造を有することを特徴とする。
In the solid-state imaging device of the present invention described above, the second transfer gate electrode has a light transmittance lower than that of the polysilicon on the polysilicon, tungsten, titanium, cobalt silicide, tungsten, titanium, or It has a two-layer structure of silicide containing two or more kinds of metal components of cobalt or tungsten, titanium, or a metal containing one or more kinds of components of cobalt.

この構成によれば、光透過率がポリシリコンより小さいタングステン、チタン、又はコ
バルトのシリサイド若しくはタングステン、チタン、又はコバルトのうち2種類以上の金
属成分を含むシリサイド、若しくはタングステン、チタン、又はコバルトのうち1種類以
上の成分を含む金属をポリシリコン上に形成するため、前記入射光の侵入が抑制され画質
の低下を招く前記電荷保持領域での前記入射光の漏れに起因する電荷の発生を抑制するこ
とができる。また、応力の大きいタングステン、チタン、又はコバルトのシリサイド若し
くはタングステン、チタン、又はコバルトのうち2種類以上の金属成分を含むシリサイド
若しくはタングステン、チタン、又はコバルトのうち1種類以上の成分を含む金属をポリ
シリコンを介して形成することで応力を緩和し、応力に起因する欠陥からの電荷の発生を
抑えた状態で用いることができる。
According to this configuration, the light transmittance is smaller than polysilicon, tungsten, titanium, or cobalt silicide, or tungsten, titanium, or cobalt containing two or more kinds of metal components of tungsten, or tungsten, titanium, or cobalt. Since the metal containing one or more kinds of components is formed on the polysilicon, the intrusion of the incident light is suppressed, and the generation of the charge due to the leakage of the incident light in the charge holding region that causes the deterioration of the image quality is suppressed. be able to. In addition, tungsten, titanium, or cobalt having a large stress, or silicide containing two or more metal components of tungsten, titanium, or cobalt, or a metal containing one or more components of tungsten, titanium, or cobalt is poly By forming via silicon, the stress can be relaxed and the generation of charges from defects caused by the stress can be suppressed.

また、上記した本発明の固体撮像素子は、前記第2の転送ゲート電極はポリシリコンに
比べ光の透過率が小さい、タングステン、チタン、又はコバルトのうち1種類以上の金属
成分を含むシリサイド、若しくはタングステン、チタン、又はコバルトのうち1種類以上
の成分を含む金属を用いたことを特徴とする。
In the solid-state imaging device of the present invention described above, the second transfer gate electrode has a light transmittance lower than that of polysilicon, silicide containing one or more metal components of tungsten, titanium, or cobalt, or A metal containing one or more components of tungsten, titanium, or cobalt is used.

この構成によれば、ポリシリコン層を設けないため、第2の転送ゲート電極層を薄層化
することができるため、段差量を抑えて第2のゲート電極を形成することができる。
According to this configuration, since the polysilicon layer is not provided, the second transfer gate electrode layer can be thinned, so that the second gate electrode can be formed while suppressing the step amount.

また、上記した本発明の固体撮像素子は、前記第2の転送ゲート電極層には、フォトリ
ソグラフ工程でのハレーションを防止するための反射抑制層が含まれていることを特徴と
する。
In the above-described solid-state imaging device of the present invention, the second transfer gate electrode layer includes a reflection suppressing layer for preventing halation in the photolithography process.

この構成によれば、フォトリソグラフ工程でのハレーションを防止できるので、フォト
リソグラフ工程を高い転写性を持って行うことができる。
According to this configuration, since halation in the photolithography process can be prevented, the photolithography process can be performed with high transferability.

また、上記した本発明の固体撮像素子は前記反射抑制層は酸化シリコン又は窒化チタン
であることを特徴とする。
The solid-state imaging device of the present invention described above is characterized in that the reflection suppressing layer is silicon oxide or titanium nitride.

この構成によれば、新規性の高い材料を用いることなく光の反射を抑制できるため、固
体撮像素子を製造するラインの想定外の汚染を防止することができる。
According to this configuration, since reflection of light can be suppressed without using a highly novel material, it is possible to prevent unexpected contamination of a line for manufacturing a solid-state imaging device.

また、上記した本発明の固体撮像素子は、前記フローティングディフュージョン領域は
、前記第1の絶縁層上に位置する前記第1のゲート電極層をリング状に加工した第3のゲ
ート電極を有する検出用MOSトランジスタの下部に形成され、前記フローティングディ
フュージョン領域に蓄積された電荷により生じる閾値の変動から入射光強度を検出するこ
とを特徴とする。
In the solid-state imaging device of the present invention, the floating diffusion region has a third gate electrode obtained by processing the first gate electrode layer located on the first insulating layer into a ring shape. An incident light intensity is detected from a change in threshold value formed by charges accumulated in the floating diffusion region, which is formed below the MOS transistor.

この構成によれば、前記フローティングディフュージョン領域と前記検出用MOSトラ
ンジスタとを重ねて形成することが可能となり、小さい面積で入射光強度を検出する領域
を形成することができる。
According to this configuration, the floating diffusion region and the detection MOS transistor can be formed to overlap each other, and a region for detecting incident light intensity can be formed with a small area.

また、上記した本発明の固体撮像素子は、前記蓄積ウェル側方に、前記蓄積ウェルへの
入射光により発生した前記電荷がオーバーフローした場合にオーバーフローした前記電荷
を吸収するためのオーバーフロードレインを有することを特徴とする。
The solid-state imaging device of the present invention described above has an overflow drain on the side of the storage well for absorbing the overflowed charge when the charge generated by light incident on the storage well overflows. It is characterized by.

この構成によれば、強い入射光が照射された場合に前記蓄積ウェルから溢れた電荷は前
記オーバーフロードレインにより吸収されるため、他の固体撮像素子への電荷の漏れ込み
が抑制できるため、強い入射光があっても画質劣化を抑えることができる。
According to this configuration, when the strong incident light is irradiated, the charge overflowing from the accumulation well is absorbed by the overflow drain, so that leakage of charge to other solid-state imaging devices can be suppressed, so Even if there is light, image quality deterioration can be suppressed.

また、上記した本発明の固体撮像素子は、前記半導体基板の表面と、前記第1の絶縁層
又は前記第2の絶縁層との間の少なくとも一部との間に前記半導体基板の表面と、前記第
1の絶縁層又は前記第2の絶縁層との間に存在する欠陥を電気的に埋めるための前記保持
領域と反対導電型のピニング層を有することを特徴とする。
Further, the solid-state imaging device according to the present invention described above, the surface of the semiconductor substrate between the surface of the semiconductor substrate and at least a part between the first insulating layer or the second insulating layer, A pinning layer having a conductivity type opposite to that of the holding region for electrically filling defects existing between the first insulating layer and the second insulating layer is provided.

この構成によれば、半導体基板と絶縁層との間にある欠陥を電気的に埋めるため、前記
欠陥に起因する電荷の発生を抑制することができるので画質劣化を抑えることができる。
According to this configuration, since defects existing between the semiconductor substrate and the insulating layer are electrically filled, generation of charges due to the defects can be suppressed, so that deterioration in image quality can be suppressed.

また、上記した本発明の固体撮像素子は、前記蓄積ウェルの一部分が前記第1の転送ゲ
ート電極と重なって配置されていることを特徴とする。
The solid-state imaging device of the present invention described above is characterized in that a part of the accumulation well is disposed so as to overlap the first transfer gate electrode.

この構成によれば、前記蓄積ウェルの一部分を覆うよう延在させた前記第2の転送ゲー
ト電極の電気的影響を前記第1の転送ゲート電極により遮蔽することができるため、特に
前記蓄積ウェルの一部分を覆うよう延在させた場合に電気的に安定した動作を行うことが
できる。
According to this configuration, the electrical influence of the second transfer gate electrode extended so as to cover a part of the storage well can be shielded by the first transfer gate electrode. When it extends so as to cover a part, an electrically stable operation can be performed.

また、上記した本発明の固体撮像素子は、前記第1の絶縁層上に位置する前記第1のゲ
ート電極層をリング状に加工した前記第3のゲート電極を有する前記検出用MOSトラン
ジスタの前記第3のゲート電極下部に、前記フローティングディフュージョンの他の領域
よりも高い不純物濃度を有し、電荷を収集するためのポケット領域を形成したことを特徴
とする。
In the solid-state imaging device of the present invention, the detection MOS transistor having the third gate electrode obtained by processing the first gate electrode layer located on the first insulating layer into a ring shape. A pocket region for collecting charges and having a higher impurity concentration than other regions of the floating diffusion is formed below the third gate electrode.

この構成によれば、前記検出用MOSトランジスタの前記第3のゲート電極下部に、前
記フローティングディフュージョン領域の他の領域よりも高い不純物濃度を有し、電荷を
収集するためのポケット領域を形成しているため、前記フローティングディフュージョン
に注入された電荷は前記検出用MOSトランジスタの下部に集中する。
According to this configuration, a pocket region for collecting charges is formed below the third gate electrode of the detection MOS transistor, and has a higher impurity concentration than other regions of the floating diffusion region. Therefore, the charge injected into the floating diffusion is concentrated in the lower part of the detection MOS transistor.

前記フローティングディフュージョン領域の中でも前記検出用MOSトランジスタの下
部に電荷を集中させることができるため、前記検出用MOSトランジスタの単位電荷あた
りの閾値変動が大きくなるため、感度の高い固体撮像素子を得ることができる。
Since charges can be concentrated under the detection MOS transistor in the floating diffusion region, the threshold fluctuation per unit charge of the detection MOS transistor becomes large, so that a highly sensitive solid-state imaging device can be obtained. it can.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態に係わる固体撮像素子の構成について説明する。図1
は、本発明の第1の実施の形態に係わる固体撮像素子の平面形状を示す平面図である。図
2は、図1のA−A‘線に沿った断面図である。ただし、配線及びその上層構造の断面は
図示していない。
(First embodiment)
First, the configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG.
These are top views which show the planar shape of the solid-state image sensor concerning the 1st Embodiment of this invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. However, the cross section of the wiring and its upper layer structure is not shown.

なお、本実施の形態は対発生する光発生電荷のうち正孔を蓄積する例を示している。光
発生電荷のうち電子を蓄積する場合でも同様に構成可能である。
Note that the present embodiment shows an example in which holes are accumulated among the photo-generated charges generated in pairs. Even in the case where electrons are accumulated among the photo-generated charges, the same configuration can be adopted.

図2に示すようにフォトダイオード形成領域PDから変調トランジスタ形成領域TMへ
電荷を転送するための転送トランジスタ形成領域TTが、フォトダイオード形成領域PD
と変調トランジスタ形成領域TM間に設けられている。
As shown in FIG. 2, the transfer transistor formation region TT for transferring charges from the photodiode formation region PD to the modulation transistor formation region TM is the photodiode formation region PD.
And the modulation transistor formation region TM.

本実施の形態では、転送トランジスタ形成領域TTは、電荷を一時保持するための電荷
保持領域としてのキャリアポケット領域TCPを有し、さらに、キャリアポケット領域T
CPから変調トランジスタ形成領域TMへ電荷を移動させるための転送領域TCを有する
。そして、全固体撮像素子について同時に、各フォトダイオード形成領域PDに蓄積され
た電荷を、各素子のキャリアポケット領域TCPに転送して一旦保持し、選択ライン毎に
キャリアポケット領域TCPから変調トランジスタ形成領域TMへ転送することで一括電
子シャッター機能とCDS機能を実現している。
In the present embodiment, the transfer transistor formation region TT has a carrier pocket region TCP as a charge holding region for temporarily holding charges, and further includes a carrier pocket region T
A transfer region TC for transferring charges from the CP to the modulation transistor formation region TM is provided. At the same time, the charges accumulated in each photodiode formation region PD are transferred to the carrier pocket region TCP of each device and temporarily held for all the solid-state imaging devices, and the modulation transistor formation region is transferred from the carrier pocket region TCP to each selected line. A batch electronic shutter function and a CDS function are realized by transferring to TM.

次に図1と図2を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を、より詳細に説明
する。なお、図2及びその説明中、N,Pの添え字の−、+はその数によって不純物濃度
のより薄い部分(添え字−−)からより濃い部分(添え字++)の状態を示している。
Next, the configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2. In FIG. 2 and the description thereof, the subscripts-and + of N and P indicate the state from the lighter portion (subscript-) to the darker portion (subscript ++) depending on the number. .

図1に示すようにフォトダイオード形成領域PDは略矩形をしている。フォトダイオー
ド形成領域PDのN型ウェル2上には、フォトダイオード形成領域PDの略全面に渡って
P層が形成され、そのP層は蓄積ウェル4として機能する。フォトダイオード形成領域P
Dの基板表面側には略全面に渡って、ピニング層8が形成されている。フォトダイオード
形成領域PD上には基板1の表面に図示せぬ開口領域が形成され、その開口領域よりも広
い領域のP型のウェルである蓄積ウェル4が形成されている。
As shown in FIG. 1, the photodiode formation region PD is substantially rectangular. On the N-type well 2 in the photodiode formation region PD, a P layer is formed over substantially the entire surface of the photodiode formation region PD, and the P layer functions as the storage well 4. Photodiode formation region P
On the substrate surface side of D, a pinning layer 8 is formed over substantially the entire surface. An opening region (not shown) is formed on the surface of the substrate 1 on the photodiode formation region PD, and a storage well 4 that is a P-type well wider than the opening region is formed.

光電変換素子の機能を有するフォトダイオード形成領域PDの下方の基板1上に形成さ
れたN型ウェル2とP型の蓄積ウェル4との境界領域には空乏領域が形成される。この空
乏領域に入射した光により光発生電荷が生じる。発生した光発生電荷対のうち正孔は蓄積
ウェル4に蓄積される。
A depletion region is formed in the boundary region between the N-type well 2 and the P-type accumulation well 4 formed on the substrate 1 below the photodiode formation region PD having the function of the photoelectric conversion element. Photogenerated charges are generated by the light incident on the depletion region. Of the generated photogenerated charge pairs, holes are accumulated in the accumulation well 4.

変調トランジスタ形成領域TMに形成される増幅手段として図1に示す変調トランジス
タTmとしては、例えば、NチャネルディプレッションMOSトランジスタが用いられる
。変調トランジスタ形成領域TMのN型ウェル3上には、基板1の表面に第1のゲート絶
縁層から成るゲート絶縁膜10を介して略リング状(図1では8角形)のゲート(以下、
リングゲート又は単にゲートともいう)5が形成されている。リングゲート5下の基板1
の表面にはチャネルを構成するN+拡散層11が形成される。リングゲート5の開口部分
の中央の基板表面にはN++拡散層が形成されてソース領域(以下、単にソースともいう
)12が形成されている。変調トランジスタ形成領域TMのN型ウェル3上には、変調ト
ランジスタTMを構成するリングゲート5の略外周形状に合わせてP層が形成され、その
P層が変調用ウェル6として機能する。この変調用ウェル6内には、リングゲート5のリ
ング形状に沿って形成されたリング状の、P+拡散によるP型の高濃度領域のキャリアポ
ケット7が形成されている。
As the amplifying means formed in the modulation transistor formation region TM, for example, an N-channel depletion MOS transistor is used as the modulation transistor Tm shown in FIG. On the N-type well 3 in the modulation transistor formation region TM, a substantially ring-shaped (octagonal in FIG. 1) gate (hereinafter referred to as “an octagonal shape” in FIG.
(Also called a ring gate or simply a gate) 5 is formed. Substrate 1 under ring gate 5
An N + diffusion layer 11 constituting a channel is formed on the surface of the substrate. An N ++ diffusion layer is formed on the surface of the substrate at the center of the opening of the ring gate 5 to form a source region (hereinafter simply referred to as a source) 12. A P layer is formed on the N-type well 3 in the modulation transistor formation region TM in accordance with the substantially outer peripheral shape of the ring gate 5 constituting the modulation transistor TM, and the P layer functions as the modulation well 6. In this modulation well 6, a ring-shaped carrier pocket 7 of a P-type high concentration region formed by P + diffusion formed along the ring shape of the ring gate 5 is formed.

また、リングゲート5の周囲の基板表面にはN++拡散層が形成されてドレイン領域(
以下、単にドレインともいう)13を構成する。チャネルを構成するN+拡散層11はソ
ース領域12とドレイン領域13とに接続される。
Further, an N ++ diffusion layer is formed on the substrate surface around the ring gate 5 to form a drain region (
(Hereinafter also simply referred to as a drain) 13. The N + diffusion layer 11 constituting the channel is connected to the source region 12 and the drain region 13.

変調用ウェル6は変調トランジスタTmの閾値電圧を制御するものである。変調トラン
ジスタTmは、変調用ウェル6、リングゲート5、ソース領域12及びドレイン領域13
によって構成されて、キャリアポケット7に蓄積された電荷に応じて閾値電圧が変化する
ようになっている。
The modulation well 6 controls the threshold voltage of the modulation transistor Tm. The modulation transistor Tm includes a modulation well 6, a ring gate 5, a source region 12, and a drain region 13.
The threshold voltage changes according to the electric charge accumulated in the carrier pocket 7.

蓄積ウェル4に蓄積された電荷は、次に説明する転送トランジスタ形成領域TTを介し
て変調用ウェル6に転送されてキャリアポケット7に保持される。変調トランジスタとし
て機能する変調トランジスタ形成領域TMのソース電位は、変調用ウェル6に転送された
電荷の量、即ち、フォトダイオードとして機能するフォトダイオード形成領域PDへの入
射光に応じたものとなる。
The charges accumulated in the accumulation well 4 are transferred to the modulation well 6 through the transfer transistor formation region TT described below and held in the carrier pocket 7. The source potential of the modulation transistor formation region TM functioning as a modulation transistor is in accordance with the amount of charge transferred to the modulation well 6, that is, incident light to the photodiode formation region PD functioning as a photodiode.

蓄積ウェル4近傍の基板1の表面には、高濃度P++型拡散層によってオーバーフロー
電荷を含む不要電荷排出用の拡散領域(以下、OFD領域という)14が形成されている
。蓄積ウェルの不要な過剰電荷を排出する排出手段としてのOFD領域14は、蓄積ウェ
ル4に蓄積されずに該蓄積ウェル4からオーバーフローし、かつ、画素信号に寄与しない
不要な電荷(以下、不要電荷という)を、基板へ排出するための領域である。
On the surface of the substrate 1 in the vicinity of the accumulation well 4, a diffusion region (hereinafter referred to as OFD region) 14 for discharging unnecessary charges including overflow charges is formed by a high concentration P ++ type diffusion layer. The OFD region 14 as a discharging means for discharging unnecessary excess charges from the accumulation well overflows from the accumulation well 4 without being accumulated in the accumulation well 4 and does not contribute to the pixel signal (hereinafter referred to as unnecessary charge). Is an area for discharging to the substrate.

次に転送トランジスタ形成領域TTについて説明する。転送トランジスタ形成領域TT
は、図2に示すように、転送蓄積領域TAと転送領域TCを有する。転送蓄積領域TAは
、電荷を一時保持するためのキャリアポケット領域TCPを基板内に含む。
Next, the transfer transistor formation region TT will be described. Transfer transistor formation region TT
As shown in FIG. 2, it has a transfer accumulation area TA and a transfer area TC. The transfer accumulation area TA includes a carrier pocket area TCP for temporarily holding charges in the substrate.

具体的には、フォトダイオード形成領域PDと変調トランジスタ形成領域TMとの間に
、基板表面側において、転送トランジスタ領域TTが形成される。転送トランジスタ領域
TTの転送蓄積領域TAは、基板表面にチャネルが形成されるように、基板表面に第1の
ゲート絶縁層から成るゲート絶縁膜21を介して転送ゲート22Aを有する。この転送ト
ランジスタ領域TTのチャネル、すなわち転送経路は、転送ゲート22Aへの印加電圧に
よって制御される。
Specifically, the transfer transistor region TT is formed on the substrate surface side between the photodiode forming region PD and the modulation transistor forming region TM. The transfer accumulation region TA of the transfer transistor region TT has a transfer gate 22A on the substrate surface via a gate insulating film 21 made of a first gate insulating layer so that a channel is formed on the substrate surface. The channel of the transfer transistor region TT, that is, the transfer path is controlled by the voltage applied to the transfer gate 22A.

転送ゲート22Aの下には、キャリアポケット領域TCPが設けられる。キャリアポケ
ット領域TCPは、変調トランジスタ形成領域TMのN型ウェル3上に、P層が形成され
、そのP層は、転送用蓄積ウェルとして機能する。この転送用蓄積ウェルは、P+拡散に
よる転送用のキャリアポケット24である。図2に示されるように図1の転送ゲート22
Aの内側に、キャリアポケット24(図1では図示せず)が形成されている。
A carrier pocket region TCP is provided under the transfer gate 22A. In the carrier pocket region TCP, a P layer is formed on the N-type well 3 in the modulation transistor formation region TM, and the P layer functions as a transfer accumulation well. This transfer well is a carrier pocket 24 for transfer by P + diffusion. As shown in FIG. 2, transfer gate 22 of FIG.
A carrier pocket 24 (not shown in FIG. 1) is formed inside A.

また、転送ゲート22Aは、図2で示されるように一部が蓄積ウェル4の上を覆うよう
に、表面にゲート絶縁膜21を介して設けられている。
Further, the transfer gate 22A is provided on the surface via the gate insulating film 21 so as to partially cover the accumulation well 4 as shown in FIG.

また、転送ゲート22Aのゲート絶縁層21に接する基板表面には、キャリアポケット
24とは反対の導電型である、N型の不純物拡散層から構成されるピニング層25がゲー
ト絶縁層21の下に形成されている。ピニング層25は図2に示されるように転送ゲート
22Aの一部と重なるように形成されている。P型のキャリアポケット24の上面の全領
域はピニング層25によって覆われており、キャリアポケット24はゲート絶縁層21に
接していない。このピニング層25の存在により絶縁層と半導体層との間に生じる欠陥を
電子により埋め尽くすことで電荷の発生が抑制される。
Further, a pinning layer 25 made of an N-type impurity diffusion layer having a conductivity type opposite to that of the carrier pocket 24 is formed under the gate insulating layer 21 on the substrate surface in contact with the gate insulating layer 21 of the transfer gate 22A. Is formed. As shown in FIG. 2, the pinning layer 25 is formed so as to overlap a part of the transfer gate 22A. The entire area of the upper surface of the P-type carrier pocket 24 is covered with the pinning layer 25, and the carrier pocket 24 is not in contact with the gate insulating layer 21. Due to the presence of the pinning layer 25, defects generated between the insulating layer and the semiconductor layer are filled with electrons, thereby suppressing the generation of electric charges.

転送ゲート22Bは、第2のゲート絶縁層22BG上に第2のゲート電極層を用いて基
板1の表面側において形成され、図1に示されるように転送ゲート22A側の辺は、転送
ゲート22Aの形状に沿った形状を有し、転送ゲート22Aとフォトダイオード形成領域
PDの一部を覆っている。リングゲート5側の辺は、リングゲート5の形状に沿った形状
を有してリングゲート5の一部を覆っている。
The transfer gate 22B is formed on the second gate insulating layer 22BG on the surface side of the substrate 1 using the second gate electrode layer. As shown in FIG. 1, the side on the transfer gate 22A side is the transfer gate 22A. And covers part of the transfer gate 22A and the photodiode formation region PD. The side on the ring gate 5 side has a shape along the shape of the ring gate 5 and covers a part of the ring gate 5.

転送ゲート22Bを構成する第2のゲート電極層には、ポリシリコン層上にタングステ
ンシリサイド層を形成したものを用いており、高い遮光性を持ったゲート電極層が形成さ
れている。なお、ここで用いているタングステンシリサイドに代えてチタンシリサイドや
コバルトシリサイドを用いても良い。ポリシリコン層上にタングステンシリサイド等を配
置することで機械的応力が大きいタングステンシリサイド等からの応力をポリシリコン層
で緩和することができ、この応力に起因する電荷の発生を抑えることができる。また、シ
リサイドとして上記したタングステン、チタン、コバルトのうち2種類以上の金属を含む
シリサイドを用いても良い。
As the second gate electrode layer constituting the transfer gate 22B, a tungsten silicide layer formed on a polysilicon layer is used, and a gate electrode layer having a high light shielding property is formed. Note that titanium silicide or cobalt silicide may be used instead of the tungsten silicide used here. By disposing tungsten silicide or the like on the polysilicon layer, stress from tungsten silicide or the like having a large mechanical stress can be relieved by the polysilicon layer, and generation of electric charges due to this stress can be suppressed. Further, a silicide containing two or more kinds of metals among the above-described tungsten, titanium, and cobalt may be used as the silicide.

また、第2のゲート電極層としてポリシリコンを介さずにタングステン、チタン、コバ
ルト等の金属や上記した金属を一つ以上含むシリサイドを用いることもできる。この場合
ポリシリコンを用いないため薄層化が可能となり、被覆性が向上する。また、単層のポリ
シリコンを用いても良く、この場合には低応力の層のみを用いることができ、結晶欠陥の
発生が抑えられる。また、第2のゲート電極層としてポリシリコンを用いる場合には、ポ
リシリコン層をより厚く形成することで遮光性を向上させることができる。
Alternatively, a metal such as tungsten, titanium, cobalt, or a silicide containing one or more of the above metals can be used as the second gate electrode layer without using polysilicon. In this case, since no polysilicon is used, it is possible to reduce the thickness and improve the coverage. In addition, a single layer of polysilicon may be used. In this case, only a low stress layer can be used, and generation of crystal defects can be suppressed. When polysilicon is used for the second gate electrode layer, the light shielding property can be improved by forming the polysilicon layer thicker.

また、転送ゲート22A及びリングゲート5のゲート電極に用いられている第1のゲー
ト電極層にはポリシリコンを用いているが、これはポリシリコンとタングステンシリサイ
ドを重ねて用いても良い。この場合、転送ゲート22Aでの光透過率も抑えられるので、
転送ゲート22Bを重ねた場合更に高い遮光性を得ることができる。この場合でも、ポリ
シリコン層上にタングステンシリサイド等を配置することで機械的応力が大きいタングス
テンシリサイド等からの応力を緩和できるので上述したのと同様に応力を緩和することが
できる。また、タングステンシリサイドに代えてチタンシリサイドやコバルトシリサイド
を用いても良い。また、シリサイドとして上記したタングステン、チタン、コバルトのう
ち2種類以上の金属を含むシリサイドを用いても良い。また、ポリシリコン上に単体金属
としてタングステン、チタン、コバルトを形成した層を用いても良い。
Further, although polysilicon is used for the first gate electrode layer used for the gate electrodes of the transfer gate 22A and the ring gate 5, this may be used by overlapping polysilicon and tungsten silicide. In this case, since the light transmittance at the transfer gate 22A is also suppressed,
When the transfer gates 22B are overlapped, higher light shielding properties can be obtained. Even in this case, by disposing tungsten silicide or the like on the polysilicon layer, stress from tungsten silicide or the like having a large mechanical stress can be relieved, so that the stress can be relieved as described above. Further, titanium silicide or cobalt silicide may be used instead of tungsten silicide. Further, a silicide containing two or more kinds of metals among the above-described tungsten, titanium, and cobalt may be used as the silicide. Alternatively, a layer in which tungsten, titanium, or cobalt is formed as a single metal on polysilicon may be used.

更にタングステン、チタン、コバルト等単体の金属やシリサイドをポリシリコン層を介
することなく用いることもできる。
Furthermore, a single metal such as tungsten, titanium, cobalt, or silicide can be used without a polysilicon layer.

この場合ポリシリコンを用いないため薄層化が可能となり、ゲート電極の形成に伴う段
差量を抑えることができる。
In this case, since polysilicon is not used, the thickness can be reduced, and the amount of step due to the formation of the gate electrode can be suppressed.

また、第2のゲート電極層又は転送ゲート22A、リングゲート5のゲート電極に用い
られる第1のゲート電極層にシリサイドや金属等反射率が高い材質を用いた場合、フォト
リソグラフ工程でハレーションを起こす場合がある。フォトリソグラフ工程でのハレーシ
ョン対策として、例えば酸化シリコン層や窒化チタン層等反射率を制御可能な物質を上記
シリサイドや金属層上に有する第2のゲート電極層に用いることで光の反射量を抑えるこ
とができる。
Further, when the first gate electrode layer used for the second gate electrode layer or the transfer gate 22A and the gate electrode of the ring gate 5 is made of a highly reflective material such as silicide or metal, halation is caused in the photolithography process. There is a case. As a countermeasure against halation in the photolithographic process, for example, a silicon oxide layer or a titanium nitride layer is used for the second gate electrode layer having a material capable of controlling the reflectance on the silicide or metal layer, thereby suppressing the amount of light reflection. be able to.

遮光性の高い転送ゲート22Bにより転送ゲート22Aを覆っているため、転送ゲート
22Aの下にあるキャリアポケット24に転送ゲート22Aを抜けて侵入する信号光の漏
れこみを有効に抑えることができ、蓄積ウェル4から転送されてきた電荷を保持すること
ができる。
Since the transfer gate 22A is covered by the transfer gate 22B having a high light-shielding property, it is possible to effectively suppress leakage of signal light that enters the carrier pocket 24 below the transfer gate 22A through the transfer gate 22A and accumulates it. The charge transferred from the well 4 can be held.

転送ゲート22Bは、転送ゲート22A下のキャリアポケット24と変調トランジスタ
下のキャリアポケット7間の電位障壁を、キャリアの転送時に下げるよう制御する。
The transfer gate 22B controls to lower the potential barrier between the carrier pocket 24 below the transfer gate 22A and the carrier pocket 7 below the modulation transistor during carrier transfer.

以上説明した転送トランジスタ形成領域TTの転送ゲート22A、転送ゲート22B及
びキャリアポケット24は、転送手段を構成する。
The transfer gate 22A, transfer gate 22B, and carrier pocket 24 in the transfer transistor formation region TT described above constitute transfer means.

図3は、固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図で
ある。図3は、上から、蓄積モード(M1)、一括転送モード(M2)、保持・ノイズ出
力モード(M3)、転送モード(M4)、及び信号出力モード(M5)におけるポテンシ
ャルを示す。なお、図3においては、各モードにおけるポテンシャルの関係を正孔のポテ
ンシャルが高くなる向きを正側にとって示す。
FIG. 3 is a potential diagram illustrating a potential state in each mode of the solid-state imaging device. FIG. 3 shows the potential in the accumulation mode (M1), batch transfer mode (M2), hold / noise output mode (M3), transfer mode (M4), and signal output mode (M5) from the top. In FIG. 3, the potential relationship in each mode is shown with the positive direction being the direction in which the hole potential becomes higher.

図3は、横軸に図2と同様に、図1のA−A‘線に沿った位置をとり、縦軸にホールを
基準にしたポテンシャルをとって、各位置のポテンシャルの関係を示している。図3の左
側から右側に向かって、リングゲート5の一端側、ソース領域12、リングゲート5の他
端側、転送ゲート22B、転送ゲート22A、蓄積ウェル4、及びOFD領域14の位置
の基板内のポテンシャルを示している。なお、転送ゲート22Bがリングゲート5や転送
ゲート22Aとオーバーラップしている部分は、リングゲート5や転送ゲート22Aによ
り電気的に遮蔽されているため、図3での転送ゲート22Bは電荷転送に効力を及ぼす部
分のみについて記載している。
In FIG. 3, the horizontal axis indicates the position along the line AA ′ in FIG. 1, and the vertical axis indicates the potential based on the hole, and shows the potential relationship at each position. Yes. From the left side to the right side of FIG. 3, one end side of the ring gate 5, the source region 12, the other end side of the ring gate 5, the transfer gate 22B, the transfer gate 22A, the storage well 4, and the OFD region 14 in the substrate. Shows the potential. The portion where the transfer gate 22B overlaps the ring gate 5 and the transfer gate 22A is electrically shielded by the ring gate 5 and the transfer gate 22A, so that the transfer gate 22B in FIG. Only the part that has an effect is described.

蓄積モード(M1)の場合は、転送ゲート22Aには、蓄積ウェル4とキャリアポケッ
ト24(転送ゲート22Aの下部)との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印
加される。転送ゲート22Bにも、変調用ウェル6とキャリアポケット24との間に、高
い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。蓄積ウェル4とOFD領域14間のポ
テンシャルは、転送ゲート22Aの領域のポテンシャルよりも低い。これは、蓄積ウェル
4から溢れた電荷がOFD領域14へ排出するようにするためである。すなわち、蓄積手
順として、全画素について同時に、転送経路の電位障壁を制御して、光電変換素子による
光発生電荷を少なくとも転送経路を介してキャリアポケット24には流さないようにしな
がら蓄積ウェル4に蓄積させる手順が行われる。
In the accumulation mode (M1), a voltage is applied to the transfer gate 22A so that a high potential barrier is formed between the accumulation well 4 and the carrier pocket 24 (below the transfer gate 22A). A voltage is also applied to the transfer gate 22B so that a high potential barrier is formed between the modulation well 6 and the carrier pocket 24. The potential between the storage well 4 and the OFD region 14 is lower than the potential of the transfer gate 22A region. This is because the electric charge overflowing from the accumulation well 4 is discharged to the OFD region 14. That is, as an accumulation procedure, the potential barrier of the transfer path is simultaneously controlled for all the pixels, so that the photogenerated charges generated by the photoelectric conversion elements are accumulated in the accumulation well 4 so as not to flow to the carrier pocket 24 via at least the transfer path. The procedure is performed.

一括転送モード(M2)の場合は、転送ゲート22Aには、蓄積ウェル4とキャリアポ
ケット24との間に、電位障壁が形成されないように低い、所定の第1の電圧が印加され
る。転送ゲート22Bには、変調用ウェル6とキャリアポケット24との間に、高い電位
障壁が形成されるように電圧が印加される。この場合には、キャリアポケット24のポテ
ンシャルは蓄積ウェル4よりも低いので、蓄積ウェル4に蓄積された電荷は、キャリアポ
ケット24へ流れ込む。すなわち、一括転送手順として、全画素について同時に、転送ゲ
ート22Aのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル4に蓄積さ
れた光発生電荷をキャリアポケット24に転送させる手順が行われる。
In the collective transfer mode (M2), a low predetermined first voltage is applied to the transfer gate 22A so as not to form a potential barrier between the storage well 4 and the carrier pocket 24. A voltage is applied to the transfer gate 22B so that a high potential barrier is formed between the modulation well 6 and the carrier pocket 24. In this case, since the potential of the carrier pocket 24 is lower than that of the accumulation well 4, the charge accumulated in the accumulation well 4 flows into the carrier pocket 24. That is, as a batch transfer procedure, a procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the gate voltage of the transfer gate 22A and transferring the photo-generated charges accumulated in the accumulation well 4 to the carrier pocket 24 is performed simultaneously for all pixels. .

保持・ノイズ出力モード(M3)の場合は、転送ゲート22Aには、蓄積ウェル4とキ
ャリアポケット24との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。転送
ゲート22Bには、変調用ウェル6とキャリアポケット24との間に、高い電位障壁が形
成されるように電圧が印加される。これにより、キャリアポケット24へ流れ込んだ電荷
は、キャリアポケット24に保持される。さらに、この状態で、後述するように、リセッ
トとノイズ成分の読み出しが行われる。すなわち、ノイズ成分変調手順として、転送ゲー
ト22Aと、転送ゲート22Bのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発
生電荷をキャリアポケット7に流さない状態でキャリアポケット7の雑音成分を読み出す
手順が行われる。
In the holding / noise output mode (M3), a voltage is applied to the transfer gate 22A so that a high potential barrier is formed between the storage well 4 and the carrier pocket 24. A voltage is applied to the transfer gate 22B so that a high potential barrier is formed between the modulation well 6 and the carrier pocket 24. Thereby, the electric charge flowing into the carrier pocket 24 is held in the carrier pocket 24. Further, in this state, as will be described later, resetting and readout of noise components are performed. That is, as a noise component modulation procedure, a procedure for reading out the noise component of the carrier pocket 7 without controlling the potential barrier of the transfer path by the gate voltage of the transfer gate 22A and the transfer gate 22B so that photogenerated charges do not flow into the carrier pocket 7 Is done.

ライン毎に行われる転送モード(M4)の場合は、転送ゲート22Aには、キャリアポ
ケット24と変調用ウェル6との間に、電位障壁が形成されないように高い、所定の第2
の電圧が印加される。また、転送ゲート22Bには、キャリアポケット24と変調用ウェ
ル6との間に、電位障壁が形成されないように所定の電圧が印加される。さらに、転送ゲ
ート22Bによって形成されるポテンシャルは、転送ゲート22Aによって形成されたポ
テンシャルよりも低く、かつ変調用ウェル6のポテンシャルよりも高くなるように、所定
の電圧が転送ゲート22Bに印加される。すなわち、転送ゲート22Bは、キャリアポケ
ット24からキャリアポケット7へ電荷を転送するときに、キャリアポケット24とキャ
リアポケット7の間のポテンシャルを、キャリアポケット24のポテンシャルとキャリア
ポケット7のポテンシャルの間のポテンシャルにする。
In the case of the transfer mode (M4) performed for each line, the transfer gate 22A has a predetermined second high so that no potential barrier is formed between the carrier pocket 24 and the modulation well 6.
Is applied. A predetermined voltage is applied to the transfer gate 22B so that a potential barrier is not formed between the carrier pocket 24 and the modulation well 6. Further, a predetermined voltage is applied to the transfer gate 22B so that the potential formed by the transfer gate 22B is lower than the potential formed by the transfer gate 22A and higher than the potential of the modulation well 6. That is, when the transfer gate 22B transfers charges from the carrier pocket 24 to the carrier pocket 7, the potential between the carrier pocket 24 and the carrier pocket 7 is set to the potential between the potential of the carrier pocket 24 and the potential of the carrier pocket 7. To.

この場合、転送ゲート22Bによって形成されるポテンシャルはキャリアポケット24
よりも低く、さらに変調用ウェル6のポテンシャルは転送ゲート22Bによって形成され
るポテンシャルよりも低いので、キャリアポケット24に蓄積された電荷は、変調用ウェ
ル6へ流れ込む。すなわち、ライン毎の転送手順として、転送ゲート22Aと、転送ゲー
ト22Bに印加される電圧を所定の電圧にすることによって転送経路の電位障壁を制御し
て、キャリアポケット24に蓄積された光発生電荷のほとんど全部をキャリアポケット7
に転送させる手順が行われる。
In this case, the potential formed by the transfer gate 22B is the carrier pocket 24.
Since the potential of the modulation well 6 is lower than the potential formed by the transfer gate 22B, the charge accumulated in the carrier pocket 24 flows into the modulation well 6. That is, as a transfer procedure for each line, the voltage applied to the transfer gate 22A and the transfer gate 22B is set to a predetermined voltage to control the potential barrier of the transfer path, and the photogenerated charges accumulated in the carrier pocket 24 are stored. Almost all of the carrier pocket 7
The procedure to transfer to is performed.

図2で示したように、転送ゲート22Aのゲート絶縁層21と転送用キャリアポケット
24との間に設けられたピニング層25によって、暗電流の発生が抑制される。しかし、
ピニング層25があるために、ドレイン領域の電圧によってピニングされて、転送ゲート
22Aに所定の電圧を印加しても、転送ゲート22Aの下のポテンシャルが充分に上昇せ
ず、光発生電荷が全て転送できないことが生じ得る。そこで、本実施の形態では、上述し
たように、転送ゲート22Bを設けて上述したような所定の電圧を印加することによって
、キャリアポケット24に蓄積された光発生電荷を全て転送することができるようにして
いる。
As shown in FIG. 2, the dark current is suppressed by the pinning layer 25 provided between the gate insulating layer 21 of the transfer gate 22A and the carrier pocket 24 for transfer. But,
Since there is the pinning layer 25, even if a predetermined voltage is applied to the transfer gate 22A by being pinned by the voltage of the drain region, the potential below the transfer gate 22A does not rise sufficiently, and all the photogenerated charges are transferred. Things that can't be done can occur. Therefore, in the present embodiment, as described above, by providing the transfer gate 22B and applying the predetermined voltage as described above, it is possible to transfer all the photo-generated charges accumulated in the carrier pocket 24. I have to.

信号出力モード(M5)の場合は、転送ゲート22Aには、キャリアポケット24と蓄
積ウェル4との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。転送ゲート2
2Bにも、変調用ウェル6とキャリアポケット24との間に、高い電位障壁が形成される
ように電圧が印加される。これにより、変調用ウェル6へ流れ込んだ電荷は、変調用ウェ
ル6に保持される。さらに、この状態で後述するように、転送経路の電位障壁を制御して
光発生電荷を変調用ウェル6に保持させた状態でキャリアポケット7から光発生電荷に応
じた画素信号を出力させる手順が行われる。
In the signal output mode (M5), a voltage is applied to the transfer gate 22A so that a high potential barrier is formed between the carrier pocket 24 and the accumulation well 4. Transfer gate 2
A voltage is also applied to 2B so that a high potential barrier is formed between the modulation well 6 and the carrier pocket 24. As a result, the electric charge flowing into the modulation well 6 is held in the modulation well 6. Further, as described later in this state, there is a procedure for outputting a pixel signal corresponding to the photogenerated charge from the carrier pocket 7 while controlling the potential barrier of the transfer path and holding the photogenerated charge in the modulation well 6. Done.

次に、以上の構成に係る固体撮像装置において、CDS機能と一括電子シャッター機能
が実現される駆動方法を動作シーケンスに従って説明する。
Next, a driving method for realizing the CDS function and the collective electronic shutter function in the solid-state imaging device according to the above configuration will be described according to an operation sequence.

図4は、本実施の形態の固体撮像素子を2次元アレイ状に配置した場合の駆動シーケン
スを示すタイミングチャートである。図4に示すように、1フレーム期間Fは、リセット
期間(R1)、蓄積期間(A)、一括転送期間(T)及び画素信号読み出し期間(S)の
4つの期間を含む。
FIG. 4 is a timing chart showing a driving sequence when the solid-state imaging devices of the present embodiment are arranged in a two-dimensional array. As shown in FIG. 4, one frame period F includes four periods of a reset period (R1), an accumulation period (A), a batch transfer period (T), and a pixel signal readout period (S).

リセット期間(R1)は、1フレームの開始時に全画素一括して、すなわち全固体撮像
素子について同時にリセットするための全セル同時リセット期間である。また、このリセ
ット期間(R1)において行われるリセット動作は、全画素について、蓄積ウェル4、キ
ャリアポケット24及び変調用ウェル6から、残存する電荷を排出させるための動作であ
る。リセット動作後、各固体撮像素子の蓄積ウェル4に対する電荷の蓄積が開始される。
The reset period (R1) is an all-cell simultaneous reset period for simultaneously resetting all the pixels at the start of one frame, that is, all the solid-state imaging devices. The reset operation performed in the reset period (R1) is an operation for discharging remaining charges from the accumulation well 4, the carrier pocket 24, and the modulation well 6 for all pixels. After the reset operation, charge accumulation in the accumulation well 4 of each solid-state image sensor is started.

リセット期間(R1)に続く蓄積期間(A)は、各固体撮像素子が蓄積モード(M1)
となり、光を受けてフォトダイオード形成領域PDにおいて発生した光発生電荷を蓄積ウ
ェル4に蓄積するための期間である。
In the accumulation period (A) following the reset period (R1), each solid-state image sensor is in accumulation mode (M1).
This is a period for accumulating photogenerated charges generated in the photodiode formation region PD upon receiving light in the accumulation well 4.

蓄積期間(A)に続く一括転送期間(T)は、各固体撮像素子が一括転送モード(M2
)となり、全画素一括して、すなわち全固体撮像素子について同時に、各フォトダイオー
ド形成領域PDに蓄積された電荷を、各固体撮像素子のキャリアポケット領域TCPに転
送する一括転送が行われる期間である。この一括転送期間(T)における一括転送動作は
、上述した転送ゲート22Aに所定の第1の電圧を同時に印加することによって行われる
In the batch transfer period (T) following the accumulation period (A), each solid-state image sensor is in the batch transfer mode (M2
This is a period in which collective transfer is performed in which charges accumulated in each photodiode formation region PD are transferred to the carrier pocket region TCP of each solid-state image sensor simultaneously for all pixels, that is, for all solid-state image sensors simultaneously. . The batch transfer operation in the batch transfer period (T) is performed by simultaneously applying a predetermined first voltage to the transfer gate 22A described above.

一括転送モード(M2)の後には、キャリアポケット領域TCPに電荷を保持する状態
、すなわち上述した保持・ノイズ出力モード(M3)となる。
After the batch transfer mode (M2), the carrier pocket region TCP is held in charge, that is, the above-described holding / noise output mode (M3).

図4に示すように、一括転送期間(T)後の画素信号読み出し期間(S)は、キャリア
ポケット領域TCPに保持された電荷を、選択ライン毎に変調トランジスタ形成領域TM
へ転送する水平ブランキングを有する。すなわち、図4に示すように、画素信号読み出し
期間(S)においては、第1行目L1から最終行目Lnまでのnラインについて、水平ブ
ランキング期間(H)が順次すなわち時間的にずれて連続的に発生する。水平ブランキン
グ期間(H)は、図5に示すように、リセット期間(R2)とノイズ成分・信号成分読み
出し期間(SS)を含む。
As shown in FIG. 4, in the pixel signal readout period (S) after the collective transfer period (T), the charges held in the carrier pocket area TCP are converted into the modulation transistor formation area TM for each selected line.
Has horizontal blanking to transfer to. That is, as shown in FIG. 4, in the pixel signal readout period (S), the horizontal blanking period (H) is shifted sequentially, that is, temporally, for the n lines from the first line L1 to the last line Ln. It occurs continuously. As shown in FIG. 5, the horizontal blanking period (H) includes a reset period (R2) and a noise component / signal component readout period (SS).

図5は、一括転送期間(T)と水平ブランキング期間(1H)を説明するためのタイミ
ングチャートである。水平ブランキング期間(1H)は、選択ライン毎に発生する。図5
は、一括転送期間(T)と水平ブランキング期間(1H)における、転送ゲート22A及
び転送ゲート22Bと、変調トランジスタTmのリングゲート(G)5、ソース領域(S
)12及びドレイン領域(D)13に印加される電圧波形を示す。
FIG. 5 is a timing chart for explaining the batch transfer period (T) and the horizontal blanking period (1H). The horizontal blanking period (1H) occurs for each selected line. FIG.
Are the transfer gate 22A and transfer gate 22B, the ring gate (G) 5 of the modulation transistor Tm, and the source region (S) in the batch transfer period (T) and the horizontal blanking period (1H).
) 12 and the voltage waveform applied to the drain region (D) 13.

一括転送期間(T)においては、転送ゲート22Aは、3.3Vから0Vになり、リン
グゲート5は1.0Vで、ドレイン領域13は1.0Vから3.3Vになり、ソース領域
12は1.0Vである。
In the batch transfer period (T), the transfer gate 22A is changed from 3.3V to 0V, the ring gate 5 is changed to 1.0V, the drain region 13 is changed from 1.0V to 3.3V, and the source region 12 is set to 1 0.0V.

リセット期間(R2)においては、転送ゲート22Aと22Bは、ハイインピーダンス
で、リングゲート5は1.0Vから8.0Vになり、ドレイン領域13は3.3Vから6
.0Vになり、ソース領域12は1.0Vから6.0Vになる。リセット期間(R2)に
おけるリセット動作によって、キャリアポケット7内の電荷が排出される。
In the reset period (R2), the transfer gates 22A and 22B are high impedance, the ring gate 5 is changed from 1.0 V to 8.0 V, and the drain region 13 is changed from 3.3 V to 6 V.
. The source region 12 is changed from 1.0 V to 6.0 V. The charges in the carrier pocket 7 are discharged by the reset operation in the reset period (R2).

ノイズ成分・信号成分読み出し期間(SS)においては、まず、ノイズ成分を読み出す
ために、転送ゲート22Aと22Bは3.3Vで、リングゲート5は1.0Vから2.8
Vになり、ドレイン領域13は3.3Vで、ソース領域12にはノイズ成分の電圧が出力
される(M3)。その後、転送ゲート22Aは3.3Vから5.0Vになり、転送ゲート
22Bは3.3Vから0Vになり、リングゲート5は1.0Vで、ソース領域12は1.
0Vとなる。これにより、キャリアポケット24からキャリアポケット7への電荷転送が
行われる(M4)。
In the noise component / signal component readout period (SS), first, in order to read out the noise component, the transfer gates 22A and 22B are 3.3V, and the ring gate 5 is 1.0V to 2.8.
V, the drain region 13 is 3.3 V, and the noise component voltage is output to the source region 12 (M3). Thereafter, the transfer gate 22A is changed from 3.3V to 5.0V, the transfer gate 22B is changed from 3.3V to 0V, the ring gate 5 is 1.0V, and the source region 12 is 1.V.
0V. Thereby, charge transfer from the carrier pocket 24 to the carrier pocket 7 is performed (M4).

次に、信号成分を読み出すために、転送ゲート22Aと22Bは3.3Vで、リングゲ
ート5は1.0Vから2.8Vになり、ドレイン領域13は3.3Vで、ソース領域12
には信号成分の電圧が出力される。これにより、キャリアポケット7の電荷量から信号成
分が読み出される(M5)。
Next, in order to read out signal components, the transfer gates 22A and 22B are 3.3V, the ring gate 5 is changed from 1.0V to 2.8V, the drain region 13 is 3.3V, and the source region 12
Is the voltage of the signal component. As a result, the signal component is read from the charge amount of the carrier pocket 7 (M5).

その後、転送ゲート22Aと22Bは3.3Vに、リグゲート5は1.0Vに、ドレイ
ン領域13は3.3Vになり、ソース領域12は1.0Vになる。
Thereafter, the transfer gates 22A and 22B are 3.3V, the rig gate 5 is 1.0V, the drain region 13 is 3.3V, and the source region 12 is 1.0V.

以上のように、本実施の形態の固体撮像装置によれば、消費電力を低くして、容易に製
造でき、全画素同時に受光して電荷を蓄積し一括転送する一括電子シャッター機能と、ノ
イズ先行読み出しによるCDS機能の両方を実現し、且つ入射光の漏れを抑えることで高
画質の画像信号を得ることができる。
As described above, according to the solid-state imaging device of the present embodiment, it is possible to easily manufacture with low power consumption, collective electronic shutter function that simultaneously receives all the pixels, accumulates charges, and transfers them collectively, and noise precedent A high-quality image signal can be obtained by realizing both the CDS function by reading and suppressing leakage of incident light.

なお、非選択ラインの出力を抑えるために、水平ブランキング期間(H)の最後に、リ
セット動作を行うようにしてもよい。たとえば、図5において、点線で示すタイミングR
Xにおいてリセット信号を与えることによって、非選択ラインのキャリアポケット7に残
存する光発生電荷による影響を排除することができる。
Note that a reset operation may be performed at the end of the horizontal blanking period (H) in order to suppress the output of the non-selected lines. For example, in FIG. 5, the timing R indicated by the dotted line
By giving a reset signal at X, it is possible to eliminate the influence of the photogenerated charges remaining in the carrier pocket 7 of the non-selected line.

さらに、図6及び図7に示すように、蓄積動作と一括転送動作の間に、リセット動作を
追加するようにしてもよい。図6は、第1の実施の形態の変形例に係わる固体撮像装置の
駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。図7は、第1の実施の形態の変形例に
係わる固体撮像装置の一括転送期間(T)と水平ブランキング期間(H)を含むタイミン
グチャートである。図6に示すように、蓄積期間(A)と一括転送期間(T)の間に、リ
セット期間(R22)が設けられる。図7は、その詳細を示し、リセット期間(R22)
では、転送ゲート22A及び転送ゲート22Bと、変調トランジスタTmのリングゲート
(G)5、ソース領域(S)12及びドレイン領域(D)13に印加される電圧波形が示
されている。
Further, as shown in FIGS. 6 and 7, a reset operation may be added between the accumulation operation and the batch transfer operation. FIG. 6 is a timing chart showing a driving sequence of the solid-state imaging device according to the modification of the first embodiment. FIG. 7 is a timing chart including a batch transfer period (T) and a horizontal blanking period (H) of the solid-state imaging device according to the modification of the first embodiment. As shown in FIG. 6, a reset period (R22) is provided between the accumulation period (A) and the batch transfer period (T). FIG. 7 shows the details of the reset period (R22).
The voltage waveforms applied to the transfer gate 22A and the transfer gate 22B, the ring gate (G) 5, the source region (S) 12 and the drain region (D) 13 of the modulation transistor Tm are shown.

このように、蓄積動作と一括転送動作の間に、リセット動作を追加することによって、
キャリアポケット24を完全空乏化する。その結果、蓄積ウェル4からの光発生電荷のみ
を蓄積して、転送することができる。
In this way, by adding a reset operation between the accumulation operation and the batch transfer operation,
The carrier pocket 24 is completely depleted. As a result, only the photo-generated charges from the accumulation well 4 can be accumulated and transferred.

次に、本実施の形態の効果について説明する。   Next, the effect of this embodiment will be described.

(1)キャリアポケット24を転送ゲート22Aを転送ゲート22Bで覆ったため、キ
ャリアポケット24での光発生電荷量を抑えることができ、SN比の高い画像を提供する
ことができる。
(1) Since the carrier gate 24 is covered with the transfer gate 22A by the transfer gate 22B, the amount of photogenerated charges in the carrier pocket 24 can be suppressed, and an image with a high SN ratio can be provided.

(2)転送ゲート22Aに加え、フォトダイオード形成領域PDの一部を転送ゲート2
2Bで覆ったため、より確実にキャリアポケット24での光発生電荷量を抑えることがで
きる。
(2) In addition to the transfer gate 22A, a part of the photodiode formation region PD is transferred to the transfer gate 2
Since it is covered with 2B, the amount of photogenerated charges in the carrier pocket 24 can be more reliably suppressed.

(3)転送ゲート22Bの材質にポリシリコンとタングステンシリサイドの2層構造を
用いたため、光透過性が小さいタングステンシリサイドにより光透過性を小さく抑え、タ
ングステンシリサイドの応力の緩和機能を持つポリシリコンを積層することで低応力でか
つキャリアポケット24への光侵入を抑える構造を提供することができる。
(3) Since the transfer gate 22B is made of a two-layer structure of polysilicon and tungsten silicide, the light transmission is suppressed by tungsten silicide having a low light transmission, and polysilicon having a stress relaxation function of tungsten silicide is laminated. By doing so, it is possible to provide a structure with low stress and suppressing light penetration into the carrier pocket 24.

(4)リングゲート5の下側にキャリアポケット7を設け光電荷を収集する構造を用い
たため、単位電荷あたりの光信号強度を大きくすることができ、光信号が弱い暗い場所で
もSN比の高い画像を提供することができる。
(4) Since the carrier pocket 7 is provided under the ring gate 5 to collect the photocharge, the optical signal intensity per unit charge can be increased, and the SN ratio is high even in a dark place where the optical signal is weak. Images can be provided.

(5)OFD領域14を設けたため、光信号が強く電荷が溢れ出る場合でも溢れ出た電
荷をOFD領域14から流出させることができ、溢れ出た電荷が他の画素に飛び込み発生
するスミア現象を抑制することができる。
(5) Since the OFD region 14 is provided, even if the optical signal is strong and the charge overflows, the overflowed charge can flow out of the OFD region 14, and the smear phenomenon that the overflowed charge jumps into another pixel occurs. Can be suppressed.

(6)フォトダイオード領域PD等にピニング層8等を形成したため、界面準位に起因
する雑音の発生を抑えることができる。
(6) Since the pinning layer 8 and the like are formed in the photodiode region PD and the like, generation of noise due to the interface state can be suppressed.

(7)蓄積ウェル4と転送ゲート22Aをオーバーラップして配置したため、蓄積ウェ
ル4で発生した電荷を確実に転送することができる。
(7) Since the storage well 4 and the transfer gate 22A are arranged so as to overlap, the charge generated in the storage well 4 can be transferred reliably.

(8)酸化シリコンや窒化チタンを反射抑制層として有する第2のゲート電極層を用い
たため、フォトリソグラフ工程でのハレーションを防止することができる。
(8) Since the second gate electrode layer having silicon oxide or titanium nitride as a reflection suppressing layer is used, halation in the photolithography process can be prevented.

(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態を詳細に説明する。図8は本発明の第2の実施の形態
に係る固体撮像装置の平面形状を示す平面図である。図9は図8のB−B‘線に沿った断
面図である。ただし、配線及びその上層構造の断面は図示していない。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail. FIG. 8 is a plan view showing a planar shape of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. However, the cross section of the wiring and its upper layer structure is not shown.

本実施の形態の固体撮像素子は、図8に示すように、複数の固体撮像素子が基板平面上
に2次元マトリックス状に配置された固体撮像素子アレイを有している。図8において破
線で示した範囲が、単位画素である1つの固体撮像素子Cである。本実施の形態に係る固
体撮像素子は、CMOS−APS(Active Pixel Sensor)型センサである。各固体撮像
素子は、入射光に応じて発生させた光発生電荷を蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレ
ベルの画素信号を出力する。固体撮像素子をマトリクス状に配列することで1画面の画素
信号が得られる。
As shown in FIG. 8, the solid-state image sensor of the present embodiment has a solid-state image sensor array in which a plurality of solid-state image sensors are arranged in a two-dimensional matrix on a substrate plane. A range indicated by a broken line in FIG. 8 is one solid-state imaging device C which is a unit pixel. The solid-state imaging device according to the present embodiment is a CMOS-APS (Active Pixel Sensor) type sensor. Each solid-state imaging device accumulates photogenerated charges generated according to incident light, and outputs a pixel signal at a level based on the accumulated photogenerated charges. A pixel signal of one screen can be obtained by arranging the solid-state imaging devices in a matrix.

本実施の形態に係る固体撮像装置は、CDS機能と一括電子シャッター機能の双方を達
成するものである。なお、本実施の形態は光発生電荷対のうち電子を用いる例を示してい
る。光発生電荷対として正孔を用いる場合でも同様に構成可能である。
The solid-state imaging device according to the present embodiment achieves both the CDS function and the collective electronic shutter function. Note that the present embodiment shows an example in which electrons are used among the photogenerated charge pairs. Even when holes are used as the photogenerated charge pair, the same configuration can be adopted.

図9に示すように、固体撮像素子は、フォトダイオード形成領域PD1、転送トランジ
スタ形成領域TT1、リセットトランジスタ形成領域RST1、増幅トランジスタ形成領
域TAm1及び選択トランジスタ形成領域TS1を有する。
As shown in FIG. 9, the solid-state imaging device includes a photodiode formation region PD1, a transfer transistor formation region TT1, a reset transistor formation region RST1, an amplification transistor formation region TAm1, and a selection transistor formation region TS1.

リセットトランジスタRSTを形成するリセットトランジスタ形成領域RST1には、
フローティングディフュージョン領域58が形成されている。転送トランジスタ形成領域
TT1内にはキャリアポケット領域TCP1が形成されている。キャリアポケット領域T
CP1には、転送された光発生電荷を一時保持するためのキャリアポケット56が形成さ
れている。
In the reset transistor forming region RST1 for forming the reset transistor RST,
A floating diffusion region 58 is formed. A carrier pocket region TCP1 is formed in the transfer transistor formation region TT1. Carrier pocket area T
CP1 has a carrier pocket 56 for temporarily holding the transferred photogenerated charge.

本実施の形態では転送トランジスタ形成領域TT1は、電荷を一時保持するためのキャ
リアポケット56としてのキャリアポケット領域TCP1を有し、さらに、キャリアポケ
ット領域TCP1からフローティングディフュージョン領域58に電荷を転送するための
転送領域TC1を有する。この転送トランジスタ形成領域TT1に形成されるトランジス
タ等が転送手段を構成する。
In the present embodiment, the transfer transistor formation region TT1 has a carrier pocket region TCP1 as a carrier pocket 56 for temporarily holding charges, and further transfers charges from the carrier pocket region TCP1 to the floating diffusion region 58. It has a transfer area TC1. Transistors and the like formed in the transfer transistor formation region TT1 constitute transfer means.

本実施の形態においては、全画素一括して(すなわち全固体撮像素子について同時に)
、各フォトダイオード形成領域PD1に蓄積された光発生電荷を、各固体撮像素子のキャ
リアポケット領域TCP1に転送してキャリアポケット56に一旦保持する。その後、選
択ライン毎にキャリアポケット領域TCP1からリセットトランジスタ形成領域RST1
内のフローティングディフュージョン領域58に転送する。
In the present embodiment, all the pixels are collectively (that is, all the solid-state imaging devices are simultaneously).
The photogenerated charges accumulated in each photodiode formation region PD1 are transferred to the carrier pocket region TCP1 of each solid-state imaging device and temporarily held in the carrier pocket 56. Thereafter, for each selected line, from the carrier pocket region TCP1 to the reset transistor formation region RST1.
The floating diffusion area 58 is transferred.

図8と図9を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を、より詳細に説明する
。なお、図9及びその説明中、N、Pの添え字の−、+はその数によって不純物濃度のよ
り薄い部分(添え字−−)からより濃い部分(添え字++)の状態を示している。
The configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. In FIG. 9 and the description thereof, the subscripts-and + of N and P indicate the state from the lighter portion (subscript-) to the darker portion (subscript ++) depending on the number. .

図9に示すように固体撮像素子は、N型半導体領域51上に形成されたP型半導体領域
52a上に形成される。本実施の形態では、半導体基板内にN型不純物領域51を設けて
いるが、これに限らず、N型半導体領域51はN型半導体基板であってもよい。フォトダ
イオード形成領域PD1には、P型半導体領域52a上にN型不純物による蓄積ウェル5
2が形成されている。
As shown in FIG. 9, the solid-state imaging device is formed on a P-type semiconductor region 52 a formed on the N-type semiconductor region 51. In the present embodiment, the N-type impurity region 51 is provided in the semiconductor substrate. However, the present invention is not limited to this, and the N-type semiconductor region 51 may be an N-type semiconductor substrate. In the photodiode formation region PD1, an accumulation well 5 made of N-type impurities is formed on the P-type semiconductor region 52a.
2 is formed.

P型半導体領域52aとN型不純物層52とによりフォトダイオードが形成される。フ
ォトダイオード形成領域PD1の基板表面側には、P型半導体領域52aに電気的に接続
されたP型ピニング層53が形成されている。フォトダイオード形成領域PD1において
は、基板表面に図示せぬ開口領域が形成され、蓄積ウェル52はこの開口領域の下方に形
成されている。なお、図8に示すように、フォトダイオード形成領域PD1は、基板表面
に略L字状に形成される。
The P-type semiconductor region 52a and the N-type impurity layer 52 form a photodiode. A P-type pinning layer 53 electrically connected to the P-type semiconductor region 52a is formed on the substrate surface side of the photodiode formation region PD1. In the photodiode formation region PD1, an opening region (not shown) is formed on the substrate surface, and the accumulation well 52 is formed below the opening region. As shown in FIG. 8, the photodiode formation region PD1 is formed in a substantially L shape on the substrate surface.

一方、リセットトランジスタ形成領域RST1のP型半導体領域52a上には、基板表
面に一対のN型の不純物層が形成されている。これらの一対の不純物層のうちフォトダイ
オード形成領域PD1側の不純物層がフローティングディフュージョン領域58を構成し
、他方の不純物層60は固定電位点、例えばVDDに接続される。
On the other hand, a pair of N-type impurity layers are formed on the substrate surface over the P-type semiconductor region 52a of the reset transistor formation region RST1. Of the pair of impurity layers, the impurity layer on the photodiode formation region PD1 side forms a floating diffusion region 58, and the other impurity layer 60 is connected to a fixed potential point, for example, VDD.

リセットトランジスタ形成領域RST1の基板表面には、ゲート絶縁膜(図示せず)を
介してリセットゲート(単にゲートともいう)59が形成されている。リセットゲート5
9下の基板表面にはチャネルが形成されるようになっている。リセットゲート59に端子
を介して所定の電圧を印加することによって、チャネルを導通させ、フローティングディ
フュージョン領域58内の電荷を、他方の不純物層60を介して排出して、フローティン
グディフュージョン領域58の電位を初期化することができるようになっている。
A reset gate (also simply referred to as a gate) 59 is formed on the substrate surface of the reset transistor formation region RST1 via a gate insulating film (not shown). Reset gate 5
A channel is formed on the lower substrate surface. By applying a predetermined voltage to the reset gate 59 via a terminal, the channel is made conductive, the charge in the floating diffusion region 58 is discharged through the other impurity layer 60, and the potential of the floating diffusion region 58 is changed. It can be initialized.

フォトダイオードの開口領域下方は、ピニング層53が配置されている。P型半導体領
域52aと蓄積ウェル52との境界面からは空乏層が広がっている。空乏層の領域では、
開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。そして、発生した光発生電荷は
蓄積ウェル52に収集される。
A pinning layer 53 is disposed below the opening region of the photodiode. A depletion layer extends from the boundary surface between the P-type semiconductor region 52a and the accumulation well 52. In the depletion region,
Photogenerated charges are generated by the light incident through the opening region. The generated photo-generated charges are collected in the accumulation well 52.

蓄積ウェル52に蓄積された電荷は、次に説明する転送トランジスタ形成領域TT1を
介してフローティングディフュージョン領域58に転送されて保持される。フローティン
グディフュージョン領域58は増幅トランジスタ形成領域TAm1(後述)のゲートTA
gに接続されている。増幅手段である増幅トランジスタAmpを構成する増幅トランジス
タ形成領域TAm1のドレインは電源端子に接続されており、増幅トランジスタ形成領域
TAm1の出力は、フローティングディフュージョン領域58の電位、即ち、フォトダイ
オードとして機能するフォトダイオード形成領域PD1への入射光に応じたものとなる。
The charges accumulated in the accumulation well 52 are transferred to and held in the floating diffusion region 58 via a transfer transistor formation region TT1 described below. The floating diffusion region 58 is a gate TA of an amplification transistor formation region TAm1 (described later).
connected to g. The drain of the amplification transistor formation region TAm1 that constitutes the amplification transistor Amp that is an amplification means is connected to the power supply terminal, and the output of the amplification transistor formation region TAm1 is the potential of the floating diffusion region 58, that is, a photo diode that functions as a photodiode This corresponds to light incident on the diode formation region PD1.

次に転送トランジスタ形成領域TT1について説明する。転送トランジスタ形成領域T
T1は、図9に示すように、光発生電荷を一時保持するためのキャリアポケット領域TC
P1を、P型半導体領域52a内に有する。
Next, the transfer transistor formation region TT1 will be described. Transfer transistor formation region T
As shown in FIG. 9, T1 is a carrier pocket region TC for temporarily holding photogenerated charges.
P1 is included in the P-type semiconductor region 52a.

具体的には、1つの固体撮像素子内のフォトダイオード形成領域PD1とリセットトラ
ンジスタ形成領域RST1との間に、基板表面側において、転送トランジスタ領域TT1
が形成される。転送トランジスタ領域TT1は、基板表面にチャネルが形成されるように
、基板表面にゲート絶縁層55を介して転送ゲート54Aを有する。転送ゲート54Aの
下方には、キャリアポケット領域TCP1が設けられる。キャリアポケット領域TCP1
において、基板表面近傍にキャリアポケット56が形成されている。N型のキャリアポケ
ット56は、転送ゲート54Aと容量結合している。転送ゲート54Aには端子を介して
転送パルスが供給される。
Specifically, the transfer transistor region TT1 on the substrate surface side between the photodiode formation region PD1 and the reset transistor formation region RST1 in one solid-state imaging device.
Is formed. The transfer transistor region TT1 has a transfer gate 54A on the substrate surface via a gate insulating layer 55 so that a channel is formed on the substrate surface. A carrier pocket region TCP1 is provided below the transfer gate 54A. Carrier pocket area TCP1
The carrier pocket 56 is formed near the substrate surface. N-type carrier pocket 56 is capacitively coupled to transfer gate 54A. A transfer pulse is supplied to the transfer gate 54A via a terminal.

転送トランジスタ領域TT1は、キャリアポケット領域TCP1を含む転送蓄積領域T
A1に加えて、さらに、転送制御領域TC1を含む。転送制御領域TC1は、転送蓄積領
域TA1とリセットトランジスタ形成領域RST1の間に設けられている。この転送ゲー
ト54A及びキャリアポケット56を含む転送蓄積領域TA1が、蓄積ウェル52からの
電荷を一端蓄積した後に、フローティングディフュージョン領域58に転送する制御を行
う転送制御素子を構成する。
The transfer transistor region TT1 is a transfer storage region T including the carrier pocket region TCP1.
In addition to A1, it further includes a transfer control area TC1. The transfer control area TC1 is provided between the transfer accumulation area TA1 and the reset transistor formation area RST1. The transfer accumulation region TA1 including the transfer gate 54A and the carrier pocket 56 constitutes a transfer control element that performs control to transfer the charge from the accumulation well 52 to the floating diffusion region 58 after once accumulating the charge from the accumulation well 52.

転送制御領域TC1には、転送ゲート54Bが設けられている。転送ゲート54Bは、
第2のゲート絶縁層54BG上に第2のゲート電極層を用いて基板の表面側において形成
され、基板を基板の表面に対して直交する方向からみたときに、転送ゲート54A側の辺
は、転送ゲート54Aの形状に沿った形状を有し、転送ゲート54Aとフォトダイオード
形成領域PD1の一部を覆っている。
A transfer gate 54B is provided in the transfer control region TC1. The transfer gate 54B
When the substrate is formed on the surface side of the substrate using the second gate electrode layer over the second gate insulating layer 54BG and the substrate is viewed from a direction orthogonal to the surface of the substrate, the side on the transfer gate 54A side is: It has a shape along the shape of the transfer gate 54A, and covers the transfer gate 54A and a part of the photodiode formation region PD1.

転送ゲート54Bを構成する第2のゲート電極層は、ポリシリコン層上にタングステン
シリサイド層を形成したものを用いており、高い遮光性を持ったゲート電極層が形成され
ている。なお、ここではタングステンシリサイドを用いているが、これはタングステンシ
リサイドに代えてチタンシリサイドやコバルトシリサイドを用いても良い。ポリシリコン
層上にタングステンシリサイド等を配置することで機械的応力が大きいタングステンシリ
サイド等からの応力を緩和することができ、この応力に起因する電荷の発生を抑えること
ができる。
As the second gate electrode layer constituting the transfer gate 54B, a polysilicon layer formed with a tungsten silicide layer is used, and a gate electrode layer having high light shielding properties is formed. Although tungsten silicide is used here, titanium silicide or cobalt silicide may be used instead of tungsten silicide. By disposing tungsten silicide or the like on the polysilicon layer, stress from tungsten silicide or the like having a large mechanical stress can be relieved, and generation of charges due to the stress can be suppressed.

また、シリサイドとして上記したタングステン、チタン、コバルトのうち2種類以上の
金属を含むシリサイドを用いても良い。さらには、タングステン、チタン、コバルトのう
ち1種類以上の物質を含む金属をポリシリコン上に形成しても良い。
Further, a silicide containing two or more kinds of metals among the above-described tungsten, titanium, and cobalt may be used as the silicide. Furthermore, a metal containing one or more substances among tungsten, titanium, and cobalt may be formed on the polysilicon.

また、第2のゲート電極層としてポリシリコンを介さずにタングステン、チタン、コバ
ルトのうち1種類以上の物質を含む金属や上記した金属を一種類以上含むシリサイドを用
いることもできる。この場合ポリシリコンを用いないため薄層化が可能となり、被覆性が
向上する。また、単層のポリシリコンを用いても良く、この場合には低応力の層のみを用
いることができ、結晶欠陥の発生が抑えられる。また、第2のゲート電極層としてポリシ
リコンを用いる場合には、ポリシリコン層をより厚く形成することで遮光性を向上させる
ことができる。
The second gate electrode layer can be made of a metal containing one or more kinds of tungsten, titanium, or cobalt without using polysilicon, or a silicide containing one or more kinds of the above metals. In this case, since no polysilicon is used, it is possible to reduce the thickness and improve the coverage. In addition, a single layer of polysilicon may be used. In this case, only a low stress layer can be used, and generation of crystal defects can be suppressed. When polysilicon is used for the second gate electrode layer, the light shielding property can be improved by forming the polysilicon layer thicker.

また、第2のゲート電極層上に第2のゲート電極層のフォトリソグラフ工程でのハレー
ションを抑制するために、例えば酸化シリコン層や窒化チタン層等を形成しても良い。
Further, for example, a silicon oxide layer or a titanium nitride layer may be formed on the second gate electrode layer in order to suppress halation in the photolithography process of the second gate electrode layer.

また、転送ゲート54A等には第1のゲート電極層となる単層のポリシリコンを用いて
いるが、これはポリシリコンとタングステンシリサイドを重ねたものを用いても良い。こ
の場合、転送ゲート54Aでの光透過率を抑えられるので、転送ゲート54Bを重ねた場
合更に高い遮光性を得ることができる。この場合でも、ポリシリコン層上にタングステン
シリサイド等を配置することで機械的応力が大きいタングステンシリサイド等からの応力
を緩和できるので上述したのと同様に応力を緩和することができる。また、タングステン
シリサイドに代えてチタンシリサイドやコバルトシリサイド又はシリサイドとして上記し
たタングステン、チタン、コバルトのうち2種類以上の金属を含むシリサイドを用いても
良い。
The transfer gate 54A and the like use single-layer polysilicon serving as the first gate electrode layer, but this may be a stack of polysilicon and tungsten silicide. In this case, since the light transmittance at the transfer gate 54A can be suppressed, higher light shielding properties can be obtained when the transfer gate 54B is overlapped. Even in this case, by disposing tungsten silicide or the like on the polysilicon layer, stress from tungsten silicide or the like having a large mechanical stress can be relieved, so that the stress can be relieved as described above. Further, instead of tungsten silicide, titanium silicide, cobalt silicide, or silicide containing two or more kinds of metals among tungsten, titanium, and cobalt described above may be used.

更にポリシリコンを介さずにタングステン、チタン、コバルトの金属のうち1種類以上
の物質を含む金属やシリサイドを用いることもできる。この場合ポリシリコンを用いない
ため薄層化が可能となり、被覆性が向上する。
Further, a metal or silicide containing one or more kinds of metals among tungsten, titanium, and cobalt metals can be used without using polysilicon. In this case, since no polysilicon is used, it is possible to reduce the thickness and improve the coverage.

また、第2のゲート電極層上又は第1のゲート電極層上にシリサイドや金属を用いた場
合に生じるフォトリソグラフ工程でのハレーションを抑制するために、例えば酸化シリコ
ン層や窒化チタン層等反射率を制御するための層を形成しても良い。
Further, in order to suppress halation in the photolithography process that occurs when silicide or metal is used on the second gate electrode layer or the first gate electrode layer, the reflectance such as a silicon oxide layer or a titanium nitride layer is used. You may form the layer for controlling.

遮光性の高い転送ゲート54Bにより転送ゲート54Aを覆っているため、転送ゲート
54Aの下にあるキャリアポケット56に転送ゲート54Aを抜けて侵入する信号光の漏
れこみを有効に抑えることができ、蓄積ウェル52から転送されてきた電荷を保持するこ
とができる。
Since the transfer gate 54A is covered by the transfer gate 54B having a high light shielding property, it is possible to effectively suppress leakage of signal light that enters the carrier pocket 56 under the transfer gate 54A through the transfer gate 54A and accumulates it. The charge transferred from the well 52 can be held.

この転送ゲート54B及びキャリアポケット56を含む転送蓄積領域TA1が、蓄積ウ
ェル52からの電荷を一端蓄積した後に、フローティングディフュージョン領域58に転
送する制御を行う転送制御素子を構成する。
The transfer accumulation region TA1 including the transfer gate 54B and the carrier pocket 56 constitutes a transfer control element that performs control to transfer the charge from the accumulation well 52 to the floating diffusion region 58 after once accumulating.

この転送ゲート54Bにより、転送ゲート54A下のキャリアポケット56とリセット
トランジスタ形成領域RST1のフローティングディフュージョン領域58間にできる転
送経路の電位障壁を、キャリアの転送時に下げるように制御できるようになる。
With this transfer gate 54B, the potential barrier of the transfer path formed between the carrier pocket 56 under the transfer gate 54A and the floating diffusion region 58 of the reset transistor formation region RST1 can be controlled to be lowered during carrier transfer.

以上説明したように転送トランジスタ領域TT1の転送ゲート54A、転送ゲート54
B及びキャリアポケット56は、転送手段を構成している。
As described above, the transfer gate 54A and the transfer gate 54 in the transfer transistor region TT1.
B and the carrier pocket 56 constitute transfer means.

図8に示すように、転送トランジスタ領域TT1の転送ゲート54Aは、略L字状のフ
ォトダイオード形成領域PD1の一辺の端部に隣り合って略矩形に形成される。
As shown in FIG. 8, the transfer gate 54A of the transfer transistor region TT1 is formed in a substantially rectangular shape adjacent to the end of one side of the substantially L-shaped photodiode formation region PD1.

本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域PD1に隣り合って、フォトダイ
オード形成領域PDからオーバーフローした電荷(余剰電荷)を排出するためのオーバー
フロードレイン領域OFD1が形成されている。オーバーフロードレイン領域OFD1に
は、基板表面に不純物領域としてのN型の不純物層62が形成され、不純物層62はリセ
ットトランジスタ形成領域RST1の他方の不純物層60と共に、所定の固定電位点に接
続されている。
In the present embodiment, an overflow drain region OFD1 is formed adjacent to the photodiode formation region PD1 to discharge charges (excess charge) overflowed from the photodiode formation region PD. In the overflow drain region OFD1, an N-type impurity layer 62 as an impurity region is formed on the substrate surface, and the impurity layer 62 is connected to a predetermined fixed potential point together with the other impurity layer 60 of the reset transistor formation region RST1. Yes.

転送トランジスタ形成領域TT1における電位障壁を高く設定した期間においては、フ
ォトダイオード形成領域PD1内の蓄積ウェル52と不純物層62との間の電位障壁は転
送トランジスタ形成領域TT1における電位障壁よりも低くなっている。これにより、フ
ォトダイオード形成領域PD1において発生した余剰電荷をオーバーフロードレイン領域
OFD1に排出するようになっている。
In a period in which the potential barrier in the transfer transistor formation region TT1 is set high, the potential barrier between the accumulation well 52 and the impurity layer 62 in the photodiode formation region PD1 is lower than the potential barrier in the transfer transistor formation region TT1. Yes. As a result, surplus charges generated in the photodiode formation region PD1 are discharged to the overflow drain region OFD1.

図10は、固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図
である。図10は、上から、蓄積モード(M1)、一括転送モード(M2)、保持モード
(M3)、リセットモード(M4)、ノイズ成分読み出しモード(M5)、転送モード(
M6)、及び信号成分読み出しモード(M7)におけるポテンシャルを示す。なお、図1
0においては、各モードにおけるポテンシャルの関係を光発生電荷である電子のポテンシ
ャルが高くなる向きを正側にとって示す。図示しないタイミング制御回路から、転送線等
に所定のタイミング信号が供給されることによって、固体撮像装置は各モード状態となる
FIG. 10 is a potential diagram illustrating a potential state in each mode of the solid-state imaging device. FIG. 10 shows, from the top, the accumulation mode (M1), batch transfer mode (M2), hold mode (M3), reset mode (M4), noise component readout mode (M5), transfer mode (
M6) and the potential in the signal component readout mode (M7). In addition, FIG.
In 0, the potential relationship in each mode is shown with the direction in which the potential of the electron, which is the photogenerated charge, becomes higher, on the positive side. When a predetermined timing signal is supplied to a transfer line or the like from a timing control circuit (not shown), the solid-state imaging device enters each mode state.

図10は、横軸に図9と同様に、図8のB−B’線に沿った位置をとり、縦軸に電子を
基準にしたポテンシャルをとって、各位置のポテンシャルの関係を示している。図10は
、図8のB−B’線の途中まで、具体的には、オーバーフロードレイン領域OFD1から
リセットトランジスタ形成領域RST1までのポテンシャル図である。なお、転送ゲート
54Bのうち転送ゲート54Aにオーバーラップしている領域等は電気的に電位が遮断さ
れるため記載を省略している。
In FIG. 10, the horizontal axis indicates the position along the line BB ′ in FIG. 8, and the vertical axis indicates the potential based on the electrons, and shows the potential relationship at each position. Yes. FIG. 10 is a potential diagram from the overflow drain region OFD1 to the reset transistor formation region RST1 to the middle of the line BB ′ in FIG. Note that the description of the region of the transfer gate 54B that overlaps the transfer gate 54A is omitted because the potential is electrically cut off.

図10は、左側から右側に向かって、リセットゲート59、転送ゲート54B、転送ゲ
ート54A、蓄積ウェル52及びオーバーフロードレイン領域OFD1の不純物層62の
位置の基板内のポテンシャルを示している。
FIG. 10 shows the potential in the substrate at the positions of the reset gate 59, the transfer gate 54B, the transfer gate 54A, the accumulation well 52, and the impurity layer 62 in the overflow drain region OFD1 from the left side to the right side.

蓄積モード(M1)の場合は、転送ゲート54Aには、蓄積ウェル52とキャリアポケ
ット56との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。オーバーフロー
ドレイン領域OFD1への経路のポテンシャルは、転送ゲート54Aの領域のポテンシャ
ルよりも低い。これは、蓄積ウェル52から溢れた電荷がオーバーフロードレイン領域O
FD1の不純物層62へ排出するようにするためである。すなわち、蓄積手順として、全
画素について同時に、転送ゲート54Aのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御
して、光電変換素子による光発生電荷を少なくとも転送経路を介してキャリアポケット領
域TCP1のキャリアポケット56には流さないようにしながら蓄積ウェル52に蓄積さ
せる手順が行われる。
In the accumulation mode (M1), a voltage is applied to the transfer gate 54A so that a high potential barrier is formed between the accumulation well 52 and the carrier pocket 56. The potential of the path to the overflow drain region OFD1 is lower than the potential of the region of the transfer gate 54A. This is because the charge overflowing from the accumulation well 52 is caused to flow into the overflow drain region O.
This is for discharging to the impurity layer 62 of FD1. That is, as an accumulation procedure, the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of the transfer gate 54A for all the pixels at the same time, and the photo-generated charges generated by the photoelectric conversion elements are transferred at least through the transfer path to the carrier pocket 56 of the carrier pocket region TCP1. The procedure of accumulating in the accumulation well 52 is performed while preventing the current from flowing.

一括転送モード(M2)の場合は、転送ゲート54Aには、蓄積ウェル52とキャリア
ポケット56との間に、電位障壁が形成されないように高い、所定の電圧が印加される。
このとき、キャリアポケット56のポテンシャルは蓄積ウェル52よりも低いので、蓄積
ウェル52に蓄積された電荷は、キャリアポケット56へ流れ込む。すなわち、一括転送
手順として、全画素について同時に、転送ゲート54Aのゲート電圧によって転送経路の
電位障壁を制御して、蓄積ウェル52に蓄積された光発生電荷をキャリアポケット56に
転送させる手順が行われる。
In the collective transfer mode (M2), a high predetermined voltage is applied to the transfer gate 54A so as not to form a potential barrier between the accumulation well 52 and the carrier pocket 56.
At this time, since the potential of the carrier pocket 56 is lower than that of the accumulation well 52, the charge accumulated in the accumulation well 52 flows into the carrier pocket 56. That is, as a batch transfer procedure, a procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the gate voltage of the transfer gate 54A and transferring the photogenerated charges accumulated in the accumulation well 52 to the carrier pocket 56 is performed simultaneously for all pixels. .

保持モード(M3)の場合は、図8に示すように、全画素について同時に、ゲート54
Aのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル52から、光電変換
素子による光発生電荷を少なくとも転送経路を介してキャリアポケット領域TCP1のキ
ャリアポケット56には流さないようにして、転送された光発生電荷がキャリアポケット
56に保持される。
In the holding mode (M3), as shown in FIG.
The potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of A so that the photo-generated charges due to the photoelectric conversion elements do not flow from the accumulation well 52 to the carrier pocket 56 of the carrier pocket region TCP1 via at least the transfer path. The transferred photogenerated charge is held in the carrier pocket 56.

リセットモード(M4)の場合は、転送ゲート54Aには、蓄積ウェル52とキャリア
ポケット56との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、キャリアポケット56とフロー
ティングディフュージョン領域58との間にも高い電位障壁が形成されるように電圧が印
加される。これにより、キャリアポケット56へ流れ込んだ電荷は、キャリアポケット5
6に保持された状態となる。この状態で、リセットが行われる。フローティングディフュ
ージョン領域58には、暗電流等により、上述した蓄積、転送、保持モード(M1からM
3)の間に不要電荷が溜まるおそれがあるため、リセットモード(M4)では、フローテ
ィングディフュージョン領域58内の不要電荷の排除が行われる。
In the reset mode (M4), a high potential barrier is formed between the accumulation well 52 and the carrier pocket 56 in the transfer gate 54A, and is also high between the carrier pocket 56 and the floating diffusion region 58. A voltage is applied so that a potential barrier is formed. As a result, the charge flowing into the carrier pocket 56 is transferred to the carrier pocket 5.
6 is held. In this state, reset is performed. In the floating diffusion region 58, the above-described accumulation, transfer, and hold modes (M1 to M
Since unnecessary charges may accumulate during 3), unnecessary charges in the floating diffusion region 58 are eliminated in the reset mode (M4).

すなわち、リセットトランジスタ形成領域RST1のリセットゲート59に所定の電圧
が印加され、リセットトランジスタRSTが導通し、フローティングディフュージョン領
域58に蓄積された電荷は固定電位点に流れる。よって、フローティングディフュージョ
ン領域58内の光発生電荷の排出が行われて、フローティングディフュージョン領域58
内には、ノイズ成分以外は、電荷がないことになる。
That is, a predetermined voltage is applied to the reset gate 59 of the reset transistor formation region RST1, the reset transistor RST becomes conductive, and the charge accumulated in the floating diffusion region 58 flows to the fixed potential point. Therefore, the photogenerated charges in the floating diffusion region 58 are discharged, and the floating diffusion region 58 is discharged.
There is no electric charge other than noise components.

ノイズ成分読み出しモード(M5)の場合も、転送ゲート54Aと転送ゲート54Bに
は、蓄積ウェル52とキャリアポケット56との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、
キャリアポケット56とフローティングディフュージョン領域58との間にも高い電位障
壁が形成されるように電圧が印加される。この状態で、ノイズ成分の読み出しが行われる
。すなわち、ノイズ成分変調手順として、転送ゲート54Bのゲート電圧によって転送経
路の電位障壁を制御して光発生電荷をフローティングディフュージョン領域58に流さな
い状態でフローティングディフュージョン領域58のノイズ成分を読み出す手順が行われ
る。フローティングディフュージョン領域58のノイズ成分を読み出す。これは、電荷が
無い状態のフローティングディフュージョン領域58に応じて、増幅トランジスタAmp
のゲート電位を変化するので、増幅トランジスタAmpの出力電圧VOは、フローティン
グディフュージョン領域58の電位の無い状態に応じたもの、即ち、ノイズ成分に対応し
たものとなる。ノイズ成分の信号は、増幅トランジスタAmpの出力は選択トランジスタ
形成領域TS1の選択トランジスタWLを介して出力線に出力される。
Also in the noise component readout mode (M5), a high potential barrier is formed between the accumulation well 52 and the carrier pocket 56 in the transfer gate 54A and the transfer gate 54B, and
A voltage is applied so that a high potential barrier is also formed between the carrier pocket 56 and the floating diffusion region 58. In this state, the noise component is read out. That is, as the noise component modulation procedure, a procedure is performed in which the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of the transfer gate 54B, and the noise component in the floating diffusion region 58 is read without flowing the photogenerated charge to the floating diffusion region 58. . The noise component in the floating diffusion region 58 is read out. This corresponds to the amplification transistor Amp in accordance with the floating diffusion region 58 in a state where there is no charge.
Therefore, the output voltage VO of the amplification transistor Amp corresponds to the state in which the floating diffusion region 58 has no potential, that is, corresponds to the noise component. As for the signal of the noise component, the output of the amplification transistor Amp is output to the output line via the selection transistor WL in the selection transistor formation region TS1.

転送モード(M6)の場合は、転送ゲート54Aには、キャリアポケット56とフロー
ティングディフュージョン領域58との間に、電位障壁が形成されないように、所定の電
圧が印加される。この場合、キャリアポケット56よりもフローティングディフュージョ
ン領域58のポテンシャルは低いので、キャリアポケット56に蓄積された電荷は、フロ
ーティングディフュージョン領域58へ流れ込む。すなわち、ライン毎の転送手順として
、転送ゲート54Aのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、キャリアポケ
ット56に蓄積された光発生電荷をフローティングディフュージョン領域58に転送させ
る手順が行われる。
In the transfer mode (M6), a predetermined voltage is applied to the transfer gate 54A so that a potential barrier is not formed between the carrier pocket 56 and the floating diffusion region 58. In this case, since the potential of the floating diffusion region 58 is lower than that of the carrier pocket 56, the charge accumulated in the carrier pocket 56 flows into the floating diffusion region 58. That is, as a transfer procedure for each line, a procedure is performed in which the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of the transfer gate 54A to transfer the photogenerated charges accumulated in the carrier pocket 56 to the floating diffusion region 58.

この場合、さらに、転送ゲート54Bには、キャリアポケット56とフローティングデ
ィフュージョン領域58との間に、電位障壁が形成されないように所定の電圧が印加され
る。転送ゲート54Bによって形成されるポテンシャルは、転送ゲート54Aによって形
成されたポテンシャルよりも低く、かつフローティングディフュージョン領域58のポテ
ンシャルよりも高くなるように、所定の電圧が転送ゲート54Bに印加される。すなわち
、転送ゲート54Bは、キャリアポケット56からフローティングディフュージョン領域
58へ電荷を転送するときに、キャリアポケット56とフローティングディフュージョン
領域58の間のポテンシャルを、キャリアポケット56のポテンシャルとフローティング
ディフュージョン領域58のポテンシャルの間のポテンシャルにする。
In this case, a predetermined voltage is further applied to the transfer gate 54B so that a potential barrier is not formed between the carrier pocket 56 and the floating diffusion region 58. A predetermined voltage is applied to the transfer gate 54B so that the potential formed by the transfer gate 54B is lower than the potential formed by the transfer gate 54A and higher than the potential of the floating diffusion region 58. That is, when the transfer gate 54B transfers charges from the carrier pocket 56 to the floating diffusion region 58, the potential between the carrier pocket 56 and the floating diffusion region 58 is equal to the potential of the carrier pocket 56 and the potential of the floating diffusion region 58. Make potential between.

すなわち、転送ゲート54Bによって形成されるポテンシャルはキャリアポケット56
よりも低く、さらにフローティングディフュージョン領域58のポテンシャルは転送ゲー
ト54Aによって形成されるポテンシャルよりも低いので、キャリアポケット56に蓄積
された電荷は、フローティングディフュージョン領域58へ流れ込む。すなわち、ライン
毎の転送手順として、転送ゲート54Aと、転送ゲート54Bに印加される電圧を所定の
電圧にすることによって転送経路の電位障壁を制御して、キャリアポケット56に蓄積さ
れた光発生電荷をフローティングディフュージョン領域58に転送させる手順が行われる
That is, the potential formed by the transfer gate 54B is the carrier pocket 56.
Since the potential of the floating diffusion region 58 is lower than the potential formed by the transfer gate 54A, the charge accumulated in the carrier pocket 56 flows into the floating diffusion region 58. That is, as a transfer procedure for each line, the voltage applied to the transfer gate 54A and the transfer gate 54B is set to a predetermined voltage to control the potential barrier of the transfer path, and the photogenerated charges accumulated in the carrier pocket 56 are stored. Is transferred to the floating diffusion region 58.

信号成分読み出しモード(M7)の場合は、転送ゲート54Bには、キャリアポケット
56とフローティングディフュージョン領域58との間に、高い電位障壁が形成されるよ
うに電圧が印加される。これにより、フローティングディフュージョン領域58へ流れ込
んだ電荷は、フローティングディフュージョン領域58に保持される。さらに、この状態
で、信号成分の読み出しが行われる。すなわち、信号成分変調手順として、転送ゲート5
4Aと転送ゲート54Bのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷
をフローティングディフュージョン領域58に保持させた状態で光発生電荷に応じた画素
信号を出力させる手順が行われる。
In the signal component read mode (M7), a voltage is applied to the transfer gate 54B so that a high potential barrier is formed between the carrier pocket 56 and the floating diffusion region 58. As a result, the charge that has flowed into the floating diffusion region 58 is held in the floating diffusion region 58. In this state, signal components are read out. That is, as the signal component modulation procedure, the transfer gate 5
A procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the gate voltage of 4A and the transfer gate 54B and outputting the pixel signal corresponding to the photogenerated charge in a state where the photogenerated charge is held in the floating diffusion region 58 is performed.

次に、以上の構成に係る固体撮像装置において、CDS機能と一括電子シャッター機能
を実現させる駆動方法を動作シーケンスに従って説明する。
Next, a driving method for realizing the CDS function and the collective electronic shutter function in the solid-state imaging device according to the above configuration will be described according to an operation sequence.

図11は本実施の形態の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャートであ
る。図11に示すように、1フレーム期間は、リセット期間R11、蓄積期間A11、一
括転送期間T11、及び画素信号の読み出し期間S11の4つの期間を含む。
FIG. 11 is a timing chart showing a driving sequence of the solid-state imaging device according to the present embodiment. As shown in FIG. 11, one frame period includes four periods of a reset period R11, an accumulation period A11, a batch transfer period T11, and a pixel signal readout period S11.

リセット期間R11は、1フレームの開始時に全画素一括して、すなわち全固体撮像素
子について同時にリセットするための全セル同時リセット期間である。また、このリセッ
ト期間R11において行われるリセット動作は、全画素について、蓄積ウェル52、一時
蓄積拡散領域であるキャリアポケット56及びフローティングディフュージョン領域58
から、残存する電荷を排出させるための動作である。リセット動作後、各固体撮像素子の
蓄積ウェル52に対する電荷の蓄積が開始される。
The reset period R11 is an all-cell simultaneous reset period for simultaneously resetting all the pixels at the start of one frame, that is, for all the solid-state imaging devices. In addition, the reset operation performed in the reset period R11 is performed for all the pixels by the accumulation well 52, the carrier pocket 56 which is a temporary accumulation diffusion region, and the floating diffusion region 58.
This is an operation for discharging the remaining charges. After the reset operation, charge accumulation in the accumulation well 52 of each solid-state imaging device is started.

リセット期間R11に続く蓄積期間A11は、各固体撮像素子が蓄積モード(M1)と
なり、光を受けてフォトダイオード形成領域PD1において発生した光発生電荷を蓄積ウ
ェル52に蓄積するための期間である。
The accumulation period A11 subsequent to the reset period R11 is a period in which each solid-state imaging device enters the accumulation mode (M1) and accumulates photogenerated charges generated in the photodiode formation region PD1 in the accumulation well 52 upon receiving light.

蓄積期間A11に続く一括転送期間T11は、各固体撮像素子が一括転送モード(M2
)となり、全画素一括して、すなわち全固体撮像素子について同時に、各フォトダイオー
ド形成領域PD1に蓄積された電荷を、各固体撮像素子のキャリアポケット56に転送す
る一括転送が行われる期間である。この一括転送期間T11における一括転送動作は、上
述した転送ゲート54Aに所定の第1の電圧を同時に印加することによって行われる。
In the batch transfer period T11 following the accumulation period A11, each solid-state image sensor is in the batch transfer mode (M2
This is a period in which collective transfer is performed in which charges accumulated in each photodiode formation region PD1 are transferred to the carrier pocket 56 of each solid-state image sensor simultaneously for all pixels, that is, for all solid-state image sensors simultaneously. The batch transfer operation in the batch transfer period T11 is performed by simultaneously applying a predetermined first voltage to the transfer gate 54A described above.

極めて強い光がフォトダイオード形成領域PD1に入射することによって、蓄積期間及
び一括転送期間においてオーバーフロー電荷が発生することがある。フォトダイオード形
成領域PD1からの余剰電荷は、オーバーフロードレイン領域OFD1に転送されて排出
される。即ち、信号電荷(光発生電荷)がキャリアポケット領域TCP1内に保持される
と同時に、余剰電荷はオーバーフロードレイン領域OFD1を介して排出される。
When extremely intense light is incident on the photodiode formation region PD1, overflow charge may be generated in the accumulation period and the batch transfer period. Excess charge from the photodiode formation region PD1 is transferred to the overflow drain region OFD1 and discharged. That is, signal charges (photogenerated charges) are held in the carrier pocket region TCP1, and at the same time, surplus charges are discharged through the overflow drain region OFD1.

ここまでで、キャリアポケット56に電荷が保持された状態となる。画素信号読み出し
期間においては、第1行目L1から最終行目Lnまでのnラインについて、水平ブランキ
ング期間が順次すなわち時間的にずれて連続的に発生する。水平ブランキング期間は、図
14に示すように、リセット期間とノイズ成分・信号成分読み出し期間を含む。
Thus far, the carrier pocket 56 is in a state where charges are held. In the pixel signal readout period, the horizontal blanking period occurs sequentially, that is, shifted in time, for n lines from the first line L1 to the last line Ln. As shown in FIG. 14, the horizontal blanking period includes a reset period and a noise component / signal component readout period.

図12は水平ブランキング期間における、リセット、ノイズ成分読み出し、電荷転送、
及び信号成分読み出しのタイミングを示すタイミングチャートである。
FIG. 12 shows reset, noise component readout, charge transfer, and horizontal blanking period.
4 is a timing chart showing the timing of signal component readout.

まず、一括転送期間T11後のリセット期間R31において、フローティングディフュ
ージョン領域58内の電荷が排出されて、フローティングディフュージョン領域58の電
位は初期値となっている。リセット期間R31に続いて、ノイズ及び信号成分読み出し期
間S21が設けられている。
First, in the reset period R31 after the batch transfer period T11, the charges in the floating diffusion region 58 are discharged, and the potential of the floating diffusion region 58 has an initial value. Subsequent to the reset period R31, a noise and signal component readout period S21 is provided.

ノイズ成分読み出しのタイミングにおいて、まず、ノイズ成分が読み出される。続いて
、電荷転送のタイミングにおいて、キャリアポケット56からフローティングディフュー
ジョン領域58に電荷が転送される。次に、信号成分読み出しタイミングにおいて、信号
成分が読み出される。
At the noise component readout timing, first, the noise component is read out. Subsequently, charges are transferred from the carrier pocket 56 to the floating diffusion region 58 at the timing of charge transfer. Next, the signal component is read at the signal component read timing.

以上のように、本実施の形態の固体撮像装置によれば、消費電力を低くして、容易に製
造でき、全画素同時に受光して電荷を蓄積し一括転送する一括電子シャッター機能と、ノ
イズ先行読み出しによるCDS機能の両方が実現できる。
As described above, according to the solid-state imaging device of the present embodiment, it is possible to easily manufacture with low power consumption, collective electronic shutter function that simultaneously receives all the pixels, accumulates charges, and transfers them collectively, and noise precedent Both CDS functions by reading can be realized.

従って、結果として、上述した実施の形態に係る固体撮像装置によれば、高画質の画像
信号を得ることができる。
Therefore, as a result, according to the solid-state imaging device according to the above-described embodiment, a high-quality image signal can be obtained.

なお、非選択ラインの出力を抑えるために、水平ブランキング期間(1H)の最後に、
リセット動作を行うようにしてもよい。たとえば、図12において、点線で示すタイミン
グRXにおいてリセット信号を与えることによって、非選択ラインのフローティングディ
フュージョン領域58に残存する光発生電荷による影響を排除することができる。
In order to suppress the output of the non-selected line, at the end of the horizontal blanking period (1H),
A reset operation may be performed. For example, in FIG. 12, by giving a reset signal at timing RX indicated by a dotted line, it is possible to eliminate the influence of the photogenerated charges remaining in the floating diffusion region 58 of the non-selected line.

さらに、図13に示すように、蓄積動作と一括転送動作の間に、リセット動作を追加す
るようにしてもよい。図13は、第2の実施の形態の変形例に係わる固体撮像装置の駆動
シーケンスを示すタイミングチャートである。図13に示すように、蓄積期間(A11)
と一括転送期間(T11)の間に、リセット期間(R32)が設けられ、リセット動作が
行なわれる。図14は、その詳細を示し、リセット期間(R32)では、転送ゲート54
A及び転送ゲート54Bと、リセットトランジスタRST1と増幅トランジスタAmpの
電圧波形が示されている。
Furthermore, as shown in FIG. 13, a reset operation may be added between the accumulation operation and the batch transfer operation. FIG. 13 is a timing chart showing a driving sequence of the solid-state imaging device according to the modification of the second embodiment. As shown in FIG. 13, the accumulation period (A11)
And a batch transfer period (T11), a reset period (R32) is provided, and a reset operation is performed. FIG. 14 shows details of the transfer gate 54 in the reset period (R32).
The voltage waveforms of A and the transfer gate 54B, the reset transistor RST1, and the amplification transistor Amp are shown.

このように、蓄積動作と一括転送動作の間に、リセット動作を追加することによって、
キャリアポケット56を完全空乏化する。その結果、蓄積ウェル52からの光発生電荷の
みを蓄積して、転送することができる。
In this way, by adding a reset operation between the accumulation operation and the batch transfer operation,
The carrier pocket 56 is completely depleted. As a result, only the photo-generated charges from the accumulation well 52 can be accumulated and transferred.

本実施形態を用いた場合でも、キャリアポケット56での光発生電荷量を抑えてSN比
の高い画像を提供できる等、上記した第1の実施の形態の場合と同様の効果を得ることが
できる。
Even when this embodiment is used, the same effect as in the case of the first embodiment described above can be obtained, for example, an image with a high SN ratio can be provided by suppressing the amount of photogenerated charges in the carrier pocket 56. .

また本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えな
い範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

基板変調型センサの平面形状を示す平面図。The top view which shows the planar shape of a board | substrate modulation type | mold sensor. 基板変調型センサの断面形状を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-sectional shape of a board | substrate modulation type | mold sensor. 基板変調型センサの各モードにおけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図。The potential diagram which shows the state of the potential in each mode of a substrate modulation type sensor. 基板変調型センサを2次元アレイ状に配置した場合の駆動シーケンスを示すタイミングチャート。The timing chart which shows the drive sequence at the time of arrange | positioning a board | substrate modulation type sensor in a two-dimensional array form. 基板変調型センサの一括転送期間(T)と水平ブランキング期間(H)での動作を説明するためのタイミングチャート。The timing chart for demonstrating operation | movement in the batch transfer period (T) and horizontal blanking period (H) of a board | substrate modulation type | mold sensor. 基板変調型センサの駆動シーケンスを示すタイミングチャート。The timing chart which shows the drive sequence of a board | substrate modulation type | mold sensor. 基板変調型センサの一括転送期間(T)と水平ブランキング期間(H)を含むタイミングチャート。4 is a timing chart including a batch transfer period (T) and a horizontal blanking period (H) of a substrate modulation type sensor. CMOS型固体撮像装置の平面形状を示す平面図。The top view which shows the planar shape of a CMOS type solid-state imaging device. CMOS型固体撮像素子の断面形状を示す断面図。Sectional drawing which shows the cross-sectional shape of a CMOS type solid-state image sensor. CMOS型固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図。The potential diagram which shows the state of the potential in each mode of a CMOS type solid-state imaging device. CMOS型固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャート。6 is a timing chart showing a driving sequence of the CMOS type solid-state imaging device. CMOS型固体撮像装置の水平ブランキング期間における、リセット、ノイズ成分読み出し、電荷転送、及び信号成分読み出しのタイミングを示すタイミングチャート。6 is a timing chart showing timings of reset, noise component readout, charge transfer, and signal component readout in a horizontal blanking period of the CMOS type solid-state imaging device. CMOS型固体撮像装置の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャート。The timing chart which shows the drive sequence of the solid-state imaging device of a CMOS type solid-state imaging device.

符号の説明Explanation of symbols

1…半導体基板としての基板、PD…フォトダイオード形成領域、TM…変調トランジ
スタ形成領域、TT…転送トランジスタ形成領域、TCP…キャリアポケット領域、2…
N型ウェル、4…蓄積ウェル、3…N型ウェル、8…ピニング層、Tm…検出用MOSト
ランジスタとしての変調トランジスタ、10…ゲート絶縁膜、5…第3のゲート電極とし
てのリングゲート、11…N+拡散層、12…ソース領域、6…フローティングディフュ
ージョン領域としての変調用ウェル、7…ポケット領域としてのキャリアポケット、13
…ドレイン領域、14…オーバーフロードレインとしてのOFD領域、TA…第1のゲー
ト電極層を用いて形成された第1の転送制御素子としての転送蓄積領域、TC…第2の転
送制御素子としての転送領域、21…第1の絶縁層としてのゲート絶縁膜、22A…第1
の転送ゲート電極としての転送ゲート、24…電荷保持領域としてのキャリアポケット、
25…ピニング層、22B…反射抑制層を含む第2の電極層を用いて形成された第2の転
送ゲート電極としての転送ゲート、22BG…第2の絶縁層としての第2のゲート絶縁層
、PD1…フォトダイオード形成領域、TT1…転送トランジスタ形成領域、RST1…
リセットトランジスタ形成領域、TAm1…増幅トランジスタ形成領域、TS1…選択ト
ランジスタ形成領域、RST…リセットトランジスタ、TCP1…キャリアポケット領域
、56…電荷保持領域としてのキャリアポケット、58…フローティングディフュージョ
ン領域、TC1…第2の転送制御素子としての転送領域、51…半導体基板としてのN型
半導体領域、52a…P型半導体領域、52…蓄積ウェル、53…P型ピニング層、60
…不純物層、59…リセットゲート、53…ピニング層、TAg…ゲート、Amp…増幅
トランジスタ、54A…第1のゲート電極層を用いて形成された第1の転送ゲート電極と
しての転送ゲート、54B…反射抑制層を含む第2のゲート電極層を用いて形成された第
2の転送ゲートとしての転送ゲート、54BG…第2の絶縁層としての第2のゲート絶縁
層、62…不純物層、59…リセットゲート、55…第1の絶縁層としてのゲート絶縁層
、TA1…第1の転送制御素子としての転送蓄積領域、OFD1…オーバーフロードレイ
ンとしてのオーバーフロードレイン領域。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate as a semiconductor substrate, PD ... Photodiode formation region, TM ... Modulation transistor formation region, TT ... Transfer transistor formation region, TCP ... Carrier pocket region, 2 ...
N-type well, 4 ... accumulation well, 3 ... N-type well, 8 ... pinning layer, Tm ... modulation transistor as detection MOS transistor, 10 ... gate insulating film, 5 ... ring gate as third gate electrode, 11 ... N + diffusion layer, 12 ... source region, 6 ... modulation well as floating diffusion region, 7 ... carrier pocket as pocket region, 13
... Drain region, 14. OFD region as an overflow drain, TA... Transfer accumulation region as a first transfer control element formed using the first gate electrode layer, TC... Transfer as a second transfer control element Region, 21... Gate insulating film as first insulating layer, 22A.
A transfer gate as a transfer gate electrode, a carrier pocket as a charge holding region,
25 ... a pinning layer, 22B ... a transfer gate as a second transfer gate electrode formed using a second electrode layer including a reflection suppressing layer, 22BG ... a second gate insulating layer as a second insulating layer, PD1... Photodiode formation region, TT1... Transfer transistor formation region, RST1.
Reset transistor formation region, TAm1 ... amplification transistor formation region, TS1 ... selection transistor formation region, RST ... reset transistor, TCP1 ... carrier pocket region, 56 ... carrier pocket as charge holding region, 58 ... floating diffusion region, TC1 ... second Transfer region as a transfer control element, 51... N-type semiconductor region as a semiconductor substrate, 52 a... P-type semiconductor region, 52.
... impurity layer, 59 ... reset gate, 53 ... pinning layer, TAg ... gate, Amp ... amplification transistor, 54A ... transfer gate as a first transfer gate electrode formed using the first gate electrode layer, 54B ... A transfer gate as a second transfer gate formed by using a second gate electrode layer including a reflection suppressing layer, 54BG ... a second gate insulating layer as a second insulating layer, 62 ... an impurity layer, 59 ... Reset gate, 55... Gate insulating layer as first insulating layer, TA1... Transfer accumulation region as first transfer control element, OFD1... Overflow drain region as overflow drain.

Claims (11)

半導体基板に形成された、入射光を光電変換することで得られる電荷を蓄積する蓄積ウ
ェルと、
前記電荷を前記蓄積ウェルから転送するための、前記半導体基板の表面に第1の絶縁層
を介して設けられた第1のゲート電極層を用いて形成された第1の転送ゲート電極を有す
る第1の転送制御素子と、
前記蓄積ウェルから前記第1の転送制御素子を介して転送された前記電荷を蓄えるため
に前記第1の転送ゲート電極下部に設けられた電荷保持領域と、
前記電荷を前記電荷保持領域から転送するための、前記第1の転送ゲート電極及び前記
半導体基板の表面に第2の絶縁層を介して設けられる第2のゲート電極層を用いて形成さ
れた第2の転送ゲート電極を有する第2の転送制御素子と、
前記電荷保持領域から前記第2の転送制御素子を介して転送された前記電荷を蓄え、且
つ前記電荷により生じる電位変動を検出するためのフローティングディフュージョン領域
を備える固体撮像素子であって、
前記第1の転送ゲート電極を通して前記電荷保持領域に前記入射光が侵入することを抑
制するために、前記電荷保持領域上にある前記第1の転送ゲート電極の少なくとも一部分
を遮光のために覆うよう前記第2の転送ゲート電極を延在させたことを特徴とする固体撮
像素子。
An accumulation well for accumulating charges obtained by photoelectrically converting incident light formed on a semiconductor substrate;
A first transfer gate electrode formed by using a first gate electrode layer provided on a surface of the semiconductor substrate via a first insulating layer for transferring the charge from the accumulation well; 1 transfer control element;
A charge holding region provided under the first transfer gate electrode for storing the charge transferred from the storage well via the first transfer control element;
The first transfer gate electrode for transferring the charge from the charge holding region and a second gate electrode layer formed on the surface of the semiconductor substrate via a second insulating layer are used. A second transfer control element having two transfer gate electrodes;
A solid-state imaging device comprising a floating diffusion region for storing the charge transferred from the charge holding region via the second transfer control element and detecting a potential fluctuation caused by the charge,
In order to prevent the incident light from entering the charge holding region through the first transfer gate electrode, at least a part of the first transfer gate electrode on the charge holding region is covered for light shielding. A solid-state imaging device, wherein the second transfer gate electrode is extended.
前記第2の転送ゲート電極は、前記電荷保持領域上にある前記第1のゲート電極の上部
を覆うことに加え、前記蓄積ウェルの一部分も覆うよう延在させたことを特徴とする請求
項1に記載の固体撮像素子。
2. The second transfer gate electrode is extended so as to cover a part of the accumulation well in addition to covering an upper portion of the first gate electrode on the charge holding region. The solid-state image sensor described in 1.
前記第2の転送ゲート電極はポリシリコン上に前記ポリシリコンに比べ光の透過率が小
さい、タングステン、チタン、又はコバルトのシリサイド若しくはタングステン、チタン
、又はコバルトのうち2種類以上の金属成分を含むシリサイド若しくはタングステン、チ
タン、又はコバルトのうち1種類以上の成分を含む金属との2層構造を有することを特徴
とする請求項1に記載の固体撮像素子。
The second transfer gate electrode is tungsten, titanium, or cobalt silicide or silicide containing two or more kinds of metal components of tungsten, titanium, or cobalt, which has a light transmittance lower than that of the polysilicon on polysilicon. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device has a two-layer structure with a metal including one or more components of tungsten, titanium, or cobalt.
前記第2の転送ゲート電極はポリシリコンに比べ光の透過率が小さい、タングステン、
チタン、又はコバルトのうち1種類以上の金属成分を含むシリサイド、若しくはタングス
テン、チタン、又はコバルトのうち1種類以上の成分を含む金属を用いたことを特徴とす
る請求項1に記載の固体撮像素子。
The second transfer gate electrode has a light transmittance lower than that of polysilicon, tungsten,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a silicide containing one or more metal components of titanium or cobalt, or a metal containing one or more components of tungsten, titanium, or cobalt is used. .
前記第2の転送ゲート電極層には、フォトリソグラフ工程でのハレーションを防止する
ための反射抑制層が含まれていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second transfer gate electrode layer includes a reflection suppressing layer for preventing halation in a photolithography process.
前記反射抑制層は酸化シリコン又は窒化チタンであることを特徴とする請求項1に記載
の固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the reflection suppression layer is silicon oxide or titanium nitride.
前記フローティングディフュージョン領域は、前記第1の絶縁層上に位置する前記第1
のゲート電極層をリング状に加工した第3のゲート電極を有する検出用MOSトランジス
タの下部に形成され、前記フローティングディフュージョン領域に蓄積された電荷により
生じる閾値の変動から入射光強度を検出することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像
素子。
The floating diffusion region is the first region located on the first insulating layer.
And detecting the incident light intensity from the fluctuation of the threshold value formed by the charge accumulated in the floating diffusion region, which is formed under the detection MOS transistor having the third gate electrode processed in a ring shape. The solid-state imaging device according to claim 1.
前記蓄積ウェル側方に、前記蓄積ウェルへの入射光により発生した前記電荷がオーバー
フローした場合にオーバーフローした前記電荷を吸収するためのオーバーフロードレイン
を有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
2. The solid-state imaging according to claim 1, further comprising an overflow drain on the side of the accumulation well for absorbing the overflowed charge when the charge generated by light incident on the accumulation well overflows. element.
前記半導体基板の表面と、前記第1の絶縁層又は前記第2の絶縁層との間の少なくとも
一部との間に前記半導体基板の表面と、前記第1の絶縁層又は前記第2の絶縁層との間に
存在する欠陥を電気的に埋めるための前記保持領域と反対導電型のピニング層を有するこ
とを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
The surface of the semiconductor substrate and the first insulating layer or the second insulation between the surface of the semiconductor substrate and at least a part between the first insulating layer or the second insulating layer. The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a pinning layer having a conductivity type opposite to that of the holding region for electrically filling defects existing between the layers.
前記蓄積ウェルの一部分が前記第1の転送ゲート電極と重なって配置されていることを
特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
3. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein a part of the storage well is arranged to overlap the first transfer gate electrode.
前記第1の絶縁層上に位置する前記第1のゲート電極層をリング状に加工した前記第3
のゲート電極を有する前記検出用MOSトランジスタの前記第3のゲート電極下部に、前
記フローティングディフュージョン領域の他の領域よりも高い不純物濃度を有し、電荷を
収集するためのポケット領域を形成したことを特徴とする請求項7に記載に固体撮像素子

The third gate electrode layer located on the first insulating layer is processed into a ring shape.
A pocket region for collecting charges, having a higher impurity concentration than the other regions of the floating diffusion region, is formed under the third gate electrode of the detection MOS transistor having the gate electrode; The solid-state imaging device according to claim 7, wherein
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