JP5054182B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、低混色、高感度、低残像、低暗電流、低ノイズ、および高画素密度化を可能にする固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device that enables low color mixing, high sensitivity, low afterimage, low dark current, low noise, and high pixel density.
現在、CCDおよびCMOS固体撮像装置はビデオカメラ、ステールカメラなどに広く用いられている。そして、固体撮像装置の高解像度化および高感度化などの性能向上が常に求められている。これに対し、固体撮像装置の高解像度化を実現するために画素高密度化による技術革新が行われてきた。また、固体撮像装置の高感度化を実現するために、集光効率向上、低ノイズ化、低暗電流化、そのほか残像低減などによる技術革新が行われてきた。 Currently, CCD and CMOS solid-state imaging devices are widely used in video cameras, stale cameras, and the like. And there is a constant demand for improved performance such as higher resolution and higher sensitivity of solid-state imaging devices. On the other hand, in order to realize a higher resolution of the solid-state imaging device, technological innovation has been performed by increasing the pixel density. In addition, in order to realize high sensitivity of the solid-state imaging device, technological innovation has been performed by improving light collection efficiency, reducing noise, reducing dark current, and reducing afterimages.
以下に、従来の固体撮像装置の動作について説明する(例えば、非特許文献1を参照)。図18(a)に、このCMOS固体撮像装置の1画素構成図を、図18(b)に、図18(a)中のA−A’線に沿った信号電荷50蓄積時における電位分布を示す。なお、図18(b)では、区別のため、蓄積した電荷をハッチングで示す。この1画素は照射光52により発生した信号電荷50を蓄積するためのP型半導体基板53とシリコン酸化膜(SiO2膜)54aとフォトゲートPG導体層とよりなる信号電荷蓄積部と、これに繋がった転送ゲートTGと、転送ゲートTG電極下チャネル55に繋がった浮遊ダイオードFDと、浮遊ダイオードFDに接続されたゲートAGを有する増幅MOSトランジスタ56と、増幅MOSトランジスタ56に繋がった選択ゲート(SG)MOSトランジスタ57と、浮遊ダイオードFDに接続されたSiO2膜54b上に設けられたリセットゲートRGとリセットドレインRDダイオードとを有するリセットMOSトランジスタ58とから構成される。リセットMOSトランジスタ58のリセットドレインRDと増幅MOSトランジスタ56のドレインとは電圧Vddの電源線に接続されている。そして、選択ゲート(SG)MOSトランジスタ57のソースは信号線59に接続されている。
Hereinafter, the operation of the conventional solid-state imaging device will be described (for example, see Non-Patent Document 1). FIG. 18A shows a one-pixel configuration diagram of this CMOS solid-state imaging device, and FIG. 18B shows the potential distribution when the
照射された光(照射光)52はフォトゲートPGを通過してP型半導体基板53に入射する。これにより発生した信号電荷50(この場合は電子)は、フォトゲートPGに所定の電圧を印加することによってP型半導体基板53表面に形成された電位井戸51に蓄積される。この蓄積信号電荷50は転送ゲートTG電極にオン電圧が印加されることにより、浮遊ダイオードFDに転送される。これにより、浮遊ダイオードFDの電位が信号電荷50の量に応じて変化する。同時に浮遊ダイオードFDに繋がった増幅MOSトランジスタ56のゲート電圧が信号電荷50の量に応じて変化する。選択ゲート(SG)MOSトランジスタ57の選択ゲートSGにオン電圧が印加されると信号線59に増幅MOSトランジスタ56のゲートAG電圧に応じた信号電流が流れ、出力として読み出される。
The irradiated light (irradiated light) 52 passes through the photogate PG and enters the P-
他の固体撮像装置として、前述の図18(a)および図18(b)に示したフォトゲートPGを用いた信号電荷蓄積構造とは異なり、信号電荷の蓄積をフォトダイオードPDで行うフォトダイオード構造がある(例えば、特許文献1、非特許文献2を参照)。このようなフォトダイオード構造として、例えば、フォトダイオードPD表面に設けられたP+層と、さらにこのP+層に接続され且つ画素間を電気的に分離するためにグランド電位に固定(ピンニング)されているチャネルスッパP+層とを備える構造(ピンド・フォトダイオード:pinned photodiode)がある。
As another solid-state imaging device, unlike the signal charge storage structure using the photogate PG shown in FIGS. 18A and 18B, a photodiode structure in which signal charges are stored by the photodiode PD. (For example, refer to
さらに他の固体撮像装置として、図19に示すように、1つの島状半導体60に1画素を構成するものがある(例えば、特許文献2を参照)。この画素においては、基板上に信号線N+層61が形成されている。また、信号線N+層61に繋がった島状半導体60の外周部にP型半導体層62、絶縁膜63a,63b、ゲート導体層64a,64bよりなるMOSトランジスタが形成されている。さらに、このMOSトランジスタに繋がって、光照射によって発生する電荷を蓄積するフォトダイオードが島状半導体60の外周部に形成されている。このフォトダイオードは、P型半導体層62とN型半導体層65a,65bとから構成される。また、このフォトダイオードで囲まれたP型半導体62をチャネルとし、このフォトダイオードをゲートとし、フォトダイオード上に形成され画素選択線67a,67bに繋がったP+層66と信号線N+層61近傍のP型半導体層62をソースとドレインにした増幅接合トランジスタが形成されている。
この固体撮像装置の基本動作は、光照射により発生した信号電荷(この場合は電子)をフォトダイオードに蓄積する信号電荷蓄積動作と、信号線N+層61近傍のP型半導体層62とP+層66との間に流れるソース・ドレイン電流を、前述の蓄積信号電荷に応じたフォトダイオード電圧によるゲート電圧により変調し、この変調された電流を信号電流として読み出す信号読み出し動作と、この信号読み出し動作後、フォトダイオードに蓄積されている信号電荷をMOSトランジスタのゲート導体層64a,64bにオン電圧を印加して信号線N+層61に除去するリセット動作よりなる。
As another solid-state imaging device, there is one in which one pixel is formed in one island-
The basic operation of this solid-state imaging device includes a signal charge accumulation operation in which signal charges (electrons in this case) generated by light irradiation are accumulated in the photodiode, and the P-
図18(a)に示した従来のCMOS固体撮像装置においては、光52がフォトゲートPG導体層の上から入射する。フォトゲートPG導体層には、例えば、不純物ドープされた薄い膜厚の多結晶シリコン(多結晶Si)が使われる。しかし、このような構造では、入射した光52の内の青色波長光の一部が多結晶Si層で吸収されることを避けることができない。加えて、フォトゲートPGがP型半導体基板53表面の信号電荷蓄積部の上を覆って形成されているため、信号電荷蓄積部の電位を直接、増幅MOSトランジスタ56のゲートAGに接続できない。そのため、転送ゲートTG電極と浮遊ダイオードFDを設けて、信号蓄積部の電位井戸51に蓄積した信号電荷50を、一旦、浮遊ダイオードFDに移し、この浮遊ダイオードFDの電位を増幅用MOSトランジスタ56のゲートAGに与えている。このため、転送ゲートTG電極と浮遊ダイオードFDとが画素領域において必要となる。このような領域の付加が、従来のCMOS固体撮像装置の画素高密度化を損なう原因になっている。
In the conventional CMOS solid-state imaging device shown in FIG. 18A,
特許文献1および非特許文献2に記載されたピンド・フォトダイオード構造を有する固体撮像装置においては、前述したフォトゲートPG構造のような青波長光感度低下の問題が無い。また、フォトダイオードPDの表面がグランド電位に固定されることにより、信号電荷を浮遊ダイオードFDに転送するときの信号電荷不完全転送により発生する残像、kTCノイズといわれるノイズ発生を防止することができる。さらに、フォトダイオードPD表面のP+層にホールを蓄積しており、このホールはSiO2−Si界面準位より熱的に励起される電子と再結合して、電子の信号電荷50への混入を防止している。これにより、暗電流を低減することができる。しかしながら、前述のフォトゲートPG構造と同じく、信号電荷を蓄積するフォトダイオードPDの表面がP+層で覆われているために、信号電荷が蓄積されているフォトダイオード電位を直接、増幅用MOSトランジスタのゲートに接続できない。このため、フォトゲートPGを用いた信号電荷蓄積構造と同様に、転送ゲートTG電極と浮遊ダイオードFD領域が必要になり、CMOS固体撮像装置の画素高密度化を阻害する原因になっている。
In the solid-state imaging device having the pinned photodiode structure described in
図19に示すように、島状半導体60から構成される画素を備える固体撮像装置の画素構造においては、上述のピンド・フォトダイオード構造の固体撮像装置のような画素間を電気的に分離するためのチャネルストッパP+層はない。その代わりに、画素間は、島状半導体60間の絶縁層(または空気層)68a,68bにより分離されている。そのため、このピンド・フォトダイオード構造のようなN型半導体層(フォトダイオードN層)65a,65b表面を0Vに固定(ピンニング)するP+層を有していない。このため、本固体撮像装置おいては、前述のように、残像が発生し、またkTCノイズおよび暗電流が高いという問題がある。これに対し、例えばP+層とN型半導体層65a,65bと間に、0Vの外部配線に繋がったグランドP+層を設け、さらにN型半導体層65a,65b上にこのグランドP+層と繋がったP+層を設けると、チャネルストッパP+層、これに繋がるコンタクトホール、および金属配線等の形成が新たに必要になる。これにより、画素構造が複雑になり、製造工程も増えることによって固体撮像装置の画素高密度化を損なう問題がある。
As shown in FIG. 19, in the pixel structure of a solid-state imaging device including pixels composed of island-
上述した固体撮像装置においては、図19に示した画素60が2次元状に配列されている。この場合、光は、P+層66側から入射する。この光の中には、P+層66に斜め方向からの入射する光(入射光)69aがある。入射光69aの一部は、入射した画素を通過して隣接画素へと入射する。この隣接画素へと入射した光(漏洩光)69bにより隣接画素で信号電荷が発生する。これにより、白黒固体撮像装置においては、解像度低下が生じる。また、カラー固体撮像装置においては、例えば赤色信号画素に入射した赤色光の一部が、隣接する緑色信号画素に入射して信号電荷を発生する。これにより、混色と言われる画質低下が生じる。
In the solid-state imaging device described above, the
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、低混色、高感度、低残像、低暗電流、低ノイズ、および高画素密度の固体撮像装置を実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to realize a solid-state imaging device having low color mixing, high sensitivity, low afterimage, low dark current, low noise, and high pixel density.
上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、1個または複数の画素を有する固体撮像装置であって、前記画素のそれぞれが、基板上に形成された第1の半導体層と、該第1の半導体層上に形成された第2の半導体層と、該第2の半導体層の上部側面領域に、該第2の半導体層の上面から離れて形成された第4の半導体層と、該第4の半導体層の内側面と前記第2の半導体層との間に、該第2の半導体層の上面から離れて形成された第3の半導体層と、少なくとも前記第2の半導体層の側面と前記第4の半導体層の外側面とに形成された第1の絶縁膜と、前記第2の半導体層の側面のうち前記第3の半導体層が形成されていない下部側面に前記第1の絶縁膜を介して形成されたゲート導体層と、前記第1の絶縁膜を介して前記第4の半導体層の外側面に形成された導体電極と、前記第3の半導体層および前記第4の半導体層とは接しないように前記第2の半導体層の上面に形成された第5の半導体層と、を有し、少なくとも前記第3の半導体層と、前記第2の半導体層のうち前記第3の半導体層が形成された上部領域と、前記第4の半導体層と、前記第5の半導体層とは、島状形状内に形成され、前記第3の半導体層と該第3の半導体層近傍の前記第2の半導体層とはダイオードを形成し、前記第1の半導体層近傍の前記第2の半導体層および前記第5の半導体層のいずれか一方をドレインとし、他方をソースとし、前記ダイオードをゲートとする接合トランジスタが形成され、前記第1の半導体層をドレインとし、前記第3の半導体層をソースとし、前記ゲート導体層をゲートとする電界効果トランジスタが形成され、電磁エネルギー波の照射によって前記画素内に発生した信号電荷を前記ダイオードに蓄積させる手段と、前記ダイオードに蓄積された信号電荷の量に応じて変化する、前記接合トランジスタに流れる電流を測定することにより、該信号電荷の量を測定する、信号読み出し手段と、前記電界効果トランジスタの前記ゲート導体層にオン電圧を印加して、前記第1の半導体層と前記第3の半導体層との間の前記第2の半導体層を含む領域にチャネルを形成することにより、前記ダイオードに蓄積された信号電荷を前記第1の半導体層に除去するリセット手段と、を備え、前記ダイオードに蓄積される信号電荷と反対極性の電荷を前記第4の半導体層に蓄積させるように、前記導体電極に電圧を印加する、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device having one or a plurality of pixels, each of the pixels being a first semiconductor layer formed on a substrate; A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer; a fourth semiconductor layer formed on an upper side surface region of the second semiconductor layer and spaced apart from an upper surface of the second semiconductor layer; A third semiconductor layer formed between the inner surface of the fourth semiconductor layer and the second semiconductor layer and spaced apart from the upper surface of the second semiconductor layer; and at least the second semiconductor layer A first insulating film formed on a side surface of the second semiconductor layer and an outer side surface of the fourth semiconductor layer, and a lower side surface of the side surface of the second semiconductor layer where the third semiconductor layer is not formed. A gate conductor layer formed through one insulating film, and the fourth conductive layer through the first insulating film. A conductor electrode formed on the outer surface of the conductor layer, and a fifth semiconductor layer formed on the upper surface of the second semiconductor layer so as not to contact the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer; At least the third semiconductor layer, an upper region of the second semiconductor layer where the third semiconductor layer is formed, the fourth semiconductor layer, and the fifth semiconductor layer. Is formed in an island shape, and the third semiconductor layer and the second semiconductor layer in the vicinity of the third semiconductor layer form a diode, and the second semiconductor layer in the vicinity of the first semiconductor layer. A junction transistor having either one of the semiconductor layer and the fifth semiconductor layer as a drain, the other as a source, and the diode as a gate is formed; the first semiconductor layer as a drain; and the third semiconductor Layer as a source and the gate conductor layer as A field effect transistor serving as a gate is formed, and changes depending on a means for accumulating in the diode signal charges generated in the pixel by irradiation of electromagnetic energy waves, and the amount of signal charges accumulated in the diode; Measuring a current flowing through the junction transistor to measure the amount of the signal charge; applying a turn-on voltage to the gate conductor layer of the field effect transistor; and Reset means for removing signal charges accumulated in the diode to the first semiconductor layer by forming a channel in a region including the second semiconductor layer between the third semiconductor layer and the third semiconductor layer; And applying a voltage to the conductor electrode so that a charge having a polarity opposite to that of the signal charge accumulated in the diode is accumulated in the fourth semiconductor layer. It is characterized by that.
本発明によれば、低混色、高感度、低残像、低暗電流、低ノイズ、および高画素密度の固体撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device having low color mixing, high sensitivity, low afterimage, low dark current, low noise, and high pixel density.
以下、本発明の実施形態を図1A〜図17を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 17.
(本発明の第1の実施形態)
図1A、図1Bに本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置100の画素10の構造を示す。
(First embodiment of the present invention)
1A and 1B show the structure of the
図1Aにおいて、各画素10には、基板上に第1の走査方向に繋がる配線XLに接続された、第1の半導体層N+層1が形成されている。第1の半導体層N+層1上には、第1の半導体層N+層1と反対導電型の第2の半導体層P層2が形成されている。第2の半導体層P層2の上部側面領域には、第2の半導体層P層2を囲むように、第1の半導体層N+層1と同じ導電型の第3の半導体層N層5a,5bが形成されている。なお、第3の半導体層N層5a,5bは、第2の半導体層P層2の上面とは接しないように設けられている。第3の半導体層N層5a,5bと、第3の半導体層N層5a,5b近傍の第2の半導体層P層2の領域とは、光、X線および電子線等の電磁エネルギー波の照射により発生した信号電荷を蓄積するフォトダイオード112を構成している。
さらに、フォトダイオード112の表面には、フォトダイオード112の外周部を囲むように、第1の半導体層N+層1と反対導電型の第4の半導体層P+層6a,6bが形成されている。なお、第4の半導体層P+層6a,6bも、第2の半導体層P層2の上面とは接しないように設けられている。
第2の半導体層P層2の側面と第4の半導体層P+層6a,6bの外側面とを覆うように絶縁膜(SiO2膜)3a,3bが形成されている。この絶縁膜3a,3bを介して、第4の半導体層P+層6a,6bの側面に導体電極7a,7bが形成されている。
第2の半導体層P層2の下部側面には、絶縁膜3a,3bを介してゲート導体層4a,4bが形成されている。なお、ゲート導体層4a,4bは、金属膜または十分に厚い高濃度不純物多結晶Siなどの遮光性の材料によって形成されている。絶縁膜3a,3bとゲート導体層4a,4bとは、第2の半導体層P層2の下部領域をチャネルとするMOSトランジスタ111を構成している。
第2の半導体層P層2の上面に、第2の半導体層P層2と同導電型の第5の半導体層P+層8が形成されている。なお、第5の半導体層P+層8は、第3の半導体層N層5a,5bおよび第4の半導体層P+層6a,6bとは離隔して設けられている。また、第5の半導体層P+層8は、第1の走査方向と直交した方向に繋がる配線YLに接続されている。
In FIG. 1A, each
Further, on the surface of the
Insulating films (SiO 2 films) 3a and 3b are formed so as to cover the side surfaces of the second semiconductor
Gate conductor layers 4a and 4b are formed on the lower side surface of the second semiconductor
On the upper surface of the second semiconductor
第1の半導体層N+層1近傍の第2の半導体層P層2と第5の半導体層P+層8とをドレインとソースとし、フォトダイオード112をゲートとする接合トランジスタが形成されている。さらに、フォトダイオード112が形成されている第2の半導体層P層2の上部領域と、第3の半導体層N層5a,5bと、第4の半導体層P+層6a,6bと、第5の半導体層P+層8とは、島状形状内に形成されている。なお、本実施形態においては、配線XLは信号線であり、配線YLは画素選択線であるが、配線XLが画素選択線で、配線YLが信号線であってもよい。
A junction transistor is formed in which the second semiconductor
このような画素10の構造においては、フォトダイオード112上の導体電極7a,7bが、島状半導体の側面に形成されるため、第5の半導体層P+層8から、入射光12aが直接フォトダイオード領域に照射される。これにより、本実施形態に係る固体撮像装置100においては、図18(a)に示すような従来の固体撮像装置で生じる青波長光感度の低下は起こらない。さらに、導体電極7a,7bは、金属膜または十分に厚い高濃度不純物多結晶Siなどの遮光性の材料によって形成されている。これにより、第5の半導体層P+層8からフォトダイオード領域に入射された入射光12aは、導体電極7a,7bにおいて吸収または反射される。また、導体電極7a,7bがフォトダイオード112の外周部を囲んで形成されているので、入射光12aと導体電極7a,7bにおいて反射された反射光12cとが、隣接画素に漏洩することが防止され、この入射光12aおよび反射光12cは、共に有効に信号電荷として寄与できる。これにより、本固体撮像装置100においては、混色および解像度低下を抑制することができる。
In such a structure of the
図1Aに示した固体撮像装置において、第2の半導体層は、P型導電型半導体からなるP層2である。このP型導電型半導体からなるP層2に代えて、図1Bに示すように、第2の半導体層が、実質的な真正型の半導体からなるi層2iであってもよい。真正型の半導体は、不純物が混入しないように製造されるが、実際には不可避的に極微量の不純物を含む。このi層2iを構成する実質的な真正型の半導体層は、固体撮像装置100としての機能を阻害しない程度であれば、微量のアクセプタ或いはドナー不純物を含んでいても構わない。こうした構成によれば、第3の半導体層N層5a,5bと第2の半導体層i層2iとはダイオードを形成できる。また、第5の半導体層P+層8と信号線N+層1との間に十分な電圧が印加されると、前記第5の半導体層P+層8の正孔(ホール)は、第2の半導体層i層2iの内部に生じた電位勾配によって、信号線N+層1に向かって流れる。このようにして、第2の半導体層i層2iは、接合トランジスタのチャネルとしても機能する。
In the solid-state imaging device shown in FIG. 1A, the second semiconductor layer is a
図2に本実施形態に係る固体撮像装置100の回路構成例を示す。固体撮像装置100は、2次元のマトリクス状に配列された複数の画素10a〜10dと、垂直走査回路201と、水平走査回路202と、リセット回路203と、画素選択線YL1,YL2と、信号線XL1,XL2と、リセット線RSLと、信号線MOSトランジスタTr1,Tr2と、相関二重サンプリング(CDS)出力回路204とを主に備えている。本実施形態においては、画素10a〜10dが2行2列に配列された場合について説明するが、本発明に係る固体撮像装置は、これに限定されるものではない。
FIG. 2 shows a circuit configuration example of the solid-
図2に示すように、各画素10a〜10dに画素選択信号を入力する垂直走査回路201が、画素選択線YL1,YL2を介して行毎に各画素10a〜10dに接続されている。各画素10a〜10dはまた、列毎に信号線XL1,XL2を介してCDS出力回路204に接続されている。各信号線XL1,XL2に配置された信号線MOSトランジスタTr1,Tr2のゲート電極は、このゲート電極に信号線選択信号を入力する水平走査回路202に接続されている。信号線XL1,XL2はまた、切替スイッチ部SW1,SW2に接続されている。また、リセット動作のためのMOSトランジスタのゲート導体層4a,4bは、リセット線RSLを介して、ゲート導体層4a,4bにリセット信号を入力するリセット回路203に接続されている。さらに、画素10a〜10dのフォトダイオード112上の導体電極7a,7bは、外部電圧Vpgに繋がっている。本回路構成の動作により、各画素10a〜10dの信号電流が逐次CDS出力回路204から読み出される。
As shown in FIG. 2, a
次に、図1A〜図3を参照しながら、本実施形態に係る固体撮像装置100の基本動作について説明する。なお、図3(a)の電位分布図においては、区別のため、蓄積した信号電荷をハッチングで示す。
本装置の基本動作は、信号電荷蓄積動作と、信号読み出し動作と、リセット動作と、から構成される。
Next, the basic operation of the solid-
The basic operation of this apparatus is composed of a signal charge accumulation operation, a signal read operation, and a reset operation.
信号電荷蓄積動作においては、光、X線または電子線などの電磁エネルギー波の照射により発生した信号電荷をフォトダイオード112に蓄積する。
信号読み出し動作においては、第5の半導体層P+層8と第1の半導体層N+層1近傍の第2の半導体層P層2との間に流れる電流を測定することにより、フォトダイオード112に蓄積された信号電荷を測定する。フォトダイオード112を増幅用接合トランジスタのゲートとすると、第1の半導体層N+層1近傍の第2の半導体層P層2と第5の半導体層P+層8との間に流れる電流は、フォトダイオード112に蓄積された信号電荷に応じて変化する。そのため、この電流を測定することにより、蓄積された信号電荷量を読み出すことができる。
リセット動作においては、MOSトランジスタ111のゲート導体層4a,4bにオン電圧を印加してフォトダイオード112に蓄積した信号電荷を第1の半導体層N+層1に流して除去する。
In the signal charge accumulation operation, signal charges generated by irradiation with electromagnetic energy waves such as light, X-rays, or electron beams are accumulated in the
In the signal read operation, the
In the reset operation, an on-voltage is applied to the gate conductor layers 4a and 4b of the
図3(a)に信号電荷蓄積動作期間における図1A中のA−A’線に沿った電位分布図を示す。ΦPRは、信号電荷が蓄積されていないときの第3の半導体層N層5a,5b内の最も深い電位である。
信号電荷蓄積動作期間において、第4の半導体層P+層6a,6bの電位がグランド電位または、グランド電位近くの電位になるように、導体電極7a,7bの電圧Vpgを設定する。例えば、Vpg=0V,信号線XLの電圧VXLR=0V,画素選択線YLの電圧VYLR=0Vに設定することができる。これにより、図3(a)に示すような電位分布になり、第3の半導体層N層5a,5bの領域に、ハッチングで示すように信号電荷が蓄積する。
また、第4の半導体層P+層6a,6bの電位がグランド電位またはグランド電位近くの電位に設定されることにより、第4の半導体層P+層6a,6bには多くのホール30が蓄積される。このホール30は、第4の半導体層P+層6a,6bと第5の半導体層P+層8との間にある第2の半導体層P層2から供給される。絶縁膜3a,3bと第4の半導体層P+層6a,6bとの界面のトラップ順位から熱的に発生し、暗電流の原因となる電子は、第4の半導体層P+層6a,6bに蓄積されたホール30と再結合して消滅する。これにより、暗電流の発生を防止することができる。
FIG. 3A shows a potential distribution diagram along the line AA ′ in FIG. 1A during the signal charge accumulation operation period. [Phi PR, the third semiconductor
In the signal charge accumulation operation period, the voltage V pg of the
Further, by setting the potential of the fourth semiconductor layer P + layers 6a and 6b to the ground potential or a potential close to the ground potential,
暗電流を抑制するために、例えば、第5の半導体層P+層8と第4の半導体層P+層6a,6bとを接続して、第4の半導体層P+層6a,6bの電位をグランド電位に設定することもできる。しかしながら、その場合、第4の半導体層P+層6a,6bが常にグランド電位に固定されているわけではないので、撮像動作において変動する第5の半導体層P+層8の電位の影響を受けやすくなる。それに対し、本実施形態に係る固体撮像装置100においては、第4の半導体層P+層6a,6bの電位が導体電極7a,7bにより設定されるため、第5の半導体層P+層8の電位変動によって生じ得るノイズ等による画像特性の低下を防止することができる。
In order to suppress the dark current, for example, the fifth semiconductor layer P + layer 8 fourth semiconductor layer P + layer 6a, and connects the 6b, the fourth semiconductor layer P + layer 6a, 6b of the potential Can also be set to ground potential. However, in this case, since the fourth semiconductor layer P + layers 6a and 6b are not always fixed to the ground potential, they are affected by the potential of the fifth semiconductor layer P + layer 8 that varies in the imaging operation. It becomes easy. On the other hand, in the solid-
図3(b)は、信号読み出し動作期間における、フォトダイオード112に信号電荷が蓄積されていないときの画素構造図であり、その場合におけるフォトダイオード112の空乏層9(9a,9b)を破線で示している。本実施形態において、フォトダイオード112に信号電荷が蓄積されていない場合、フォトダイオード112の空乏層9a,9bは、第2の半導体層P層2のうちフォトダイオード112が形成される上部領域の一部に形成されている。フォトダイオード112に信号電荷が蓄積されると、図3(c)に示すように、空乏層9a,9bの幅が減少し、第2の半導体層P層2に形成される増幅用接合トランジスタのチャネル幅が増大する。信号読み出し動作期間において、増幅用接合トランジスタのチャネル幅、即ち、蓄積信号電荷量に応じた電流がこのチャネルに流れる。
信号読み出し動作においても、第4の半導体層P+層6a,6bの電位がほぼグランド電位になるように、導体電極7a,7bの電圧を設定することができるので、第4の半導体層P+層6a,6bの表面にホール30を蓄積させることができる。これにより、MOSトランジスタ111のゲート導体層4a,4bの電圧変動によるフォトダイオード電位への影響が小さくなり、本実施形態に係る固体撮像装置100は安定に動作することができる。
FIG. 3B is a pixel structure diagram when no signal charge is accumulated in the
Also in the signal read operation, the voltage of the
図3(d)にリセット動作期間における図1A中のB−B’線に沿った電位分布図を示す。リセット動作期間において、第5の半導体層P+層8の電位VYLR、信号電荷が蓄積されていないときの第3の半導体層N層5a,5b内の最も深い電位Φpm、MOSトランジスタのゲート導体層4a,4bにオン電圧が印加されたときの第2の半導体層P層2のMOSトランジスタ111のチャネル電位Φrg、第1の半導体層N+層1の電位VXLRの順番で深くなるように、信号線XLの電圧VXLR、画素選択線YLの電圧VYLR、および導体電極7a,7bの電圧Vpgを設定する。このような電位関係によって、フォトダイオード112に蓄積されている信号電荷は、フォトダイオード112に残存することなく第1の半導体層N+層1に除去される。そのため、残像の発生が防止され、さらに、信号電荷が信号線XLに転送された後にはリセットMOSトランジスタ111のチャネルに流れる電流がないことによりkTCノイズの発生が防止される。また、第3の半導体層N層5a,5bの電位Φpmは、導体電極7a,7bの電圧Vpgにより制御され得る。そのため、リセット動作期間において最も深い第1の半導体層N+層1の電位VXLRが浅くなるように、第3の半導体層N層5a,5bの電位Φpmを設定することができる。これにより、固体撮像装置100の駆動電圧を低くすることができる。
FIG. 3D shows a potential distribution diagram along the line BB ′ in FIG. 1A during the reset operation period. In the reset operation period, the potential V YLR of the fifth semiconductor layer P + layer 8, the deepest potential Φ pm in the third semiconductor layer N layers 5a and 5b when no signal charge is accumulated, the gate of the MOS transistor The channel potential Φ rg of the
(第2の実施形態)
図4に本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置100aを説明するための、隣接した2画素10e,10fの画素断面図を示す。なお、第1の実施形態に係る固体撮像装置100と同一部分には同一の数字を付す。また区別のため、画素10eに含まれる部分にはaaおよびabを、画素10fに含まれる部分にはbaおよびbbを付す。第1の実施形態との違いは、画素10e,10fの導体電極7aa,7ab,7ba,7bbがゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bbの近傍で繋がっていることである。本実施形態においては、導体電極7aa,7ab,7ba,7bbと、隣接した画素の導体電極7aa,7ab,7ba,7bb同士を接続する配線導体層13a〜13cと、から画素選択線が構成される。なお、本実施形態において、導体電極7aa,7ab,7ba,7bbと配線導体層13a〜13cとは、一体に形成されている。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a cross-sectional view of two
導体電極7aa,7ab,7ba,7bbおよび配線導体層13a〜13cは、金属膜または十分に厚い高濃度不純物多結晶Siなどの遮光性の材料によって形成されている。そのため、例えば、画素10aの第5の半導体層P+層8aに入射した光(入射光)12aは、導体電極7ab,7baおよび配線導体層13bにより反射される。この反射された光(反射光)12cは画素10eで有効な信号電荷を発生させる。そして、図4に点線矢印で示すような隣接画素10fへの漏洩光12bは生じない。さらに、導体電極7aa,7ab,7ba,7bbがゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bbの近傍で繋がっていることによって、画素間隙11a,11b,11cに入射した光(画素間隙への漏洩光)14は、図4に示すように、配線導体層13a〜13cによって反射または吸収される。そのため、光14が、画素10e,10fの底部に到達する間にゲート電極4aa,4ab,4ba,4bbと導体電極7aa,7ab,7ba,7bbとの間隙などの光学路から画素10e,10fの第2の半導体層P層2a,2bに侵入することを防止できる。これにより、混色の発生および解像度の低下を防止することができる。
Conductor electrodes 7aa, 7ab, 7ba, 7bb and wiring conductor layers 13a-13c are formed of a light-shielding material such as a metal film or sufficiently thick high-concentration impurity polycrystalline Si. Therefore, for example, light (incident light) 12a incident on the fifth semiconductor layer P + layer 8a of the
図4では導体電極7aa,7ab,7ba,7bbが、図面で示された方向(図面に対し水平な方向)に配列された画素10e,10f同士を接続している場合について示しているが、図面に対し垂直方向に配列された画素同士を接続してもよい。この場合においても、同様に混色の発生および解像度低下を防止することができる。
さらに、図2に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置100aの感光領域にある全画素10a〜10dの導体電極7a,7bを接続して、一つの外部電圧Vpgに接続することができる。この場合、感光領域の画素間隙11a〜11c全面を覆うように導体電極7aa,7ab,7ba,7bbおよび配線導体層13a〜13cが形成されるので、画素間隙11a〜11cに入射した光が第2の半導体層P層2a,2bに入射することをほぼ完全に防止することができる。
FIG. 4 shows a case where the conductor electrodes 7aa, 7ab, 7ba, 7bb connect the
Further, as shown in FIG. 2, the
(第3の実施形態)
図5に本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置100bを説明するための2画素10e,10fの画素断面図を示す。なお、第2の実施形態に係る固体撮像装置100aと同一部分には同一符号を付す。第2の実施形態に係る固体撮像装置100aにおいては、導体電極7aa,7ab,7ba,7bbがゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bbの近傍で繋がっている。これに対し、本実施形態に係る固体撮像装置100bにおいては、各画素10e,10fの画素間隙11a〜11cのうち、導体電極7aa,7ab,7ba,7bbの間およびゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bbの間の両方、またはどちらかの一方に埋め込み導体層15a〜15c,16a〜16cを埋め込んでいる。図5は、両方に埋め込み導体層15a〜15c,16a〜16cを埋め込んだ場合について示している。この場合、導体電極7aa,7ab,7ba,7bbとゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bbとの配線方向が同じである。なお、両者の配線が直交した方向に取り出されている場合には、図5において、導体電極7aa,7ab,7ba,7bbおよび導体ゲート層4aa,4ab,4ba,4bbのいずれか一方にのみ埋め込み導体層15a〜15c,16a〜16cが示される。
(Third embodiment)
FIG. 5 shows a cross-sectional view of two
埋め込み導体層15a〜15c,16a〜16cは、金属膜または十分に厚い高濃度不純物多結晶Siなどの遮光性の材料によって形成されている。そのため、例えば、画素10eの第5の半導体層P+層8aに入射した光12aは、ゲート導体層4ab,4baおよび導体電極7ab,7baにおいて反射される。この反射された光(反射光)12cは画素10eで有効な信号電荷を発生させる。また、入射光12aおよび反射光12cが、ゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bbと導体電極7aa,7ab,7ba,7bbとの間隙から漏洩しても、漏洩した光は、埋め込み導体層15a〜15c,16a〜16cによって反射または吸収される。そのため、入射光12aおよび反射光12cが、隣接画素10e,10fの第2の半導体層P層2a,2bに侵入することをより効果的に防止することができる。これにより、解像度の低下、または混色の発生をより効果的に防止することができる。
The buried
(第4の実施形態)
図6に本発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置100cを説明するための画素構造を示す。なお、第2の実施形態に係る固体撮像装置100aと同一部分には同一符号を付す。本図は、第2の半導体層P層2a,2b、ゲート導体層4ab,4ba、第3の半導体層N層5ab,5ba、第4の半導体層P+層6ab,6ba、導体電極7ab,7ba、および第5の半導体層P+層8a,8bを含む領域を拡大した画素断面図である。ここで、導電電極7ab,7baは、配線導体層13bを介して互いに接続されている。第2の実施形態に係る固体撮像装置100aとの違いは、ゲート導体層4ab,4baを覆うように設けられた絶縁膜17ab,17baを介して、導体電極7ab,7baが、少なくともゲート導体層4ab,4baの一部と重なって形成されている点である。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 shows a pixel structure for explaining a solid-
本固体撮像装置100cにおいては、ゲート導体層4ab,4baと導体電極7ab,7baとの間に隙間がないため、この隙間からの光の漏洩が起こらない。そのため、隣接画素への光漏洩をより効果的に防止することができる。
In the solid-
本実施形態においては、導体電極7ab,7ba同士が繋がっている場合について説明したが、第1の実施形態に係る固体撮像装置100のように導体電極7a,7b同士が繋がっていない場合であっても、導体電極7a,7bがゲート導体層4a,4bと重なるように形成されることにより、上記と同様に、隣接画素への光漏洩をより効果的に防止することができる。
In the present embodiment, the case where the conductor electrodes 7ab and 7ba are connected to each other has been described. However, the
次に、第4の実施形態に係る固体撮像装置100cの製造方法について、図7〜図15を参照しながら、説明する。
Next, a method for manufacturing the solid-
まず、図7に示すように、シリコン(SiO2)基板上に、P型シリコン層301、シリコン窒化膜302およびシリコン酸化膜303を堆積する。その後、エッチング等により、図8に示すように、島状半導体層304a,304bを形成する。次に、例えば、酸素雰囲気中で基板を加熱して、シリコン表面を酸化することによりシリコン酸化膜305を形成する。次にポリシリコンを堆積し、エッチバックすることにより、図9に示すようにサイドウォール状のポリシリコン膜306を形成する。
First, as shown in FIG. 7, a P-
次に、イオン注入法などによりP型シリコン層301にリン等を注入することで第1の半導体層N+層1a,1bを形成する。その後、ポリシリコン膜306およびシリコン酸化膜305を剥離する。次に、シリコン酸化膜層307を形成し、ゲート酸化によりゲート酸化膜308を形成し、図10に示すように、モノシラン(SiH4)の熱分解によるCVD法でポリシリコン膜309を堆積する。次に、ポリシリコン膜309上のゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bbを定義する領域上にシリコン酸化膜(SiO2膜)310を形成する。次に、SiO2膜310若しくはレジスト膜をマスクにしてゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bb以外のポリシリコン膜309をエッチングして除去し、図11に示すように、ゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bbを形成する。その後、SiO2膜310を除去し、ゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bbのポリシリコンを酸化して、絶縁膜17aa,17ab,17ba,17bbを形成する。
Next, the first semiconductor layer N + layers 1a and 1b are formed by implanting phosphorus or the like into the P-
次に、リン等をイオン注入法などによりP型シリコン層301に注入し、第3の半導体層N層5aa,5ab,5ba,5bbを形成する。さらにボロン等をイオン注入法などにより第3の半導体層N層5aa,5ab,5ba,5bbに注入し、図12に示すように、第4の半導体層P+層6aa,6ab,6ba,6bbを形成する。その後、シリコン窒化膜302を剥離する。次に、酸化シリコン又は窒化シリコンを堆積し、平坦化およびエッチバックすることにより、シリコン酸化膜311aを形成する。露出している半導体層を酸化して、シリコン酸化膜312を形成し、ボロン等を注入することにより、図13に示すように、第5の半導体層P+層8a,8bを形成する。その後、シリコン酸化膜312を剥離し、図14に示すように、導体電極7ab,7baとゲート導体層4ab,4baとが重なる部分の深さまでシリコン酸化膜311aをエッチングして除去し、シリコン酸化膜311bを形成する。次に、ゲート導体層4aa,4ab,4ba,4bbのポリシリコンを酸化する。その後、基板全面に金属膜を真空蒸着、スパッタリング等により形成し、これをパターニングすることにより、図15に示すように、導体電極7aa,7ab,7ba,7bbと、導体電極7aa,7ab,7ba,7bb同士を接続する配線導体層13a〜13cと、を形成することができる。
このような工程により、第4の実施形態に係る固体撮像装置100cの画素構造が得られる。
Next, phosphorus or the like is implanted into the P-
By such a process, the pixel structure of the solid-
(第5の実施形態)
図16(a)を参照しながら、本発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置100dについて説明する。本図は、図1に示す画素10の一部分を拡大したものである。
第5の半導体層P+層8から第1の半導体層N+層1に向かう方向において、導体電極7a,7bの電極上端20a,20b、第4の半導体層P+層6a,6bのP+層上端19a,19b、第3の半導体層N層5a,5bのN層上端18a,18bの順に第5の半導体層P+層8から離れて形成されている。
(Fifth embodiment)
A solid-
In the direction from the fifth semiconductor layer P + layer 8 in the first semiconductor layer N + layer 1,
導体電極7a,7bの電極上端20a,20bと第4の半導体層P+層6a,6bのP+層上端19a,19bとの間にある第2の半導体層P層2の表面領域21a,21bの電位は導体電極7a,7bに印加される電圧により制御される。これにより、第4の半導体層P+層6a,6bの電位は、撮像動作期間において電圧変化する第5の半導体層P+層8の電圧からの影響を受け難くなる。そのため、導体電極7a,7bに印加する電圧により、安定して第4の半導体層P+層6a,6bの電位を設定することができる。
さらに、第3の半導体層N層5a,5bのN層上端18a,18bが、第4の半導体層P+層6a,6bのP+層上端19a,19bよりも第2の半導体層P層2の上面から離れて設けられているので、第4の半導体層P+層6a,6bが第2の半導体層P層2と接する面積が増加する。このため、第2の半導体層P層2から第4の半導体層P+層6a,6bにホール30が安定して供給される。本実施形態においては、フォトダイオードに蓄積される信号電荷が電子であるため、その反対極性の電荷であるホールが供給される。これにより、暗電流の発生を安定して防止することができる。
Further, the N semiconductor layer N layers 5a and 5b have N layer upper ends 18a and 18b that are higher than the P + layer upper ends 19a and 19b of the fourth semiconductor layer P + layers 6a and 6b. Therefore, the area where the fourth semiconductor layer P + layers 6a and 6b are in contact with the second semiconductor
また、図16(b)に示すように、第4の半導体層P+層6a,6bのP+層上端19a,19bと第3の半導体層N層5a,5bのN層上端18a,18bとの位置が一致していてもよい。このような構成においても、第2の半導体層P層2から第4の半導体層P+層6a,6bにホールが供給されるので、暗電流の発生を防止することができる。
Further, as shown in FIG. 16B, the P + layer upper ends 19a and 19b of the fourth semiconductor layers P + layers 6a and 6b, and the N layer upper ends 18a and 18b of the third semiconductor layers N layers 5a and 5b, The positions of may match. Even in such a configuration, since holes are supplied from the second semiconductor
(第6の実施形態)
図17(a)〜図17(c)に本発明の第6の実施形態に係る固体撮像装置100eを説明するための画素10の構造を示す。なお、第1の実施形態に係る固体撮像装置100と同一部分には同一符号を付す。
(Sixth embodiment)
FIGS. 17A to 17C show the structure of the
図17(a)に示すように、信号読み出し動作期間において、フォトダイオード112に信号電荷が蓄積されていないときにフォトダイオード112の空乏層9cが、第2の半導体層P層2のうちフォトダイオード112が形成される上部領域を占有している。このようなフォトダイオード112の空乏層9cの状態は、第3の半導体層N層5a,5bおよび第2の半導体層P層2の層厚、不純物濃度などを適宜調整し、さらにフォトダイオード112上の導体電極7a,7bに印加する電圧を適宜設定することにより形成され得る。
空乏層9cが、第2の半導体層P層2の上部領域を占有している場合には、増幅用接合トランジスタの第5の半導体層P+層8と第1の半導体層N+層1近傍の第2の半導体層P層2との間に電流を流すためのチャネルは形成されていない。
As shown in FIG. 17A, the
When the
フォトダイオード112に信号電荷が蓄積されていると、信号読み出し動作期間では、図17(b)に示すようにフォトダイオード112の空乏層9a,9b幅が減少し、第2の半導体層P層2に増幅用接合トランジスタのチャネルが形成されて、蓄積信号電荷に応じた電流がこのチャネルに流れる。
When the signal charge is accumulated in the
図17(c)は、信号電荷蓄積動作期間において、フォトダイオード112に信号電荷が蓄積されていないときの空乏層9cを記入した画素構造図である。信号電荷蓄積動作期間においては、通常、例えば第1の半導体層N+層1の電圧VXLR=0V、第5の半導体層P+層8の電圧VYLR=0V、外部電圧Vpg=0Vに設定する。
FIG. 17C is a pixel structure diagram in which the
図17(c)に示すように、信号電荷蓄積動作期間において、信号電荷が蓄積されていないときには、空乏層9cが第2の半導体層P層2の上部領域を占有して形成されている。空乏層9cが第2の半導体層P層2を占有していないと、空乏層9cがない第2の半導体層P層2において発生した信号電荷は拡散して、第5の半導体層P+層8または第1の半導体層N+層1に到達する。これにより第2の半導体層P層2で発生した信号電荷は、信号として無効になる。これに対して、空乏層9cが第2の半導体層P層2の上部領域を占めることにより信号電荷は有効にフォトダイオード112に蓄積される。特に照射光量の少ない状態において、発生する信号電荷を効果的にフォトダイオード112に捕獲し、蓄積することができる。
As shown in FIG. 17C, in the signal charge accumulation operation period, when no signal charge is accumulated, the
また、信号電荷蓄積動作期間において、信号電荷が蓄積されていないときは、増幅用接合トランジスタのチャネルがピンチオフされているので、例えば、画素選択線への飛び込みノイズにより、第5の半導体層P+層8からホールが第2の半導体層P層2に注入されようとしても、空乏層9cによりこのようなホール注入が防止される。
Further, when the signal charge is not accumulated during the signal charge accumulation operation period, the channel of the amplifying junction transistor is pinched off. For example, due to noise jumping into the pixel selection line, the fifth semiconductor layer P + Even if holes are to be injected from the
このように、信号読み出し動作期間および信号電荷蓄積動作期間において、フォトダイオード112に信号電荷が蓄積されていないときにフォトダイオード112の空乏層9cが第2の半導体層P層2の上部領域を占有するように形成されることによって、良好な低照度特性を有する固体撮像装置を提供することができる。
Thus, in the signal read operation period and the signal charge accumulation operation period, the
上記第1〜第6の実施形態においては、第1の半導体層がN+層である場合について説明を行ったが、第1の半導体層をP+層にして、同様に第2の半導体層をN層、第3の半導体層をP層、フォトダイオード表面の第4半導体層をN+層、第5半導体層をN+層と、半導体層の極性を逆にした固体撮像装置においても同様の作用効果を得ることができる。その場合、信号電荷として、フォトダイオードにホールが蓄積されるので、導体電極の電圧Vpgは、第4の半導体層の表面に電子を蓄積するように設定される。 In the first to sixth embodiments, the case where the first semiconductor layer is an N + layer has been described. However, the first semiconductor layer is a P + layer, and the second semiconductor layer is similarly formed. The same applies to a solid-state imaging device in which the polarity of the semiconductor layer is reversed, with the N layer being the N layer, the third semiconductor layer being the P layer, the fourth semiconductor layer on the photodiode surface being the N + layer, the fifth semiconductor layer being the N + layer The effect of this can be obtained. In that case, since holes are accumulated in the photodiode as signal charges, the voltage V pg of the conductor electrode is set so as to accumulate electrons on the surface of the fourth semiconductor layer.
また、上記第1、第2、第4〜第6の実施形態においては、第1の半導体層N+層1に繋がった配線と第5の半導体層P+層8に繋がった配線の配置方向が直交している場合について説明したが、第1の半導体層N+層1がリセット動作における信号電荷除去用ドレイン専用として用いる場合は、直交している必要はない。 In the first, second, and fourth to sixth embodiments, the wiring direction connected to the first semiconductor layer N + layer 1 and the wiring direction connected to the fifth semiconductor layer P + layer 8 are arranged. However, when the first semiconductor layer N + layer 1 is used exclusively for the signal charge removal drain in the reset operation, it is not necessary to be orthogonal.
上記第1〜第6の実施形態において、1個の画素、または2個の画素を用いて説明を行ったが、画素が1次元または2次元状に複数、配置されていてもよい。 In the first to sixth embodiments, the description has been given using one pixel or two pixels. However, a plurality of pixels may be arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
また、上記第1〜第6の実施形態における画素配置は、1次元画素配置では直線状、ジグザグなど、2次元画素配置では直線格子状、ハニカム状などであってよいが、これに限定されるものではない。 In addition, the pixel arrangement in the first to sixth embodiments may be linear, zigzag or the like in the one-dimensional pixel arrangement, but may be a linear lattice or honeycomb in the two-dimensional pixel arrangement, but is not limited thereto. It is not a thing.
本発明に係る固体撮像装置においては、少なくともダイオードと、第4の半導体層P+層6a,6bと、第5の半導体層P+層8とが島状形状内に形成されているが、この島状半導体は、円柱、6角形、または他の形状であってよい。 In the solid-state imaging device according to the present invention, at least the diode, the fourth semiconductor layer P + layers 6a and 6b, and the fifth semiconductor layer P + layer 8 are formed in an island shape. The island-shaped semiconductor may be cylindrical, hexagonal, or other shapes.
上記第2〜第4の実施形態においては、導体電極7aa,7ab,7ba,7bb、導体層13a〜13c、埋め込み導体層15a〜15c,16〜16cを材料として区別していたが、同じ材料であっても同様の効果を得ることは言うまでもない。
In the second to fourth embodiments, the conductor electrodes 7aa, 7ab, 7ba, 7bb, the conductor layers 13a to 13c, and the buried
また、上記第1〜第6の実施形態においては、光照射により画素内で信号電荷を発生する固体撮像装置について説明したが、可視光、紫外線、赤外線、X線、放射線、電子線などの電磁エネルギー波の照射により画素に信号電荷が発生するものにも本発明が適用されることは言うまでもない。 In the first to sixth embodiments, the solid-state imaging device that generates signal charges in the pixels by light irradiation has been described. However, electromagnetic waves such as visible light, ultraviolet light, infrared light, X-rays, radiation, and electron beams are used. Needless to say, the present invention is also applied to a pixel in which signal charges are generated by irradiation of energy waves.
また、上記第1〜第6の実施形態においては、MOSトランジスタは第2の半導体層P層2をチャネルとしているが、例えば、イオン注入などにより、第2の半導体層P層2の領域に不純物を注入することによって、チャネルを形成してもよい。
In the first to sixth embodiments, the MOS transistor uses the second semiconductor
また、第1の半導体層1は、基板上において、画素間で連続して形成されてもよいし、画素毎に形成されてもよい。画素毎に第1の半導体層1が形成される場合、第1の半導体層1は互いに、他の金属配線によって接続され得る。また、第1の半導体層1と第2の半導体層2とは、全面で接触(接合)する必要はなく、一部で接触していてもよい。さらに、第1の半導体層1の一部を他の半導体層に置換する等してもよい。
Further, the
また、上記第1〜第6の実施形態においては、MOSトランジスタのゲート導体層4a,4bおよび導体電極7a,7bなどが単一材料から構成される場合について説明したが、例えば、金属層、多結晶シリコン層などの複数の層から構成されてもよい。
In the first to sixth embodiments, the case where the gate conductor layers 4a and 4b and the
また、上記第1〜第6の実施形態に係る固体撮像装置において、導体電極7a,7bに印加する電圧Vpgは、信号電荷蓄積動作期間、信号読み出し動作期間およびリセット動作期間の全期間にわたってほぼ同一であってもよいし、第4の半導体層P+層6a,6bに第2の半導体層P層2からホールを供給し、蓄積することができれば、電圧Vpgを変動させてもよい。
In the solid-state imaging devices according to the first to sixth embodiments, the voltage V pg applied to the
また、上記第1〜第6の実施形態においては、第5の半導体層P+層8から第1の半導体層N層1に向かう方向に、第4の半導体層P+層6a,6bのP+層上端19a,19bと導体電極7a,7bの電極上端20a,20bの位置が揃っている場合、およびP+層上端19a,19bが電極上端20a,20bよりも第5の半導体層8から離れている場合について説明した。しかしながら、第4の半導体層P+層6a,6bと第5の半導体層P+層8とが第2の半導体層P層2によって離隔されていれば、第2の半導体層P層2から第4の半導体層P+層6a,6bにホールが供給されるので、電極上端20a,20bがP+層上端19a,19bよりも第5の半導体層P+層8から離れていてもよい。
In the first to sixth embodiments, the P of the fourth semiconductor layer P + layers 6 a and 6 b extends from the fifth semiconductor layer P + layer 8 toward the first semiconductor
1,1a,1b 第1の半導体層N+層
2,2a,2b 第2の半導体層P層
3a,3b,3aa,3ab,3ba,3bb,63a,63b 絶縁膜(SiO2膜)
4a,4b,4aa,4ab,4ba,4bb,64a,64b ゲート導体層
5a,5b,5aa,5ab,5ba,5bb 第3の半導体層N層
6a,6b,6aa,6ab,6ba,6bb 第4の半導体層P+層
7a,7b,7aa,7ab,7ba,7bb 導体電極
8,8a,8b 第5の半導体層P+層
9,9a〜9c 空乏層
10,10a〜10f 画素
11a〜11c 画素間隙
12a,69a 入射光(光)
12b,69b 漏洩光(光)
12c 反射光
13a〜13c 配線導体層
14 画素間隙への漏洩光
15a〜15c,16a〜16c 埋め込み導体層
17aa,17ab,17ba,17bb 絶縁膜
18a,18b N層上端
19a,19b P+層上端
20a,20b 電極上端
21a,21b 第2の半導体層P層2の表面領域
30 ホール
50 信号電荷
51 信号電荷蓄積部の電位井戸
52 照射光(光)
53 P型半導体基板
54a,54b シリコン酸化膜(SiO2膜)
55 転送ゲート電極下チャネル
56 増幅MOSトランジスタ
57 選択ゲートMOSトランジスタ
58 リセットMOSトランジスタ
59 信号線
60 島状半導体(画素)
61 信号線N+層
62 P型半導体層
65a,65b N型半導体層
66 P+層
67a,67b 画素選択線
68a,68b 絶縁層
100,100a〜100e 固体撮像装置
111 MOSトランジスタ
112 フォトダイオード
201 垂直走査回路
202 水平走査回路
203 リセット回路
204 相関二重サンプリング(CDS)出力回路
301 P型シリコン層
302 シリコン窒化膜
303,310,311a,311b,312 シリコン酸化膜(SiO2膜)
304a,304b 島状半導体層
305 シリコン酸化膜
306,309 ポリシリコン膜
307 シリコン酸化膜層
308 ゲート酸化膜
XL1,XL2 信号線
YL1,YL2 画素選択線
RSL リセット線
Tr1,Tr2 信号線MOSトランジスタ
SW1,SW2 切替スイッチ
1, 1a, 1b 1st semiconductor layer N + layer 2, 2a, 2b 2nd semiconductor
4a, 4b, 4aa, 4ab, 4ba, 4bb, 64a, 64b Gate conductor layers 5a, 5b, 5aa, 5ab, 5ba, 5bb Third semiconductor
12b, 69b Leaked light (light)
12c Reflected light 13a to 13c
53 P-
55 Transfer gate electrode
61 Signal line N + layer 62 P
304a, 304b
Claims (9)
前記画素のそれぞれが、
基板上に形成された第1の半導体層と、
該第1の半導体層上に形成された第2の半導体層と、
該第2の半導体層の上部側面領域に、該第2の半導体層の上面から離れて形成された第4の半導体層と、
該第4の半導体層の内側面と前記第2の半導体層との間に、該第2の半導体層の上面から離れて形成された第3の半導体層と、
少なくとも前記第2の半導体層の側面と前記第4の半導体層の外側面とに形成された第1の絶縁膜と、
前記第2の半導体層の側面のうち前記第3の半導体層が形成されていない下部側面に前記第1の絶縁膜を介して形成されたゲート導体層と、
前記第1の絶縁膜を介して前記第4の半導体層の外側面に形成された導体電極と、
前記第3の半導体層および前記第4の半導体層とは接しないように前記第2の半導体層の上面に形成された第5の半導体層と、
を有し、
少なくとも前記第3の半導体層と、前記第2の半導体層のうち前記第3の半導体層が形成された上部領域と、前記第4の半導体層と、前記第5の半導体層とは、島状形状内に形成され、
前記第3の半導体層と該第3の半導体層近傍の前記第2の半導体層とはダイオードを形成し、
前記第1の半導体層近傍の前記第2の半導体層および前記第5の半導体層のいずれか一方をドレインとし、他方をソースとし、前記ダイオードをゲートとする接合トランジスタが形成され、
前記第1の半導体層をドレインとし、前記第3の半導体層をソースとし、前記ゲート導体層をゲートとする電界効果トランジスタが形成され、
電磁エネルギー波の照射によって前記画素内に発生した信号電荷を前記ダイオードに蓄積させる手段と、
前記ダイオードに蓄積された信号電荷の量に応じて変化する、前記接合トランジスタに流れる電流を測定することにより、該信号電荷の量を測定する、信号読み出し手段と、
前記電界効果トランジスタの前記ゲート導体層にオン電圧を印加して、前記第1の半導体層と前記第3の半導体層との間の前記第2の半導体層を含む領域にチャネルを形成することにより、前記ダイオードに蓄積された信号電荷を前記第1の半導体層に除去するリセット手段と、
を備え、
前記ダイオードに蓄積される信号電荷と反対極性の電荷を前記第4の半導体層に蓄積させるように、前記導体電極に電圧を印加する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device having one or a plurality of pixels,
Each of the pixels
A first semiconductor layer formed on a substrate;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer formed on the upper side surface region of the second semiconductor layer and away from the upper surface of the second semiconductor layer;
A third semiconductor layer formed between the inner side surface of the fourth semiconductor layer and the second semiconductor layer, away from the upper surface of the second semiconductor layer;
A first insulating film formed on at least a side surface of the second semiconductor layer and an outer surface of the fourth semiconductor layer;
A gate conductor layer formed through the first insulating film on a lower side surface of the side surface of the second semiconductor layer where the third semiconductor layer is not formed;
A conductor electrode formed on the outer surface of the fourth semiconductor layer via the first insulating film;
A fifth semiconductor layer formed on an upper surface of the second semiconductor layer so as not to contact the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer;
Have
At least the third semiconductor layer, an upper region of the second semiconductor layer where the third semiconductor layer is formed, the fourth semiconductor layer, and the fifth semiconductor layer are island-shaped Formed in shape,
The third semiconductor layer and the second semiconductor layer in the vicinity of the third semiconductor layer form a diode,
A junction transistor is formed in which one of the second semiconductor layer and the fifth semiconductor layer in the vicinity of the first semiconductor layer is a drain, the other is a source, and the diode is a gate.
A field effect transistor having the first semiconductor layer as a drain, the third semiconductor layer as a source, and the gate conductor layer as a gate is formed;
Means for storing in the diode signal charges generated in the pixels by irradiation of electromagnetic energy waves;
Signal readout means for measuring the amount of signal charge by measuring the current flowing through the junction transistor, which varies according to the amount of signal charge accumulated in the diode;
By applying a turn-on voltage to the gate conductor layer of the field effect transistor to form a channel in a region including the second semiconductor layer between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer; Reset means for removing signal charges accumulated in the diode in the first semiconductor layer;
With
Applying a voltage to the conductor electrode so as to cause the fourth semiconductor layer to accumulate a charge having a polarity opposite to that of the signal charge accumulated in the diode;
A solid-state imaging device.
前記第3の半導体層は、前記第1の半導体層と同じ導電型であり、
前記第4の半導体層は、前記第1の半導体層と反対導電型であり、
前記第5の半導体層は、前記第1の半導体層と反対導電型である、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The second semiconductor layer is of a conductivity type opposite to or substantially true of the first semiconductor layer;
The third semiconductor layer has the same conductivity type as the first semiconductor layer;
The fourth semiconductor layer has a conductivity type opposite to that of the first semiconductor layer;
The fifth semiconductor layer has a conductivity type opposite to that of the first semiconductor layer;
The solid-state imaging device according to claim 1.
前記導体電極が、該第2の絶縁膜を介して、少なくとも前記ゲート導体層の一部と重なるように形成されている、ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 A second insulating film formed to cover the gate conductor layer;
5. The device according to claim 1, wherein the conductor electrode is formed so as to overlap at least a part of the gate conductor layer with the second insulating film interposed therebetween. Solid-state imaging device.
前記第3の半導体層と前記第4の半導体層と前記導体電極とは、前記第5の半導体層から前記第1の半導体層に向かう方向において、該第3の半導体層の上端が該導体電極の上端よりも該第5の半導体層から離れ、該第4の半導体層の上端が該第3の半導体層の上端と該導体電極の上端との間に位置するように形成されている、
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The third semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, and the conductor electrode are arranged such that, in the direction from the fifth semiconductor layer toward the first semiconductor layer, the upper end of the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer The upper end of the semiconductor layer and the upper end of the conductor electrode are substantially aligned with each other, or the third semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, and the conductor electrode are the fifth semiconductor layer. In the direction from the first semiconductor layer to the first semiconductor layer, the upper end of the third semiconductor layer is farther from the fifth semiconductor layer than the upper end of the conductor electrode, and the upper end of the fourth semiconductor layer is the third semiconductor layer. It is formed so as to be located between the upper end of the semiconductor layer and the upper end of the conductor electrode,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is provided.
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