JP5324056B2 - Solid-state imaging device and driving method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To properly multiply a signal charge caused by feeble incident light in a pixel even in a low drive voltage which is equal to a power voltage used for a usual CMOS image sensor, and to obtain a superior S/N ratio compared to that in a conventional device. <P>SOLUTION: In a solid-state image pickup element 1, a PD impurity region 33, a charge multiplication region 35 and an output impurity region 37 are arranged in parallel on the lower side of a gate oxide film 39 along the lower face thereof, and a multiplication gate electrode 41 and a transfer gate electrode 43 are arranged in parallel on the upper side of the gate oxide film 39 along the upper face thereof. In particular, the charge multiplication region 35 is formed immediately below the multiplication gate electrode 41 across the gate oxide film 39. Namely, a structure (multiplication structure 45) with which the multiplication gate electrode 41 and the charge multiplication region 35 are closely confronted is disposed adjacently to the PD impurity region 33 and the transfer gate electrode 43 between the PD impurity region 33 and the transfer gate electrode 43. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、画素(固体撮像素子)において、入射光により生成する電流をアバランシェ増倍現象を利用することによって増幅し、感度やS/Nを改善できる固体撮像装置及びその駆動方法に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device capable of amplifying current generated by incident light by utilizing an avalanche multiplication phenomenon in a pixel (solid-state imaging device) and improving sensitivity and S / N, and a driving method thereof.

CCDやCMOSイメージセンサに代表される固体撮像装置では、画素数の増大に伴って受光エリアであるフォトダイオード(PD)の面積が縮小し、感度が低下する。
そこで、従来の固体撮像装置においては、画素内に形成するマイクロレンズの効率改善やCCD末端に配置する出力増幅器、CMOSにおける画素内増幅器の効率改善などの方法で感度低下を補ってきた。
In a solid-state imaging device typified by a CCD or a CMOS image sensor, the area of a photodiode (PD), which is a light receiving area, decreases as the number of pixels increases, and sensitivity decreases.
Therefore, in the conventional solid-state imaging device, sensitivity reduction has been compensated by methods such as improving the efficiency of the microlens formed in the pixel, improving the efficiency of the output amplifier arranged at the end of the CCD, and the efficiency of the intra-pixel amplifier in the CMOS.

ところが、照明光が弱い環境下で撮影を行う場合、画素に入射する光に比べて画素内で発生するノイズが同程度以上に大きくなるため、従来の方法だけではノイズを増幅することになり、光信号が判別できないという問題が生じる。   However, when shooting in an environment where the illumination light is weak, the noise generated in the pixel is larger than the incident light compared to the light incident on the pixel, so the conventional method alone amplifies the noise. There arises a problem that the optical signal cannot be identified.

係る問題を解決するために、従来の固体撮像装置では、PDを形成する不純物とは極性が異なる不純物をPD表面に埋め込むことで表面欠陥に起因する暗電流を低減したり、Si基板の欠陥密度を改善するといった方法が取られてきた。   In order to solve such a problem, in the conventional solid-state imaging device, dark current caused by surface defects is reduced by embedding impurities having a polarity different from that of the impurities forming PD in the surface of the PD, or the defect density of the Si substrate. The method of improving has been taken.

しかし、依然として、照明が無い夜間など、0.1lx以下しか照度が得られないような環境下では、実用に耐えうる画像は得られなかった。この原因として、このような従来の技術では、入射光を電荷に変換する量子効率は理論的に1以下となるため、わずかなノイズの発生によってS/Nが悪化するという原理的な背景がある。   However, in an environment where the illuminance is only 0.1 lx or less, such as at night when there is no illumination, an image that can withstand practical use cannot be obtained. As a cause of this, in such a conventional technique, since the quantum efficiency for converting incident light into electric charge is theoretically 1 or less, there is a principle background that S / N deteriorates due to generation of slight noise. .

これに対して、近年、ハイビジョン撮影に供するための撮像管として、アモルファスセレン(a−Se)薄膜を形成し、これに1500Vから3500Vといった高電圧を印加して電荷を増倍するHARP撮像管が知られている(NHK技研 R&D No.78(2003)等参照)。また、a−Se薄膜を固体撮像装置上に形成して、高感度を得る技術が提案されている(NHK技研 R&D No.67(2001)参照)。   On the other hand, in recent years, as an imaging tube for high-vision photography, an amorphous selenium (a-Se) thin film is formed, and a high voltage such as 1500 V to 3500 V is applied to the HARP imaging tube to multiply the charge. It is known (refer to NHK Giken R & D No. 78 (2003) etc.). Further, a technique has been proposed in which an a-Se thin film is formed on a solid-state imaging device to obtain high sensitivity (see NHK Giken R & D No. 67 (2001)).

しかし、この方法では、電荷増倍を実現するために、安価な固体撮像装置を製造するのに好適なシリコン(Si)とは異なる材料を薄膜として積層せねばならず、従来のSiのみを用いて製造された固体撮像装置に比べて高価なものとなるという問題がある。また、この方法によれば、固体撮像装置に60V程度の電圧を印加しなければならず、通常固体撮像装置を使用する電源電圧に比べて高い電源が必要であり、消費電力も大きくなるという問題がある。   However, in this method, in order to realize charge multiplication, a material different from silicon (Si) suitable for manufacturing an inexpensive solid-state imaging device must be laminated as a thin film, and only conventional Si is used. There is a problem that it is more expensive than a solid-state imaging device manufactured in this way. In addition, according to this method, a voltage of about 60 V must be applied to the solid-state imaging device, and a power source that is higher than a power source voltage that normally uses the solid-state imaging device is required, resulting in an increase in power consumption. There is.

これに対して、安価で製品実績がある従来の固体撮像装置を基本構成として、入射光に対する電荷増倍を行って高感度化を図る代表的な方法に、下記のa)〜d)のものがある。   On the other hand, the following a) to d) are representative methods for increasing the sensitivity by multiplying the charge with respect to incident light by using a conventional solid-state imaging device that is inexpensive and has a proven track record as a basic configuration. There is.

a)羽鳥は、CCDを基本構成として、CCD終端部から電荷読み出し用領域であるフローティング・ディフュージョンに電荷を転送する際に高電界を発生させて電荷を増倍する方法を考案した(特許文献1参照)。   a) Hatori devised a method of multiplying charges by generating a high electric field when transferring charges from a CCD terminal portion to a floating diffusion, which is a charge readout region, using a CCD as a basic configuration (Patent Document 1). reference).

しかし、この方法によれば、電荷の増倍はフローティング・ディフュージョンに電荷を読み出す1回だけに限られるため、増倍率も一定の値に限られる。また、高電界を発生させるためには、通常CMOSイメージセンサを駆動する電源電圧より高い15V以上を印加する必要がある。   However, according to this method, the multiplication of the charge is limited to one time of reading the charge to the floating diffusion, so that the multiplication factor is also limited to a constant value. In order to generate a high electric field, it is necessary to apply a voltage of 15 V or higher, which is higher than a power supply voltage for driving a normal CMOS image sensor.

b)菰淵は、PD直下にp型、n型の不純物層を積層して、不純物拡散領域間の濃度ピーク間隔の制御によりNPN構造あるいはPNPNを形成して逆バイアスを印加し、高電界を発生させて電荷を増倍する方法を考案した(特許文献2参照)。   b) A p-type and n-type impurity layer is stacked directly under the PD, an NPN structure or a PNPN is formed by controlling the concentration peak interval between the impurity diffusion regions, a reverse bias is applied, and a high electric field is applied. A method of multiplying the charge by generating it was devised (see Patent Document 2).

しかし、この方法の場合も、高電界を発生させるために通常のCMOSイメージセンサの駆動電圧より高い40V程度の電圧を印加する必要がある。
c)Hynecekは、CCDを基本構成として、水平転送CCD段で電荷増倍を行う手法を提案した(特許文献3参照)。
However, even in this method, it is necessary to apply a voltage of about 40 V, which is higher than the driving voltage of a normal CMOS image sensor, in order to generate a high electric field.
c) Hynesem proposed a method of performing charge multiplication in a horizontal transfer CCD stage using a CCD as a basic configuration (see Patent Document 3).

この方法によれば、水平転送CCDの段数に応じて、または水平転送回数に応じて電荷の増倍率を任意に設定できる。図26にこの手法による水平転送CCD部分の断面図を示す。ここでは、CCD転送ゲート(P1)間に高電界を発生する電圧を印加して電荷増倍を行っている。   According to this method, the charge multiplication factor can be arbitrarily set according to the number of stages of the horizontal transfer CCD or according to the number of horizontal transfers. FIG. 26 shows a cross-sectional view of a horizontal transfer CCD portion by this method. Here, charge multiplication is performed by applying a voltage that generates a high electric field between the CCD transfer gates (P1).

しかし、この方法はCCDを基本構成としているため、駆動電圧が12〜20V程度と高く、通常のCMOSイメージセンサに比べて電源消費電力が大きくなる。また、画素から垂直転送CCDを経た後に始めて電荷増倍動作を行うため、この経路の間で電荷信号に重畳するノイズについては電荷増倍時に一緒に増倍してしまうという問題がある。   However, since this method is based on a CCD, the driving voltage is as high as about 12 to 20 V, and the power consumption is higher than that of a normal CMOS image sensor. Further, since the charge multiplication operation is performed only after passing through the vertical transfer CCD from the pixel, there is a problem that noise superimposed on the charge signal between these paths is multiplied together at the time of charge multiplication.

d)Hynecekは、上記の特許文献とは別に、CMOSイメージセンサにも適用できる画素構造を提案している(特許文献4参照)。
この画素構造では、画素内に隣接して設けた電極に交互に電圧を印加することで高電界を発生し、電荷を増倍する。この原理は、上記の特許文献の水平転送CCDによる電荷増倍を画素に内蔵した方式とみなすことができる。従って、上記各特許文献同様、電荷増倍に必要な駆動電圧は22V程度となり、通常のCMOSイメージセンサの電源電圧より高いものとなる。この結果、上記各特許文献と同様の問題が発生する。
特開平5−211180号公報 特開平5−335549号公報 特開平7−176721号公報 特開2001−127277号公報
d) Hynecek has proposed a pixel structure that can be applied to a CMOS image sensor separately from the above-mentioned patent document (see Patent Document 4).
In this pixel structure, a high electric field is generated by alternately applying a voltage to electrodes provided adjacent to each other in the pixel, thereby multiplying the charge. This principle can be regarded as a method in which charge multiplication by the horizontal transfer CCD of the above-mentioned patent document is built in a pixel. Therefore, as in the above patent documents, the drive voltage required for charge multiplication is about 22V, which is higher than the power supply voltage of a normal CMOS image sensor. As a result, the same problem as in each of the above patent documents occurs.
JP-A-5-211180 JP-A-5-335549 JP-A-7-176721 JP 2001-127277 A

本発明は、上記各従来技術に共通する問題点、すなわち電荷増倍に必要な駆動電圧は、通常CMOSイメージセンサの電源電圧に用いられる電圧と比べて高く、消費電力も大きくなるという問題点を鑑みてなされたものである。   The present invention has a problem common to the above-described conventional techniques, that is, a drive voltage required for charge multiplication is higher than a voltage normally used for a power supply voltage of a CMOS image sensor, and power consumption is also increased. It was made in view of this.

つまり、本発明は、通常のCMOSイメージセンサに用いられる電源電圧と同等程度の低い駆動電圧でも、画素において微弱な入射光により発生する信号電荷を好適に増倍し、従来に比べて優れたS/Nを実現することを目的とする。   That is, the present invention suitably multiplies the signal charge generated by weak incident light in the pixel even at a driving voltage as low as the power supply voltage used in a normal CMOS image sensor, and is superior to the conventional S. The purpose is to realize / N.

まず、上記の課題を解決するためになされた本発明の原理について説明する。
ここでは、Si基板の表面付近を用いる構造として、典型的なMOS(Metal Oxide Semiconductor)構造を想定し、空乏層の内部に発生する電界によってアバランシェ電荷増倍が起こるメカニズムについて説明する。
First, the principle of the present invention made to solve the above problems will be described.
Here, a typical MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure is assumed as a structure using the vicinity of the surface of the Si substrate, and a mechanism in which avalanche charge multiplication occurs due to an electric field generated inside the depletion layer will be described.

MOS構造の断面図を図1に示す。図1では、Si基板をp型とし、不純物(アクセプタ)の濃度をNAとする。ゲート電極(Poly Si電極)に十分大きな正の電圧を印加して強反転状態としたとき、絶縁膜であるSiO2からSi基板側に向かって空乏層が広がり、SiO2とSi基板の界面近傍には電子が蓄積した反転層(強反転状態の反転層)が生じる。 A cross-sectional view of the MOS structure is shown in FIG. In FIG. 1, the Si substrate is p-type and the impurity (acceptor) concentration is NA. When a sufficiently large positive voltage is applied to the gate electrode (Poly Si electrode) to form a strong inversion state, a depletion layer spreads from the insulating film SiO 2 toward the Si substrate, and near the interface between the SiO 2 and the Si substrate In this case, an inversion layer in which electrons are accumulated (inversion layer in a strong inversion state) is generated.

次に、MOS構造において図1の反転状態に至るまでの過渡状態を考える。Poly Si電極に反転状態が生じるための十分大きな電圧を印加すると、Si基板側からSiO2側に向かって電子が移動し、まず空乏層が生じる。このとき、空乏層に十分大きな電界が印加されている状態で、外部から1個電子が空乏層に注入されたとすると、空乏層中で走行する電子が結晶格子に衝突して電子と正孔を生成する“衝突電離”が起きる。衝突電離により見かけ上電荷が増えるため、なだれ(アバランシェ)的に“電荷増倍”が起こったと考えることができる。すなわち、空乏層に注入された電荷(この場合は電子)は、衝突電離によってアバランシェ電荷増倍を起こす。電荷増倍により発生した電子と正孔は、互いに反対方向に移動しながら、さらに電荷増倍を起こす。 Next, let us consider the transient state up to the inversion state of FIG. 1 in the MOS structure. When a sufficiently large voltage for applying an inversion state is applied to the Poly Si electrode, electrons move from the Si substrate side to the SiO 2 side, and a depletion layer is generated first. At this time, if a single electron is externally injected into the depletion layer while a sufficiently large electric field is applied to the depletion layer, the electrons traveling in the depletion layer collide with the crystal lattice and cause electrons and holes to flow. The generated “impact ionization” occurs. Since the charge is apparently increased by impact ionization, it can be considered that “charge multiplication” occurred avalanche. That is, electric charges (electrons in this case) injected into the depletion layer cause avalanche charge multiplication by impact ionization. The electrons and holes generated by the charge multiplication further cause charge multiplication while moving in opposite directions.

一般的には、電荷増倍は電界強度が2×105[V/cm]程度以上に強くなると発生するとされている。この現象は、定常状態である反転状態になるまでの時間に起こっている筈である。また、アバランシェ電荷増倍が発生する条件を超えてさらに印加する電界強度を強くすると、空乏層が薄くなって、トンネル電流が支配的になる。この場合、もはやアバランシェ電荷増倍は発生しない。 In general, charge multiplication is said to occur when the electric field strength becomes stronger than about 2 × 10 5 [V / cm]. This phenomenon should occur in the time until the inversion state, which is a steady state. Further, when the applied electric field strength is further increased beyond the condition for causing avalanche charge multiplication, the depletion layer becomes thin and the tunnel current becomes dominant. In this case, avalanche charge multiplication no longer occurs.

以上では、MOS構造の空乏層に1個電子が注入される過渡状態を考えたが、このMOS構造をイメージセンサ(固体撮像装置)の画素内に設けることを想定する。
フォトダイオード(PD)に光を当てて電子を発生させ、PDからMOS構造に注入された電子を上述のように増倍することを考えると、アバランシェ電荷増倍では、空乏層に注入された電荷の数に応じて増倍される電荷数が変わるため、微弱光の増倍に適する。一方、トンネル電流は注入された電荷がそのまま直接空乏層を突き抜けるため、微弱光の増倍はできない。なお、トンネル電流によるブレークダウンは、一般的に1×106[V/cm]程度以上に強くなると発生するとされている。
The transient state in which one electron is injected into the depletion layer of the MOS structure has been considered above. However, it is assumed that this MOS structure is provided in the pixel of the image sensor (solid-state imaging device).
Considering that light is applied to a photodiode (PD) to generate electrons and the electrons injected from the PD into the MOS structure are multiplied as described above, avalanche charge multiplication is a charge injected into the depletion layer. Since the number of charges to be multiplied varies depending on the number of light, it is suitable for weak light multiplication. On the other hand, the tunnel current cannot directly multiply the weak light because the injected charge directly penetrates the depletion layer. The breakdown due to the tunnel current is generally considered to occur when it becomes stronger than about 1 × 10 6 [V / cm].

そこで、本発明者等によって机上計算を行ったところ、通常のCMOS作製工程で実現可能な不純物濃度でも、図1の構造においてアバランシェ電荷増倍が発生し、トンネルブレークダウンが発生しないような電界の条件を満たすことが分かった。   Therefore, when the present inventors performed a desktop calculation, an electric field of an avalanche charge multiplication occurs in the structure of FIG. 1 and a tunnel breakdown does not occur even with an impurity concentration that can be realized by a normal CMOS fabrication process. I found that the condition was met.

従って、この知見に基づいて本発明がなされたものである。以下、各請求項毎に説明する。
(1)請求項1記載の固体撮像装置は、半導体基板上に、ゲート酸化膜と、入射光によって電荷を発生するフォトダイオード(PD)を形成するPD不純物領域と、前記電荷を増倍するための増倍ゲート電極と、前記増倍ゲート電極に対向して設けられ、該増倍ゲート電極により前記PD不純物領域にて発生した電荷を増倍する電荷増倍領域と、前記増倍した電荷を転送する転送ゲート電極と、前記転送された電荷を出力する出力用不純物領域と、を有する画素構成を備えた固体撮像装置であって、前記ゲート酸化膜の半導体基板側と反対側(以下上面側と記す)に、前記増倍ゲート電極を備えるとともに、前記電荷増倍領域は、前記ゲート酸化膜を挟んで、前記増倍ゲート電極の真下に形成され、且つ、前記ゲート酸化膜の上面側に、前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極とが配置されるとともに、前記ゲート酸化膜の半導体基板側(以下下面側と記す)に、前記PD不純物領域と前記電荷増倍領域と前記出力用不純物領域とが配置され、且つ、前記電荷増倍領域は、前記ゲート酸化膜を挟んで、前記増倍ゲート電極の真下に形成されるとともに、周囲の不純物濃度とは異なり、独立して設定された不純物濃度の不純物拡散領域であって、前記不純物濃度は電荷を増倍するのに適した不純物濃度である前記不純物拡散領域として形成され、更に、前記PD不純物領域は、上面からみて少なくとも前記電荷増倍領域に隣接する部分を有することを特徴とする。
Therefore, the present invention has been made based on this finding. Hereinafter, each claim will be described.
(1) In the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention, a gate oxide film, a PD impurity region for forming a photodiode (PD) that generates a charge by incident light, and a charge are multiplied on a semiconductor substrate. A multiplication gate electrode, a charge multiplication region that is provided opposite to the multiplication gate electrode and that multiplies the charge generated in the PD impurity region by the multiplication gate electrode, and the multiplied charge. A solid-state imaging device having a pixel configuration including a transfer gate electrode for transferring and an output impurity region for outputting the transferred charge, wherein the gate oxide film is opposite to a semiconductor substrate side (hereinafter referred to as an upper surface side). The charge multiplication region is formed directly below the multiplication gate electrode with the gate oxide film interposed therebetween, and on the upper surface side of the gate oxide film. The above The double gate electrode and the transfer gate electrode are disposed, and the PD impurity region, the charge multiplying region, and the output impurity region are provided on the semiconductor substrate side (hereinafter referred to as a lower surface side) of the gate oxide film. The charge multiplication region is disposed directly below the multiplication gate electrode with the gate oxide film interposed therebetween, and has an impurity concentration set independently of the surrounding impurity concentration. The impurity diffusion region is formed as the impurity diffusion region having an impurity concentration suitable for multiplying charges, and the PD impurity region is at least in the charge multiplication region when viewed from above. It has the part which adjoins.

本発明では、電荷増倍領域の不純物濃度を適切な値(例えば1.6×1017〜4.8×1017[cm-3])に設定することで、通常のCMOSイメージセンサの駆動電圧と同等の電圧(例えば2.6〜5.0[V])を増倍ゲート電極に印加するだけで、アバランシェ増倍に十分な電界強度(例えば2.0×105〜3.6×105[V/cm])を内部に有する空乏層を生じさせることができ、その結果、微弱な入射光に対しても優れたS/Nを実現することができる。 In the present invention, the drive voltage of a normal CMOS image sensor is set by setting the impurity concentration in the charge multiplication region to an appropriate value (for example, 1.6 × 10 17 to 4.8 × 10 17 [cm −3 ]). Is applied to the multiplication gate electrode (for example, 2.6 to 5.0 [V]), and the electric field strength sufficient for avalanche multiplication (for example, 2.0 × 10 5 to 3.6 × 10 6). 5 [V / cm]) can be generated, and as a result, an excellent S / N can be realized even for weak incident light.

つまり、本発明によれば、電荷増倍領域の不純物濃度によってその厚さと内部電界強度が調整される空乏層を利用して電荷をアバランシェ増倍できるので、従来は微細加工精度で決まる隣接ゲート電極間の配置精度の制約によって比較的高い電圧を印加しなければ実現できなかったアバランシェ増倍を、CMOSイメージセンサの電源電圧程度の低電圧で実現できる。この結果、特別な電源系が不要となり、従来に比べて低消費電力で、PDの最隣接領域において増倍動作を実現することによる改善されたS/Nを得ることが可能となる。   That is, according to the present invention, the charge can be avalanche-multiplied by using a depletion layer whose thickness and internal electric field strength are adjusted by the impurity concentration of the charge-multiplier region. The avalanche multiplication, which could not be realized without applying a relatively high voltage due to restrictions on the arrangement accuracy between them, can be realized with a low voltage about the power supply voltage of the CMOS image sensor. As a result, a special power supply system is not required, and it is possible to obtain an improved S / N ratio by realizing a multiplication operation in the most adjacent region of the PD with lower power consumption than in the prior art.

また、本発明では、ゲート酸化膜の半導体基板側と反対側(以下上面側と記す)に、増倍ゲート電極と転送ゲート電極とが配置されるとともに、ゲート酸化膜の半導体基板側(以下下面側と記す)に、PD不純物領域と電荷増倍領域と出力用不純物領域とが配置され、且つ、前記電荷増倍領域は、前記ゲート酸化膜を挟んで、前記増倍ゲート電極の真下に形成されている。なお、ここで、直下とは、上面側から見て下面側(投影領域)にあることを示している。
更に、本発明では、PD不純物領域は、上面から見て少なくとも電荷増倍領域に隣接する部分を有している。
これにより、PD不純物領域で生じた電荷を効率的に電荷増倍領域に注入することができる。なお、ここで隣接とは、少なくともPD不純物領域の半導体基板表面に達する部分と電荷増倍領域とが隣接していれば良く、上面側から見て投影領域にて一部重複していてもよい。
なお、本発明は、上述した画素構成を有するもの(固体撮像装置)を特徴としており、前記画素構成を有する固体撮像素子、該固体撮像素子を複数配列した画素アレイ、該画素アレイを用いた装置等も、本発明の範囲である。
In the present invention, the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode are arranged on the opposite side (hereinafter referred to as the upper surface side) of the gate oxide film to the semiconductor substrate side, and the semiconductor substrate side (hereinafter referred to as the lower surface side) of the gate oxide film. A PD impurity region, a charge multiplication region, and an output impurity region, and the charge multiplication region is formed immediately below the multiplication gate electrode with the gate oxide film interposed therebetween. Has been. Here, the term “directly below” indicates that it is on the lower surface side (projection region) when viewed from the upper surface side.
Furthermore, in the present invention, the PD impurity region has at least a portion adjacent to the charge multiplication region as viewed from above.
Thereby, charges generated in the PD impurity region can be efficiently injected into the charge multiplication region. Here, the term “adjacent” means that at least a part of the PD impurity region reaching the surface of the semiconductor substrate and the charge multiplication region may be adjacent to each other, and may partially overlap in the projection region when viewed from the upper surface side. .
The present invention is characterized by the above-described pixel configuration (solid-state imaging device), a solid-state imaging device having the pixel configuration, a pixel array in which a plurality of the solid-state imaging devices are arranged, and an apparatus using the pixel array Etc. are also within the scope of the present invention.

更に、本発明では、電荷増倍領域は、周囲の不純物濃度とは異なり、独立して設定された不純物濃度の不純物拡散領域であって、不純物濃度は電荷を増倍するのに適した不純物濃度である不純物拡散領域として形成されている。
よって、固体撮像装置に形成する他の回路素子に影響を与えずにアバランシェ電荷増倍に最適の電荷増倍領域を形成することができる。
Further, in the present invention, the charge multiplication region is an impurity diffusion region having an impurity concentration set independently of the surrounding impurity concentration, and the impurity concentration is an impurity concentration suitable for multiplying the charge. It is formed as an impurity diffusion region.
Therefore, it is possible to form a charge multiplication region optimum for avalanche charge multiplication without affecting other circuit elements formed in the solid-state imaging device.

)請求項の発明では、前記PD不純物領域のうち半導体基板表面に至る部分は、上面から見てn角形であり、前記増倍ゲート電極と、前記電荷増倍領域と、前記転送ゲート電極と、前記出力用不純物領域とは、前記n角形部分のPD不純物領域の半導体基板表面に至る部分の周囲を上面から見て1辺〜(n−1)辺のいずれかの辺を残して取り囲むように形成されたことを特徴とする。 ( 2 ) In the invention of claim 2 , a portion of the PD impurity region reaching the surface of the semiconductor substrate is an n-gon when viewed from above, and the multiplication gate electrode, the charge multiplication region, and the transfer gate The electrode and the output impurity region leave one side to (n−1) sides when the periphery of the portion of the PD impurity region of the n-gonal portion reaching the surface of the semiconductor substrate is viewed from above. It is formed so as to surround it.

本発明では、上述した構成とすることにより、上面から見た増倍ゲート電極および電荷増倍領域の面積と比例して電荷の増倍効果を見積もることができるので、検出すべき微弱光に合わせた設計が容易にできる。   In the present invention, by adopting the above-described configuration, the charge multiplication effect can be estimated in proportion to the area of the multiplication gate electrode and the charge multiplication region as viewed from above, so that it matches the weak light to be detected. Easy design.

)請求項の発明では、少なくとも、前記増倍ゲート電極と前記電荷増倍領域とは、前記PD不純物領域のうち半導体基板表面に至る部分の周囲を上面から見て全周取り囲むように形成されたことを特徴とする。 ( 3 ) In the invention of claim 3 , at least the multiplication gate electrode and the charge multiplication region surround the entire periphery of the portion of the PD impurity region reaching the semiconductor substrate surface as viewed from above. It is formed.

本発明では、上面から見た増倍ゲート電極および電荷増倍領域の面積が極大となるので、電荷の増倍効果も極大値が得られる。なお、その他の構成(転送ゲート電極や出力用不純物領域)は、できる限り前記周囲を取り込むように配置することが望ましい。   In the present invention, since the area of the multiplication gate electrode and the charge multiplication region as viewed from above is maximized, the charge multiplication effect can also be maximized. In addition, it is desirable to arrange other configurations (transfer gate electrode and output impurity region) so as to capture the periphery as much as possible.

)請求項の発明では、前記PD不純物領域の一部が、前記増倍ゲート電極と前記電荷増倍領域との直下まで延長されたことを特徴とする。
本発明では、PD不純物領域と電荷増倍領域が接する面積を比較的広く設定することができるので、電荷増倍領域への電荷の注入を効率的に行うことができる。
( 4 ) The invention of claim 4 is characterized in that a part of the PD impurity region is extended to a position directly below the multiplication gate electrode and the charge multiplication region.
In the present invention, the area where the PD impurity region and the charge multiplication region are in contact with each other can be set relatively wide, so that charge can be efficiently injected into the charge multiplication region.

)請求項の発明では、前記PD不純物領域のうち半導体基板表面に至る部分は、上面から見てn角形であり、前記増倍ゲート電極と、前記電荷増倍領域と、前記転送ゲート電極と、前記出力用不純物領域と、前記PD不純物領域のうち前記電荷増倍領域直下まで延長している部分とは、前記n角形部分のPD不純物領域の半導体基板表面に至る部分の周囲を上面から見て1辺〜(n−1)辺のいずれかの辺を残して取り囲むように形成されたことを特徴とする。 ( 5 ) In the invention of claim 5 , a portion of the PD impurity region reaching the surface of the semiconductor substrate is an n-gon when viewed from above, and the multiplication gate electrode, the charge multiplication region, and the transfer gate The electrode, the output impurity region, and the portion of the PD impurity region that extends to the region immediately below the charge multiplication region are the upper surface around the portion of the PD impurity region of the n-gonal portion that reaches the semiconductor substrate surface. As viewed from the side, the first side to the (n-1) side are left and surrounded.

本発明では、PD不純物領域と電荷増倍領域が接する面積を広く設定して電荷増倍領域への電荷の注入を効率的に行いつつ、上面から見た増倍ゲート電極および電荷増倍領域の面積と比例して電荷の増倍効果を見積もることができるので、検出すべき微弱光にあわせた設計が容易にできる。   In the present invention, the area where the PD impurity region and the charge multiplication region are in contact with each other is set wide to efficiently inject charges into the charge multiplication region, while the multiplication gate electrode and the charge multiplication region are viewed from above. Since the charge multiplication effect can be estimated in proportion to the area, the design according to the weak light to be detected can be easily performed.

)請求項の発明では、少なくとも、前記増倍ゲート電極と、前記電荷増倍領域と、前記PD不純物領域のうち前記電荷増倍領域直下まで延長している部分とは、前記PD不純物領域のうち半導体基板表面に至る部分の周囲を上面から見て全周取り囲むように形成されたことを特徴とする。 ( 6 ) In the invention of claim 6 , at least the multiplication gate electrode, the charge multiplication region, and a portion of the PD impurity region that extends to a position immediately below the charge multiplication region is the PD impurity. The region is formed so as to surround the entire periphery of the region reaching the surface of the semiconductor substrate when viewed from above.

本発明では、PD不純物領域と電荷増倍領域が接する面積を広く設定して電荷増倍領域への電荷の注入を効率的に行いつつ、上面から見た増倍ゲート電極および電荷増倍領域の面積を極大とできるので、電荷の増倍効果も極大値が得られる。なお、その他の構成(転送ゲート電極や出力用不純物領域)は、できる限り前記周囲を取り込むように配置することが望ましい。   In the present invention, the area where the PD impurity region and the charge multiplication region are in contact with each other is set wide to efficiently inject charges into the charge multiplication region, while the multiplication gate electrode and the charge multiplication region are viewed from above. Since the area can be maximized, the charge multiplication effect can also be maximized. In addition, it is desirable to arrange other configurations (transfer gate electrode and output impurity region) so as to capture the periphery as much as possible.

)請求項の発明では、前記PD不純物領域の一部が、前記増倍ゲート電極直下においては前記電荷増倍領域の直下を通り、前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙においては前記半導体基板の表面に至るように延長して形成されたことを特徴とする。 ( 7 ) In the invention of claim 7 , a part of the PD impurity region passes immediately below the charge multiplication region immediately below the multiplication gate electrode, and a gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode. Is characterized by being formed so as to extend to the surface of the semiconductor substrate.

本発明では、PD不純物領域と電荷増倍領域が接する面積を比較的広く設定することができ、電荷増倍領域への電荷の注入を効率的に行うことができることに加え、PD不純物領域の延長部分が転送ゲートの近傍まで形成されているため、増倍された電荷を出力用不純物領域に転送する効率がよい。   In the present invention, the area where the PD impurity region and the charge multiplication region are in contact with each other can be set relatively wide, and the injection of charges into the charge multiplication region can be performed efficiently. Since the portion is formed up to the vicinity of the transfer gate, the multiplied charge is efficiently transferred to the output impurity region.

)請求項の発明では、前記PD不純物領域のうち、前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分を除く半導体基板表面に至る部分は、上面からみてn角形であり、前記増倍ゲート電極と、前記電荷増倍領域と、前記転送ゲート電極と、前記出力用不純物領域と、前記PD不純物領域のうち前記電荷増倍領域直下を通って前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分とは、前記n角形部分のPD不純物領域のうち前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分を除く半導体基板表面に至る部分の周囲の上面から見て1辺〜(n−1)辺のいずれかの辺を残して取り囲むように形成されたことを特徴とする。 ( 8 ) In the invention of claim 8 , a portion of the PD impurity region that reaches the surface of the semiconductor substrate excluding a portion that extends to the surface of the semiconductor substrate in the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode, It is n-gonal when viewed from above, passing through the multiplication gate electrode, the charge multiplication region, the transfer gate electrode, the output impurity region, and the PD impurity region directly below the charge multiplication region. The portion of the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode extending to the surface of the semiconductor substrate is the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode in the PD impurity region of the n-gonal portion. It is formed so as to surround any one of sides 1 to (n-1) when viewed from the upper surface around the portion reaching the surface of the semiconductor substrate excluding the portion extending to the surface of the semiconductor substrate. To.

本発明では、PD不純物領域と電荷増倍領域が接する面積を比較的広く設定することができ、電荷増倍領域への電荷の注入を効率的に行うことができることに加え、PD不純物領域の延長部分が転送ゲートの近傍まで形成されているため、増倍された電荷を出力用不純物領域に転送する効率がよい。さらに、上面から見た増倍ゲート電極および電荷増倍領域の面積と比例して電荷の増倍効果を見積もることができるので、検出すべき微弱光にあわせた設計が容易にできる。   In the present invention, the area where the PD impurity region and the charge multiplication region are in contact with each other can be set relatively wide, and the injection of charges into the charge multiplication region can be performed efficiently. Since the portion is formed up to the vicinity of the transfer gate, the multiplied charge is efficiently transferred to the output impurity region. Further, since the charge multiplication effect can be estimated in proportion to the area of the multiplication gate electrode and the charge multiplication region as viewed from above, the design according to the weak light to be detected can be facilitated.

)請求項の発明では、前記PD不純物領域において、その上面側、および、上面から見て前記電荷増倍領域に隣接していない周の部分の下面方向(深さ方向)に沿った側面に、前記PD不純物領域と反対極性を有する不純物領域を備えたことを特徴とする。 ( 9 ) In the invention of claim 9 , in the PD impurity region, the upper surface side and a lower surface direction (depth direction) of a peripheral portion not adjacent to the charge multiplication region as viewed from the upper surface. An impurity region having a polarity opposite to that of the PD impurity region is provided on a side surface.

本発明では、PD不純物領域の表面と側面に形成した不純物領域によって表面に存在する表面準位に起因する暗電流の影響を低減することと、PD不純物領域から電荷増倍領域に注入する電荷と逆の極性をもち雑音成分となる電荷を電荷増倍領域から引き抜くことによって、電荷増倍にともなう電荷数の揺らぎを低減することができ、雑音を低減できる。   In the present invention, the effect of dark current caused by surface states existing on the surface is reduced by the impurity regions formed on the surface and side surfaces of the PD impurity region, and the charge injected from the PD impurity region into the charge multiplication region. By extracting the charge having a reverse polarity and being a noise component from the charge multiplication region, fluctuations in the number of charges due to charge multiplication can be reduced, and noise can be reduced.

10)請求項10の発明は、前記PD不純物領域において、その上面側、および、上面から見て該PD不純物領域の中央部分にて下面方向に向かって該PD不純物領域の深さより深くなるように、前記PD不純物領域と反対極性を有する不純物領域を備えたことを特徴とする。 ( 10 ) According to the invention of claim 10 , in the PD impurity region, the upper surface side and the central portion of the PD impurity region as viewed from the upper surface are deeper than the depth of the PD impurity region toward the lower surface. And an impurity region having a polarity opposite to that of the PD impurity region.

本発明では、上面から見てPD不純物領域の周囲における下面方向(深さ方向)にPD不純物領域と反対極性の不純物領域を形成すること無しに、PD不純物領域より深い領域まで雑音成分となる電荷を引き抜くことができるので、上面から見たPD不純物領域の周囲の設計自由度を比較的大きく保ったまま、電荷増倍にともなう電荷数の揺らぎを低減することができ、雑音を低減できる。   In the present invention, the charge that becomes a noise component up to a region deeper than the PD impurity region without forming an impurity region having a polarity opposite to that of the PD impurity region in the lower surface direction (depth direction) around the PD impurity region as viewed from the upper surface. Therefore, fluctuation in the number of charges due to charge multiplication can be reduced and noise can be reduced while maintaining a relatively high degree of design freedom around the PD impurity region as viewed from above.

11)請求項11の発明では、前記PD不純物領域のうち、前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分を除く半導体基板表面に至る領域の表面、および、上面から見て該領域の前記電荷増倍領域に隣接していない周の部分の下面方向に沿った側面に、前記PD不純物領域と反対極性を有する不純物領域を備えたことを特徴とする。 ( 11 ) In the invention of claim 11, the surface of the region reaching the semiconductor substrate surface excluding the portion of the PD impurity region extending to the semiconductor substrate surface in the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode And an impurity region having a polarity opposite to that of the PD impurity region on a side surface along a lower surface direction of a peripheral portion of the region that is not adjacent to the charge multiplication region when viewed from the upper surface. To do.

本発明では、PD不純物領域と電荷増倍領域が接する面積を比較的広く設定することができ、電荷増倍領域への電荷の注入を効率的に行うことができることに加え、PD不純物領域の延長部分が転送ゲートの近傍まで形成されているため、増倍された電荷を出力用不純物領域に転送する効率がよい。   In the present invention, the area where the PD impurity region and the charge multiplication region are in contact with each other can be set relatively wide, and the injection of charges into the charge multiplication region can be performed efficiently. Since the portion is formed up to the vicinity of the transfer gate, the multiplied charge is efficiently transferred to the output impurity region.

また、上面から見た増倍ゲート電極および電荷増倍領域の面積と比例して電荷の増倍効果を見積もることができるので、検出すべき微弱光にあわせた設計が容易にできる。
さらに、表面に存在する表面準位に起因する暗電流の影響を低減することと、PD不純物領域から電荷増倍領域に注入する電荷と逆の極性をもち雑音成分となる電荷を電荷増倍領域から引き抜くことによって、電荷増倍に伴う電荷数の揺らぎを低減することができ、雑音を低減できる。
In addition, since the charge multiplication effect can be estimated in proportion to the area of the multiplication gate electrode and the charge multiplication region as viewed from above, the design according to the weak light to be detected can be facilitated.
Furthermore, the influence of the dark current due to the surface level existing on the surface is reduced, and the charge that has the opposite polarity to the charge injected from the PD impurity region into the charge multiplication region and becomes a noise component is charged in the charge multiplication region. By pulling out from, fluctuations in the number of charges accompanying charge multiplication can be reduced, and noise can be reduced.

12)請求項12の発明では、前記増倍ゲート電極と、前記電荷増倍領域と、前記転送ゲート電極と、前記出力用不純物領域と、前記PD不純物領域のうち前記電荷増倍領域直下を通って前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分とは、前記PD不純物領域のうち前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分を除く半導体基板表面に至る領域の周囲を上面から見て取り囲むように形成され、前記PD不純物領域のうち前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分を除く半導体基板表面に至る領域の表面および上面からみて該領域の中央から下面方向に向かって該PD不純物領域の深さより深くなるように、前記PD不純物領域と反対極性を有する不純物領域を備えたことを特徴とする。 ( 12 ) In the invention of claim 12, the multiplication gate electrode, the charge multiplication region, the transfer gate electrode, the output impurity region, and the PD impurity region immediately below the charge multiplication region. The portion extending through the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode to the surface of the semiconductor substrate is the semiconductor substrate in the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode in the PD impurity region. A semiconductor substrate formed so as to surround a region reaching the surface of the semiconductor substrate excluding a portion extending to the surface when viewed from above, and in a gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode in the PD impurity region When viewed from the surface and upper surface of the region other than the portion extending to the surface, the depth is larger than the depth of the PD impurity region from the center of the region toward the lower surface. As such, characterized by comprising an impurity region having a polarity opposite to that of the PD impurity region.

本発明では、PD不純物領域と電荷増倍領域が接する面積を比較的広く設定することができ、電荷増倍領域への電荷の注入を効率的に行うことができることに加え、PD不純物領域の延長部分が転送ゲートの近傍まで形成されているため、増倍された電荷を出力用不純物領域に転送する効率がよい。   In the present invention, the area where the PD impurity region and the charge multiplication region are in contact with each other can be set relatively wide, and the injection of charges into the charge multiplication region can be performed efficiently. Since the portion is formed up to the vicinity of the transfer gate, the multiplied charge is efficiently transferred to the output impurity region.

また、上面から見た増倍ゲート電極および電荷増倍領域の面積を極大とできるので、電荷の増倍効果も極大値が得られる。
さらに、表面に存在する表面準位に起因する暗電流の影響を低減することと、PD不純物領域から電荷増倍領域に注入する電荷と逆の極性をもち雑音成分となる電荷を電荷増倍領域から引き抜くことによって、電荷増倍にともなう電荷数の揺らぎを低減することができ、雑音を低減できる。
In addition, since the area of the multiplication gate electrode and the charge multiplication region as viewed from above can be maximized, the charge multiplication effect can also be maximized.
Furthermore, the influence of the dark current due to the surface level existing on the surface is reduced, and the charge that has the opposite polarity to the charge injected from the PD impurity region into the charge multiplication region and becomes a noise component is charged in the charge multiplication region. By pulling out from, fluctuations in the number of charges accompanying charge multiplication can be reduced, and noise can be reduced.

13)請求項13の発明では、前記半導体基板の上にエピタキシャル層を積層し、該エピタキシャル層の上面側(半導体基板と反対側)に、少なくとも、前記PD不純物領域と、前記電荷増倍領域と、前記出力用不純物領域とを形成したことを特徴とする。 ( 13 ) In the invention of claim 13 , an epitaxial layer is laminated on the semiconductor substrate, and at least the PD impurity region and the charge multiplication region are provided on the upper surface side (opposite side of the semiconductor substrate) of the epitaxial layer. And the output impurity region.

本発明では、エピタキシャル層の不純物濃度を半導体基板に比べて比較的低濃度に制御することで、本発明の固体撮像装置を動作させる際にPD不純物領域から半導体基板方向に向かって形成される空乏層の厚さを十分な厚さにすることができる。   In the present invention, the impurity concentration of the epitaxial layer is controlled to be relatively low compared to the semiconductor substrate, so that the depletion formed from the PD impurity region toward the semiconductor substrate when the solid-state imaging device of the present invention is operated. The thickness of the layer can be made sufficient.

所望の信号を含む入力光の波長が近赤外光帯域に及ぶなど比較的長い場合は、半導体中への光の侵入長が長くなるので、このように空乏層の厚さを十分厚くすることによって、所望の波長帯域における感度を高くすることができる。   If the wavelength of the input light including the desired signal is relatively long, such as in the near-infrared light band, the penetration depth of light into the semiconductor will be long, so make the depletion layer thick enough in this way. Therefore, the sensitivity in a desired wavelength band can be increased.

逆に所望の信号を含む入力光の波長が比較的短い場合は、エピタキシャル層の厚さを薄くして空乏層を薄くし、不要な長波長側の信号の感度を低下させつつ必要な短波長側の感度を確保することができる。   Conversely, if the wavelength of the input light containing the desired signal is relatively short, the epitaxial layer is thinned to make the depletion layer thinner, reducing the sensitivity of unwanted long-wavelength signals while reducing the required short wavelength. Side sensitivity can be ensured.

同時に、エピタキシャル層の厚さを空乏層の厚さと同程度にした上で、半導体基板の不純物濃度は比較的高くして抵抗値を下げることで、高周波の入力光に対する応答性を損なわないようにする効果がある。   At the same time, the thickness of the epitaxial layer is made to be the same as the thickness of the depletion layer, and the impurity concentration of the semiconductor substrate is made relatively high to reduce the resistance value so that the response to high frequency input light is not impaired. There is an effect to.

なお、増倍ゲート電極と転送ゲート電極とは、半導体基板の上面側(エピタキシャル層とは反対側)に、ゲート酸化膜を介して形成することができる。
14)請求項14の発明は、前記請求項1〜13のいずれか1項に記載の固体撮像装置の駆動方法であって、前記入射光によって前記PD不純物領域に発生した電荷が前記電荷増倍領域に注入された場合に、前記増倍ゲート電極に電圧を印加して前記電荷増倍領域でアバランシェ増倍を起こす工程と、前記増倍ゲート電極に印加した電圧を初期値に戻す工程と、前記転送ゲート電極に電圧を印加して前記増倍された電荷を前記出力用不純物領域に転送する工程と、を有することを特徴とする。
Note that the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode can be formed on the upper surface side (opposite to the epitaxial layer) of the semiconductor substrate via a gate oxide film.
( 14 ) The invention according to claim 14 is the method of driving a solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 13 , wherein the charge generated in the PD impurity region by the incident light is increased in the charge. A step of applying a voltage to the multiplication gate electrode to cause avalanche multiplication in the charge multiplication region when injected into the multiplication region; and a step of returning the voltage applied to the multiplication gate electrode to an initial value. And a step of applying a voltage to the transfer gate electrode to transfer the multiplied charge to the output impurity region.

本発明では、まず、増倍ゲート電極にCMOSイメージセンサの電源電圧と同等程度の電圧を印加することによって、増倍ゲート電極直下の領域(増倍ゲート電極によって電界を生ずる領域)に空乏層を生じる。つまり、本発明によれば、電荷増倍領域の不純物濃度によってその厚さと内部電界強度が調整される空乏層を利用して電荷をアバランシェ増倍できるので、従来は微細加工精度で決まる隣接ゲート電極間の配置精度の制約によって比較的高い電圧を印加しなければ実現できなかった電荷増倍をCMOSイメージセンサの電源電圧程度の低電圧で実現できる。   In the present invention, a depletion layer is first formed in a region immediately below the multiplication gate electrode (a region where an electric field is generated by the multiplication gate electrode) by applying a voltage equivalent to the power supply voltage of the CMOS image sensor to the multiplication gate electrode. Arise. That is, according to the present invention, the charge can be avalanche-multiplied by using a depletion layer whose thickness and internal electric field strength are adjusted by the impurity concentration of the charge-multiplier region. Charge multiplication, which could not be realized unless a relatively high voltage is applied due to restrictions on the arrangement accuracy between them, can be realized with a low voltage about the power supply voltage of the CMOS image sensor.

また、入射光によって発生した電荷は、増倍ゲート電極が作る電界に従って、PD不純物領域より電荷増倍領域に注入され、電荷増倍領域では上述したアバランシェ増倍現象によって電荷の増倍が起こる。なお、適当な時間の後、増倍ゲート電圧の印加電圧を下げる。   The charge generated by the incident light is injected from the PD impurity region into the charge multiplication region in accordance with the electric field generated by the multiplication gate electrode, and the charge multiplication region causes charge multiplication by the avalanche multiplication phenomenon described above. Note that after an appropriate time, the applied voltage of the multiplication gate voltage is lowered.

次に、転送ゲート電圧に電圧を印加して、増倍された電荷を出力用不純物領域に転送する。増倍した電荷量を反映した出力用不純物領域の信号は、電圧としてソースフォロワアンプなどによって読み出す等の方法で画素外に出力することができる。   Next, a voltage is applied to the transfer gate voltage to transfer the multiplied charge to the output impurity region. A signal in the output impurity region reflecting the multiplied charge amount can be output to the outside of the pixel by a method such as reading it out as a voltage by a source follower amplifier or the like.

このように、本発明では、電子回路による増幅器を使わずに、画素内で微弱光による信号電荷を増倍することで、改善されたS/Nを得ることができる。
15)請求項15の発明では、前記増倍ゲート電極に電圧を印加する工程と、前記転送ゲート電極に電圧を印加する工程とを、それぞれの工程の一部がオーバーラップするようなタイミングに設定して駆動することを特徴とする。
As described above, in the present invention, an improved S / N can be obtained by multiplying the signal charge caused by the weak light in the pixel without using an amplifier based on an electronic circuit.
( 15 ) In the invention of claim 15 , the step of applying a voltage to the multiplication gate electrode and the step of applying a voltage to the transfer gate electrode are performed at a timing such that a part of each step overlaps. It is set and driven.

本発明によれば、増倍した電荷を再結合前に読み出す比率を大きくすることができ、改善されたS/Nを得ることができる。
16)請求項16の発明では、前記増倍ゲート電極に電圧を印加した後の印加した電圧を初期値に戻す工程と、前記転送ゲート電極に電圧を印加する工程とを、それぞれの工程の一部がオーバーラップするようなタイミングに設定して駆動することを特徴とする。
According to the present invention, it is possible to increase the ratio of reading the multiplied charge before recombination, and to obtain an improved S / N.
( 16 ) In the invention of claim 16, the step of returning the applied voltage after applying the voltage to the multiplication gate electrode to the initial value, and the step of applying the voltage to the transfer gate electrode, It is characterized by being driven at a timing at which a part of them overlaps.

本発明によれば、増倍した電荷を再結合前に読み出す比率を大きくすることができ、改善されたS/Nを得ることができる。
17)請求項17の発明では、前記増倍ゲート電極に電圧を印加する工程と、前記増倍ゲート電極に印加した電圧を初期値に戻す工程とを、所定の信号強度が得られるようになるまで繰り返して電荷増倍率を制御することを特徴とする。
According to the present invention, it is possible to increase the ratio of reading the multiplied charge before recombination, and to obtain an improved S / N.
( 17 ) In the invention of claim 17 , the step of applying a voltage to the multiplication gate electrode and the step of returning the voltage applied to the multiplication gate electrode to an initial value so that a predetermined signal intensity can be obtained. The charge multiplication factor is controlled repeatedly until it becomes.

本発明では、適当な信号強度になるまで前記の増倍ゲート駆動を繰り返して電荷を増倍する。次に、転送ゲートに電圧を印加して、増倍された電荷を出力用不純物領域に転送する。増倍した電荷量を反映した出力用不純物領域の信号は、電圧としてソースフォロワアンプなどによって読み出す等の方法で画素外に出力する。   In the present invention, the above-mentioned multiplication gate drive is repeated until the signal intensity becomes appropriate, thereby multiplying the charge. Next, a voltage is applied to the transfer gate to transfer the multiplied charge to the output impurity region. The output impurity region signal reflecting the multiplied charge amount is output as a voltage to the outside of the pixel by a method such as reading by a source follower amplifier.

これにより、1回の増倍における固体撮像装置の駆動条件を最適なS/Nが得られる条件にすることで1回あたりの増倍率が比較的小さい値になった場合でも、繰り返し増倍を行った結果は所望の増倍率となり、改善されたS/Nを得ることができる。   Thus, even if the multiplication factor per time becomes a relatively small value by making the driving condition of the solid-state imaging device in one multiplication the condition for obtaining the optimum S / N, the multiplication is repeated repeatedly. The result obtained is the desired multiplication factor and an improved S / N can be obtained.

次に、本発明の最良の形態(実施形態)について説明する。
[第1実施形態]
a)まず、本発明の画素構成を有する第1実施形態の固体撮像装置について説明する。
Next, the best mode (embodiment) of the present invention will be described.
[First Embodiment]
a) First, the solid-state imaging device according to the first embodiment having the pixel configuration of the present invention will be described.

図2は固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図2に示す様に、第1実施形態の固体撮像装置は、CMOSイメージセンサであり、後に詳述する画素構成の固体撮像素子1と、その固体撮像素子1を縦横に多数配置した画素アレイ3とを備えるとともに、行セレクタ5と、列セレクタ7と、CDS(Correlation Double Sampling)アレイ9と、増幅回路11と、ADC13と、バイアス部15と、制御レジスタ17と、タイミング発生部19と、I/O21等の周知の構成を備えている。   FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the solid-state imaging device. As shown in FIG. 2, the solid-state imaging device according to the first embodiment is a CMOS image sensor, and includes a solid-state imaging device 1 having a pixel configuration, which will be described in detail later, and a pixel array 3 in which a large number of the solid-state imaging devices 1 are arranged vertically and horizontally. , A row selector 5, a column selector 7, a CDS (Correlation Double Sampling) array 9, an amplifier circuit 11, an ADC 13, a bias unit 15, a control register 17, a timing generator 19, and I A known configuration such as / O21 is provided.

b)次に、本発明の要部である固体撮像素子1について説明する。
図3は固体撮像素子1を模式的に示す断面図である。なお、同図において上方が固体撮像素子1の上面側であり、下方が固体撮像素子1の下面側である。
b) Next, the solid-state imaging device 1 which is a main part of the present invention will be described.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the solid-state imaging device 1. In the figure, the upper side is the upper surface side of the solid-state image sensor 1, and the lower side is the lower surface side of the solid-state image sensor 1.

図3に示す様に、固体撮像素子1は、半導体基板31上に、PD不純物領域33と、電荷増倍領域35と、出力用不純物領域37と、ゲート酸化膜39と、増倍ゲート電極41と、転送ゲート電極43とを備えたものである。   As shown in FIG. 3, the solid-state imaging device 1 includes a PD impurity region 33, a charge multiplication region 35, an output impurity region 37, a gate oxide film 39, and a multiplication gate electrode 41 on a semiconductor substrate 31. And a transfer gate electrode 43.

詳しくは、固体撮像素子1は、ゲート酸化膜39の下面側(半導体基板31側)に、その下面に沿って、PD不純物領域33と電荷増倍領域35と出力用不純物領域37とを並列に配置するとともに、ゲート酸化膜39の上面側(半導体基板31と反対側)に、その上面に沿って、増倍ゲート電極41と転送ゲート電極43とを並列に配置したものである。   Specifically, in the solid-state imaging device 1, the PD impurity region 33, the charge multiplication region 35, and the output impurity region 37 are arranged in parallel on the lower surface side (semiconductor substrate 31 side) of the gate oxide film 39 along the lower surface. In addition, the multiplication gate electrode 41 and the transfer gate electrode 43 are arranged in parallel along the upper surface side of the gate oxide film 39 (on the side opposite to the semiconductor substrate 31).

特に、本実施形態では、電荷増倍領域35は、ゲート酸化膜39を挟んで、増倍ゲート電極41の直下に形成されている。つまり、増倍ゲート電極41及び電荷増倍領域35が近接して対向する構造(増倍構造45)は、PD不純物領域33と転送ゲート電極43との間にて、PD不純物領域33と転送ゲート電極43とに隣接して配置されている。   In particular, in this embodiment, the charge multiplication region 35 is formed immediately below the multiplication gate electrode 41 with the gate oxide film 39 interposed therebetween. That is, the structure in which the multiplication gate electrode 41 and the charge multiplication region 35 are closely opposed to each other (multiplication structure 45) is formed between the PD impurity region 33 and the transfer gate electrode 43. It is disposed adjacent to the electrode 43.

このうち、前記半導体基板31は、CCDやCMOSイメージセンサに一般的に用いられるSi基板を用いればよいが、Si基板以外であっても、本発明を構成する各要素が動作するように条件を設定すれば用いることが可能であることはいうまでもない。   Of these, the semiconductor substrate 31 may be a Si substrate that is generally used for CCDs and CMOS image sensors. However, even if the substrate is other than a Si substrate, conditions are set so that each element constituting the present invention operates. Needless to say, it can be used if it is set.

例えば半導体基板31をSi基板とした場合、正孔に比べて電子の方がイオン化率が大きいため、増倍する電荷は電子とする方が増倍率を大きくするために有利である。半導体基板31をGeとした場合は、電子に比べて正孔の方がイオン化率が大きいため、増倍する電荷は正孔とする方が増倍率を大きくするために有利である。このように、半導体基板31の材質によって増倍する電荷は電子でも正孔でもよく、これによって半導体基板31をn型にするかp型にするか、また各不純物領域の不純物の種類を決めればよい。   For example, when the semiconductor substrate 31 is a Si substrate, electrons have a higher ionization rate than holes, so that the charge to be multiplied is more advantageous for electrons to increase the multiplication factor. When the semiconductor substrate 31 is made of Ge, since holes have a higher ionization rate than electrons, the charge to be multiplied is more advantageous for holes to increase the multiplication factor. As described above, the charge to be multiplied depending on the material of the semiconductor substrate 31 may be either an electron or a hole. If the semiconductor substrate 31 is made to be n-type or p-type, and the type of impurity in each impurity region is determined. Good.

前記増倍ゲート電極41は、ゲート酸化膜39上に形成されており、例えば多結晶シリコンからなり、電荷を増倍するために電圧を印加する電極である。なお、ゲート酸化膜39としては、SiO2からなる絶縁層を採用できる。 The multiplication gate electrode 41 is formed on the gate oxide film 39, is made of, for example, polycrystalline silicon, and is an electrode to which a voltage is applied in order to multiply the charge. As the gate oxide film 39, an insulating layer made of SiO 2 can be adopted.

前記転送ゲート電極43は、同じくゲート酸化膜39上に形成されており、例えば多結晶シリコンからなり、電荷を転送するために電圧を印加する電極である。
前記電荷増倍領域35は、増倍ゲート電極41への電圧印加によって空乏層を生じ高電界を生じる領域である。この電荷増倍領域35は、電荷を増倍するのに最適な不純物濃度となるように半導体基板31の不純物濃度を調整することにより形成する。なお、この不純物としては、例えばホウ素を採用でき、不純物濃度としては、1.6×1017〜4.8×1017[cm-3]となるように調整することができる。
The transfer gate electrode 43 is also formed on the gate oxide film 39, and is made of, for example, polycrystalline silicon, and is an electrode for applying a voltage to transfer charges.
The charge multiplication region 35 is a region where a depletion layer is generated by applying a voltage to the multiplication gate electrode 41 and a high electric field is generated. The charge multiplying region 35 is formed by adjusting the impurity concentration of the semiconductor substrate 31 so that the impurity concentration is optimal for multiplying the charge. For example, boron can be used as the impurity, and the impurity concentration can be adjusted to 1.6 × 10 17 to 4.8 × 10 17 [cm −3 ].

前記PD不純物領域33は、フォトダイオード(PD)を形成して入射光によって電荷を発生する領域である。
前記出力用不純物領域37は、転送ゲート電極43により転送された電荷を出力するための領域である。
The PD impurity region 33 is a region where a photodiode (PD) is formed and charges are generated by incident light.
The output impurity region 37 is a region for outputting the charges transferred by the transfer gate electrode 43.

ここで、前記PD不純物領域33及び出力用不純物領域37を形成する不純物の種類は、上述した様に、半導体基板39がn型であるかp型であるかを鑑みて適切なものを選べばよい。例えば半導体基板39がp型である場合には、PD不純物領域33及び出力用不純物領域37をn型とすればよい。例えば、PD不純物領域33の不純物としては、ヒ素を採用でき、その不純物濃度としては、1×1019[cm-3]を採用できる。また、出力用不純物領域37の不純物としては、ヒ素を採用でき、その不純物濃度としては、1×1019[cm-3]を採用できる。 Here, the kind of impurities forming the PD impurity region 33 and the output impurity region 37 may be selected in consideration of whether the semiconductor substrate 39 is n-type or p-type, as described above. Good. For example, when the semiconductor substrate 39 is p-type, the PD impurity region 33 and the output impurity region 37 may be n-type. For example, arsenic can be employed as the impurity of the PD impurity region 33, and 1 × 10 19 [cm −3 ] can be employed as the impurity concentration. Further, arsenic can be employed as the impurity in the output impurity region 37, and 1 × 10 19 [cm −3 ] can be employed as the impurity concentration.

なお、図3では、固体撮像素子1を構成するために一般的に用いられる層間絶縁膜、表面保護膜、マイクロレンズ、画素内に配置すべき各種リセットスイッチおよび各種画素選択スイッチとなるトランジスタ等は記入していないが、配線の層数、使用環境、装置の全体構成を考慮して適宜形成すればよいことはいうまでもない。   In FIG. 3, an interlayer insulating film, a surface protective film, a microlens, various reset switches to be arranged in a pixel, and transistors serving as various pixel selection switches that are generally used for configuring the solid-state imaging device 1 are shown. Although not shown, it goes without saying that it may be appropriately formed in consideration of the number of wiring layers, the use environment, and the overall configuration of the device.

また、図4に固体撮像素子1の各構成の平面配置を模式的に示すが、同図の左右方向に沿って、PD不純物領域33、増倍ゲート電極41、転送ゲート電極43、出力用不純物領域37が、順次隣接するように配置されていることが分かる。   FIG. 4 schematically shows a planar arrangement of each component of the solid-state imaging device 1. The PD impurity region 33, the multiplication gate electrode 41, the transfer gate electrode 43, and the output impurity are arranged along the horizontal direction in FIG. It can be seen that the regions 37 are sequentially arranged adjacent to each other.

なお、同図においては、ゲート酸化膜39は省略してあるが(以下平面図では同様に省略)、図3に記入していない出力用不純物領域37上のコンタクトホール47、配線49を描いてある。   In the figure, although the gate oxide film 39 is omitted (hereinafter also omitted in the plan view), a contact hole 47 and wiring 49 on the output impurity region 37 not shown in FIG. 3 are drawn. is there.

なお、各要素の形状や相対的な大きさ等は、本発明の効力を維持する範囲において画素の縮小等の必要性を鑑みて適宜調整しうることはいうまでもない。
c)次に、固体撮像素子1における電荷増倍過程を、図5を用いて説明する。
Needless to say, the shape, relative size, and the like of each element can be appropriately adjusted in view of the necessity of pixel reduction or the like within a range that maintains the effectiveness of the present invention.
c) Next, the charge multiplication process in the solid-state imaging device 1 will be described with reference to FIG.

一般的に知られているように、PD不純物領域33と半導体基板31との不純物濃度差と、外部から半導体基板31およびその他の構成要素に印加する電圧によって空乏層が発生する。   As is generally known, a depletion layer is generated by a difference in impurity concentration between the PD impurity region 33 and the semiconductor substrate 31 and a voltage applied to the semiconductor substrate 31 and other components from the outside.

ここでは、各構成要素は理想的な初期状態から動作を開始するものとする。なお、このために必要なリセットスイッチとなるトランジスタ等については図5に記載していないが、一般的に知られたMOSトランジスタ等を用いて容易に形成することができる。   Here, each component starts operation from an ideal initial state. A transistor or the like that serves as a reset switch necessary for this purpose is not shown in FIG. 5, but can be easily formed using a generally known MOS transistor or the like.

光(微弱光)がPD不純物領域33に入射すると、(電荷増倍領域35における)空乏層で発生した電荷、すなわち電子および正孔は、それぞれPD不純物領域33および半導体基板31方向に移動する。ここではPD不純物領域33に移動する電荷に着目する。なお、半導体基板31をp型Si基板とし、PD不純物領域33をn型とした場合は、PD不純物領域33に移動する電荷は電子が大多数となる。   When light (weak light) is incident on the PD impurity region 33, charges generated in the depletion layer (in the charge multiplication region 35), that is, electrons and holes, move toward the PD impurity region 33 and the semiconductor substrate 31, respectively. Here, attention is focused on the charges moving to the PD impurity region 33. When the semiconductor substrate 31 is a p-type Si substrate and the PD impurity region 33 is an n-type, the majority of the electrons moving to the PD impurity region 33 are electrons.

増倍ゲート電極41に外部から適切な値に調整された電圧を印加して、PD不純物領域33に移動した電荷を電荷増倍領域35に注入する。増倍を想定する電荷が電子の場合は、増倍ゲート電極41に印加する電圧は正の値とする。このとき、あらかじめ不純物濃度を調整してある電荷増倍領域35では、増倍ゲート電極41の直下に、アバランシェ増倍に適した電界強度(例えば2.0×105〜3.6×105[V/cm])を内部に伴った空乏層を発生させることができる。このような空乏層は、通常のCMOSイメージセンサに用いられる電源電圧と同程度の電圧(例えば2.6〜5.0[V])で発生させることができる。 A voltage adjusted to an appropriate value is applied to the multiplication gate electrode 41 from the outside, and the charge that has moved to the PD impurity region 33 is injected into the charge multiplication region 35. When the charge assuming multiplication is an electron, the voltage applied to the multiplication gate electrode 41 is a positive value. At this time, in the charge multiplication region 35 in which the impurity concentration is adjusted in advance, an electric field strength suitable for avalanche multiplication (for example, 2.0 × 10 5 to 3.6 × 10 5) is provided immediately below the multiplication gate electrode 41. [V / cm]) can be generated inside the depletion layer. Such a depletion layer can be generated at a voltage (for example, 2.6 to 5.0 [V]) comparable to a power supply voltage used in a normal CMOS image sensor.

注入された電荷がこの空乏層に達すると、空乏層内の電界によってアバランシェ増倍を起こし、電荷が増倍される。このとき発生する注入されたものと逆の極性の電荷は、半導体基板31の表面(上面)と裏面(下面)の間で発生している電界にしたがって裏面方向(同図下方)に移動する。   When the injected charge reaches the depletion layer, avalanche multiplication is caused by the electric field in the depletion layer, and the charge is multiplied. The charge having the opposite polarity to the injected one generated at this time moves in the back surface direction (downward in the figure) according to the electric field generated between the front surface (upper surface) and the back surface (lower surface) of the semiconductor substrate 31.

増倍ゲート電極41に電圧を印加している間は、注入された電荷と同じ極性の増倍された電荷は電荷増倍領域35に留まっている。
増倍ゲート電極41に電圧を印加した状態で、転送ゲート電極43に適切な電圧を印加して、電荷増倍領域35に留まっている電荷(即ちPD不純物領域33に再注入されて増倍された電荷)を出力用不純物領域37に転送開始する。ここで転送ゲート電極43に印加する電圧も、一般的なCMOSイメージセンサの電源電圧程度の電圧(例えば2.6〜5.0[V])で十分である。
While the voltage is applied to the multiplication gate electrode 41, the multiplied charge having the same polarity as the injected charge remains in the charge multiplication region 35.
In a state where a voltage is applied to the multiplication gate electrode 41, an appropriate voltage is applied to the transfer gate electrode 43, and charges remaining in the charge multiplication region 35 (that is, re-injected into the PD impurity region 33 and multiplied). Transfer) to the output impurity region 37. Here, as the voltage applied to the transfer gate electrode 43, a voltage (for example, 2.6 to 5.0 [V]) about the power supply voltage of a general CMOS image sensor is sufficient.

転送ゲート電極43への電圧印加による電荷の転送開始後、増倍ゲート電極41に印加していた電圧を初期状態に戻す。
本実施形態では、このようにして、特別な高電圧を印加して消費電力を大きくすることなしに、微弱光により発生するわずかな電荷を画素内で増倍することができる。この結果、画素外まで電荷を転送した後に回路的に信号を増幅する従来の方法に比べて画素出力部分での信号を大きくすることができ、画素外の信号転送中に混入する雑音の影響を相対的に低減することができる。すなわち、本実施形態により、改善されたS/Nを得ることが可能になる。
After the start of charge transfer by applying a voltage to the transfer gate electrode 43, the voltage applied to the multiplication gate electrode 41 is returned to the initial state.
In this embodiment, in this way, a slight charge generated by weak light can be multiplied within the pixel without applying a special high voltage to increase power consumption. As a result, it is possible to increase the signal at the pixel output portion compared to the conventional method of amplifying the signal after transferring the charge outside the pixel, and the influence of noise mixed during the signal transfer outside the pixel. It can be reduced relatively. That is, according to the present embodiment, an improved S / N can be obtained.

d)次に、固体撮像素子1におけるゲート電極への印加電圧駆動のタイミングを、図6を用いて説明する。
ここでは、各構成要素は理想的な初期状態から動作を開始するものとする。増倍ゲート電極41に印加する電圧パルスは1回でもよいが、さらに十分な増倍率を得るために、図6の上部に示すように複数の電圧パルスを印加してもよい。このとき、複数印加する電圧パルスは、それぞれの電圧パルスが初期状態に戻った直後に増倍された電荷が再度前述の増倍過程によって増倍されるように、十分短い時間の後に次の電圧パルスを印加するものとする。
d) Next, the timing of driving the applied voltage to the gate electrode in the solid-state imaging device 1 will be described with reference to FIG.
Here, each component starts operation from an ideal initial state. The voltage pulse applied to the multiplication gate electrode 41 may be one time. However, in order to obtain a sufficient multiplication factor, a plurality of voltage pulses may be applied as shown in the upper part of FIG. At this time, a plurality of voltage pulses are applied after a sufficiently short time so that the charges multiplied immediately after each voltage pulse returns to the initial state are multiplied again by the above-described multiplication process. A pulse is to be applied.

図6の下部に示すように、増倍ゲート電極41に印加する最後の電圧パルスと、転送ゲート電極43に印加する電圧パルスは、各電圧パルス波形の過渡状態を考慮した適切な調整によって、一部がオーバーラップするように設定する。   As shown in the lower part of FIG. 6, the last voltage pulse applied to the multiplication gate electrode 41 and the voltage pulse applied to the transfer gate electrode 43 are not adjusted by appropriate adjustment in consideration of the transient state of each voltage pulse waveform. Set so that the parts overlap.

従って、本実施形態では、増倍ゲート電極41に印加する複数の電圧パルスの回数を適宜調整することで、電荷の増倍率を所望の値に制御することができる。
e)次に、本実施形態の応用例について説明する。
Therefore, in this embodiment, the charge multiplication factor can be controlled to a desired value by appropriately adjusting the number of voltage pulses applied to the multiplication gate electrode 41.
e) Next, an application example of this embodiment will be described.

図7に応用例1の固体撮像素子の上面側を模式的に示す。
図7に示す様に、この固体撮像素子51では、PD不純物領域53のうち半導体基板55表面に至る部分(グレー部分)は、上面から見てn角形(例えば8角形)であり、増倍ゲート電極57と、電荷増倍領域59と、転送ゲート電極61と、出力用不純物領域63とは、n角形のPD不純物領域53の半導体基板55表面に至る部分の周囲を上面から見て、1辺〜(n−1)辺のいずれかの辺(ここでは3辺)を残して取り囲むように形成されている。なお、コンタクトホール65や配線67も出力用不純物領域63に沿って同様に形成されている。
FIG. 7 schematically shows the upper surface side of the solid-state imaging device of Application Example 1.
As shown in FIG. 7, in this solid-state imaging device 51, the portion (gray portion) reaching the surface of the semiconductor substrate 55 in the PD impurity region 53 is an n-gon (for example, an octagon) when viewed from above, and the multiplication gate The electrode 57, the charge multiplication region 59, the transfer gate electrode 61, and the output impurity region 63 have one side when the periphery of the portion of the n-square PD impurity region 53 reaching the surface of the semiconductor substrate 55 is viewed from above. It is formed so as to surround any one of the (n-1) sides (here, three sides). Note that the contact hole 65 and the wiring 67 are similarly formed along the output impurity region 63.

つまり、本応用例1では、前述の画素内に配置すべき必要な画素構成要素の機能を妨げない範囲において、増倍ゲート電極57、電荷増倍領域59、転送ゲート電極61、出力用不純物領域63が、PD不純物領域53の周囲を上面から見て取り巻くように配置されている。   That is, in the first application example, the multiplication gate electrode 57, the charge multiplication region 59, the transfer gate electrode 61, and the output impurity region are provided in a range that does not hinder the functions of the necessary pixel components to be arranged in the pixel. 63 is arranged so as to surround the periphery of the PD impurity region 53 when viewed from above.

従って、本応用例1では、上面から見た増倍ゲート電極57および電荷増倍領域59の面積と比例して電荷の増倍効果を見積もることができるので、検出すべき微弱光に合わせた設計が容易にできる。   Therefore, in this application example 1, since the charge multiplication effect can be estimated in proportion to the areas of the multiplication gate electrode 57 and the charge multiplication region 59 as viewed from above, the design is adapted to the weak light to be detected. Can be easily done.

図8に応用例2の固体撮像素子の上面側を模式的に示す。
図8に示す様に、この固体撮像素子71では、増倍ゲート電極73と、電荷増倍領域75と、転送ゲート電極77と、出力用不純物領域79とのうち、増倍ゲート電極73と電荷増倍領域75とは、PD不純物領域81のうち半導体基板83表面に至る部分(8角形のグレー部分)の周囲を上面から見て全周取り囲むように形成されている。なお、コンタクトホール85や配線87も出力用不純物領域79に沿って同様に形成されている。
FIG. 8 schematically shows the upper surface side of the solid-state imaging device of Application Example 2.
As shown in FIG. 8, in the solid-state imaging device 71, among the multiplication gate electrode 73, the charge multiplication region 75, the transfer gate electrode 77, and the output impurity region 79, the multiplication gate electrode 73 and the charge are included. The multiplication region 75 is formed so as to surround the entire periphery of the portion of the PD impurity region 81 reaching the surface of the semiconductor substrate 83 (octagonal gray portion) as viewed from above. Note that the contact hole 85 and the wiring 87 are similarly formed along the output impurity region 79.

従って、本応用例2では、上面から見た増倍ゲート電極73および電荷増倍領域75の面積が極大となるので、電荷の増倍効果も極大値が得られる。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡略化する。
Therefore, in this application example 2, since the areas of the multiplication gate electrode 73 and the charge multiplication region 75 viewed from the top surface are maximized, the charge multiplication effect can also be maximized.
[Second Embodiment]
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted or simplified.

a)まず、本実施形態の固体撮像素子の構成を説明する。
図9は固体撮像素子を模式的に示す断面図であり、図10はその平面図である。
図9及び図10に示す様に、第2実施形態の固体撮像素子91は、前記第1実施形態と同様な配置で、半導体基板93上に、PD不純物領域95と、電荷増倍領域97と、出力用不純物領域99と、ゲート酸化膜101と、増倍ゲート電極103と、転送ゲート電極105とを備えている。
a) First, the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment will be described.
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a solid-state imaging device, and FIG. 10 is a plan view thereof.
As shown in FIGS. 9 and 10, the solid-state imaging device 91 of the second embodiment has the same arrangement as that of the first embodiment, and a PD impurity region 95, a charge multiplication region 97, and a semiconductor substrate 93. , An output impurity region 99, a gate oxide film 101, a multiplication gate electrode 103, and a transfer gate electrode 105.

特に本実施形態では、電荷増倍領域97の不純物濃度は、半導体基板93の不純物濃度とは異なり、独立して設定されている。例えば電荷増倍領域97の不純物濃度は、1.6×1017〜4.8×1017[cm-3]に設定され、半導体基板93の不純物濃度は、1.0×1015[cm-3]に設定されている。 In particular, in the present embodiment, the impurity concentration of the charge multiplying region 97 is set independently of the impurity concentration of the semiconductor substrate 93. For example, the impurity concentration of the charge multiplying region 97 is set to 1.6 × 10 17 to 4.8 × 10 17 [cm −3 ], and the impurity concentration of the semiconductor substrate 93 is 1.0 × 10 15 [cm −]. 3 ] is set.

つまり、電荷増倍領域97の不純物濃度は、電荷を増倍するのに最適の不純物濃度になるように、適切な不純物(例えばホウ素)を独立に注入・拡散して形成されている。
これによって、電荷増倍領域97以外の各種素子の設計に好適な半導体基板93の不純物濃度を決めることと、電荷増倍に最適な不純物濃度を得ることを同時に成立させることが容易になる。
That is, the impurity concentration of the charge multiplying region 97 is formed by independently implanting and diffusing an appropriate impurity (for example, boron) so that the optimum impurity concentration for multiplying the charge is obtained.
As a result, it becomes easy to simultaneously determine the determination of the impurity concentration of the semiconductor substrate 93 suitable for the design of various elements other than the charge multiplication region 97 and the acquisition of the optimum impurity concentration for charge multiplication.

b)次に、本実施形態における電荷増倍過程を説明する。
本実施形態においても、基本的に前記第1実施形態と同様にして電荷増倍を行うことができる。
b) Next, the charge multiplication process in this embodiment will be described.
Also in the present embodiment, charge multiplication can be performed basically in the same manner as in the first embodiment.

図11に示す様に、光がPD不純物領域95に入射すると、空乏層で発生した電荷(正負)は、それぞれPD不純物領域95および半導体基板93方向に移動する。
増倍ゲート電極103に電圧を印加して、PD不純物領域95に移動した電荷を電荷増倍領域97に注入する。注入された電荷がこの空乏層に達すると、空乏層内の電界によってアバランシェ増倍を起こし、電荷が増倍される。
As shown in FIG. 11, when light enters the PD impurity region 95 , charges (positive and negative) generated in the depletion layer move toward the PD impurity region 95 and the semiconductor substrate 93, respectively.
A voltage is applied to the multiplication gate electrode 103 to inject the charges transferred to the PD impurity region 95 into the charge multiplication region 97. When the injected charge reaches the depletion layer, avalanche multiplication is caused by the electric field in the depletion layer, and the charge is multiplied.

そして、増倍ゲート電極103に電圧を印加した状態で、転送ゲート電極105に電圧を印加することにより、電荷増倍領域95に留まっている電荷を出力用不純物領域99に転送することができる。   Then, by applying a voltage to the transfer gate electrode 105 in a state where a voltage is applied to the multiplication gate electrode 103, charges remaining in the charge multiplication region 95 can be transferred to the output impurity region 99.

[第3実施形態]
次に、第3実施形態について説明するが、前記第2実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡略化する。
[Third Embodiment]
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the second embodiment will be omitted or simplified.

a)まず、本実施形態の固体撮像素子の構成を説明する。
図12は固体撮像素子を模式的に示す断面図であり、図13はその平面図である。
図12及び図13に示す様に、第3実施形態の固体撮像素子111は、前記第2実施形態と同様に、半導体基板113上に、PD不純物領域115と、(不純物濃度が独立して設定された)電荷増倍領域117と、出力用不純物領域119と、ゲート酸化膜121と、増倍ゲート電極123と、転送ゲート電極125とを備えている。
a) First, the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment will be described.
FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a solid-state imaging device, and FIG. 13 is a plan view thereof.
As shown in FIGS. 12 and 13, the solid-state imaging device 111 according to the third embodiment has a PD impurity region 115 and (impurity concentration is set independently) on the semiconductor substrate 113, as in the second embodiment. A charge multiplication region 117, an output impurity region 119, a gate oxide film 121, a multiplication gate electrode 123, and a transfer gate electrode 125.

特に本実施形態では、PD不純物領域115は、半導体基板113の表面(上面)から離れた適当な深さにおいて、増倍ゲート電極123と電荷増倍領域117の直下まで延長して形成されている。   In particular, in the present embodiment, the PD impurity region 115 is formed to extend right below the multiplication gate electrode 123 and the charge multiplication region 117 at an appropriate depth away from the surface (upper surface) of the semiconductor substrate 113. .

このような構造にすることによって、PD不純物領域115から電荷増倍領域117に電荷を注入することが容易になり、微弱な入射信号に対する検出効率が向上する。
b)次に、本実施形態における電荷増倍過程を説明する。
With such a structure, it becomes easy to inject charges from the PD impurity region 115 into the charge multiplication region 117, and the detection efficiency with respect to a weak incident signal is improved.
b) Next, the charge multiplication process in this embodiment will be described.

図14に示す様に、まず、光(微弱光)がPD不純物領域115に入射すると、空乏層で発生した電荷、すなわち電子および正孔は、それぞれPD不純物領域115および半導体基板113方向に移動する。ここではPD不純物領域115に移動する電荷に着目する。   As shown in FIG. 14, first, when light (weak light) is incident on the PD impurity region 115, charges generated in the depletion layer, that is, electrons and holes, move toward the PD impurity region 115 and the semiconductor substrate 113, respectively. . Here, attention is focused on the charges moving to the PD impurity region 115.

次に、増倍ゲート電極123に外部から適切な値に調整された電圧を印加して、PD不純物領域115に移動した電荷を電荷増倍領域117に注入する。なお、PD不純物領域115は増倍ゲート電極123および電荷増倍領域117の下方まで延長されているので、この延長部分から電荷増倍領域117に電荷が注入され易くなっている。   Next, a voltage adjusted to an appropriate value is applied to the multiplication gate electrode 123 from the outside, and the charge that has moved to the PD impurity region 115 is injected into the charge multiplication region 117. Since the PD impurity region 115 is extended below the multiplication gate electrode 123 and the charge multiplication region 117, it is easy to inject charges into the charge multiplication region 117 from this extended portion.

このとき、あらかじめ不純物濃度を調整してある電荷増倍領域117では、増倍ゲート電極123の直下に、アバランシェ増倍に適した電界強度を内部に伴った空乏層を発生させることができる。   At this time, in the charge multiplication region 117 in which the impurity concentration is adjusted in advance, a depletion layer with an electric field strength suitable for avalanche multiplication can be generated immediately below the multiplication gate electrode 123.

そして、注入された電荷がこの空乏層に達すると、空乏層内の電界によってアバランシェ増倍を起こし、電荷が増倍される。なお、増倍ゲート電極123に電圧を印加している間は、注入された電荷と同じ極性の増倍された電荷は、電荷増倍領域117に留まっている。   When the injected charge reaches the depletion layer, avalanche multiplication is caused by the electric field in the depletion layer, and the charge is multiplied. While the voltage is applied to the multiplication gate electrode 123, the multiplied charge having the same polarity as the injected charge remains in the charge multiplication region 117.

次いで、増倍ゲート電極123に印加している電圧を初期値に戻す。これによって、増倍された電荷は、PD不純物領域115の延長部分に再注入される。
引き続き、転送ゲート電極125に適切な電圧を印加して、PD不純物領域115に再注入された電荷を、出力用不純物領域119に転送する。
Next, the voltage applied to the multiplication gate electrode 123 is returned to the initial value. As a result, the multiplied charge is reinjected into the extended portion of the PD impurity region 115.
Subsequently, an appropriate voltage is applied to the transfer gate electrode 125 to transfer the charge reinjected into the PD impurity region 115 to the output impurity region 119.

このようにして、本実施形態では、特別な高電圧を印加して消費電力を大きくすることなしに、微弱光により発生するわずかな電荷を画素内で増倍することができる。この結果、画素外まで電荷を転送した後に回路的に信号を増幅する従来の方法に比べて、画素出力部分での信号を大きくすることができ、画素外の信号転送中に混入する雑音の影響を相対的に低減することができる。すなわち、本実施形態により、一層改善されたS/Nを得ることが可能になる。   In this way, in this embodiment, a slight charge generated by weak light can be multiplied within the pixel without applying a special high voltage to increase power consumption. As a result, compared with the conventional method of amplifying the signal after transferring the charge to the outside of the pixel, the signal at the pixel output portion can be increased and the influence of noise mixed during the signal transfer outside the pixel. Can be relatively reduced. That is, according to the present embodiment, it is possible to obtain a further improved S / N.

c)次に、固体撮像素子111におけるゲート電極への印加電圧駆動のタイミングを、図15を用いて説明する。
ここでは、各構成要素は理想的な初期状態から動作を開始するものとする。増倍ゲート電極123に印加する電圧は1回でもよいが、さらに十分な増倍率を得るために、図15の上部に示すように複数の電圧パルスを印加してもよい。
c) Next, the timing of driving the applied voltage to the gate electrode in the solid-state imaging device 111 will be described with reference to FIG.
Here, each component starts operation from an ideal initial state. The voltage applied to the multiplication gate electrode 123 may be one time, but in order to obtain a sufficient multiplication factor, a plurality of voltage pulses may be applied as shown in the upper part of FIG.

また、図15の下部に示すように、増倍ゲート電極123に加える電圧パルスが初期値(図15では一例として0Vとしてある)に戻った後に、転送ゲート電極125に電圧を印加して出力用不純物領域119に電荷を転送する。   Further, as shown in the lower part of FIG. 15, after the voltage pulse applied to the multiplication gate electrode 123 returns to the initial value (in FIG. 15, it is 0 V as an example), the voltage is applied to the transfer gate electrode 125 for output. Charge is transferred to the impurity region 119.

なお、増倍ゲート電極123に印加する最後の電圧パルスと、転送ゲート電極125に印加する電圧パルスは、各電圧パルス波形の過渡状態を考慮した適切な調整によって、一部がオーバーラップするように設定してもよい。   The final voltage pulse applied to the multiplication gate electrode 123 and the voltage pulse applied to the transfer gate electrode 125 are partially overlapped by appropriate adjustment in consideration of the transient state of each voltage pulse waveform. It may be set.

従って、本実施形態では、増倍ゲート電極123に印加する複数の電圧パルスの回数を適宜調整することで、電荷の増倍率を所望の値に制御することができる。
なお、本実施形態では、上述した応用例1、2と同様に、画素内に配置すべき必要な画素構成要素の機能を妨げない範囲において、増倍ゲート電極123、電荷増倍領域117、転送ゲート電極125、出力用不純物領域119、およびPD不純物領域115のうち電荷増倍領域117直下への延長部分が、PD不純物領域115のうち半導体基板113表面に至る部分の周囲を上面から見て取り巻くように配置してもよい。
Therefore, in this embodiment, the charge multiplication factor can be controlled to a desired value by appropriately adjusting the number of voltage pulses applied to the multiplication gate electrode 123.
In the present embodiment, as in the above-described application examples 1 and 2, the multiplication gate electrode 123, the charge multiplication region 117, and the transfer are performed in a range that does not hinder the functions of the necessary pixel components to be arranged in the pixel. An extended portion of the gate electrode 125, the output impurity region 119, and the PD impurity region 115 directly below the charge multiplying region 117 surrounds the periphery of the portion of the PD impurity region 115 reaching the surface of the semiconductor substrate 113 from the top surface. You may arrange as follows.

特に、PD不純物領域115のうち半導体基板113表面に至る部分の周囲の全周を、増倍ゲート電極123及び電荷増倍領域117で取り巻くように配置することが好ましい。   In particular, it is preferable to arrange the entire periphery of the portion of the PD impurity region 115 that reaches the surface of the semiconductor substrate 113 so as to be surrounded by the multiplication gate electrode 123 and the charge multiplication region 117.

[第4実施形態]
次に、第4実施形態について説明するが、前記第3実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡略化する。
[Fourth Embodiment]
Next, the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the third embodiment will be omitted or simplified.

a)まず、本実施形態の固体撮像素子の構成を説明する。
図16は固体撮像素子を模式的に示す断面図であり、図17はその平面図である。
図16及び図17に示す様に、第4実施形態の固体撮像素子131は、前記第3実施形態と同様に、半導体基板133上に、PD不純物領域135と、(不純物濃度が独立して設定された)電荷増倍領域137と、出力用不純物領域139と、ゲート酸化膜141と、増倍ゲート電極143と、転送ゲート電極145とを備えている。
a) First, the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment will be described.
FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing a solid-state image sensor, and FIG. 17 is a plan view thereof.
As shown in FIGS. 16 and 17, the solid-state imaging device 131 of the fourth embodiment has a PD impurity region 135 and (impurity concentration is set independently) on the semiconductor substrate 133, as in the third embodiment. A charge multiplication region 137, an output impurity region 139, a gate oxide film 141, a multiplication gate electrode 143, and a transfer gate electrode 145.

特に本実施形態では、PD不純物領域135は、増倍ゲート電極143直下においては電荷増倍領域137の直下を通り、増倍ゲート電極143と転送ゲート電極145との間隙においては半導体基板133の表面に至るように延長して形成されている。つまり、PD不純物領域135の出力用不純物領域139の先端は、ゲート酸化膜141の下面に接するまで延長されている。   In particular, in the present embodiment, the PD impurity region 135 passes immediately below the charge multiplication region 137 immediately below the multiplication gate electrode 143, and the surface of the semiconductor substrate 133 in the gap between the multiplication gate electrode 143 and the transfer gate electrode 145. It is formed so as to extend. That is, the tip of the output impurity region 139 of the PD impurity region 135 is extended until it contacts the lower surface of the gate oxide film 141.

このような構造にすることによって、PD不純物領域135から電荷増倍領域137に電荷を注入することが容易になり、かつ、電荷増倍後に出力用不純物領域139に増倍後の電荷を転送することも容易になるので、結果として微弱な入射信号に対する検出効率が向上する。   With such a structure, it becomes easy to inject charges from the PD impurity region 135 into the charge multiplication region 137, and the charge after multiplication is transferred to the output impurity region 139 after charge multiplication. As a result, the detection efficiency for a weak incident signal is improved.

b)次に、本実施形態における電荷増倍過程を説明する。
図18に示す様に、本実施形態では、前記第3実施形態に比較して、電荷増倍動作が終了した後に、増倍ゲート電極143と転送ゲート電極145の間隙にまで延長したPD不純物領域135の先端から、転送ゲート電極145直下を通って出力用不純物領域139へ、増倍した電荷を転送する点が異なる。
b) Next, the charge multiplication process in this embodiment will be described.
As shown in FIG. 18, in this embodiment, compared to the third embodiment, the PD impurity region extended to the gap between the multiplication gate electrode 143 and the transfer gate electrode 145 after the charge multiplication operation is completed. The difference is that the multiplied charge is transferred from the tip of 135 to the output impurity region 139 through just below the transfer gate electrode 145.

このようにすることで、電荷転送時に増倍した電荷が通過する経路が短くなるので、電荷転送が容易になる。
なお、本実施形態においても、前記第3実施形態と同様に、PD不純物領域135のうち、増倍ゲート電極137と転送ゲート電極145との間隙の半導体基板133表面まで延長している部分を除く半導体基板133表面に至る部分を、上面からみてn角形に構成し、増倍ゲート電極137と、電荷増倍領域137と、転送ゲート電極145と、出力用不純物領域139と、PD不純物領域135のうち電荷増倍領域137直下を通って増倍ゲート電極137と転送ゲート電極145との間隙の半導体基板133表面まで延長している部分とを、n角形部分のPD不純物領域135のうち(増倍ゲート電極137と転送ゲート電極145との間隙の半導体基板133表面まで延長している部分を除く)半導体基板133表面に至る部分の周囲の上面から見て1辺〜(n−1)辺のいずれかの辺を残して取り囲むように形成してもよい。
In this way, the path through which the multiplied charge passes during charge transfer is shortened, and charge transfer is facilitated.
In the present embodiment, as in the third embodiment, the portion of the PD impurity region 135 that extends to the surface of the semiconductor substrate 133 in the gap between the multiplication gate electrode 137 and the transfer gate electrode 145 is excluded. The portion reaching the surface of the semiconductor substrate 133 is formed in an n-gon shape when viewed from above, and the multiplication gate electrode 137, the charge multiplication region 137, the transfer gate electrode 145, the output impurity region 139, and the PD impurity region 135 Among these, the portion extending to the surface of the semiconductor substrate 133 in the gap between the multiplication gate electrode 137 and the transfer gate electrode 145 passing directly under the charge multiplication region 137 is the (multiplier of the PD impurity region 135 of the n-gonal portion. (Except for the portion extending to the surface of the semiconductor substrate 133 in the gap between the gate electrode 137 and the transfer gate electrode 145) When viewed from the top may be formed so as to surround leaving any side of one side ~ (n-1) sides.

[第5実施形態]
次に、第5実施形態について説明するが、前記第3実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡略化する。
[Fifth Embodiment]
Next, the fifth embodiment will be described, but the description of the same contents as the third embodiment will be omitted or simplified.

図19は固体撮像素子を模式的に示す断面図であり、図20はその平面図である。
図19及び図20に示す様に、第5実施形態の固体撮像素子151は、前記第3実施形態と同様に、半導体基板153上に、(延長部分を有する)PD不純物領域155と、(不純物濃度が独立して設定された)電荷増倍領域157と、出力用不純物領域159と、ゲート酸化膜161と、増倍ゲート電極163と、転送ゲート電極165とを備えている。
FIG. 19 is a cross-sectional view schematically showing a solid-state image sensor, and FIG. 20 is a plan view thereof.
As shown in FIGS. 19 and 20, the solid-state imaging device 151 of the fifth embodiment includes a PD impurity region 155 (having an extended portion) and (impurities) on a semiconductor substrate 153, as in the third embodiment. A charge multiplying region 157 (concentration set independently), an output impurity region 159, a gate oxide film 161, a multiplying gate electrode 163, and a transfer gate electrode 165 are provided.

特に本実施形態では、ゲート酸化膜161とPD不純物領域155との間に配置されて、その右端が電荷増倍領域157に接するとともに、その左端がPD不純物領域155の側端に沿って深さ方向に伸びる表面・側面不純物領域167を備えている。   In particular, in this embodiment, it is disposed between the gate oxide film 161 and the PD impurity region 155, its right end is in contact with the charge multiplication region 157, and its left end is a depth along the side end of the PD impurity region 155. A surface / side surface impurity region 167 extending in the direction is provided.

前記表面・側面不純物領域167の不純物としては、例えばホウ素を採用でき、この表面・側面不純物領域167の作用の一つは、PD不純物領域155の表面に存在する表面準位に起因する暗電流の影響を低減することである。さらにこれに加えて、PD不純物領域155から電荷増倍領域157に注入する電荷と逆の極性をもち雑音成分となる電荷を、電荷増倍領域157から引き抜く作用がある。これによって、電荷増倍にともなう電荷数の揺らぎを低減することができ、雑音を低減できる。   As the impurity of the surface / side surface impurity region 167, for example, boron can be adopted, and one of the functions of the surface / side surface impurity region 167 is dark current caused by the surface level existing on the surface of the PD impurity region 155. To reduce the impact. In addition to this, the charge multiplying region 157 has an effect of extracting a charge having a polarity opposite to that of the charge injected from the PD impurity region 155 into the charge multiplying region 157 and serving as a noise component. As a result, fluctuations in the number of charges due to charge multiplication can be reduced, and noise can be reduced.

なお、以上の作用を実現するために必要なリセットスイッチとなるトランジスタ等については図19、図20に記載していないが、一般的に知られたMOSトランジスタ等を用いて容易に形成することができる。   Note that transistors and the like that serve as reset switches necessary to realize the above-described functions are not shown in FIGS. 19 and 20, but can be easily formed using generally known MOS transistors or the like. it can.

[第6実施形態]
次に、第6実施形態について説明するが、前記第4実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡略化する。
[Sixth Embodiment]
Next, the sixth embodiment will be described, but the description of the same contents as the fourth embodiment will be omitted or simplified.

図21は固体撮像素子を模式的に示す断面図であり、図22はその平面図である。
図21及び図22に示す様に、第6実施形態の固体撮像素子171は、前記第4実施形態と同様に、半導体基板173上に、(電荷増倍領域を覆ってゲート酸化膜に至る延長部分を有する)PD不純物領域175と、(不純物濃度が独立して設定された)電荷増倍領域177と、出力用不純物領域179と、ゲート酸化膜181と、増倍ゲート電極183と、転送ゲート電極185とを備えている。
FIG. 21 is a sectional view schematically showing a solid-state imaging device, and FIG. 22 is a plan view thereof.
As shown in FIGS. 21 and 22, the solid-state imaging device 171 of the sixth embodiment is formed on the semiconductor substrate 173 (extending to the gate oxide film covering the charge multiplication region), as in the fourth embodiment. PD impurity region 175 having a portion), charge multiplying region 177 (impurity concentration is set independently), output impurity region 179, gate oxide film 181, multiplying gate electrode 183, and transfer gate And an electrode 185.

本実施形態では、前記第5実施形態と同様に、ゲート酸化膜181とPD不純物領域175との間に配置されて、その右端が電荷増倍領域177に接するとともに、その左端がPD不純物領域175の側端に沿って深さ方向に伸びる表面・側面不純物領域187を備えている。   In the present embodiment, like the fifth embodiment, it is disposed between the gate oxide film 181 and the PD impurity region 175, the right end thereof is in contact with the charge multiplication region 177, and the left end thereof is the PD impurity region 175. A surface / side surface impurity region 187 extending in the depth direction along the side edge of the substrate is provided.

従って、本実施形態では、前記第4実施形態及び第5実施形態と同様な効果を奏する。
[第7実施形態]
次に、第7実施形態について説明するが、前記第3実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡略化する。
Therefore, in this embodiment, the same effect as the fourth embodiment and the fifth embodiment is obtained.
[Seventh Embodiment]
Next, the seventh embodiment will be described, but the description of the same contents as the third embodiment will be omitted or simplified.

図23は固体撮像素子を模式的に示す断面図である。
図23に示す様に、第7実施形態の固体撮像素子191は、前記第3実施形態と同様に、半導体基板193と、(延長部分を有する)PD不純物領域195と、(不純物濃度が独立して設定された)電荷増倍領域197と、出力用不純物領域199と、ゲート酸化膜201と、増倍ゲート電極203と、転送ゲート電極205とを備えている。
FIG. 23 is a cross-sectional view schematically showing a solid-state image sensor.
As shown in FIG. 23, as in the third embodiment, the solid-state imaging device 191 of the seventh embodiment includes a semiconductor substrate 193, a PD impurity region 195 (having an extended portion), and an impurity concentration independent of each other. Charge multiplication region 197, output impurity region 199, gate oxide film 201, multiplication gate electrode 203, and transfer gate electrode 205.

特に、本実施形態では、上述したPD不純物領域195、電荷増倍領域197、出力用不純物領域199、ゲート酸化膜201、増倍ゲート電極203、転送ゲート電極205の第2実施形態と同様な構成を、半導体基板193の上に形成したエピタキシャル層207の表面(上面)に形成している。   In particular, in the present embodiment, the PD impurity region 195, the charge multiplying region 197, the output impurity region 199, the gate oxide film 201, the multiplying gate electrode 203, and the transfer gate electrode 205 are configured in the same manner as in the second embodiment. Is formed on the surface (upper surface) of the epitaxial layer 207 formed on the semiconductor substrate 193.

このエピタキシャル層207への不純物注入条件を調整することによって、エピタキシャル層207の不純物濃度とは独立に電荷増倍領域105等の不純物濃度を電荷増倍に最適な値に調整することは容易である。   By adjusting the conditions for implanting impurities into the epitaxial layer 207, it is easy to adjust the impurity concentration in the charge multiplication region 105 and the like to an optimum value for charge multiplication independently of the impurity concentration in the epitaxial layer 207. .

本実施形態においては、エピタキシャル層207の不純物濃度を、例えば1014[cm-3]以下といったように、半導体基板193に比べて比較的低濃度に制御することで、固体撮像素子191を動作させる際に、PD不純物領域195から半導体基板193方向に向かって形成される空乏層の厚さを十分な厚さにすることができる。 In the present embodiment, the solid-state imaging device 191 is operated by controlling the impurity concentration of the epitaxial layer 207 to a relatively low concentration as compared with the semiconductor substrate 193, for example, 10 14 [cm −3 ] or less. At this time, the thickness of the depletion layer formed from the PD impurity region 195 toward the semiconductor substrate 193 can be made sufficient.

よって、所望の信号を含む入力光の波長が近赤外光帯域に及ぶなど比較的長い場合は、半導体中への光の侵入長が長くなるので、このように空乏層の厚さを十分厚くすることによって、所望の波長帯域における感度を高くすることができる。   Therefore, when the wavelength of the input light including the desired signal is relatively long, such as in the near-infrared light band, the length of light penetration into the semiconductor becomes long. Thus, the thickness of the depletion layer is made sufficiently thick. By doing so, the sensitivity in a desired wavelength band can be made high.

逆に、所望の信号を含む入力光の波長が比較的短い場合は、エピタキシャル層207の厚さを薄くして空乏層を薄くし、不要な長波長側の信号の感度を低下させつつ必要な短波長側の感度を確保することができる。   Conversely, when the wavelength of the input light including the desired signal is relatively short, the thickness of the epitaxial layer 207 is reduced to make the depletion layer thinner, and this is necessary while reducing the sensitivity of unnecessary long wavelength signals. Sensitivity on the short wavelength side can be ensured.

同時に、エピタキシャル層207の厚さを空乏層の厚さと同程度にした上で、半導体基板193の不純物濃度は比較的高くして抵抗値を下げることで、高周波の入力光に対する応答性を損なわないようにする効果がある。   At the same time, the thickness of the epitaxial layer 207 is made substantially the same as the thickness of the depletion layer, and the impurity concentration of the semiconductor substrate 193 is made relatively high to reduce the resistance value, so that the response to high-frequency input light is not impaired. There is an effect to do.

なお、本実施形態においても、エピタキシャル層207の表面に形成する構造が、上述した第1、第2、第4〜第6実施形態と同様の構造であってもよいことはいうまでもない。   Also in this embodiment, it goes without saying that the structure formed on the surface of the epitaxial layer 207 may be the same structure as that of the first, second, and fourth to sixth embodiments described above.

[第8実施形態]
次に、第8実施形態について説明するが、前記第3実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡略化する。
[Eighth Embodiment]
Next, the eighth embodiment will be described, but the description of the same contents as the third embodiment will be omitted or simplified.

図24は固体撮像素子を模式的に示す断面図である。
図24に示すように、第8実施形態の固体撮像素子211は、前記第3実施形態と同様に、半導体基板213の上に、(延長部分を有する)PD不純物領域215と、(不純物濃度が独立して設定された)電荷増倍領域217と、出力用不純物領域219と、ゲート酸化膜221と、増倍ゲート電極223と、転送ゲート電極225とを備えている。
FIG. 24 is a cross-sectional view schematically showing a solid-state imaging device.
As shown in FIG. 24, the solid-state imaging device 211 of the eighth embodiment includes a PD impurity region 215 (having an extended portion) and an impurity concentration (on an impurity concentration) on a semiconductor substrate 213, as in the third embodiment. A charge multiplying region 217 (set independently), an output impurity region 219, a gate oxide film 221, a multiplying gate electrode 223, and a transfer gate electrode 225 are provided.

特に本実施形態では、前記第5実施形態とほぼ同様に、ゲート酸化膜221とPD不純物領域215との間に配置されて、その右端が電荷増倍領域217に接するとともに、その中央部がPD不純物領域215を貫いて深さ方向に伸びる表面・中央不純物領域227を備えている。   In particular, in the present embodiment, as in the fifth embodiment, it is disposed between the gate oxide film 221 and the PD impurity region 215, the right end thereof is in contact with the charge multiplication region 217, and the central portion thereof is the PD. A surface / center impurity region 227 extending in the depth direction through the impurity region 215 is provided.

従って、本実施形態では、前記第3実施形態及び第5実施形態と同様な効果を奏する。
つまり、(前記表面・側面不純物領域と同様な組成の)表面・中央不純物領域227により、上述した「電荷増倍にともなう電荷数の揺らぎを低減することができ、雑音を低減できる」という効果を奏する。
Therefore, in this embodiment, the same effect as the third embodiment and the fifth embodiment is obtained.
That is, the surface / center impurity region 227 (having the same composition as the surface / side impurity regions) has the above-described effect of “reducing fluctuations in the number of charges due to charge multiplication and reducing noise”. Play.

また、増倍ゲート電極223、電荷増倍領域217、転送ゲート電極225、出力用不純物領域219、PD不純物領域215のうち電荷増倍領域217直下への延長部分を、PD不純物領域215のうち半導体基板213表面に至る部分の周囲を上面から見て取り巻くように配置する場合でも、PD不純物領域215の中央部分において深さ方向に形成した表面・中央不純物領域227によって、PD不純物領域215から電荷増倍領域217に注入する電荷と逆の極性をもち雑音成分となる電荷を、電荷増倍領域217から引き抜く作用を保つことができる。   Further, among the multiplication gate electrode 223, the charge multiplication region 217, the transfer gate electrode 225, the output impurity region 219, and the PD impurity region 215, an extended portion immediately below the charge multiplication region 217 is used as the semiconductor of the PD impurity region 215. Even in the case where the periphery of the portion reaching the surface of the substrate 213 is surrounded as viewed from above, the charge is increased from the PD impurity region 215 by the surface / center impurity region 227 formed in the depth direction in the central portion of the PD impurity region 215. It is possible to maintain the action of extracting the charge, which has a polarity opposite to the charge injected into the double region 217 and becomes a noise component, from the charge multiplication region 217.

[第9実施形態]
次に、第9実施形態について説明するが、前記第4及び第8実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡略化する。
[Ninth Embodiment]
Next, the ninth embodiment will be described, but the description of the same contents as those of the fourth and eighth embodiments will be omitted or simplified.

図25は固体撮像素子を模式的に示す断面図である。
図25に示すように、第9実施形態の固体撮像素子231は、前記第4実施形態と同様に、半導体基板233の上に、(電荷増倍領域を覆ってゲート酸化膜に至る延長部分を有する)PD不純物領域235と、(不純物濃度が独立して設定された)電荷増倍領域237と、出力用不純物領域239と、ゲート酸化膜241と、増倍ゲート電極243と、転送ゲート電極245とを備えている。
FIG. 25 is a cross-sectional view schematically showing a solid-state imaging device.
As shown in FIG. 25, the solid-state imaging device 231 of the ninth embodiment is similar to the fourth embodiment in that an extended portion (covering the charge multiplication region and reaching the gate oxide film is formed on the semiconductor substrate 233. PD impurity region 235, charge multiplication region 237 (impurity concentration is set independently), output impurity region 239, gate oxide film 241, multiplication gate electrode 243, and transfer gate electrode 245 And.

特に本実施形態では、前記第8実施形態と同様に、ゲート酸化膜241とPD不純物領域235との間に配置されて、その右端が電荷増倍領域237に接するとともに、その中央部がPD不純物領域235を貫いて深さ方向に伸びる表面・中央不純物領域247を備えている。   In particular, in the present embodiment, like the eighth embodiment, it is disposed between the gate oxide film 241 and the PD impurity region 235, the right end thereof is in contact with the charge multiplication region 237, and the central portion thereof is the PD impurity. A surface / center impurity region 247 extending in the depth direction through the region 235 is provided.

従って、本実施形態では、前記第4実施形態及び第8実施形態と同様な効果を奏する。
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
Therefore, in this embodiment, the same effects as those in the fourth and eighth embodiments are obtained.
In addition, this invention is not limited to the said embodiment at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.

本発明の原理を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the principle of this invention. 第1実施形態の固体撮像装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the solid-state imaging device of 1st Embodiment. 第1実施形態の固体撮像素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the solid-state image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態の固体撮像素子を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the solid-state image sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態における電荷増倍過程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the charge multiplication process in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるゲート電極への印加電圧駆動のタイミング図である。It is a timing diagram of the applied voltage drive to the gate electrode in the first embodiment. 第1実施形態の応用例1の固体撮像素子を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the solid-state image sensor of the application example 1 of 1st Embodiment. 第1実施形態の応用例2の固体撮像素子を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the solid-state image sensor of the application example 2 of 1st Embodiment. 第2実施形態の固体撮像素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the solid-state image sensor of 2nd Embodiment. 第2実施形態の固体撮像素子を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the solid-state image sensor of 2nd Embodiment. 第2実施形態における電荷増倍過程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the charge multiplication process in 2nd Embodiment. 第3実施形態の固体撮像素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the solid-state image sensor of 3rd Embodiment. 第3実施形態の固体撮像素子を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the solid-state image sensor of 3rd Embodiment. 第3実施形態における電荷増倍過程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the charge multiplication process in 3rd Embodiment. 第3実施形態におけるゲート電極への印加電圧駆動のタイミング図である。It is a timing diagram of the applied voltage drive to the gate electrode in the third embodiment. 第4実施形態の固体撮像素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the solid-state image sensor of 4th Embodiment. 第4実施形態の固体撮像素子を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the solid-state image sensor of 4th Embodiment. 第4実施形態における電荷増倍過程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the charge multiplication process in 4th Embodiment. 第5実施形態の固体撮像素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the solid-state image sensor of 5th Embodiment. 第5実施形態の固体撮像素子を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the solid-state image sensor of 5th Embodiment. 第6実施形態の固体撮像素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the solid-state image sensor of 6th Embodiment. 第6実施形態の固体撮像素子を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the solid-state image sensor of 6th Embodiment. 第7実施形態の固体撮像素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the solid-state image sensor of 7th Embodiment. 第8実施形態の固体撮像素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the solid-state image sensor of 8th Embodiment typically. 第9実施形態の固体撮像素子を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the solid-state image sensor of 9th Embodiment. 従来技術の説明図である。It is explanatory drawing of a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1、51、71、91、111、131、151、171、191、211、231…画素(固体撮像素子)
31、55、83、93、113、133、153、173、193、213、233…半導体基板
33、53、81、95、115、135、155、175、195、215、235…PD不純物領域
35、59、75、97、117、137、157、177、197、217、237…電荷増倍領域
37、63、79、99、119、139、159、179、199、219、239…出力用不純物領域
39、101、121、141、161、181、201、221、241…ゲート酸化膜
41、57、73、103、123、143、163、183、203、223、243…増倍ゲート電極
43、61、77、105、125、145、165、185、205、225、245…転送ゲート電極
167、187…表面・側面不純物領域
227、247…表面・中央不純物領域
207…エピタキシャル層
1, 51, 71, 91, 111, 131, 151, 171, 191, 211, 231, ... pixels (solid-state imaging device)
31, 55, 83, 93, 113, 133, 153, 173, 193, 213, 233... Semiconductor substrate 33, 53, 81, 95, 115, 135, 155, 175, 195, 215, 235... PD impurity region 35 , 59, 75, 97, 117, 137, 157, 177, 197, 217, 237 ... Charge multiplication regions 37, 63, 79, 99, 119, 139, 159, 179, 199, 219, 239 ... Output impurities Regions 39, 101, 121, 141, 161, 181, 201, 221, 241 ... Gate oxide films 41, 57, 73, 103, 123, 143, 163, 183, 203, 223, 243 ... multiplication gate electrode 43, 61, 77, 105, 125, 145, 165, 185, 205, 225, 245 ... transfer gate electrodes 167, 187 ... Surface / side impurity regions 227, 247 ... surface / center impurity region 207 ... epitaxial layer

Claims (17)

半導体基板上に、
ゲート酸化膜と、
入射光によって電荷を発生するフォトダイオードを形成するPD不純物領域と、
前記電荷を増倍するための増倍ゲート電極と、
前記増倍ゲート電極に対向して設けられ、該増倍ゲート電極により前記PD不純物領域にて発生した電荷を増倍する電荷増倍領域と、
前記増倍した電荷を転送する転送ゲート電極と、
前記転送された電荷を出力する出力用不純物領域と、
を有する画素構成を備えた固体撮像装置であって、
前記ゲート酸化膜の半導体基板側と反対側(以下上面側と記す)に、前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極とが配置されるとともに、前記ゲート酸化膜の半導体基板側(以下下面側と記す)に、前記PD不純物領域と前記電荷増倍領域と前記出力用不純物領域とが配置され、
且つ、前記電荷増倍領域は、前記ゲート酸化膜を挟んで、前記増倍ゲート電極の真下に形成されるとともに、周囲の不純物濃度とは異なり、独立して設定された不純物濃度の不純物拡散領域であって、前記不純物濃度は電荷を増倍するのに適した不純物濃度である前記不純物拡散領域として形成され、
更に、前記PD不純物領域は、上面からみて少なくとも前記電荷増倍領域に隣接する部分を有することを特徴とする固体撮像装置。
On the semiconductor substrate,
A gate oxide,
A PD impurity region forming a photodiode that generates charge by incident light; and
A multiplication gate electrode for multiplying the charge;
A charge multiplication region provided opposite to the multiplication gate electrode and for multiplying the charge generated in the PD impurity region by the multiplication gate electrode;
A transfer gate electrode for transferring the multiplied charge;
An output impurity region for outputting the transferred charge;
A solid-state imaging device having a pixel configuration including:
The multiplication gate electrode and the transfer gate electrode are disposed on the opposite side (hereinafter referred to as the upper surface side) of the gate oxide film, and the semiconductor substrate side (hereinafter referred to as the lower surface side) of the gate oxide film. The PD impurity region, the charge multiplication region, and the output impurity region are disposed,
The charge multiplication region is formed immediately below the multiplication gate electrode with the gate oxide film interposed therebetween, and an impurity diffusion region having an impurity concentration set independently of the surrounding impurity concentration. Wherein the impurity concentration is formed as the impurity diffusion region having an impurity concentration suitable for multiplying charges,
Furthermore, the PD impurity region, solid-state image sensor further comprising a portion adjacent to at least the charge multiplication regions as viewed from top.
前記PD不純物領域のうち半導体基板表面に至る部分は、上面から見てn角形であり、
前記増倍ゲート電極と、前記電荷増倍領域と、前記転送ゲート電極と、前記出力用不純物領域とは、前記n角形部分のPD不純物領域の半導体基板表面に至る部分の周囲を上面から見て1辺〜(n−1)辺のいずれかの辺を残して取り囲むように形成されたことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
A portion of the PD impurity region reaching the surface of the semiconductor substrate is an n-gon when viewed from above.
The multiplication gate electrode, the charge multiplication region, the transfer gate electrode, and the output impurity region are the periphery of the portion of the n-shaped PD impurity region reaching the semiconductor substrate surface as viewed from above. 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is formed so as to surround any one of sides 1 to (n−1).
少なくとも、前記増倍ゲート電極と前記電荷増倍領域とは、前記PD不純物領域のうち半導体基板表面に至る部分の周囲を上面から見て全周取り囲むように形成されたことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The at least the multiplication gate electrode and the charge multiplication region are formed so as to surround the entire periphery of the portion of the PD impurity region reaching the surface of the semiconductor substrate as viewed from above. the solid-state imaging device according to 1. 前記PD不純物領域の一部が、前記増倍ゲート電極と前記電荷増倍領域との直下まで延長されたことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 The PD portion of the impurity region, the solid-state imaging device according to claim 1, characterized in that it is extended to just below the said multiplication gate electrode and the charge multiplication regions. 前記PD不純物領域のうち半導体基板表面に至る部分は、上面から見てn角形であり、
前記増倍ゲート電極と、前記電荷増倍領域と、前記転送ゲート電極と、前記出力用不純物領域と、前記PD不純物領域のうち前記電荷増倍領域直下まで延長している部分とは、前記n角形部分のPD不純物領域の半導体基板表面に至る部分の周囲を上面から見て1辺〜(n−1)辺のいずれかの辺を残して取り囲むように形成されたことを特徴とする請求項に記載の固体撮像装置。
A portion of the PD impurity region reaching the surface of the semiconductor substrate is an n-gon when viewed from above.
The multiplication gate electrode, the charge multiplication region, the transfer gate electrode, the output impurity region, and a portion of the PD impurity region that extends to directly below the charge multiplication region are the n 2. The rectangular portion of the PD impurity region formed so as to surround a portion of the PD impurity region reaching the surface of the semiconductor substrate so as to surround any one of sides 1 to (n-1) when viewed from above. 5. The solid-state imaging device according to 4 .
少なくとも、前記増倍ゲート電極と、前記電荷増倍領域と、前記PD不純物領域のうち前記電荷増倍領域直下まで延長している部分とは、前記PD不純物領域のうち半導体基板表面に至る部分の周囲を上面から見て全周取り囲むように形成されたことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像装置。 At least the multiplication gate electrode, the charge multiplication region, and a portion of the PD impurity region that extends to a position immediately below the charge multiplication region is a portion of the PD impurity region that reaches the surface of the semiconductor substrate. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the solid-state imaging device is formed so as to surround the entire periphery when viewed from above. 前記PD不純物領域の一部が、前記増倍ゲート電極直下においては前記電荷増倍領域の直下を通り、前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙においては前記半導体基板の表面に至るように延長して形成されたことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 A part of the PD impurity region passes immediately below the charge multiplication region immediately below the multiplication gate electrode, and reaches the surface of the semiconductor substrate in the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is formed so as to extend to the surface. 前記PD不純物領域のうち、前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分を除く半導体基板表面に至る部分は、上面からみてn角形であり、
前記増倍ゲート電極と、前記電荷増倍領域と、前記転送ゲート電極と、前記出力用不純物領域と、前記PD不純物領域のうち前記電荷増倍領域直下を通って前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分とは、前記n角形部分のPD不純物領域のうち前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分を除く半導体基板表面に至る部分の周囲の上面から見て1辺〜(n−1)辺のいずれかの辺を残して取り囲むように形成されたことを特徴とする請求項7に記載の固体撮像装置。
Of the PD impurity region, the portion reaching the semiconductor substrate surface excluding the portion extending to the semiconductor substrate surface in the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode is an n-gonal shape when viewed from above.
The multiplication gate electrode, the charge multiplication region, the transfer gate electrode, the output impurity region, and the multiplication gate electrode and the transfer through the PD impurity region immediately below the charge multiplication region. The portion extending to the semiconductor substrate surface in the gap with the gate electrode extends to the semiconductor substrate surface in the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode in the PD impurity region in the n-gonal portion. 8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the semiconductor substrate is formed so as to surround any one of sides 1 to (n-1) when viewed from the upper surface around the portion of the semiconductor substrate surface excluding the portion. Solid-state imaging device.
前記PD不純物領域において、その上面側、および、上面から見て前記電荷増倍領域に隣接していない周の部分の下面方向に沿った側面に、前記PD不純物領域と反対極性を有する不純物領域を備えたことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 In the PD impurity region, an impurity region having a polarity opposite to that of the PD impurity region is formed on an upper surface side thereof and on a side surface along a lower surface direction of a peripheral portion that is not adjacent to the charge multiplication region when viewed from the upper surface. the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises. 前記PD不純物領域において、その上面側、および、上面から見て該PD不純物領域の中央部分に下面方向に向かって該PD不純物領域の深さより深くなるように、前記PD不純物領域と反対極性を有する不純物領域を備えたことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 The PD impurity region has a polarity opposite to that of the PD impurity region so as to be deeper than the depth of the PD impurity region toward the lower surface in the upper surface side and the central portion of the PD impurity region when viewed from the upper surface. the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises an impurity region. 前記PD不純物領域のうち、前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分を除く半導体基板表面に至る領域の表面、および、上面から見て該領域の前記電荷増倍領域に隣接していない周の部分の下面方向に沿った側面に、前記PD不純物領域と反対極性を有する不純物領域を備えたことを特徴とする請求項7又は8に記載の固体撮像装置。 Of the PD impurity region, the surface of the region reaching the semiconductor substrate surface excluding the portion extending to the semiconductor substrate surface in the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode, and the region of the region as viewed from above 9. The solid according to claim 7 , wherein an impurity region having a polarity opposite to that of the PD impurity region is provided on a side surface along a lower surface direction of a peripheral portion not adjacent to the charge multiplication region. Imaging device. 前記増倍ゲート電極と、前記電荷増倍領域と、前記転送ゲート電極と、前記出力用不純物領域と、前記PD不純物領域のうち前記電荷増倍領域直下を通って前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分とは、前記PD不純物領域のうち前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分を除く半導体基板表面に至る領域の周囲を上面から見て取り囲むように形成され、前記PD不純物領域のうち前記増倍ゲート電極と前記転送ゲート電極との間隙の半導体基板表面まで延長している部分を除く半導体基板表面に至る領域の表面および上面からみて該領域の中央から下面方向に向かって該PD不純物領域の深さより深くなるように、前記PD不純物領域と反対極性を有する不純物領域を備えたことを特徴とする請求項7又は8に記載の固体撮像装置。 The multiplication gate electrode, the charge multiplication region, the transfer gate electrode, the output impurity region, and the multiplication gate electrode and the transfer through the PD impurity region immediately below the charge multiplication region. The portion extending to the surface of the semiconductor substrate in the gap with the gate electrode is a semiconductor excluding the portion of the PD impurity region extending to the surface of the semiconductor substrate in the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode. A semiconductor formed so as to surround a region reaching the substrate surface as viewed from above and excluding a portion of the PD impurity region extending to the semiconductor substrate surface in the gap between the multiplication gate electrode and the transfer gate electrode When viewed from the surface and the upper surface of the region reaching the substrate surface, the distance from the center of the region toward the lower surface is greater than the depth of the PD impurity region. The solid-state imaging device according to claim 7 or 8, characterized in that it comprises an impurity region having a polarity. 前記半導体基板の上にエピタキシャル層を積層し、該エピタキシャル層の上面側に、少なくとも、前記PD不純物領域と、前記電荷増倍領域と、前記出力用不純物領域とを形成したことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 An epitaxial layer is laminated on the semiconductor substrate, and at least the PD impurity region, the charge multiplication region, and the output impurity region are formed on the upper surface side of the epitaxial layer. Item 13. The solid-state imaging device according to any one of Items 1 to 12 . 前記請求項1〜13のいずれか1項に記載の固体撮像装置の駆動方法であって、
前記入射光によって前記PD不純物領域に発生した電荷が前記電荷増倍領域に注入された場合に、前記増倍ゲート電極に電圧を印加して前記電荷増倍領域でアバランシェ増倍を起こす工程と、
前記増倍ゲート電極に印加した電圧を初期値に戻す工程と、
前記転送ゲート電極に電圧を印加して前記増倍された電荷を前記出力用不純物領域に転送する工程と、
を有することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
It is a drive method of the solid-state image sensing device according to any one of claims 1 to 13 ,
A step of applying a voltage to the multiplication gate electrode to cause avalanche multiplication in the charge multiplication region when charges generated in the PD impurity region by the incident light are injected into the charge multiplication region;
Returning the voltage applied to the multiplication gate electrode to an initial value;
Applying a voltage to the transfer gate electrode to transfer the multiplied charge to the output impurity region;
A method for driving a solid-state imaging device, comprising:
前記増倍ゲート電極に電圧を印加する工程と、前記転送ゲート電極に電圧を印加する工程とを、それぞれの工程の一部がオーバーラップするようなタイミングに設定して駆動することを特徴とする請求項14に記載の固体撮像装置の駆動方法。 The step of applying a voltage to the multiplication gate electrode and the step of applying a voltage to the transfer gate electrode are driven at a timing such that a part of each step overlaps. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 14 . 前記増倍ゲート電極に電圧を印加した後の印加した電圧を初期値に戻す工程と、前記転送ゲート電極に電圧を印加する工程とを、それぞれの工程の一部がオーバーラップするようなタイミングに設定して駆動することを特徴とする請求項14に記載の固体撮像装置の駆動方法。 The step of returning the applied voltage to the initial value after applying the voltage to the multiplication gate electrode and the step of applying the voltage to the transfer gate electrode are performed at a timing at which a part of each step overlaps. The solid-state imaging device driving method according to claim 14 , wherein the driving is performed after setting. 前記増倍ゲート電極に電圧を印加する工程と、前記増倍ゲート電極に印加した電圧を初期値に戻す工程とを、所定の信号強度が得られるようになるまで繰り返して電荷増倍率を制御することを特徴とする請求項14〜16のいずれか1項に記載の固体撮像装置の駆動方法。 The step of applying a voltage to the multiplication gate electrode and the step of returning the voltage applied to the multiplication gate electrode to an initial value are repeated until a predetermined signal intensity is obtained to control the charge multiplication factor. The method for driving a solid-state imaging device according to any one of claims 14 to 16 .
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