JP5245267B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
Solid-state imaging device Download PDFInfo
- Publication number
- JP5245267B2 JP5245267B2 JP2007076106A JP2007076106A JP5245267B2 JP 5245267 B2 JP5245267 B2 JP 5245267B2 JP 2007076106 A JP2007076106 A JP 2007076106A JP 2007076106 A JP2007076106 A JP 2007076106A JP 5245267 B2 JP5245267 B2 JP 5245267B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- modulation
- source
- well portion
- substrate
- transistor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
本発明は、固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
固体撮像装置を含む画素をマトリクス状に配置して得られる固体撮像基板は例えば携帯電話などに搭載されている。固体撮像基板の種類としては例えばCCD(キャリア結合素子)型の固体撮像装置を含む固体撮像基板と、MOS型の固体撮像装置を含む固体撮像基板がある。CCD型の固体撮像基板は画質に優れ、MOS型の固体撮像基板は消費電力が少なく、プロセスコストが低い。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型固体撮像基板が提案されている。閾値電圧変調方式のMOS型固体撮像基板については、例えば、特許文献1に開示されている。
A solid-state imaging substrate obtained by arranging pixels including a solid-state imaging device in a matrix is mounted on, for example, a mobile phone. Examples of the solid-state imaging substrate include a solid-state imaging substrate including a CCD (carrier coupling element) type solid-state imaging device and a solid-state imaging substrate including a MOS type solid-state imaging device. The CCD type solid-state imaging substrate has excellent image quality, and the MOS type solid-state imaging substrate has low power consumption and low process cost. In recent years, a MOS type solid-state imaging substrate of a threshold voltage modulation method that has both high image quality and low power consumption has been proposed. A threshold voltage modulation type MOS solid-state imaging substrate is disclosed in, for example,
固体撮像基板は、画素をマトリクス状に配列し、各画素がクリア、蓄積、読み出しを含む状態を繰り返すことで、画像出力を得ている。特許文献1によって開示された固体撮像基板は、各画素が、蓄積を行うためのフォトダイオードと、読み出し(光発生キャリアによる閾値変調分を抽出する動作を指し示す動作であるため、以下変調と呼ぶ。)を行うためのトランジスタとを有している。
The solid-state imaging substrate obtains an image output by arranging pixels in a matrix and repeating a state in which each pixel includes clear, accumulation, and readout. The solid-state imaging substrate disclosed in
図8は、特許文献1に示されたフォトダイオードPDと、変調トランジスタTMとが一体化されたVMIS型固体撮像素子120を含む画素3をマトリクス状に配列した固体撮像基板100の模式配線図である(後述する伝達トランジスタTSを用いない構造に強い光SLが入射された場合の状態を示す等価回路図としても用いている。)。同一列に配列された画素3のソース部7からの出力は、共通のソースライン66を介して取り出される。ゲートライン67の1つにオン信号を供給することで、共通のソースライン66に接続された画素3のうちオン信号が供給されたゲートライン67につながる1つの画素3のソース部7からの信号のみを読み出すことを可能としている。この場合では、非選択画素3aの非選択変調トランジスタTMaの非選択リングゲート電極6aよりも高い電位を、読み出しを行う(選択された)画素3の変調トランジスタTMのリングゲート電極6に印加することで画素3を選択している。
オン信号として、高いゲート電位が印加された変調トランジスタTMのソース部7の出力は、低いゲート電位を印加した非選択変調トランジスタTMaの非選択ソース部7aの出力よりも高くなる。オン信号により選択されたゲートライン67に対応する、選択された画素3のソース部7からの出力はソースライン66xから得ることができる。
ここで、図8での信号抽出手順として、例えばソースライン66xに着目する。光発生キャリアを蓄積した後の選択した画素3のソース部7から供給される電位に支配されるソースライン66xの電位と、クリアを行った後の画素3のソース部7が出力する電位に支配されるソースライン66xの電位との差分を抽出する。蓄積後のソースライン66xの電位とクリアを行った後のソースライン66xの電位との差分を抽出することで個々の画素3が有する、例えば閾値などの特性分布に起因するばらつきを打ち消すことができ、より高いSN比を有する画像信号の抽出を可能としている。
FIG. 8 is a schematic wiring diagram of the solid-
As an ON signal, the output of the
Here, as a signal extraction procedure in FIG. 8, attention is paid to the
差分抽出を行う場合に、特許文献1で提示されている構成では、図8に示すように選択されたゲートライン67で画素3を選択し、選択された画素3のソース部7からの電位を各ソースライン66に伝達することで選択された画素3のソース部7からの電位を検出している。ここで、ソースライン66xにつながる非選択画素3aの非選択フォトダイオードPDaに強い光SLが入射されると、選択された画素3のソース部7からの電位よりも大きな電位を発生する場合がある。これは、非選択変調トランジスタTMaの非選択ソース部7aの電位が上昇し、リングゲート電極6への電位の印加によりソース電位をシフトすることで選択された変調トランジスタTMのソース電位を上回ることで生じるものと考えられている。
When performing the difference extraction, in the configuration presented in
この場合、クリアを行った後のソース部7の電位よりも、強い光SLが入射される非選択画素3aに属する非選択ソース部7aの電位は高くなる。即ち、選択された画素3のソースライン66xの電位は、クリアを行った後の選択された画素3のソース部7の電位よりも高い、非選択画素3aの非選択ソース部7aの電位までにしか低下しない。そのため、この場合には選択された画素3のソース部7が出力する光発生キャリアを蓄積した後の当該ソース部7の電位と、クリアを行った後の当該ソース部7の電位との差分は得られない。
これに代わって光発生キャリアを蓄積した後のソース部7の電位と、強い光SLが照射された非選択画素3aの非選択ソース部7aの電位との差分が出力されるため、光強度が見かけ上小さくなって出力され、黒スミアと呼ばれる現象が発生する。
この黒スミアを防止するため、特許文献2に示すようにトランジスタを3つ用いて画素を形成する技術が提示されているが、1画素あたりのトランジスタ数が3つに増えるため開口率が低下し光感度が低下するという課題がある。
そこで、本発明は、1画素あたりのトランジスタ数の増加を抑え、さらに黒スミアの発生を防止し得る固体撮像装置を提供することを目的としている。
In this case, the potential of the non-selected
Instead, since the difference between the potential of the
In order to prevent this black smear, a technique for forming a pixel using three transistors as shown in
Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of suppressing an increase in the number of transistors per pixel and preventing the occurrence of black smear.
本出願では、「上」とは基板の第1面を介して、当該基板を構成する物体から離れて行く方向と定義する。そして「下」とは「上」と反対方向を指すものと定義する。また、「開口率」とは、光発生キャリアを発生可能な領域の面積と、画素の面積との比率と定義する。 In the present application, “upper” is defined as a direction away from an object constituting the substrate through the first surface of the substrate. And “down” is defined as pointing in the opposite direction to “up”. The “aperture ratio” is defined as the ratio of the area of a region capable of generating photogenerated carriers to the area of a pixel.
上記課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、第1導電型の基板と、前記基板の第1面側に配置される第2導電型のPDウェル部と、第1導電型を有し、前記PDウェル部内に位置する収集ウェル部と、を含むフォトダイオードと、第2導電型を有し、前記PDウェル部と接続される、前記PDウェル部の接合深さと比べ浅い接合深さを有するTRウェル部と、第1導電型を有し、前記収集ウェル部と接続され、前記TRウェル部内に位置する変調ウェル部と、平面視にて前記変調ウェル部内に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むソース部と、平面視にて前記変調ウェル部の少なくとも一部を覆う領域に配置され、前記ソース部を囲うゲート電極と、前記ゲート電極と前記基板の前記第1面との間に挟まれる位置に配置されるゲート絶縁層と、平面視にて、前記ゲート電極を挟み前記ソース部と対向する位置の少なくとも一部に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むドレイン部と、を含む変調トランジスタと、隣接する画素に配置される2つの前記変調トランジスタを一組として、電気的に接続された一組の前記ソース部と、ソースラインの間に一組あたり一つ接続され、選択信号により前記ソース部と前記ソースラインとの導通状態を制御する伝達トランジスタと、を含むことを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、第1導電型の基板と、前記基板の第1面側に配置される第2導電型のPDウェル部と、第1導電型を有し、前記PDウェル部内に位置する収集ウェル部と、を含むフォトダイオードと、第2導電型を有し、前記PDウェル部と接続される、前記PDウェル部の接合深さと比べ浅い接合深さを有するTRウェル部と、第1導電型を有し、前記収集ウェル部と接続され、前記TRウェル部内に位置する変調ウェル部と、平面視にて前記変調ウェル部内に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むソース部と、平面視にて、前記変調ウェル部の少なくとも一部を覆う領域に配置され、前記ソース部の一部を囲うゲート電極と、平面視にて、前記ゲート電極と協働して前記ソース部を囲う素子分離層と、前記ゲート電極と前記基板の前記第1面との間に挟まれる位置に配置されるゲート絶縁層と、平面視にて、前記ゲート電極を挟み前記ソース部と対向する位置に少なくとも一部に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むドレイン部と、を含む変調トランジスタと、隣接する画素に配置される2つの前記変調トランジスタを一組として、電気的に接続された一組の前記ソース部と、ソースラインの間に一組あたり一つ接続され、選択信号により前記ソース部と前記ソースラインとの導通状態を制御する伝達トランジスタと、を含むことを特徴とする。
上記の固体撮像装置において、前記画素の前記変調トランジスタ及び前記フォトダイオードのレイアウトを一列毎に前記ソースラインと交差する方向に鏡像反転させて配置し、前記変調トランジスタが近接して配置される領域に伝達トランジスタを配置することが好ましい。
上記の固体撮像装置において、前記画素の前記変調トランジスタ及び前記フォトダイオードのレイアウトを一列毎に前記ソースラインと交差する方向に鏡像反転させ、更に、前記ソースラインを挟む位置にある前記変調トランジスタ及び前記フォトダイオードのレイアウトを、一行毎に前記ソースラインと並ぶ方向に鏡像反転させて配置し、前記変調トランジスタが近接して配置された領域に伝達トランジスタを配置することが好ましい。
上記の固体撮像装置において、前記フォトダイオードの位置する領域での、前記基板表面を含む前記基板表面と前記収集ウェル部との間、及び/又は、前記ゲート絶縁層と前記基板との界面を含む前記ゲート絶縁層と前記変調ウェルとの間に、第2導電型を有するピニング層をさらに含むことが好ましい。
上記の固体撮像装置において、前記変調ウェル部内で、平面視にて前記ゲート電極の少なくとも一部と重なる領域に、周辺の前記変調ウェル部よりも高い第1導電型の不純物濃度を有するキャリアポケット部をさらに含むことが好ましい。
上記課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置は、第1導電型の基板と、前記基板の第1面側に配置される第2導電型のPDウェル部と、第1導電型を有し、前記PDウェル部内に位置する収集ウェル部と、を含むフォトダイオードと、第2導電型を有し、前記PDウェル部と接続される、前記PDウェル部の接合深さと比べ浅い接合深さを有するTRウェル部と、第1導電型を有し、前記収集ウェル部と接続され、前記TRウェル部内に位置する変調ウェル部と、平面視にて前記変調ウェル部内に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むソース部と、平面視にて前記変調ウェル部の少なくとも一部を覆う領域に配置され、前記ソース部を囲うゲート電極と、前記ゲート電極と前記基板の前記第1面との間に挟まれる位置に配置されるゲート絶縁層と、平面視にて、前記ゲート電極を挟み前記ソース部と対向する位置の少なくとも一部に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むドレイン部と、を含む変調トランジスタと、隣接する画素に配置される2つの前記変調トランジスタを一組として、電気的に接続された一組の前記ソース部と、ソースラインの間に一組あたり一つ接続され、選択信号により前記ソース部と前記ソースラインとの導通状態を制御する伝達トランジスタと、を含むことを特徴とする。
In order to solve the above problems, a solid-state imaging device according to the present invention includes a first conductivity type substrate, a second conductivity type PD well portion disposed on the first surface side of the substrate, and a first conductivity type. A junction well having a second conductivity type and connected to the PD well portion, the junction depth being shallower than the junction depth of the PD well portion. A TR well portion having a depth; a modulation well portion having a first conductivity type; connected to the collection well portion; positioned in the TR well portion; and disposed in the modulation well portion in plan view; A source part including a region having two conductivity types and in contact with the first surface of the substrate; a gate electrode disposed in a region covering at least a part of the modulation well part in plan view; and surrounding the source part; The gate electrode and the first surface of the substrate; A gate insulating layer disposed at a position sandwiched therebetween, and disposed in at least a part of a position facing the source portion with the gate electrode interposed therebetween in plan view, and having a second conductivity type, A modulation transistor including a drain portion including a region in contact with the first surface, and a pair of the electrically connected source portion and the source, the two modulation transistors arranged in adjacent pixels as a set A transmission transistor is connected between the lines, and is connected to each other, and controls a conduction state between the source unit and the source line by a selection signal.
In order to solve the above problems, a solid-state imaging device according to the present invention includes a first conductivity type substrate, a second conductivity type PD well portion disposed on the first surface side of the substrate, and a first conductivity type. A junction well having a second conductivity type and connected to the PD well portion, the junction depth being shallower than the junction depth of the PD well portion. A TR well portion having a depth; a modulation well portion having a first conductivity type; connected to the collection well portion; positioned in the TR well portion; and disposed in the modulation well portion in plan view; A source part having a two-conductivity type and including a region in contact with the first surface of the substrate and a region covering at least a part of the modulation well part in a plan view and surrounding a part of the source part In cooperation with the gate electrode in plan view. And an element isolation layer surrounding the source portion, a gate insulating layer disposed at a position sandwiched between the gate electrode and the first surface of the substrate, and sandwiching the gate electrode in plan view, A modulation transistor including at least a portion disposed at a position facing the source portion and having a second conductivity type and a drain portion including a region in contact with the first surface of the substrate; and disposed in an adjacent pixel. A pair of the two modulation transistors as a set, the set of electrically connected source units, and one set connected between the source lines, and conduction between the source unit and the source line by a selection signal And a transmission transistor for controlling the state.
In the solid-state imaging device, the layout of the modulation transistor and the photodiode of the pixel is arranged by mirror-inverting in a direction intersecting the source line for each column, and the modulation transistor is arranged in an adjacent region. A transmission transistor is preferably arranged.
In the solid-state imaging device, the modulation transistor and the photodiode layout of the pixel are mirror-inverted in a direction intersecting the source line for each column, and the modulation transistor at a position sandwiching the source line and the It is preferable that the layout of the photodiodes is arranged by mirror-inverting each row in a direction aligned with the source line, and the transmission transistors are arranged in a region where the modulation transistors are arranged close to each other.
In the solid-state imaging device, the region where the photodiode is located includes the interface between the substrate surface including the substrate surface and the collection well portion and / or the interface between the gate insulating layer and the substrate. Preferably, a pinning layer having a second conductivity type is further included between the gate insulating layer and the modulation well.
In the solid-state imaging device, in the modulation well portion, in a region overlapping with at least a part of the gate electrode in plan view, a carrier pocket portion having an impurity concentration of the first conductivity type higher than that of the surrounding modulation well portion It is preferable that it is further included.
In order to solve the above problems, a solid-state imaging device according to the present invention includes a first conductivity type substrate, a second conductivity type PD well portion disposed on the first surface side of the substrate, and a first conductivity type. A junction well having a second conductivity type and connected to the PD well portion, the junction depth being shallower than the junction depth of the PD well portion. A TR well portion having a depth; a modulation well portion having a first conductivity type; connected to the collection well portion; positioned in the TR well portion; and disposed in the modulation well portion in plan view; A source part including a region having two conductivity types and in contact with the first surface of the substrate; a gate electrode disposed in a region covering at least a part of the modulation well part in plan view; and surrounding the source part; The gate electrode and the first surface of the substrate; A gate insulating layer disposed at a position sandwiched therebetween, and disposed in at least a part of a position facing the source portion with the gate electrode interposed therebetween in plan view, and having a second conductivity type, A modulation transistor including a drain portion including a region in contact with the first surface, and a pair of the electrically connected source portion and the source, the two modulation transistors arranged in adjacent pixels as a set A transmission transistor is connected between the lines, and is connected to each other, and controls a conduction state between the source unit and the source line by a selection signal.
この構成によれば、各画素に配置されるトランジスタは1つ半(変調トランジスタ1つに加え変調トランジスタ2画素に対して1つの伝達トランジスタが配置される。)で済むため、高い開口率を確保することができる。
また、隣接する2つのソース部を対にして1つの伝達トランジスタを有し、当該伝達トランジスタを介してソースラインと接続されるため、一方のソース部で生じた黒スミアは、対をなす他方のトランジスタのソース部への伝播のみに制限できる。ソースラインへの黒スミア伝播は、対をなすトランジスタのソース部とソースラインとの間に介在する伝達トランジスタにより抑制されるため、開口率を確保した状態で黒スミアの伝播を抑制することができる。
According to this configuration, since only one and a half of the transistors are arranged in each pixel (one transmission transistor is arranged for two modulation transistors in addition to one modulation transistor), a high aperture ratio is secured. can do.
In addition, since the two adjacent source parts are paired to have one transmission transistor and connected to the source line via the transmission transistor, the black smear generated in one source part is the other of the other pair. It can be limited only to propagation to the source part of the transistor. Black smear propagation to the source line is suppressed by the transfer transistor interposed between the source part of the paired transistor and the source line, so that the black smear propagation can be suppressed with the aperture ratio secured. .
また、本発明に係る固体撮像装置は、第1導電型の基板と、前記基板の第1面側に配置される第2導電型のPDウェル部と、第1導電型を有し、前記PDウェル部内に位置する収集ウェル部と、を含むフォトダイオードと第2導電型を有し、前記PDウェル部と接続される、前記PDウェル部の接合深さと比べ浅い接合深さを有するTRウェル部と、第1導電型を有し、前記収集ウェル部と接続され、前記TRウェル部内に位置する変調ウェル部と、平面視にて前記変調ウェル部内に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むソース部と、平面視にて、前記変調ウェル部の少なくとも一部を覆う領域に配置され、前記ソース部の一部を囲うゲート電極と、平面視にて、前記ゲート電極と協働して前記ソース部を囲う素子分離層と、前記ゲート電極と前記基板の前記第1面との間に挟まれる位置に配置されるゲート絶縁層と、平面視にて、前記ゲート電極を挟み前記ソース部と対向する位置に少なくとも一部に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むドレイン部と、を含む変調トランジスタと、隣接する画素に配置される2つの前記変調トランジスタを一組として、電気的に接続された一組の前記ソース部と、ソースラインの間に一組あたり一つ接続され、選択信号により前記ソース部と前記ソースラインとの導通状態を制御する伝達トランジスタと、を含むことを特徴とする。 The solid-state imaging device according to the present invention includes a first conductivity type substrate, a second conductivity type PD well portion disposed on the first surface side of the substrate, and a first conductivity type. A TR well portion having a photodiode and a second conductivity type including a collection well portion located in the well portion and having a junction depth shallower than a junction depth of the PD well portion connected to the PD well portion A modulation well portion connected to the collection well portion and located in the TR well portion, and disposed in the modulation well portion in plan view, and having a second conductivity type A source part including a region in contact with the first surface of the substrate; and a gate electrode disposed in a region covering at least a part of the modulation well part in a plan view; Enclosing the source part in cooperation with the gate electrode. An element isolation layer, a gate insulating layer disposed at a position sandwiched between the gate electrode and the first surface of the substrate, and a position facing the source portion across the gate electrode in plan view A modulation transistor including at least a portion, a drain portion having a second conductivity type and including a region in contact with the first surface of the substrate, and two modulation transistors disposed in adjacent pixels. As a set, a pair of electrically connected source units, and a transmission transistor connected between source lines, one per set, and controlling a conduction state between the source unit and the source line by a selection signal; , Including.
この構成によれば、各画素に配置されるトランジスタは1つ半(変調トランジスタ1つに加え変調トランジスタ2画素に対して1つの伝達トランジスタが配置される。)で済むため、高い開口率を確保することができる。
また、隣接する2つのソース部を対にして1つの伝達トランジスタを有し、当該伝達トランジスタを介してソースラインと接続されるため、一方のソース部で生じた黒スミアは、当該対をなす他方のトランジスタのソース部への伝播のみに制限できる。ソースラインへの黒スミア伝播は、対をなすトランジスタのソース部とソースラインとの間に介在する伝達トランジスタにより抑制されるため、開口率を確保した状態で黒スミアの伝播を抑制することができる。
また、ソース部は、ゲート電極と素子分離層とを併用して電気的に独立するよう囲われている。ソース部を電気的に独立させるために素子分離層を併用することでパターンレイアウトの自由度が大きくなる。そのため、伝達トランジスタを含むパターンレイアウトを行う場合に、フォトダイオードの形状の自由度も向上するため、より受光効率の高い形状にレイアウトすることができ、高感度の固体撮像装置を構成する固体撮像素子を提供することができる。
According to this configuration, since only one and a half of the transistors are arranged in each pixel (one transmission transistor is arranged for two modulation transistors in addition to one modulation transistor), a high aperture ratio is secured. can do.
In addition, since a pair of adjacent two source portions has one transfer transistor and is connected to the source line via the transfer transistor, the black smear generated in one source portion is the other that forms the pair. It is possible to limit the propagation to the source part of the transistor. Black smear propagation to the source line is suppressed by the transfer transistor interposed between the source part of the paired transistor and the source line, so that the black smear propagation can be suppressed with the aperture ratio secured. .
In addition, the source portion is enclosed so as to be electrically independent by using the gate electrode and the element isolation layer in combination. By using the element isolation layer in combination to make the source part electrically independent, the degree of freedom in pattern layout is increased. Therefore, when performing pattern layout including a transfer transistor, the degree of freedom of the shape of the photodiode is also improved, so that it can be laid out in a shape with higher light receiving efficiency, and a solid-state imaging device constituting a highly sensitive solid-state imaging device Can be provided.
また、本発明に係る固体撮像装置は、共通のソースラインを有する前記画素のレイアウトを一列毎に前記ソースラインと交差する方向に鏡像反転させて配置し、前記変調トランジスタが近接して配置される領域に伝達トランジスタを配置することを特徴とする。 In the solid-state imaging device according to the present invention, the layout of the pixels having a common source line is arranged in a mirror image inverted in a direction intersecting the source line for each column, and the modulation transistors are arranged close to each other. A transmission transistor is arranged in the region.
この構成によれば、変調トランジスタが近接して配置された領域にソースが配置されるため、2つのソース部を結ぶ配線長を抑えることができる。そのため、配線面積を削減することが可能となり、開口部を大きくとることが可能となる。 According to this configuration, since the source is arranged in a region where the modulation transistors are arranged close to each other, the wiring length connecting the two source portions can be suppressed. Therefore, the wiring area can be reduced and the opening can be made large.
また、本発明に係る電気光学基板は、共通の前記ソースラインを有する前記画素のレイアウトを一列毎に、前記ソースラインと交差する方向に鏡像反転させる配置に加え、前記ソースラインを挟む位置にある前記画素のレイアウトを、一行毎に前記ソースラインと並ぶ方向に鏡像反転させて配置し、前記変調トランジスタが近接して配置された領域に伝達トランジスタを配置することを特徴とする。 In addition, the electro-optic substrate according to the present invention is in a position to sandwich the source line in addition to an arrangement in which the layout of the pixels having the common source line is mirror-inverted in a direction intersecting the source line for each column. The layout of the pixels is arranged by mirror-inverting in a direction aligned with the source line for each row, and a transmission transistor is arranged in a region where the modulation transistors are arranged close to each other.
この構成によれば、伝達トランジスタのゲートコンタクトを共用できるため、伝達トランジスタの面積をさらに削減することが可能となり、開口部をさらに大きくとることが可能となる。 According to this configuration, since the gate contact of the transmission transistor can be shared, the area of the transmission transistor can be further reduced, and the opening can be further increased.
また、本発明に係る固体撮像装置は、前記フォトダイオードの位置する領域での、前記基板表面を含む前記基板表面と前記収集ウェル部との間、及び/又は、前記ゲート絶縁層と前記基板との界面を含む前記ゲート絶縁層と前記変調ウェルとの間に、第2導電型を有するピニング層をさらに含むことを特徴とする。 Further, in the solid-state imaging device according to the present invention, in the region where the photodiode is located, between the substrate surface including the substrate surface and the collection well portion, and / or the gate insulating layer and the substrate, A pinning layer having a second conductivity type is further included between the gate insulating layer including the interface and the modulation well.
この構成によれば、基板内部と比べ基板表面に多量に存在する生成/再結合中心を第2導電型を有するピニング層で埋めることで、雑音となるキャリアの発生を抑制し、より高い画質を持つ固体撮像基板を構成する固体撮像装置を提供することができる。 According to this configuration, generation / recombination centers that are present in a large amount on the surface of the substrate compared with the inside of the substrate are filled with the pinning layer having the second conductivity type, thereby suppressing generation of noise carriers and higher image quality. A solid-state imaging device constituting a solid-state imaging substrate can be provided.
また、本発明に係る固体撮像装置は、前記変調ウェル部内で、平面視にて前記ゲート電極の少なくとも一部と重なる領域に、周辺の前記変調ウェル部よりも高い第1導電型の不純物濃度を有するキャリアポケット部をさらに含むことを特徴とする。 In the solid-state imaging device according to the present invention, an impurity concentration of the first conductivity type higher than that of the surrounding modulation well portion is formed in a region overlapping with at least a part of the gate electrode in plan view in the modulation well portion. It further includes a carrier pocket portion having the same.
この構成によれば、周辺の変調ウェル部よりも高い第1導電型の不純物濃度を有するキャリアポケットが平面視にてゲート電極の少なくとも一部と重なる領域に形成される。この構造を用いて変調トランジスタの変調ウェル部を空乏化した場合、高い不純物濃度を有する領域では、より大きなポテンシャル井戸が形成され光発生キャリアを引き込む機能が備えられる。そのため、フォトダイオードで発生した光発生キャリアが変調トランジスタのキャリアポケットに効率的に収集され、特に光強度が弱い場合により高い画質を有する固体撮像装置を構成する固体撮像素子を提供することができる。 According to this configuration, the carrier pocket having the first conductivity type impurity concentration higher than that of the peripheral modulation well portion is formed in a region overlapping with at least a part of the gate electrode in plan view. When the modulation well portion of the modulation transistor is depleted using this structure, a larger potential well is formed in a region having a high impurity concentration and a function of drawing photogenerated carriers is provided. Therefore, it is possible to provide a solid-state imaging device that constitutes a solid-state imaging device having higher image quality when light-generated carriers generated by the photodiode are efficiently collected in the carrier pocket of the modulation transistor and particularly when the light intensity is weak.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。説明手順として、まずリングゲート電極構造を有する(ゲート電極に囲われるソース部を有する。)VMIS型固体撮像素子の基本構造について説明する。次に、基板変調MOS型(ゲート電極と素子分離層によって囲われるソース部を有する。)固体撮像素子の基本構造について説明する。そして、黒スミアの発生理由について説明し、この黒スミアを抑えるために伝達トランジスタを付与した固体撮像装置の動作について説明する。ここでは、VMIS型、及び基板変調MOS型固体撮像素子にNMOS構造を用いた例について説明する。ここで、NMOS構造に代えてPMOS構造を用いても良く、この場合には不純物の極性と駆動電位の極性を反転させることで同様の動作が可能となる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As an explanation procedure, a basic structure of a VMIS type solid-state imaging device having a ring gate electrode structure (having a source part surrounded by a gate electrode) will be described first. Next, the basic structure of a substrate modulation MOS type (having a source part surrounded by a gate electrode and an element isolation layer) solid-state imaging device will be described. Then, the reason for the occurrence of black smear will be described, and the operation of the solid-state imaging device provided with a transfer transistor to suppress this black smear will be described. Here, an example in which an NMOS structure is used for the VMIS type and the substrate modulation MOS type solid-state imaging device will be described. Here, a PMOS structure may be used instead of the NMOS structure. In this case, the same operation can be performed by inverting the polarity of the impurity and the polarity of the driving potential.
<VMIS型固体撮像素子の基本構造>
以下、図1(a),(b)を用いてVMIS型固体撮像素子の基本構造について説明する。図1(a)はVMIS型固体撮像素子120を含む画素3をアレイ状に配置した固体撮像基板100の部分平面図である。図1(b)は、図1(a)をA−A’線で切断したVMIS型固体撮像素子120の断面構造を示す断面図である。以下、図1(a),(b)を用いてVMIS型固体撮像素子の基本構造について説明する。
<Basic structure of VMIS type solid-state imaging device>
Hereinafter, the basic structure of the VMIS type solid-state imaging device will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a partial plan view of a solid-
図1(a)に示すように、画素3内に、フォトダイオードPDと変調トランジスタTMとが隣接して設けられている。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。また、画素3内にはVMIS型固体撮像素子120と、伝達トランジスタTSが配置されている。伝達トランジスタTSは例えばPMOS構造を用いることができる。伝達トランジスタTSの役割については後述する。なお、図1(a)に示されている金属配線60は、図1(b)に示される断面図では簡略化のため省略している。
As shown in FIG. 1A, the photodiode PD and the modulation transistor TM are provided adjacent to each other in the
光電変換素子であるフォトダイオードPD領域では、基板1の表面に開口領域2が配置され、基板1表面の比較的浅い位置には、光電変換素子によって発生した光発生キャリアを収集する収集ウェル部4が配置されている。収集ウェル部4と基板1表面との間には、N型の拡散層がピニング層32として配置されている。
In the photodiode PD region which is a photoelectric conversion element, an
変調ウェル部5は収集ウェル部4と隣接して配置されている。そして収集ウェル部4に蓄えられた光発生キャリアは、変調トランジスタTM領域に位置する変調ウェル部5に転送される。変調ウェル部5に光発生キャリアが蓄えられることで、変調トランジスタTMの閾値は変化し、変調トランジスタTMの閾値は蓄積された光発生キャリアの量(フォトダイオードPD領域に入射した光の量)に対応する値をとる。
変調ウェル部5上には、ゲート絶縁層11を介して基板1表面にリング状のゲート電極であるリングゲート電極6が配置されている。そしてゲート絶縁層11に覆われる基板1の表面近傍にはチャネルを構成するN型拡散層27が配置される。N型拡散層27は同時にピニング層32としての機能も果たしている。チャネルを構成するN型拡散層27はソース部7とドレイン部8とに接続される。そして、各々のVMIS型固体撮像素子120はN型の素子分離領域115により分離されている。
The
On the
リングゲート電極6に囲まれる領域には、高濃度N型領域であるソース部7が配置されている。そしてリングゲート電極6の少なくとも一部を囲うようにN型のドレイン部8が配置されている。ドレイン部8の所定位置には、高濃度のN型領域であるドレインコンタクト領域12が配置される。
In a region surrounded by the
変調ウェル部5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。変調ウェル部5内には、リングゲート電極6の下方にP型の高濃度領域を構成するキャリアポケット10が配置されている。変調トランジスタTMは、変調ウェル部5、キャリアポケット10、リングゲート電極6、ソース部7及びドレイン部8によって構成される。そして変調ウェル部5(キャリアポケット10)に蓄積された光発生キャリアに応じてチャネルの閾値電圧が変化する。
The
ドレイン部8及びピニング層32がドレイン電位の印加によって正の電位にバイアスされることによって、フォトダイオードPDの開口領域2下方においては、ピニング層32と収集ウェル部4との境界面から空乏層が収集ウェル部4の全体に広がってPDウェル部21に達する。一方、基板1とPDウェル部21との境界面から空乏層がPDウェル部21全体に広がって、収集ウェル部4に達する。空乏層において、開口領域2を介して入射した光による光発生キャリアが生じる。そして、上述したように、発生した光発生キャリアは収集ウェル部4に収集される。収集ウェル部4に収集された光発生キャリアは、変調ウェル部5に転送されてキャリアポケット10に保持される。これにより、変調トランジスタTMのソース電位は、変調ウェル部5に転送された光発生キャリアの量、即ち、フォトダイオードPDへの入射光に応じたものとなる。
When the
PDウェル部21は基板1の比較的深い位置に配置されている。PDウェル部21内には、P型の収集ウェル部4が配置されている。PDウェル部21は基板1の比較的深い位置まで配置されており、基板1中での侵入深さが大きい長い波長(例えば赤色)の光を光電変換可能にしている。
The PD
一方、変調トランジスタTM領域には、P型埋込層23が配置されている。P型埋込層23によってTRウェル部50が占める深さは基板1の比較的浅い位置に制限される。TRウェル部50は比較的浅い位置に形成されるため、リングゲート電極6に電位を与えた場合に変調ウェル部5内の電界強度を大きくすることができ、リングゲート電極6に電位を印加することで変調ウェル部5内に蓄積された光発生キャリアを基板1に放出することを可能としている。
On the other hand, a P-type buried
ここで、VMIS型固体撮像素子120の基本構造としてピニング層32は省略可能である。また、キャリアポケット10についても省略可能である。キャリアポケット10を省略した場合には、変調ウェル部5に電荷が蓄積され、この電荷により閾値電圧が制御される。ピニング層32及び/又はキャリアポケット10を省略することで、製造工程を短縮することができる。特に、比較的高い照度を有する被写体を扱う用途に対しては画像雑音は大きな問題にならない。これらの構成を省略することで製造工程の短縮によるTAT短縮、不良率の低減とそれに伴い低コスト化されたVMIS型固体撮像素子120を提供することができる。
Here, the pinning
<基板変調MOS型固体撮像素子の基本構造>
以下、図2(a),(b)を用いて基板変調MOS型固体撮像素子の基本構造について説明する。図2(a)は基板変調MOS型固体撮像素子120bを含む画素3をアレイ状に配置した固体撮像基板100の部分平面図である。図2(b)は、図2(a)をA−A’線で切断した基板変調MOS型固体撮像素子120bの断面構造を示す断面図である。以下、図2(a),(b)を用いて基板変調MOS型固体撮像素子の基本構造について説明する。
<Basic structure of substrate modulation MOS type solid-state imaging device>
The basic structure of the substrate modulation MOS type solid-state imaging device will be described below with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b). FIG. 2A is a partial plan view of the solid-
図2(a)に示すように、画素3内に、フォトダイオードPDと変調トランジスタTMとが隣接して設けられている。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。また、画素3内には基板変調MOS型固体撮像素子120bと、伝達トランジスタTSが配置されている。伝達トランジスタTSは例えばPMOS構造を用いることができる。伝達トランジスタTSの役割については後述する。なお、図2(a)に示されている金属配線60は、図2(b)に示される断面図では簡略化のため省略している。
As shown in FIG. 2A, the photodiode PD and the modulation transistor TM are provided adjacent to each other in the
光電変換素子であるフォトダイオードPD領域では、基板1の表面に開口領域2が配置され、基板1表面の比較的浅い位置には、光電変換素子によって発生した光発生キャリアを収集する収集ウェル部4が配置されている。収集ウェル部4と基板1表面との間には、ピニング層32としてN型の拡散層が配置されている。
In the photodiode PD region which is a photoelectric conversion element, an
変調ウェル部5は収集ウェル部4と隣接して配置されている。そして収集ウェル部4に蓄えられた光発生キャリアは、変調トランジスタTM領域に位置する変調ウェル部5に転送される。変調ウェル部5に光発生キャリアが蓄えられることで、変調トランジスタTMの閾値は制御され、変調トランジスタTMの閾値は蓄積された光発生キャリアの量(フォトダイオードPD領域に入射した光の量)に対応する値をとる。
変調ウェル部5上には、基板1の表面側にゲート絶縁層11を介してL形のゲート電極6bが配置されており、ゲート電極6bとLOCOSによる素子分離層52とに囲われた領域には、高濃度N型領域であるソース部7が配置されている。ここで素子分離層52はLOCOSに限定されることなく例えばSTI構造を有していても良い。
The
On the
そしてゲート絶縁層11に覆われる基板1の表面近傍にはチャネルを構成するN型拡散層27が配置される。N型拡散層27は同時に、ピニング層32としての機能も果たしている。チャネルを構成するN型拡散層27はソース部7とドレイン部8とに接続される。そして、各々の基板変調MOS型固体撮像素子120bはN型の素子分離領域115、素子分離層52により分離されている。
An N-
ゲート電極6bを介してソース部7と対向する位置にはN型のドレイン部8が配置されている。ドレイン部8の所定位置には、高濃度のN型領域であるドレインコンタクト領域12が配置される。
変調ウェル部5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。変調ウェル部5内には、ゲート電極6bの下方にP型の高濃度領域を構成するキャリアポケット10が配置されている。変調トランジスタTMは、変調ウェル部5、キャリアポケット10、素子分離層52、ゲート電極6b、ソース部7及びドレイン部8によって構成される。そして変調ウェル部5(キャリアポケット10)に蓄積された光発生キャリアに応じてチャネルの閾値電圧が変化する。
An N-
The
ドレイン部8及びピニング層32がドレイン電位の印加によって正の電位にバイアスされることによって、フォトダイオードPDの開口領域2下方においては、ピニング層32と収集ウェル部4との境界面から空乏層が収集ウェル部4の全体に広がってPDウェル部21に達する。一方、基板1とPDウェル部21との境界面から空乏層がPDウェル部21全体に広がって、収集ウェル部4に達する。空乏層において、開口領域2を介して入射した光による光発生キャリアが生じる。そして、上述したように、発生した光発生キャリアは収集ウェル部4に収集される。収集ウェル部4に収集された光発生キャリアは、変調ウェル部5に転送されてキャリアポケット10に保持される。これにより、変調トランジスタTMのソース電位は、変調ウェル部5に転送された光発生キャリアの量、即ち、フォトダイオードPDへの入射光に応じたものとなる。
When the
PDウェル部21は、基板1の比較的深い位置に配置されている。PDウェル部21上には、P型の収集ウェル部4が配置されている。収集ウェル部4上の基板表面側には、N型の拡散層を含むピニング層32が配置されている。PDウェル部21は基板1の比較的深い位置まで配置されており、基板1中での侵入深さが大きい長い波長(例えば赤色)の光を光電変換可能にしている。
The PD
一方、変調トランジスタTM領域には、P型埋込層23が配置されている。P型埋込層23によってTRウェル部50は基板1の比較的浅い位置までに制限される。TRウェル部50は比較的浅い位置に形成されるため、ゲート電極6bに電位を与えた場合に変調ウェル部5内の電界強度を大きくすることができ、ゲート電極6bに電位を印加することで変調ウェル部5内に蓄積された光発生キャリアを基板1に放出することを可能としている。
On the other hand, a P-type buried
ここで、基板変調MOS型固体撮像素子120bの基本構造としてピニング層32は省略可能である。また、キャリアポケット10についても省略可能である。キャリアポケット10を省略した場合には、変調ウェル部5に電荷が蓄積され、この電荷により閾値電圧が制御される。ピニング層32及び/又はキャリアポケット10を省略することで、製造工程を短縮することができる。特に、比較的高い照度を有する被写体を扱う用途に対しては画像雑音は大きな問題にならない。これらの構成を省略することで製造工程の短縮によるTAT短縮、不良率の低減とそれに伴い低コスト化された基板変調MOS型固体撮像素子を提供することができる。
Here, the pinning
<固体撮像装置の構成>
次に、図1(a)及び(b)を参照して本実施の形態に係る固体撮像装置の構成について説明する。ここでの説明はVMIS型固体撮像素子を用いた場合について行うが、これは基板変調MOS型固体撮像素子を用いる場合には、VMIS型固体撮像素子と基板変調MOS型固体撮像素子とを差し替えることで対応することができる。基板変調MOS型固体撮像素子を用いた場合の平面レイアウト図は、例えば図2(a)に示す構造を用いることができる。
<Configuration of solid-state imaging device>
Next, the configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. The description here is for the case of using a VMIS type solid-state image pickup device. However, in the case of using a substrate modulation MOS type solid-state image pickup device, the VMIS type solid-state image pickup device and the substrate modulation MOS type solid-state image pickup device are replaced. Can respond. For example, the structure shown in FIG. 2A can be used as the planar layout diagram when the substrate modulation MOS type solid-state imaging device is used.
固体撮像基板100は、VMIS型固体撮像素子120を含む画素3をマトリクス状に配置して構成されている。固体撮像基板100は例えば、640×480の画素3と、オプティカルブラック(OB)のための領域(OB領域)を含む。OB領域を含めると、固体撮像基板100は例えば712×500の画素3を含む。
The solid-
固体撮像装置130は画素3中に配置されており、光電変換を行うフォトダイオードPDと、光信号を検出して読み出すための変調トランジスタTMと、伝達トランジスタTSと、を含む。フォトダイオードPDは入射光に応じた光発生キャリアを生じさせ、収集ウェル部4内に収集する。収集ウェル部4に収集された光発生キャリアは、変調トランジスタTMの閾値変調用の変調ウェル部5内のキャリアポケット10に転送される。
変調トランジスタTMは、キャリアポケット10に光発生キャリアが蓄積されることでバックゲート電位が変化し、キャリアポケット10内の光発生キャリア量に応じて変調トランジスタTMの閾値電圧が変化する。これにより、変調トランジスタTMのソース電位は、キャリアポケット10内の光発生キャリアに応じたもの、即ち、フォトダイオードPDの入射光量に対応したものとなる。
伝達トランジスタTSは、伝達TRゲート電極70、伝達TRソース部71、伝達TRドレイン部72を含む(図3参照)。伝達TRゲート電極70のゲート電位を制御することで伝達TRソース部71、伝達TRドレイン部72の導通/遮断が制御される。そのため、伝達TRドレイン部72と接続される変調トランジスタTMのソース部7と、伝達TRソース部71と接続されるソースライン66との接続状態を制御することができる。
このように画素3内部では、伝達トランジスタTSの伝達TRゲート電極70、変調トランジスタTMのリングゲート電極6、ソース部7及びドレイン部8に駆動信号が印加されることで、蓄積、転送、変調及びクリア等の動作を行っている。
The solid-
In the modulation transistor TM, the back gate potential is changed by accumulating photogenerated carriers in the
The transmission transistor TS includes a transmission
As described above, in the
次に、図3を用いて黒スミアの発生機構とその発生を防止するための機構について説明する。図3は図1に示す固体撮像基板100の等価回路図である。ここで便宜上、図3での位置関係と合わせて、水平、垂直などの方向を示すものとする。
Next, a black smear generation mechanism and a mechanism for preventing the generation will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the solid-
VMIS型固体撮像素子120と伝達トランジスタTSとを含む固体撮像装置130が配置される画素3は、垂直方向に配列された複数のソースライン66と水平方向に配列された複数のゲートライン67との交点に対応して設けられている。また、水平方向に配列される、画素3に含まれる変調トランジスタTMのリングゲート電極6は各々ゲートライン67に接続される。共通ドレインライン68は、垂直方向に配置され、マトリクス状に配置される画素3に含まれるドレイン部8(図1(b)参照)の電位が全て共通の電位を持つよう配列される。そして画素3に含まれる変調トランジスタTMのソース部7は伝達トランジスタTSの伝達TRゲート電極70を介して各々ソースライン66に接続される。この場合、変調トランジスタTMはソースフォロワで動作している。ここで伝達トランジスタTSにはPMOS構造を用いており伝達TRゲートライン69の電位を下げることで伝達トランジスタTSはオンする。
The
ゲートライン67の1つにオン信号を供給し、さらに伝達トランジスタTSの伝達TRゲートライン69にオン信号(PMOS構造のため低電位信号。)を供給することで、オン信号が供給されたゲートライン67に共通接続された画素3が同時に選択される。これらの選択された画素3の各ソース部7から伝達トランジスタTSを介して画素信号が出力される。そしてゲートライン67にオン信号を順次シフトさせながら供給することで、オン信号が供給された画素3からの画素信号がゲートライン67の一行分同時にソースライン66から読み出される。
By supplying an ON signal to one of the gate lines 67 and further supplying an ON signal (low potential signal due to the PMOS structure) to the transmission
各画素3が有するばらつきや、各種ノイズの除去のために、読出し動作において、選択行の光信号の読出し動作に続いて、非選択行の画素3への電位付与状態はそのままにして、その選択行の画素3をクリアする。そして、引き続き、クリアした状態での閾値電圧を読み出す。そして、光発生キャリア量に対応する閾値電圧とクリアした状態での閾値電圧の差分信号を算出し、映像信号として出力することで各画素3が有する閾値の分布などに起因するばらつきなどを打ち消す。この処理により高いSN比を有する画像信号の抽出を可能としている。
In order to remove variations and various noises of each
図4は光強度に応じた出力電位を示すグラフである。ポイントa,bは各々通常量の入射光が入射される選択行の画素3(図3参照:以下同様)の出力電位及びそのクリア後のノイズ成分による画素3の出力電位Vsa,Vnbを示している。また、ポイントcは通常量の入射光が入射される非選択画素3aに基づく出力電位Vscを示している。ポイントdは、強い光SLが入射された場合の非選択画素3aに基づく出力電位Vsdを示している。選択行の画素3に通常量の入射光が入射した場合には、選択行の画素3の画素信号として、電位差が(Vsa−Vnb)(矢印の範囲)の信号が得られる。上記したように、通常の強さの光が非選択行の画素3に照射された場合、ポイントcでの出力電位Vscはポイントbでの出力電位Vnbより低くなり、選択行の動作には影響を与えない。
FIG. 4 is a graph showing the output potential according to the light intensity. Points a and b indicate the output potential Vsa and Vnb of the
ここで、伝達トランジスタTSを用いない場合に生じる黒スミアの発生機構について説明する。まず、所定の列において、選択行の画素3には通常量の入射光が入射し、非選択画素3aの1つに強い光SLが入射された場合、選択行の画素3に基づくクリア前の状態では出力電位Vsaが出力される。一方、選択行のクリア後の出力電位Vnbは、強い光SLが入射した場合の非選択画素3aに基づく出力電位Vsdよりも低くなる。同一列ではソース部は共通接続されていることから、クリア後の変調(読み出し)を行う場合には、より高い出力電位Vsdがクリア後の画素信号として得られる。そのため、選択行の画素3の画素信号として、(Vsa−Vsd)の信号が出力されることになる。(Vsa−Vsd)は(Vsa−Vnb)と比べ小さい値であり、この画素信号出力に基づく表示は黒くなる。
Here, a generation mechanism of black smear that occurs when the transmission transistor TS is not used will be described. First, in a predetermined column, when a normal amount of incident light is incident on the
図8は、伝達トランジスタTSを用いない構造に強い光SLが入射された場合の状態を示す等価回路図である。非選択画素3aに強い光が入射した場合、非選択画素3aのクリアが行われるまでは、当該ソースライン66xに接続された画素3からの全ての差分信号は、本来の(Vsa−Vnb)よりも小さい値である(Vsa−Vsd)の値をとるため、画面表示に垂直方向の黒スミアが発生する。
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram showing a state when strong light SL is incident on a structure that does not use the transfer transistor TS. When strong light is incident on the
これに対し、本実施の形態においては、図3に示すように、変調トランジスタTMのソース部7は、伝達トランジスタTSで選択される2つの変調トランジスタTMのソース部7の電位のみがソースライン66に伝達される。そのため、非選択フォトダイオードPDaに強い光SLが入射され、非選択変調トランジスタTMaの非選択ソース部7aからの出力信号が、選択された変調トランジスタTMのクリア後のソース部7よりも高くなる場合においても、非選択伝達トランジスタTSaによりソースライン66xへの伝達を防止することができる。そのため、画面全域に影響する黒スミアの発生を防止することができる。
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
<レイアウト例>
図1(a)にVMIS型固体撮像素子を用いる場合のレイアウト例を示す。このレイアウトでは、共通のソースライン66を有する画素3のレイアウトをソースライン66と交差する方向(この場合では直交している)に対して一列毎に鏡像反転させて配置している。鏡像反転に伴い近接した変調トランジスタTMのソース部7同士は例えばアルミニウムを含む金属配線60により接続される。そして、接続された金属配線60とソースライン66とは伝達トランジスタTSを介して接続されている。この場合、フォトダイオードPDの開口部を避けて金属配線60を配置することが可能となり、フォトダイオードPDの開口部の面積の減少を抑えて伝達トランジスタTSを配置することができる。
<Example layout>
FIG. 1A shows a layout example when a VMIS type solid-state imaging device is used. In this layout, the layout of the
図2(a)に、基板変調MOS型固体撮像素子を用いる場合のレイアウト例を示す。このレイアウトでは、共通のソースライン66を有する画素3のレイアウトをソースライン66と交差する方向(この場合では直交している)に対して一列毎に鏡像反転させて配置している。鏡像反転に伴い近接した2つの変調トランジスタTMのソース部7同士は例えばアルミニウムを含む金属を用いた金属配線60により接続される。そして、接続された金属配線60とソースライン66とは伝達トランジスタTSを介して接続されている。このレイアウト例でも同様に、フォトダイオードPDの開口部の面積の減少を抑えて配置することができる。また、ゲート電極6bと素子分離層52を用いてソース部7とドレイン部8とを分離するためレイアウトの自由度が高くなり、図1に示したリングゲート電極6を用いてソース部7とドレイン部8を分離する場合と比べ、より高い開口率を得ることができる。
FIG. 2A shows a layout example in the case of using a substrate modulation MOS type solid-state imaging device. In this layout, the layout of the
そして、図7にVMIS型固体撮像素子を用いる場合の別のレイアウト例を示す。このレイアウトでは、共通のソースライン66を有する画素3のレイアウトをソースライン66と交差する方向(この場合では直交している)に対して一列毎に鏡像反転させ、さらに、隣り合うソースライン66を用いる画素3のレイアウトをソースライン66を挟む位置にある画素3を一行毎に鏡像反転させるレイアウトで配置している。鏡像反転に伴い近接した4つの変調トランジスタTMのソース部7同士は例えばアルミニウムを含む金属を用いた金属配線60により接続される。そして、接続された金属配線60とソースライン66とは伝達トランジスタTSを介して接続されている。このレイアウト例では図1(a)で示したレイアウトと同様にフォトダイオードPDの開口部の面積の減少を抑えて配置することができる。
さらに伝達トランジスタTSに伝達TRゲート電極70のコンタクトを4つの変調トランジスタTMで共用するため、開口率を向上させることができる。加えて、このレイアウトを用いることで、伝達トランジスタTSのゲートを駆動する伝達TRゲートライン69を一行毎に配置することが可能となるため、さらに開口率を向上させることができる。
FIG. 7 shows another layout example in the case of using the VMIS type solid-state imaging device. In this layout, the layout of the
Furthermore, since the contact of the transmission
そして、図5に基板変調MOS型固体撮像素子を用いる場合の別のレイアウト例を示す。このレイアウトは、共通のソースラインを有する画素3のレイアウトを一列毎に鏡像反転させる配置に加え、ソースラインを挟む位置にある画素3のレイアウトを一行毎に鏡像反転させて配置している。鏡像反転に伴い近接した4つの変調トランジスタTMのソース部7同士は例えばアルミニウムを含む金属を用いた金属配線60により接続される。そして、接続された金属配線60とソースライン66とは伝達トランジスタTSを介して接続されている。このレイアウト例では図2(a)で示したレイアウトと同様にフォトダイオードPDの開口部の面積の減少を抑えて配置することができる。
さらに伝達トランジスタTSの伝達TRゲート電極70(図3参照)のコンタクトを4つの変調トランジスタTMで共用するため、開口率を向上させることができる。加えて、このレイアウトを用いることで、伝達トランジスタTSのゲートを駆動する伝達TRゲートライン69を一行毎に配置することが可能となるため、さらに開口率を向上させることができる。
FIG. 5 shows another layout example in the case of using the substrate modulation MOS type solid-state imaging device. In this layout, in addition to an arrangement in which the layout of the
Furthermore, since the contact of the transmission TR gate electrode 70 (see FIG. 3) of the transmission transistor TS is shared by the four modulation transistors TM, the aperture ratio can be improved. In addition, by using this layout, the transmission
以上、図1(a)、図2(a)、図7、図5と鏡像反転を行うことでより高い開口率を実現するレイアウトについて説明したが、鏡像反転は必須な処理ではなく、通常の繰り返しを用いたレイアウトを用いても良い。 As described above, the layout that realizes a higher aperture ratio by performing mirror image inversion with FIGS. 1A, 2A, 7, and 5 has been described. However, mirror image inversion is not an essential process. A layout using repetition may be used.
<駆動シーケンス>
次に、図1(b)、図3を参照して駆動シーケンスとして画素3のフォトダイオードPDの光検出及び光発生キャリアの収集動作並びに変調トランジスタTMの動作について説明する。まず、光発生キャリアの蓄積動作について説明する。続けて、光発生キャリア量の検出を行うシグナル変調動作、クリア(光発生キャリアの排出)動作を説明し、最後にノイズ変調動作について説明する。ここでの説明はVMIS型固体撮像素子を用いた場合について行うが、これは基板変調MOS型固体撮像素子を用いた場合でも同様に対応可能である。
<Drive sequence>
Next, with reference to FIG. 1B and FIG. 3, the light detection and light generation carrier collection operation of the photodiode PD of the
最初に光発生キャリアの蓄積動作について説明する。この場合には、ゲートライン67を介して変調トランジスタTMのリングゲート電極6に低いゲート電位を印加し、共通ドレインライン68を介してドレイン部8に例えば約2〜4Vの電位を印加する。これにより、PDウェル部21が空乏化する。また、ドレイン部8とソース部7との間に電界が生じる。
フォトダイオードPDの開口領域2を介して入射した光が、空乏化したPDウェル部21に入射することで、電子−正孔対(光発生キャリア)が生じる。P型の収集ウェル部4は高濃度のP型不純物が導入されてポテンシャルが低くなっており、PDウェル部21に発生した光発生キャリアのうち正孔が収集ウェル部4に収集される。さらに、光発生キャリアは収集ウェル部4から変調トランジスタTM領域内の変調ウェル部5に転送されて、キャリアポケット10に蓄積される。図6は駆動シーケンスの一例を示すものである。この動作は図6に示す駆動シーケンスでの蓄積期間の動作にあたる。
First, the accumulation operation of photogenerated carriers will be described. In this case, a low gate potential is applied to the
The light incident through the
次に、光キャリア量の検出を行うシグナル変調動作について説明する。キャリアポケット10に蓄積された光発生キャリアによって、変調トランジスタTMの閾値電圧が変化する。この状態で、選択された画素3のリングゲート電極6にゲートライン67を介して例えば約2〜4Vの選択ゲート電位を印加し、ドレイン部8に例えば約2〜4Vの電位を印加する。非選択画素3aには非選択ゲートライン67aを介して非選択リングゲート電極6aに選択されたリングゲート電極6に印加する電位未満の電位を供給する。そして、ゲート電位と連動して変化する非選択ソース部7aの電位を、選択された画素3のソース部7の電位よりも低下させることで画素3を選択し、画素3からの信号を検出する。
Next, a signal modulation operation for detecting the optical carrier amount will be described. The threshold voltage of the modulation transistor TM is changed by the photogenerated carriers accumulated in the
さらに、選択された画素3のソース部7とソースライン66との間に、例えばPMOS構造を用いた伝達トランジスタTSが配置されている。伝達トランジスタTSはソースライン66とソース部7との導通/遮断が行えるよう、伝達TRゲートライン69を介して制御信号が供給される。伝達トランジスタTSのゲート電位がシグナル変調とノイズ変調を行う場合には低電位(PMOS構造のオン)、その他の場合にはオフ状態に保たれる。
この場合、選択されていない非選択画素3aに対しては、非選択伝達トランジスタTSaのゲート電位は高電位(PMOS構造のオフ)に保たれ、選択された変調トランジスタTMのソース部7の電位のみがソースライン66に伝達される。そのため、非選択フォトダイオードPDaに強い光が入射され、非選択変調トランジスタTMaの非選択ソース部7aからの出力信号が、選択された変調トランジスタTMのクリア後のソース部7よりも高くなる場合においても、伝達トランジスタTSによりソースライン66への伝達を防止することができる。
そのため、黒スミアの発生を防止することができる。選択された変調トランジスタTMのソース部7は伝達トランジスタTSを介して、ソースライン66に接続される。ソースライン66には定電流源(図示せず)が配置され一定の電流を流している。この定電流源と変調トランジスタTMとでソースフォロワ回路が形成される。光発生キャリアによる変調トランジスタTMの閾値電圧の変動に追随してソース電位が変化して入射光に対応する出力電位が得られる。この動作は図6に示す駆動シーケンスのシグナル変調に対応する。
Further, a transfer transistor TS using, for example, a PMOS structure is disposed between the
In this case, for the non-selected
Therefore, generation of black smear can be prevented. The
次に、クリア(光発生キャリアの排出)動作について説明する。クリアではキャリアポケット10、及び変調ウェル部5内に残留する光発生キャリアをクリアする。例えば、変調トランジスタTMのリングゲート電極6に5〜7V程度の高い電位を印加する。TRウェル部50の厚さは薄く、また、TRウェル部50の下方には高濃度のP型埋込層23が形成されている。
そのため、変調ウェル部5に急激なポテンシャル変化が生じ、光発生キャリアを基板1側に掃き出すような強い電界が主として変調ウェル部5に印加されて、残留した光発生キャリアは、低いリセット電位でより確実に基板1にクリアされる。なお、リングゲート電極6の電位を上昇させる方法として、一旦変調トランジスタTMのリングゲート電極6に正電位を与え、次にリングゲート電極6をフローティング動作させる。そしてドレイン部8及び/又はソース部7に正電位を与え、容量性結合で昇圧させるブートストラップ動作を行わせ、直接高い電位を印加することなくクリアを行うことができる。この動作は図6に示す駆動シーケンスのクリアに対応する。
Next, a clear (discharge of light-generating carrier) operation will be described. Clearing clears the photogenerated carriers remaining in the
Therefore, a sudden potential change occurs in the
次に、ノイズ変調動作について説明する。ノイズ変調は、クリア後、光発生キャリアが未だ蓄積されていない状態でシグナル変調動作を行うものである。バイアス条件その他、シグナル変調動作と同等のことを行う。この動作は図6のノイズ変調に対応する。
このノイズ変調動作を行うことで、各画素3が有する閾値のばらつきなどをノイズ信号として得ることが可能となる。上記したシーケンスで求めたシグナル変調信号からここで求めたノイズ変調信号を引き算することで、正味の光発生キャリア信号を抽出することができる。ノイズ変調動作終了後には、再び蓄積動作が行われ、このサイクルを繰り返すことで画像信号が出力される。
Next, the noise modulation operation will be described. In the noise modulation, after clearing, a signal modulation operation is performed in a state in which light-generating carriers are not yet accumulated. Performs equivalent to the signal modulation operation, such as bias conditions. This operation corresponds to the noise modulation of FIG.
By performing this noise modulation operation, it is possible to obtain a variation in threshold value of each
1…基板、2…開口領域、3…画素、3a…非選択画素、4…収集ウェル部、5…変調ウェル部、6…リングゲート電極、6a…非選択リングゲート電極、6b…ゲート電極、7…ソース部、7a…非選択ソース部、8…ドレイン部、10…キャリアポケット、11…ゲート絶縁層、12…ドレインコンタクト領域、21…PDウェル部、23…P型埋込層、27…N型拡散層、32…ピニング層、50…TRウェル部、52…素子分離層、60…金属配線、66…ソースライン、66x…ソースライン、67…ゲートライン、68…共通ドレインライン、69…伝達TRゲートライン、70…伝達TRゲート電極、71…伝達TRソース部、72…伝達TRドレイン部、100…固体撮像基板、115…素子分離領域、120…VMIS型固体撮像素子、120b…基板変調MOS型固体撮像素子、130…固体撮像装置、PD…フォトダイオード、PDa…非選択フォトダイオード、TM…変調トランジスタ、TMa…非選択変調トランジスタ、TS…伝達トランジスタ、TSa…非選択伝達トランジスタ、SL…強い光。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記基板の第1面側に配置される第2導電型のPDウェル部と、
第1導電型を有し、前記PDウェル部内に位置する収集ウェル部と、
を含むフォトダイオードと、
第2導電型を有し、前記PDウェル部と接続される、前記PDウェル部の接合深さと比べ浅い接合深さを有するTRウェル部と、
第1導電型を有し、前記収集ウェル部と接続され、前記TRウェル部内に位置する変調ウェル部と、
平面視にて前記変調ウェル部内に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むソース部と、
平面視にて前記変調ウェル部の少なくとも一部を覆う領域に配置され、前記ソース部を囲うゲート電極と、
前記ゲート電極と前記基板の前記第1面との間に挟まれる位置に配置されるゲート絶縁層と、
平面視にて、前記ゲート電極を挟み前記ソース部と対向する位置の少なくとも一部に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むドレイン部と、
を含む変調トランジスタと、
隣接する画素に配置される2つの前記変調トランジスタを一組として、電気的に接続された一組の前記ソース部と、ソースラインの間に一組あたり一つ接続され、選択信号により前記ソース部と前記ソースラインとの導通状態を制御する伝達トランジスタと、
を含むことを特徴とする固体撮像装置。 A first conductivity type substrate;
A PD well portion of a second conductivity type disposed on the first surface side of the substrate;
A collection well portion having a first conductivity type and located in the PD well portion;
A photodiode including:
A TR well portion having a second conductivity type and connected to the PD well portion and having a junction depth shallower than that of the PD well portion;
A modulation well portion having a first conductivity type, connected to the collection well portion and located in the TR well portion;
A source part disposed in the modulation well part in plan view and having a second conductivity type and a region in contact with the first surface of the substrate;
A gate electrode disposed in a region covering at least a part of the modulation well portion in plan view and surrounding the source portion;
A gate insulating layer disposed at a position sandwiched between the gate electrode and the first surface of the substrate;
A drain part including a region having a second conductivity type and in contact with the first surface of the substrate, disposed in at least a part of a position facing the source part across the gate electrode in plan view;
A modulation transistor comprising:
A set of two modulation transistors arranged in adjacent pixels as a set, the set of electrically connected source units, and one set connected between source lines, and the source unit by a selection signal And a transmission transistor for controlling a conduction state between the source line and the source line,
A solid-state imaging device comprising:
前記基板の第1面側に配置される第2導電型のPDウェル部と、
第1導電型を有し、前記PDウェル部内に位置する収集ウェル部と、
を含むフォトダイオードと、
第2導電型を有し、前記PDウェル部と接続される、前記PDウェル部の接合深さと比べ浅い接合深さを有するTRウェル部と、
第1導電型を有し、前記収集ウェル部と接続され、前記TRウェル部内に位置する変調ウェル部と、
平面視にて前記変調ウェル部内に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むソース部と、
平面視にて、前記変調ウェル部の少なくとも一部を覆う領域に配置され、前記ソース部の一部を囲うゲート電極と、
平面視にて、前記ゲート電極と協働して前記ソース部を囲う素子分離層と、
前記ゲート電極と前記基板の前記第1面との間に挟まれる位置に配置されるゲート絶縁層と、
平面視にて、前記ゲート電極を挟み前記ソース部と対向する位置に少なくとも一部に配置され、第2導電型を有し前記基板の前記第1面と接する領域を含むドレイン部と、
を含む変調トランジスタと、
隣接する画素に配置される2つの前記変調トランジスタを一組として、電気的に接続された一組の前記ソース部と、ソースラインの間に一組あたり一つ接続され、選択信号により前記ソース部と前記ソースラインとの導通状態を制御する伝達トランジスタと、
を含むことを特徴とする固体撮像装置。 A first conductivity type substrate;
A PD well portion of a second conductivity type disposed on the first surface side of the substrate;
A collection well portion having a first conductivity type and located in the PD well portion;
A photodiode including:
A TR well portion having a second conductivity type and connected to the PD well portion and having a junction depth shallower than that of the PD well portion;
A modulation well portion having a first conductivity type, connected to the collection well portion and located in the TR well portion;
A source part disposed in the modulation well part in plan view and having a second conductivity type and a region in contact with the first surface of the substrate;
A gate electrode that is disposed in a region covering at least a part of the modulation well part in a plan view and surrounds a part of the source part;
An element isolation layer surrounding the source part in cooperation with the gate electrode in plan view;
A gate insulating layer disposed at a position sandwiched between the gate electrode and the first surface of the substrate;
A drain part including a region having a second conductivity type and being in contact with the first surface of the substrate, at least partially disposed at a position facing the source part across the gate electrode in plan view;
A modulation transistor comprising:
A set of two modulation transistors arranged in adjacent pixels as a set, the set of electrically connected source units, and one set connected between source lines, and the source unit by a selection signal And a transmission transistor for controlling a conduction state between the source line and the source line,
A solid-state imaging device comprising:
The layout of the modulation transistor and the photodiode of the pixel is arranged by inverting the mirror image in a direction intersecting the source line for each column, and the transmission transistor is arranged in a region where the modulation transistor is arranged in proximity. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is characterized.
Is mirror-reversing the direction intersecting with the source line layout of the modulation transistor and the photodiode of the pixel for each one row, further, the layout of the modulation transistor and the photodiode in a position sandwiching the source lines, one line 3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a mirror image is inverted in a direction aligned with the source line every time, and a transmission transistor is arranged in a region where the modulation transistor is arranged close to the source line.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007076106A JP5245267B2 (en) | 2007-03-23 | 2007-03-23 | Solid-state imaging device |
US12/052,958 US7649165B2 (en) | 2007-03-23 | 2008-03-21 | Image capturing apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007076106A JP5245267B2 (en) | 2007-03-23 | 2007-03-23 | Solid-state imaging device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008235748A JP2008235748A (en) | 2008-10-02 |
JP5245267B2 true JP5245267B2 (en) | 2013-07-24 |
Family
ID=39908163
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007076106A Expired - Fee Related JP5245267B2 (en) | 2007-03-23 | 2007-03-23 | Solid-state imaging device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5245267B2 (en) |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3559714B2 (en) * | 1998-09-02 | 2004-09-02 | キヤノン株式会社 | Imaging device and imaging system using the same |
JP2002057315A (en) * | 2000-08-15 | 2002-02-22 | Innotech Corp | Solid state image sensing device and its driving method |
JP2002300589A (en) * | 2001-01-29 | 2002-10-11 | Konica Corp | Photographing apparatus |
JP2005302769A (en) * | 2004-04-06 | 2005-10-27 | Seiko Epson Corp | Solid-state imaging apparatus |
JP4389720B2 (en) * | 2004-08-09 | 2009-12-24 | セイコーエプソン株式会社 | Solid-state imaging device and driving method of solid-state imaging device |
JP4389737B2 (en) * | 2004-09-22 | 2009-12-24 | セイコーエプソン株式会社 | Solid-state imaging device and driving method thereof |
DE102005060518B4 (en) * | 2004-12-16 | 2015-02-19 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image capture device and manufacturing process |
-
2007
- 2007-03-23 JP JP2007076106A patent/JP5245267B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2008235748A (en) | 2008-10-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101163624B1 (en) | Solid-state imager device, drive method of solid-state imager device and camera apparatus | |
US20190019820A1 (en) | Solid-state imaging device and electronic apparatus | |
JP4208559B2 (en) | Photoelectric conversion device | |
JP4752926B2 (en) | Solid-state imaging device, manufacturing method of solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, electronic apparatus | |
KR101631326B1 (en) | Photoelectric conversion apparatus and radiographic imaging apparatus | |
CN100442530C (en) | Solid-state imager device, drive method of solid-state imager device and camera apparatus | |
JP2008244021A (en) | Solid state imaging device and camera using it | |
US8089543B2 (en) | Solid-state image pickup element and solid-state image pickup device | |
JP2006245499A (en) | Solid state imaging apparatus | |
US7649165B2 (en) | Image capturing apparatus | |
JP5326507B2 (en) | Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
US20130056619A1 (en) | Solid-state image pickup apparatus and drive method therefor | |
JP4165250B2 (en) | Solid-state imaging device | |
CN101931759B (en) | Solid-state imaging apparatus | |
KR101613343B1 (en) | Solid-state imaging element and imaging device | |
JP4474962B2 (en) | Back-illuminated solid-state imaging device, electronic device module, and camera module | |
JP2005197352A (en) | Solid-state image pickup device | |
JP5581698B2 (en) | Solid-state image sensor | |
JP2006041189A (en) | Solid-state image pickup element | |
JP2005191362A (en) | Solid-state imaging apparatus | |
JP2010141045A (en) | Solid state imaging apparatus | |
JP5245267B2 (en) | Solid-state imaging device | |
JP2005197350A (en) | Solid-state image pickup device | |
JP3891125B2 (en) | Solid-state imaging device | |
JP2008235747A (en) | Solid-state imaging apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100318 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120816 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120820 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120912 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130312 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130325 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160419 Year of fee payment: 3 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |