JP5873661B2 - Solid-state imaging device and electronic information device - Google Patents
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Description
本発明は、液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された特に高画素、高感度、高スミア特性向けの固体撮像素子、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、DSC、監視カメラ、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。 The present invention, in combination with a liquid crystal cell, is a solid-state image sensor for a particularly high pixel, high sensitivity, high smear characteristic composed of a semiconductor element that photoelectrically converts image light from a subject and images the solid-state image sensor. Digital cameras such as digital video cameras and digital still cameras used as image input devices as image input devices, image input cameras, scanner devices, facsimile devices, DSCs, surveillance cameras, television telephone devices, mobile phone devices with cameras, etc. It relates to electronic information equipment.
従来の固体撮像素子として、画素部毎に光電変換して生成した各信号電荷を電荷転送部により所定方向に電荷転送した後に増幅して撮像信号を得るCCD固体撮像素子と、画素部毎に光電変換して生成した各信号電荷を増幅して撮像信号として信号読み出しを行うCMOS固体撮像素子とがある。 As a conventional solid-state image pickup device, a CCD solid-state image pickup device that obtains an image pickup signal by amplifying each signal charge generated by photoelectric conversion for each pixel portion after charge transfer in a predetermined direction by a charge transfer portion, and photoelectric conversion for each pixel portion. There is a CMOS solid-state imaging device that amplifies each signal charge generated by conversion and reads out a signal as an imaging signal.
このCCD固体撮像素子について特許文献1にその構成が開示されており、通常、固体撮像素子の垂直転送時は、垂直転送部上が遮光膜により遮光されている必要がある。
The configuration of this CCD solid-state imaging device is disclosed in
図11は、特許文献1に開示されている従来のCCD固体撮像素子の単位画素部の要部構成例を示す平面図である。
FIG. 11 is a plan view showing a configuration example of a main part of a unit pixel portion of a conventional CCD solid-state imaging device disclosed in
図11において、従来のCCD固体撮像素子100の単位画素部は、被写体からの画像光を光電変換して信号電荷を生成する受光部101上の遮光膜の開口部102と、この開口部102下の受光部101から読み出された信号電荷を所定方向に電荷転送するための垂直転送部103と、この受光部101と垂直転送部103間のチャネル部104と、隣接画素との間を素子分離するための素子分離領域105とに分けることができる。
In FIG. 11, a unit pixel portion of a conventional CCD solid-
図12は、図11の従来のCCD固体撮像素子のA−B線断面図である。 FIG. 12 is a cross-sectional view of the conventional CCD solid-state imaging device of FIG. 11 taken along line AB.
図12に示すように、この従来のCCD固体撮像素子100の単位画素部は、N型シリコン基板111上の第1のP型ウェル領域112内にN型の受光部101と、垂直転送部103を構成する垂直レジスタ113と、その外周側の素子分離領域105を構成するP型のチャネル・ストッパ領域114とが形成されている。また、受光部101の表面側にP型の正電荷蓄積領域115が形成され、垂直レジスタ113の直下には第2のP型ウェル領域116が形成されている。
As shown in FIG. 12, the unit pixel portion of this conventional CCD solid-
垂直レジスタ113上にゲート絶縁膜117を介して多結晶シリコン層による転送電極118が選択的に形成され、この転送電極118上に層間絶縁膜119を介してAl遮光膜120が形成され、このAl遮光膜120を含む全面に例えばプラズマSiN膜による表面保護層121が形成されてCCD固体撮像素子100が構成されている。なお、受光部101と垂直レジスタ113間のP型領域は読出しゲートであるチャネル部104を構成している。
A
Al遮光膜120は、受光部101上で選択的にエッチング除去されており、光Lは、このエッチング除去によって形成された受光部101上の開口部102を通して受光部101内に入射されるようになっている。このとき、受光部101の周縁上に、Al遮光膜120が一部が残った形となっている。
The Al
Al遮光膜120中、受光部101の周縁上におけるAl遮光膜120の上部を傾斜状120aに形成して構成している。
In the Al light
上記特許文献1では、単位画素部100の微細化に伴って、開口部102の開口率が低下して受光感度特性が劣化するため、開口部102の開口率を上げるべく、開口部102の開口サイズを広げると、斜め光が開口部102から、遮光膜120で遮光されている電荷転送部103側に入って表示画面上で縦スジとなって現れてしまい、スミア特性が劣化していた。
In the above-mentioned
これに対して、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができる固体撮像素子が、特許文献2に提案されている。
On the other hand, it is possible to suppress the deterioration of the light receiving sensitivity characteristic and the smear characteristic due to the miniaturization of the pixel portion, simplify the manufacturing without the formation process of the light shielding film, and eliminate the signal readout control. A solid-state imaging device that can be used is proposed in
図13は、特許文献2に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を示す平面図であり、図14は、図13の固体撮像素子のA−B線縦断面図である。
FIG. 13 is a plan view showing a configuration example of a main part of a conventional solid-state imaging device disclosed in
図13および図14において、従来の固体撮像素子200は、半導体基板201(または半導体層)上に、各受光部を構成する縦方向のP型注入領域202とN型注入領域203とが交互に横方向に配置されている。これらのP型注入領域202およびN型注入領域203上に、電荷転送駆動用の横方向の単層の透明電極204〜209をこの順に縦方向に繰り返し並べて配置する。さらに、その上に、横方向の偏光を通す偏光板210、液晶制御用の下側の透明電極211、ツイストネマテック(TN)またはスーパーツイストネマテック(STN)の液晶材料からなる液晶層212、液晶制御用の上側の透明電極213、縦方向の偏光を通す偏光板214をこの順に積層する。
13 and 14, in the conventional solid-
これらの偏光板210、透明電極211、液晶層212、透明電極213および偏光板214から入射光透過/遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが構成されており、この液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する固体撮像素子200が構成されている。この液晶セルは露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮蔽するように機能する。
The polarizing
さらに、透明電極204〜209に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする図示しないコントローラ(電荷転送制御手段)が設けられ、露光時に、液晶セルが入射光を透過制御した状態で、横方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極204〜209に、このコントローラから出力される電荷転送駆動用電圧(例えば「0V」と「5V」)のうちの高電圧と低電圧を透明電極204〜209の一または複数に交互に印加する所定の電圧印加パターンにより、電荷転送駆動用の透明電極204〜209下の縦方向のP型注入領域202およびN型注入領域203の深いポテンシャル電位領域に画素毎(各受光部毎)の信号電荷を蓄積する。次の電荷転送時に、液晶セルが入射光を遮光制御した状態で、電荷転送駆動用電圧(例えば「0V」と「5V」)のうちの高電圧と低電圧を透明電極204〜209の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、電荷転送駆動用の透明電極204〜209下の縦方向のP型注入領域202およびN型注入領域203の深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。
Further, a controller (charge transfer control means) (not shown) that can sequentially apply a charge transfer driving voltage to the
上記構成により、上から入射された入射光は、上側の偏光板214を通り、縦方向の偏光を通して偏光される。その縦方向の偏光は、液晶層212のスイッチイング特性により、偏光方向が透明電極211および213に印加される制御信号によりコントロールされ、下側の偏光板210に至る。偏光板214、210の偏光方向が互いに角度が90度だけ異なるため、液晶層212のスイッチイング駆動yによって、固体撮像素子200の受光部(P型注入領域202およびN型注入領域203)への入射光を透過したり遮光したりコントロールすることができる。これによって、遮光層により遮光された垂直転送領域を設ける必要がなくなる。即ち、遮光層および垂直転送領域を別途設ける必要がない。
次に、図14に示すように、偏光板214を通った入射光は、透明電極213から液晶層212を経て透明電極211、偏光板210さらに透明電極209を通過し、そのまま、固体撮像素子200の各受光部(P型注入領域202およびN型注入領域203)まで到達する。固体撮像素子200の各受光部では、縦方向にP型注入領域202およびN型注入領域203を設けており、ここで、光電変換した電子は、P型注入領域202からポテンシャルが低い方のN型注入領域203側に集まって蓄積される。なお、N型注入領域203はP型注入領域202によって分離されているが、これに限らず、同じN型注入領域203同士であっても、不純物の注入を1回で済ませて、ポテンシャル電位の山と谷を作れば同じN型注入領域203同士であっても、信号電荷が互いに混ざり合わないように、隣接する列部と分離可能である。
With the above configuration, incident light incident from above passes through the upper polarizing
Next, as shown in FIG. 14, incident light that has passed through the polarizing
最後に、電荷転送方法ついては、それぞれ配置された横方向の透明電極204〜209の垂直電荷転送用の転送駆動電圧を、順送りすることにより電子(各信号電荷)を電荷転送することができる。このように、横方向の透明電極204〜209を用いたため、1層配線での電荷転送が可能となる。
Finally, with respect to the charge transfer method, electrons (each signal charge) can be transferred by sequentially transferring transfer drive voltages for vertical charge transfer of the
なお、液晶層212には、上記ツイストネマテック(TN)またはスーパーツイストネマテック(STN)の液晶材料の他に、コレステリック液晶材料を用いることができる。このコレステリック液晶材料は、液晶分子のらせんの軸が縦向きかまたは横向きで安定するので、駆動電圧を切っても半永久的に液晶分子の向きを維持できるメモリ性があることから、書き換え時のみ電力を用いる超低消費電力を実現することができる。また、一度表示した表示画面は、駆動電圧をかけて表示画面を変更する以外は駆動電圧をかけないので、画面がちらついたりしない。しかも、コレステリック液晶材料を用いることにより、偏光板210,214およびカラーフィルタ(図示せず)などを不要とすることから、紙のように薄くて軽く、しかも明るい液晶装置(液晶セル;デンシペーパ)を実現することができる。このように、コレステリック液晶材料を用いることにより、透過する光量を大幅に有効利用することができて、受光感度の大幅な向上を達成することができる。
Note that a cholesteric liquid crystal material can be used for the
特許文献2に開示されている上記従来の固体撮像素子200では、その電荷転送時に液晶層212によって遮光が可能なため、垂直転送領域を遮光層と共に設ける必要がなく、透明電極を用いて1画素当たりの面積を大きく取ることができて、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができるものの、カラーフィルタに代えてコレステリック液晶材料を用いて一つの色を1画素(各液晶セル毎にRGBのいずれかで所定の色配列)で検出可能であるが、現実的に静止画および動画のうち、特に動画をフルカラー撮像することは、コレステリック液晶の応答が遅いために現時点では困難であるという問題を有していた。
In the conventional solid-
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、1画素部で一括して同時に検出した1画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and suppresses deterioration of light receiving sensitivity characteristics and smear characteristics due to miniaturization of the pixel portion, and simplifies the manufacturing process by eliminating a light shielding film forming process. On the premise that it is possible to eliminate the signal readout control, a plurality of color signals are simultaneously detected by a single pixel unit by a plurality of layers of light-receiving units in place of the cholesteric liquid crystal. A solid-state image sensor that can obtain a clear full-color image of either a still image or a moving image, and a camera using the solid-state image sensor as an image input device in an imaging unit, for example, It is an object of the present invention to provide an electronic information device such as a mobile phone device with a telephone.
本発明の固体撮像素子は、半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、該光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層され、該一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域と、該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極と、該複数の電荷転送駆動用の透明電極上または、該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過/遮光制御手段とを有しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The solid-state imaging device of the present invention is a one-conductivity-type injection region and another-conductivity-type injection region that are alternately arranged adjacent to a semiconductor layer or a semiconductor substrate in one direction, and includes a plurality of layers that photoelectrically convert image light from a subject. One-conductivity-type injection region and other-conductivity type, wherein the photoelectric conversion part is laminated with a transparent layer having a different band gap from that of the photoelectric conversion part, and is disposed in the other direction orthogonal to the one direction. An injection region, a plurality of one-direction transparent electrodes for driving the charge transfer provided on the one-conductivity type injection region and the other-conductivity-type injection region, and the plurality of transparent electrodes for driving the charge transfer, or the Provided on one conductivity type injection region and the other conductivity type injection region and having incident light transmission / light shielding control means for transmitting or shielding incident light, thereby achieving the above object. The
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における透明層のバンドギャップが前記複数層の光電変換部の半導体層のバンドギャップよりも大きく、該光電変換部がその下層および上層の該透明層に挟み込まれて、該複数層の光電変換部でそれぞれ光電変換された各信号電荷が該光電変換部毎にそれぞれ閉じ込められるように構成されている。 Preferably, the band gap of the transparent layer in the solid-state imaging device of the present invention is larger than the band gap of the semiconductor layer of the plurality of photoelectric conversion units, and the photoelectric conversion unit is sandwiched between the lower and upper transparent layers. Thus, each signal charge photoelectrically converted by the plurality of photoelectric conversion units is confined for each photoelectric conversion unit.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数層の光電変換部の深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、1画素部毎の複数の色信号が該複数層の光電変換部からの各信号電荷に基づいて算出可能である。 Further preferably, from the difference in absorption coefficient depending on the wavelength of light according to the depth of the photoelectric conversion units of the plurality of layers in the solid-state imaging device of the present invention, the plurality of color signals for each pixel unit are converted into the photoelectric conversion of the plurality of layers. It can be calculated based on each signal charge from the unit.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数層の光電変換部が、第1受光部〜第3受光部の3層構造を有する場合に、該第1受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も短い青色光を主に吸収して光電変換し、該第2受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が中間の緑色光を主に吸収して光電変換し、該第3受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も長い赤色光を主に吸収して光電変換する。 Furthermore, preferably, when the plurality of layers of photoelectric conversion units in the solid-state imaging device of the present invention has a three-layer structure of the first light receiving unit to the third light receiving unit, the one direction of the first light receiving unit is configured. The photoelectric conversion unit in the conductive type injection region and the other conductive type injection region mainly absorbs blue light having the shortest wavelength of light to perform photoelectric conversion, and constitutes the second light receiving unit in one direction. The photoelectric conversion unit in the other conductivity type injection region mainly absorbs green light having an intermediate wavelength of light and performs photoelectric conversion, and the unidirectional one conductivity type injection region and the other conductivity type constituting the third light receiving unit The photoelectric conversion unit in the injection region mainly absorbs red light having the longest light wavelength and performs photoelectric conversion.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数層の光電変換部が、第1受光部〜第4受光部の4層構造を有する場合に、該第1受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も短い青色光を主に吸収して光電変換し、該第2受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が中間の緑色光を主に吸収して光電変換し、該第3受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が長い赤色光を主に吸収して光電変換し、該第4受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も長い近赤外光を吸収して光電変換する。 Further, preferably, when the plurality of layers of photoelectric conversion units in the solid-state imaging device of the present invention have a four-layer structure of the first light receiving unit to the fourth light receiving unit, the one direction of the first light receiving unit is configured. The photoelectric conversion unit in the conductive type injection region and the other conductive type injection region mainly absorbs blue light having the shortest wavelength of light to perform photoelectric conversion, and constitutes the second light receiving unit in one direction. The photoelectric conversion unit in the other conductivity type injection region mainly absorbs green light having an intermediate wavelength of light and performs photoelectric conversion, and the unidirectional one conductivity type injection region and the other conductivity type constituting the third light receiving unit The photoelectric conversion unit in the injection region mainly absorbs red light having a long wavelength of light and performs photoelectric conversion, and photoelectric conversion in the one-direction one-conduction type injection region and the other-conduction type injection region constituting the fourth light receiving unit. The unit absorbs near-infrared light having the longest wavelength of light and performs photoelectric conversion.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記半導体層または前記半導体基板は可視光または近赤外光まで受光できるバンドギャップをもつ半導体であり、前記透明層は可視光を透過するバンドギャップを持っている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the semiconductor layer or the semiconductor substrate is a semiconductor having a band gap capable of receiving visible light or near-infrared light, and the transparent layer is a band gap that transmits visible light. have.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の電荷転送駆動用の透明電極に印加する高電圧と低電圧のうちの高電圧の印加隣接電極数を調整することにより、前記複数の光電変換部の平面視画素露光サイズを可変してフォトダイオード容量を可変可能とする。 Furthermore, preferably, the plurality of photoelectric conversions are performed by adjusting the number of adjacent high-voltage applied electrodes among the high voltage and the low voltage applied to the plurality of charge transfer driving transparent electrodes in the solid-state imaging device of the present invention. The pixel capacitance can be varied by changing the pixel exposure size in plan view.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の光電変換部の膜厚を調整することにより、フォトダイオード容量を可変可能とする。 Further, preferably, the photodiode capacitance can be varied by adjusting the film thicknesses of the plurality of photoelectric conversion units in the solid-state imaging device of the present invention.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における入射光透過/遮光制御手段は、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮光する液晶手段で構成されている。 Further preferably, the incident light transmission / shielding control means in the solid-state imaging device of the present invention is configured by a liquid crystal means that transmits the incident light during exposure and shields the incident light during charge transfer.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における液晶手段は、一方向およびこれに直交する他方向の一方の偏光を通す偏光板、液晶制御用の下側の透明電極、液晶層、液晶制御用の上側の透明電極、該一方向およびこれに直交する他方向の他方の偏光を通す偏光板がこの順に積層されている。 Further preferably, the liquid crystal means in the solid-state imaging device of the present invention is a polarizing plate that transmits one polarized light in one direction and the other direction orthogonal thereto, a lower transparent electrode for liquid crystal control, a liquid crystal layer, and for liquid crystal control A transparent electrode on the upper side of the first polarizing plate and a polarizing plate through which the other polarized light in one direction and the other direction orthogonal thereto are passed in this order.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、露光時に、前記液晶手段が入射光を透過制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用の透明電極の一または複数毎に交互に印加することにより、該電荷転送駆動用の透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷が保持される。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, further provided is a charge transfer control means that can sequentially apply a charge transfer driving voltage to the plurality of charge transfer driving transparent electrodes in one direction. By alternately applying the high voltage and the low voltage of the charge transfer driving voltage to each of the transparent electrodes for driving the charge transfer while the liquid crystal means controls the transmission of incident light, The signal charge for each pixel portion is held in the deep potential potential region in the one-conductivity type injection region in the other direction and the other-conductivity type injection region under the transparent electrode for driving the charge transfer.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、電荷転送時に、前記液晶手段が入射光を遮光制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用の透明電極の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、該電荷転送駆動用の透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。 Further preferably, in the solid-state imaging device according to the present invention, a charge transfer control unit is further provided which can sequentially apply a charge transfer driving voltage to the plurality of charge transfer driving transparent electrodes in one direction, In the state where the liquid crystal means is controlled to block incident light, the high voltage and the low voltage of the charge transfer driving voltage are sequentially applied to one or more alternating application positions of the charge transfer driving transparent electrode in a predetermined direction. By shifting to a predetermined potential, the signal charge for each pixel portion is held in the one-potential type injection region in the other direction below the transparent electrode for driving the charge transfer and the deep potential potential region in the other-conductivity type injection region. Charge transfer.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記高電圧の前記電荷転送駆動用の透明電極の印加位置を一または複数に印加することにより、前記画素部毎の信号電荷を保持する画素サイズが制御可能とされており、該画素サイズは、前記他方向の一導電型注入領域または他導電型注入領域のn(nは自然数)列と、前記一方向の電荷転送駆動用の透明電極のm(mは自然数)行の隣接半導体領域を1画素部として組み合わせている。 Further preferably, in the solid-state imaging device of the present invention, the pixel size for holding the signal charge for each of the pixel portions by applying one or a plurality of application positions of the high-voltage transparent electrode for driving the charge transfer. The pixel size of the one-direction implantation region in the other direction or n columns (n is a natural number) of the other-conduction type implantation region and the transparent electrode for driving the charge transfer in the one direction The adjacent semiconductor regions of m (m is a natural number) rows are combined as one pixel portion.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における高電圧は複数の高電圧を有して、前記半導体層または半導体基板のポテンシャ電位が電荷転送方向に深くなるように該半導体層または半導体基板に高電圧を付与する。 Further preferably, the high voltage in the solid-state imaging device of the present invention has a plurality of high voltages, and the semiconductor layer or the semiconductor substrate has a high potential so that a potential potential of the semiconductor layer or the semiconductor substrate becomes deep in a charge transfer direction. Apply voltage.
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における半導体層または半導体基板は、導電型がN型半導体、P型半導体および真性半導体の少なくともいずれかである。 Further, preferably, the semiconductor layer or the semiconductor substrate in the solid-state imaging device of the present invention has at least one of an N-type semiconductor, a P-type semiconductor, and an intrinsic semiconductor as a conductivity type.
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。 The electronic information device of the present invention uses the solid-state imaging device of the present invention as an image input device in an imaging unit, and thereby achieves the above object.
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。 With the above configuration, the operation of the present invention will be described below.
本発明においては、半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域と、一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極と、複数の電荷転送駆動用の透明電極上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過/遮光制御手段とを有している。 In the present invention, a multi-layer photoelectric conversion unit that photoelectrically converts image light from a subject, which is a one-conductivity-type injection region and another-conductivity-type injection region that are alternately arranged in one direction on a semiconductor layer or a semiconductor substrate. However, this photoelectric conversion part is laminated with a transparent layer having a different band gap interposed between them, and one conductivity type injection region and another conductivity type injection region respectively disposed in other directions orthogonal to one direction, A plurality of unidirectional charge transfer drive transparent electrodes provided on the one conductivity type injection region and the other conductivity type injection region, and a plurality of charge transfer drive transparent electrodes, which transmit incident light or Incident light transmission / light shielding control means for controlling the light shielding.
これによって、入射光を透過または遮光制御する入射光透過/遮光制御手段を設けたことにより、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、1画素部で一括して同時に検出した1画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することが可能となる。 As a result, by providing incident light transmission / light shielding control means for transmitting or shielding incident light, it is possible to suppress deterioration of light receiving sensitivity characteristics and smear characteristics due to miniaturization of the pixel portion and to form a light shielding film. A multi-layer photoelectric conversion unit that photoelectrically converts image light from a subject is a band, assuming that there is no process and manufacturing can be simplified and signal readout control can be eliminated. Since transparent layers having different gaps are stacked between each other, one pixel in which a plurality of color signals are simultaneously detected by a single pixel unit by a plurality of layers of light receiving units instead of cholesteric liquid crystals In addition to obtaining from the signal charges of each layer for each part, it is possible to realize clear full-color imaging for both still images and moving images.
以上により、本発明によれば、入射光を透過または遮光制御する入射光透過/遮光制御手段を設けたため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、1画素部で一括して同時に検出した1画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。 As described above, according to the present invention, since the incident light transmission / shielding control means for controlling the transmission or shielding of the incident light is provided, the deterioration of the light receiving sensitivity characteristic and the smear characteristic due to the miniaturization of the pixel portion are suppressed, and On the premise that there is no process for forming a light-shielding film, manufacturing can be simplified, and signal readout control can also be eliminated, a multi-layer photoelectric conversion unit that photoelectrically converts image light from a subject is photoelectrically converted. Since a transparent layer having a different band gap is interposed between each layer, a plurality of color signals are simultaneously received by a single pixel unit by a plurality of layers of light receiving units instead of cholesteric liquid crystals. It can be obtained from the detected signal charges of each layer for each pixel portion, and clear full-color imaging can be realized for both still images and moving images.
以下に、本発明の固体撮像素子の実施形態1、2および、この固体撮像素子の実施形態1、2を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態3について図面を参照しながら詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図であり、図2は、図1の固体撮像素子のA−B線縦断面図である。
Embodiments 1 and 2 of the solid-state imaging device of the present invention, and implementation of electronic information equipment such as a mobile phone device with a camera using the
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view illustrating a configuration example of a main part of a solid-state imaging device according to
図1および図2において、本実施形態1の固体撮像素子1は、半導体基板2(または半導体層)上に透明絶縁層であるSiO2膜3dを介して、第3受光部を構成する縦方向のP型注入領域4cとN型注入領域5cとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのP型注入領域4cおよびN型注入領域5c上に透明絶縁層であるSiO2膜3cを介して、第2受光部を構成する縦方向のP型注入領域4bとN型注入領域5bとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのP型注入領域4c,4bおよびN型注入領域5c,5bはそれぞれ間にSiO2膜3cを介して上下に配置されている。これらのP型注入領域4bおよびN型注入領域5b上に透明絶縁層であるSiO2膜3bを介して、第1受光部を構成する縦方向のP型注入領域4aとN型注入領域5aとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのP型注入領域4b、4aおよびN型注入領域5b、5aはそれぞれ間にSiO2膜3bを介して上下に配置されている。これらのP型注入領域4a〜4cとN型注入領域5a〜5cはそれぞれ、平面視で縦方向に一致するように配置されている。
1 and 2, the solid-
これらのP型注入領域4aおよびN型注入領域5a上に透明絶縁層であるSiO2膜3aを介して、電荷転送駆動用の横方向の単層の透明電極6〜11をこの順に縦方向に繰り返し並べて配置する。平面視で縦方向に配置されたP型注入領域4aとN型注入領域5a上にSiO2膜3aを介して、単層の透明電極6〜11が横方向に配置されている。さらに、その上に、横方向の偏光を通す偏光板12、液晶制御用の下側の透明電極13、ツイストネマテック(TN)またはスーパーツイストネマテック(STN)の液晶材料などからなる液晶層14、液晶制御用の上側の透明電極15、縦方向の偏光を通す偏光板16をこの順に積層する。なお、液晶材料としては、偏光板12、16を用いずに、ツイストネマテック(TN)やスーパーツイストネマテック(STN)以外のシャッタ機能に用いる液晶材料であって、動作速度の速い液晶材料を選定して用いることもできる。このように、入射光を受光する第1受光部〜第3受光部からなるSi層の3層積層構造の上部に液晶セルによるシャッタ機構を導入しかつ、電荷転送を透明電極6〜11で行うことにより、第1受光部〜第3受光部の開口サイズを、従来の遮光膜の開口サイズに比べて向上させ、受光感度特性の改善とスミア特性の改善を図ることが可能となる。
Through the SiO 2 film 3a is a transparent insulating layer on these P-type implanted
電荷転送用の単層の透明電極6〜11およびその下の3層のP型注入領域4a〜4cとN型注入領域5a〜5cが繰り返し配設されて、各画素毎の信号電荷が複数列を垂直方向に電荷転送され、その後、水平方向に、電荷転送用の単層の透明電極6〜11およびその下の3層のP型注入領域4a〜4cとN型注入領域5a〜5cが繰り返し配設されて水平方向に電荷転送される。その後、3層の電荷検出部により電荷検出されて3層分の信号電荷が増幅されて撮像信号として出力される。詳細に後述するが、3層分の各撮像信号は信号処理部により信号処理されて各画素毎のRGB信号を得ることができる。
Single-layer
ここでは、P型注入領域4およびN型注入領域5で構成される第1受光部〜第3受光部がそれぞれ透明絶縁層であるSiO2膜をそれぞれ介して3層の多層積層構造になっている。この3層の多層積層構造は、撮像素子のカラーフィルタレスを実現するため、各受光部(フォトダイオード部)を構成する3層のSi層(P型注入領域およびN型注入領域)をそれぞれSiO2膜3a〜3dの各透明膜で上下に挟み込んだ構造である。SiO2膜3a〜3dのバンドギャップがSi層よりも大きいため3層の各Si層に光電変換された信号電荷を閉じ込めることができる。このように、バンドギャップの異なる透明層(ここではSiO2膜とSi層)を組み合わせ3層の第1受光部〜第3受光部(光電変換部)からなっている。つまり、一導電型注入領域および他導電型注入領域は、P型注入領域およびN型注入領域で構成される複数層の光電変換部がそれぞれ、間に光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層(SiO2膜)を組み合わせた多層積層構造(ここでは3層)になっている。
Here, the first light receiving part to the third light receiving part constituted by the P-
なお、Si層間にSiO2膜がない場合のCMOSの多層PDからの優位性について説明すると、イオン注入によるポテンシャル差(PN間)は、およそ2−3eVである。受光部の上下膜としてSiO2膜を使用すれば、そのバンドギャップ(Band Gap)は8−9eVあるためVpd容量確保に有利である。ポテンシャル段差を上下空間的に明確にできるるので、上下方向での容量確保に有利に働く。 The advantage from the CMOS multi-layer PD when there is no SiO 2 film between Si layers will be described. The potential difference (between PNs) by ion implantation is about 2-3 eV. If SiO 2 films are used as the upper and lower films of the light receiving part, the band gap (Band Gap) is 8-9 eV, which is advantageous for securing the Vpd capacity. Since the potential step can be clarified in the vertical space, it works advantageously for securing the capacity in the vertical direction.
一方、SiO2膜3a〜3dおよび3層のSi層は可視光が透過しかつ、3層のSi層はその深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、3層のSi層は各色の受光部(ダイオード部)とすることができる。例えば第1受光部を構成する縦方向のP型注入領域4aとN型注入領域5aは、最上層であり光の波長が最も短い青色光(B)を主に吸収して光電変換し、第2受光部を構成する縦方向のP型注入領域4bとN型注入領域5bは、中間層であり光の波長が中間の緑色光(G)を主に吸収して光電変換し、第3受光部を構成する縦方向のP型注入領域4cとN型注入領域5cは、最下層であり光の波長が最も長い赤色光(R)を主に吸収して光電変換する。このように、光電変換部である第1受光部〜第3受光部の多層化による多原色(ここでは三原色のRGB)のフルカラー撮像を各画素毎に一括して同時に行うことができる。
On the other hand, the SiO 2 films 3a to 3d and the three Si layers transmit visible light, and the three Si layers are different in absorption coefficient depending on the wavelength of light according to the depth thereof. It can be set as the light-receiving part (diode part) of each color. For example, the P-
以上の偏光板12、透明電極13、液晶層14、透明電極15および偏光板16から入射光透過/遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが構成されており、この液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する第1受光部〜第3受光部の3層積層構造を持つ固体撮像素子1が構成されている。この液晶セルは、そのスイッチイング特性により、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮蔽するように機能する。これによって、従来の素子分離領域および垂直転送部が必要なくなって、その分、受光面積を広げることができることから、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスもなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができる。
The
さらに、透明電極6〜11に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする図示しないコントローラ(電荷転送制御手段)が設けられ、露光時に、液晶セルが入射光を透過制御した状態で、横方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極6〜11に、このコントローラから出力される電荷転送駆動用電圧(例えば「0V」と「5V」)のうちの高電圧と低電圧を透明電極6〜11の一または複数に交互に印加する所定のパターンにより、電荷転送駆動用の透明電極6〜11下の縦方向のP型注入領域4a〜4cおよびN型注入領域5a〜5cの深いポテンシャル電位領域に画素毎(各受光部毎)の信号電荷を蓄積する。次の電荷転送時に、液晶層14の液晶セルが入射光を遮光制御した状態で、電荷転送駆動用電圧(例えば「0V」と「5V」)のうちの高電圧と低電圧を透明電極6〜11の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、電荷転送駆動用の透明電極6〜11下の縦方向の3層のP型注入領域4a〜4cおよび3層のN型注入領域5a〜5cの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。このように、入射光を受光する第1受光部〜第3受光部の3層積層構造によって、液晶セルを遮光させた状態で、各信号電荷を順次電荷転送することができて、スミア特性の劣化を抑制することができる。
Further, a controller (charge transfer control means) (not shown) that can sequentially apply a charge transfer driving voltage to the
この場合、高電圧の透明電極6〜11の印加位置を一または複数に印加することにより、入射光を受光する第1受光部〜第3受光部の3層積層構造の平面視の画素サイズ(フォトダイオード容量)も制御可能である。また、第1受光部〜第3受光部の3層積層構造の光電変換部の多層膜厚によってフォトダイオード容量を制御することもできる。
In this case, by applying one or a plurality of application positions of the high-voltage
上記構成により、上から入射された入射光は、上側の偏光板16を通り、縦方向の偏光板16を通して偏光される。その縦方向の偏光は、液晶層14のスイッチイング特性により、偏光方向が透明電極13および15に印加される制御信号によりコントロールされ、下側の偏光板12に至る。偏光板16、12の偏光方向が互いに角度が90度だけ異なるため、液晶層14のスイッチイングによって、固体撮像素子1の第1受光部〜第3受光部の3層積層構造への入射光を透過したり遮光したりコントロールすることができる。
次に、偏光板16を通った入射光は、透明電極15から液晶層14を経て透明電極13、偏光板12さらに透明電極11からSiO2膜3aを通過し、そのまま、固体撮像素子1の第1受光部〜第3受光部(P型注入領域およびN型注入領域)まで順次到達する。固体撮像素子1の各受光部では、縦方向にP型注入領域4a〜4cおよびN型注入領域5a〜5cの3層の積層構造が設けられており、ここで、光電変換した電子は、ポテンシャルが低い方のN型注入領域4側に集まって蓄積されると共に、SiO2膜3a〜3dのバンドギャップがSi層よりも大きいため、SiO2膜3a〜3dにより3層の第1受光部〜第3受光部(各Si層)に光電変換された信号電荷を閉じ込めることができる。
With the above configuration, incident light incident from above passes through the upper
Next, the incident light that has passed through the
なお、P型注入領域4a〜4cによってN型注入領域5a〜5cが横方向に複数分離されている。縦方向の各同じ層のN型注入領域5a〜5cであっても、不純物の注入を1回または数回の均等な不純物注入(不純物濃度(N型またはP型)が、例えば1×1018cm−3)で済ませて、透明電極6〜11に対する電圧印加によりポテンシャル電位の山と谷を作れば同じ層のN型注入領域5同士であっても、信号電荷が平面視縦方向(列方向)に互いに混ざり合わないように、縦方向の3層の第1受光部〜第3受光部(P型注入領域およびN型注入領域)の各層において、縦方向の各同じ層の隣接するN型注入領域5同士で分離可能である。
A plurality of N
最後に、電荷転送方法ついては、それぞれ配置された横方向の透明電極6〜11の垂直電荷転送用の転送駆動電圧を、順送りすることにより電子(各信号電荷)を電荷転送することができる。このように、横方向の透明電極6〜11を用いたため、1層配線での電荷転送が可能となる。
Finally, with respect to the charge transfer method, electrons (each signal charge) can be transferred by sequentially transferring transfer drive voltages for vertical charge transfer of the
要するに、上から入射された光は、偏光板16を通り縦偏光とされる。その縦偏光は、液晶層14のスイッチイング特性により偏光方向がコントロールされ、偏光板12に届く。偏光板16,12の偏光方向が異なるため、液晶層14のスイッチイングによって、固体撮像素子1の第1受光部〜第3受光部への入射光を露光または遮光にコントロールできる。これによって、従来のように遮光膜で遮光された垂直転送領域を設ける必要がなくなる。
下側の偏光板12を通った光は、電極に透明電極6〜11を採用したため、そのまま固体撮像素子1の第1受光部〜第3受光部まで到達する。固体撮像素子1の第1受光部〜第3受光部は、平面視で縦方向にP型注入領域4およびN型注入領域5を設けており、ここで、光電変換した電子(信号電荷)は、P型注入領域4からポテンシャルが低いN型注入領域5側に集まって、各画素毎に撮像が為される。
このとき、3層積層構造の第1受光部〜第3受光部(各フォトダイオード部)は、その深さ方向に応じて光の波長による吸収係数が異なるため、最適に多層化した各フォトダイオード部では、その各層で各色(ここではRGB)の撮像が可能となり、その結果、一画素で多色撮像(三原色撮像)が可能となる。この場合、3層積層構造の第1受光部〜第3受光部において、混色はするが、信号処理によりR尊号、G信号およびB信号を得ることが可能である。信号処理については詳細に後述する。
In short, light incident from above passes through the
The light passing through the lower
At this time, each of the first to third light receiving portions (each photodiode portion) having a three-layer structure has an absorption coefficient different depending on the wavelength of light depending on the depth direction, and thus each of the photodiodes optimally multilayered In the unit, it is possible to image each color (RGB here) in each layer, and as a result, it is possible to perform multicolor imaging (three primary color imaging) with one pixel. In this case, in the first light receiving part to the third light receiving part having the three-layer structure, although the colors are mixed, it is possible to obtain the R honor, G signal and B signal by signal processing. The signal processing will be described later in detail.
最後に、電荷転送方法ついては、縦方向に順次並べて配置された横方向の透明電極6〜11に対する駆動電圧を、縦方向に順送りすることにより、画素毎の各信号電荷を電荷転送することができる。この場合、透明電極6〜11を用いたため、1層配線での転送が可能となる。
Finally, with regard to the charge transfer method, each signal charge for each pixel can be transferred by transferring the drive voltage for the
ここで、本実施形態1の固体撮像素子1の電荷転送方法の一例について図3(a)〜図3(c)を用いて詳細に説明する。
Here, an example of the charge transfer method of the solid-
図3(a)〜図3(c)は、図1の固体撮像素子1に入る光が多い場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。ここで、透明電極6〜11に印加する低電圧を「0V」、高電圧を「5V」する。
FIGS. 3A to 3C are plan views schematically showing charge transfer patterns in the case where there is a lot of light entering the solid-
まず、図3(a)の「Time1」に示すように、P型注入領域4とN型注入領域5が縦方向に設けられており、最も上の1行目(行R1)の電荷転送用の横方向の透明電極6に駆動電圧「0V」が印加される場合に、P型注入領域4のポテンシャル電位が「0V」で、N型注入領域5のポテンシャル電位が「5V」になって深くなっている。このとき、上から2、3行目(行R2、3)の電荷転送用の透明電極7,8に駆動電圧「5V」が印加されるので、P型注入領域4のポテンシャル電位が「5V」で、N型注入領域5のポテンシャル電位が「10V」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「10V」の透明電極7,8下のN型注入領域5(N型注入領域5a〜5c)に信号電荷が蓄積されて保持される。
First, as indicated by “
次に、図3(b)の「Time2」に示すように、最も上の1、2行目(行R1、2)の電荷転送用の透明電極6、7に駆動電圧「0V」が印加され、P型注入領域4のポテンシャル電位が「0V」で、N型注入領域5のポテンシャル電位が「5V」になる。このとき、上から3行目(行R3)の電荷転送用の透明電極8に駆動電圧「5V」が印加され、P型注入領域4のポテンシャル電位が「5V」で、N型注入領域5のポテンシャル電位が「10V」になっている。さらに、上から4、5行目(行R4、5)の電荷転送用の透明電極9,10に駆動電圧「0V」が印加されて、P型注入領域4のポテンシャル電位が「0V」で、N型注入領域5のポテンシャル電位が「5V」になっている。さらに、上から6行目(行R6)の電荷転送用の透明電極11に駆動電圧「5V」が印加され、P型注入領域4のポテンシャル電位が「5V」で、N型注入領域5のポテンシャル電位が「10V」になっている。
Next, as shown in “
その後、図3(c)の「Time3」において、最も上の1行目(行R1)の電荷転送用の透明電極6に駆動電圧「5V」が印加され、P型注入領域4のポテンシャル電位が「5V」で、N型注入領域5のポテンシャル電位が「10V」になる。このとき、上から2行目(行R2)の電荷転送用の透明電極7に駆動電圧「0V」が印加され、P型注入領域4のポテンシャル電位が「0V」で、N型注入領域5のポテンシャル電位が「5V」になっている。さらに、上から3、4行目(行R3、4)の電荷転送用の透明電極8,9に駆動電圧「5V」が印加されて、P型注入領域4のポテンシャル電位が「5V」で、N型注入領域5のポテンシャル電位が「10V」になって深くなっている。
Thereafter, in “Time 3” of FIG. 3C, the drive voltage “5 V” is applied to the
これによって、「Time1」で透明電極7、8下のN型注入領域5に保持された信号電荷が、「Time3」では透明電極8、9下のN型注入領域5に電荷転送されて垂直方向に一つ電荷転送される。この電荷転送が、撮像領域全面の第1受光部〜第3受光部で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が次に水平方向に電荷転送されることになる。
As a result, the signal charge held in the N-
なお、図3(a)〜図3(c)では、入射光が多い場合の電荷転送パターンであって、駆動電圧「0V」および「5V」の各透明電極への印加パターンを垂直方向に順次ずらして行くことにより、「Time1」で2行の透明電極7、8下のN型注入領域5に保持された信号電荷を垂直方向に順次電荷転送する場合について説明したが、これに限らず、駆動電圧「0V」および「5V」の各透明電極への印加パターンを垂直方向に順次ずらして行くことにより、入射光が少ない場合の電荷転送パターンとして、「Time1」でより画素面積の広い3行の透明電極7〜9下のN型注入領域5に保持された信号電荷を垂直方向に順次電荷転送するようにしてもよいし、さらに、「Time1」でより画素面積の広い4行の透明電極7〜10下のN型注入領域5に保持された信号電荷を垂直方向に順次電荷転送するようにしてもよい。
3A to 3C are charge transfer patterns in the case where there is a large amount of incident light, and the application patterns of the drive voltages “0 V” and “5 V” to the respective transparent electrodes are sequentially arranged in the vertical direction. Although the case where the signal charges held in the N-
次に、液晶セルを組み合わした固体撮像素子1の製造方法について説明する。
Next, the manufacturing method of the solid-
図4(a)〜図4(c)は、貼り合せSOIウエハの各事例について模式的に示す断面図である。図5(a)および図5(b)は、貼り合せSOIウエハの製造方法の事例1を模式的に示す断面図である。 FIG. 4A to FIG. 4C are cross-sectional views schematically showing each example of a bonded SOI wafer. FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views schematically showing Example 1 of the method for manufacturing a bonded SOI wafer.
図5(a)に示すように、半導体基板21(または半導体層)の表面を熱酸化により透明絶縁層であるSiO2膜22を形成し、その上にSi層(デバイス層)23aを貼り合せ、図5(b)に示すように、貼り合せたSi層23aを所定の厚さに研磨してSi層23とする。図4(a)に示すように、このSi層23に対して所定パターンにてP型不純物とN型不純物をそれぞれ所定の不純物濃度にイオン注入して、前述した第3受光部を構成する縦方向のP型注入領域4cとN型注入領域5cとを交互に横方向に配置させる。
As shown in FIG. 5A, the surface of the semiconductor substrate 21 (or semiconductor layer) is thermally oxidized to form a SiO 2 film 22 as a transparent insulating layer, and an Si layer (device layer) 23a is bonded thereon. As shown in FIG. 5B, the bonded
また同様に、縦方向のP型注入領域4cとN型注入領域5cの表面を熱酸化によりSiO2膜22を形成し、その上にSi層(デバイス層)23aを貼り合せ、貼り合せたSi層23aを所定の厚さに研磨してSi層23とする。図4(b)に示すように、このSi層23に対して、下側の縦方向のP型注入領域4cとN型注入領域5cのパターンと位置整合するように位置決めして、所定パターンでP型不純物とN型不純物をそれぞれ所定の不純物濃度でイオン注入して、前述した第2受光部を構成する縦方向のP型注入領域4bとN型注入領域5bとを交互に横方向に配置させる。
Similarly, the SiO 2 film 22 is formed by thermal oxidation on the surfaces of the P-
さらに同様に、縦方向のP型注入領域4bとN型注入領域5bの表面を熱酸化によりSiO2膜22を形成し、その上にSi層(デバイス層)23aを貼り合せ、貼り合せたSi層23aを所定の厚さに研磨してSi層23とする。図4(c)に示すように、このSi層23に対して、下側の縦方向のP型注入領域4bとN型注入領域5bのパターンと位置が整合するように位置決めして、所定パターンでP型不純物とN型不純物をそれぞれ所定の不純物濃度でイオン注入して、前述した第1受光部を構成する縦方向のP型注入領域4aとN型注入領域5aとを交互に横方向に配置させる。
Further, similarly, the SiO 2 film 22 is formed by thermal oxidation on the surfaces of the P-
次に、前述した第1受光部を構成する縦方向のP型注入領域4aとN型注入領域5aの表面を熱酸化によりSiO2膜3aを形成し、その上に、フォトリソ技術を用いて各横方向の透明電極6〜11を連続して形成する。
Next, the SiO 2 film 3a is formed on the surfaces of the P-
さらにその上に、偏光板12、透明電極13、液晶層14、透明電極15および偏光板16で構成された入射光透過/遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが貼り合わされる。これによって、液晶セルが組み合わされた本実施形態1の固体撮像素子1を製造することができる。
Further thereon, a liquid crystal cell, which is a liquid crystal means as an incident light transmission / light shielding control means, composed of a
なお、図5(a)および図5(b)では、半導体基板21(または半導体層)の表面を熱酸化により透明絶縁層であるSiO2膜22を形成し、その上にSi層(デバイス層)23aを貼り合せたが、これとは逆に、図6(a)および図6(b)のように、Si層(デバイス層)23aの表面を熱酸化により透明絶縁層であるSiO2膜22を形成し、その下に半導体基板21(または半導体層)を貼り合わせてもよい。 5A and 5B, the surface of the semiconductor substrate 21 (or semiconductor layer) is thermally oxidized to form a SiO 2 film 22 as a transparent insulating layer, and an Si layer (device layer) is formed thereon. On the contrary, as shown in FIGS. 6A and 6B, the surface of the Si layer (device layer) 23a is thermally oxidized to form a SiO 2 film that is a transparent insulating layer. 22 may be formed, and a semiconductor substrate 21 (or a semiconductor layer) may be bonded thereto.
ここで、3層積層構造の第1受光部〜第3受光部において、混色はするが、信号処理によりR尊号、G信号およびB信号を得ることが可能である。この場合の信号処理について以下に詳細に説明する。 Here, in the first light receiving part to the third light receiving part having a three-layer structure, although the colors are mixed, it is possible to obtain the R honor, G signal, and B signal by signal processing. The signal processing in this case will be described in detail below.
3層積層構造の第1受光部〜第3受光部において、上から第1受光部〜第3受光部とし、第1受光部の膜厚をx1とし、第2受光部の膜厚をx2とし、第3受光部の膜厚をx3とする。入射する可視光
をR,G,Bの合成と考え、それぞれの初期値を
、吸収係数を
としたときの深さxでの各光量を、
とすると、次の式(1)が成立する。
In the first to third light receiving portions having a three-layer structure, the first light receiving portion to the third light receiving portion are arranged from the top, the film thickness of the first light receiving portion is x1, and the film thickness of the second light receiving portion is x2. The film thickness of the third light receiving portion is x3. Incident visible light
Is the composition of R, G, B, and the initial value of each
, Absorption coefficient
Each light quantity at depth x when
Then, the following formula (1) is established.
今、各層の信号量をJとすると、次の式(2)が成立する。 Now, assuming that the signal amount of each layer is J, the following equation (2) is established.
したがって、第1層目の信号量は、次の式(3)で現される。 Therefore, the signal amount of the first layer is expressed by the following equation (3).
第2層の信号量は、次の式(4)で現される。 The signal amount of the second layer is expressed by the following equation (4).
第3層の信号量は、次の式(5)で現される。 The signal amount of the third layer is expressed by the following equation (5).
ここで、各層の信号としてJiが得られる。この情報から入射する可視光のIi(R,G,B)の信号量を求める。 Here, Ji is obtained as a signal of each layer. From this information, the signal amount of incident light Ii (R, G, B) is obtained.
上式では、各波長の吸収係数と各層の膜厚は既知であることから、Iiの係数は全て求められる。 In the above equation, since the absorption coefficient of each wavelength and the film thickness of each layer are known, all the coefficients of Ii are obtained.
ここで層番号をiとして、次の式(6)で置き換える。 Here, the layer number is i, and is replaced by the following formula (6).
上記式(3)〜式(5)は式(7)となる。 The above formulas (3) to (5) become formula (7).
行列Aを次の式(8)とする。 The matrix A is represented by the following formula (8).
このように、行列Aを次の式(8)とし、ベクトルをブラケット表記すると、次の式(9)となる。 Thus, when the matrix A is expressed by the following equation (8) and the vector is represented in brackets, the following equation (9) is obtained.
したがって、式(10)となる。 Therefore, Expression (10) is obtained.
ここで、多層化に対して一般化(N次元化)すると、各波長に合わせた層で信号を得る場合、層Noをi、波長をλとすると上記式(1)および式(2)は次の式(1’)および式(2’)になる。 Here, when generalization (N-dimensionalization) with respect to multilayering is performed, when a signal is obtained in a layer matched to each wavelength, when layer No is i and wavelength is λ, the above formulas (1) and (2) are The following equations (1 ′) and (2 ′) are obtained.
上記式(6)は各波長λが層iにて吸収される量としてCを次式で再定義すると、次の式(6’)になる。 The above formula (6) becomes the following formula (6 ′) when C is redefined as the amount of each wavelength λ absorbed in the layer i by the following formula.
このとき、行列Aの成分は、連続量である波長λを離散量として扱う(層iに対応するλを決める)。上記式(8)は次の式(8’)になる。 At this time, the component of the matrix A handles the continuous wavelength λ as a discrete amount (determines λ corresponding to the layer i). The above equation (8) becomes the following equation (8 ').
このとき、式(9)および式(10)はN次元の場合での一般性を失わない。したがって、式(10)によって、入射する可視光のλ成分
が求まる。これによって、第1受光部〜第3受光部からの画素毎の各撮像信号からRGB信号を信号処理により得ることができる。
At this time, Formula (9) and Formula (10) do not lose generality in the case of N dimensions. Therefore, according to Equation (10), the λ component of incident visible light
Is obtained. Thereby, RGB signals can be obtained by signal processing from the respective imaging signals for each pixel from the first light receiving unit to the third light receiving unit.
以上により、本実施形態1によれば、半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置されたP型注入領域4およびN型注入領域5であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部(3層のP型注入領域4a〜4cおよびN型注入領域5a〜5c)が、光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層(SiO2膜3a〜3d)をその各間に介在して積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された3層のP型注入領域4およびN型注入領域5と、P型注入領域4およびN型注入領域5上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極6〜11と、複数の電荷転送駆動用の透明電極6〜11上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過/遮光制御手段とを有している。
As described above, according to the first embodiment, the P-
これによって、次の(1)〜(8)の効果を得ることができる。 As a result, the following effects (1) to (8) can be obtained.
(1)多層のフォトダイオード部(第1受光部〜第3受光部)の構造から、カラーフィルタやその上のレンズを形成するオンチップ(OnChip)工程が不要である。1画素毎に多原色撮像が可能である。各色の容量を、透明電極6〜11に対する電圧印加制御や半導体層厚により変更できる。
(1) The on-chip (OnChip) process for forming a color filter and a lens thereon is unnecessary because of the structure of the multilayer photodiode section (first light receiving section to third light receiving section). Multi-primary color imaging is possible for each pixel. The capacity of each color can be changed by voltage application control to the
(2)従来の構成(図11,12)では、PD部、垂直転送部、画素分離領域が必要であったが、本実施形態1では、垂直転送部と画素分離領域が不必要となり、その結果、受光部上の開効率が向上して感度特性が向上する。 (2) In the conventional configuration (FIGS. 11 and 12), the PD unit, the vertical transfer unit, and the pixel separation region are necessary. However, in the first embodiment, the vertical transfer unit and the pixel separation region are not necessary. As a result, the opening efficiency on the light receiving portion is improved and the sensitivity characteristics are improved.
(3)液晶層14のスイッチイング特性により、光を透過または遮断でき、フォトダイオード部(第1受光部〜第3受光部)と垂直転送部が一体となっており、原理上スミアが発生しない。
(3) The switching characteristic of the
(4)透明電極6〜11を用いることにより、単層電極での電荷転送が可能になった。
(4) Use of the
(5)固体撮像素子1の画素部に必要な不純物イオン注入工程が縦方向一体となって単純なことから、白傷不良などの不良を低減でき、高歩留まりが期待できる。
(5) Since the impurity ion implantation process necessary for the pixel portion of the solid-
(6)垂直転送部への信号電荷の移動(読み出し)が不必要であり、その結果、透明電極6〜11の基準電圧が最低2つ(高電圧と低電圧)で済む。低電圧化によって低消費電力化を実現することができる。
(6) It is unnecessary to move (read out) the signal charge to the vertical transfer unit, and as a result, at least two reference voltages (high voltage and low voltage) are required for the
(7)透明電極6〜11への印加電圧パターンが可変なため、画素サイズを自由に変更できる。
(7) Since the applied voltage pattern to the
(8)レンズレスで撮像を行うことができる。 (8) Imaging can be performed without a lens.
したがって、入射光を透過または遮光制御する入射光透過/遮光制御手段を設けたため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、1画素部で一括して同時に検出した1画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。 Therefore, since the incident light transmission / shielding control means for transmitting or shielding the incident light is provided, the deterioration of the light receiving sensitivity characteristic and the smear characteristic due to the miniaturization of the pixel portion is suppressed, and there is no process for forming the light shielding film. A multi-layer photoelectric conversion unit that photoelectrically converts image light from a subject has a band gap different from that of the photoelectric conversion unit on the premise that manufacturing can be simplified and signal readout control can be eliminated. Since a transparent layer is interposed between each layer, a plurality of color signals are simultaneously detected in one pixel unit by a plurality of layers of light-receiving units instead of cholesteric liquid crystal, and are detected for each pixel unit. While obtaining from the signal charges of each layer, it is possible to realize clear full-color imaging for both still images and moving images.
(実施形態2)
本実施形態2では、上記実施形態1の場合よりも暗い場合でも1画素部の平面視面積を増やしかつ近赤外をも検出して、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現する場合について事例的に説明する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, even when it is darker than in the first embodiment, the planar view area of one pixel unit is increased and the near infrared is detected, so that clear full-color imaging is possible for both still images and moving images. A case will be described as an example.
図7は、本発明の実施形態2における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。図8は、図7の固体撮像素子のA−B線縦断面図である。なお、図7および図8では、図1および図2の構成部材と同一の作用効果を奏する構成部材には同一の番号を付してその説明を省略する。
FIG. 7 is a plan view showing a configuration example of a main part of a solid-state imaging device according to
図7および図8において、本実施形態2の固体撮像装置1Aにおいて、上記実施形態1の固体撮像装置1の場合と異なるのは、図1の1列のN型注入領域5が、図7の固体撮像素子1Aでは、2列のN型注入領域5,5になって上面から見て、左右の幅を広く取っていることと、第4受光部を更に設けて4層積層構造にした点が異なっている。この場合、2列のN型注入領域5,5の間は薄いN型拡散層になっている。P型注入領域4と2列のN型注入領域5,5とが半導体層に交互に一方向に隣接配置されている。両側のP型注入領域4がその間の2つ分のN型領域5,5を分離することができる。前述したように撮像対象が更に暗い場合に、2列のN型注入領域5,5と例えば3行の透明電極下のN型注入領域5,5とを平面視で1画素部として組み合わせて画素サイズを大きく取ることができる。要するに、N型領域を大きく(上面から見て、左右の幅を広く取る)することと、透明電極を2行から3行(または4行またはそれ以上)など増やして電圧を印加すれば、平面視画素サイズがより大きく取ることができる。
7 and 8, the solid-
即ち、半導体基板2(または半導体層)上に透明絶縁層であるSiO2膜3eを介して、第4受光部を構成する縦方向のP型注入領域4dと2列のN型注入領域5dとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのP型注入領域4dおよび2列のN型注入領域5d上に透明絶縁層であるSiO2膜3dを介して、第3受光部を構成する縦方向のP型注入領域4cと2列のN型注入領域5cとが交互に横方向に配置されている。これらのP型注入領域4c,4dおよび2列のN型注入領域5c,5dはそれぞれ間にSiO2膜3dを介して上下に配置されている。これらのP型注入領域4cおよびN型注入領域5c上に透明絶縁層であるSiO2膜3cを介して、第2受光部を構成する縦方向のP型注入領域4bと2列のN型注入領域5bとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのP型注入領域4b,4cおよび2列のN型注入領域5b,5cはそれぞれ間にSiO2膜3cを介して上下に配置されている。これらのP型注入領域4bおよびN型注入領域5b上に透明絶縁層であるSiO2膜3bを介して、第1受光部を構成する縦方向のP型注入領域4aと2列のN型注入領域5aとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのP型注入領域4a、4bおよび2列のN型注入領域5a、5bはそれぞれ間にSiO2膜3bを介して上下に配置されている。これらのP型注入領域4a〜4dと2列のN型注入領域5a〜5dはそれぞれ、平面視で縦方向に一致するように配置されている。
That is, the vertical P-
P型注入領域4およびN型注入領域5で構成される第1受光部〜第4受光部がそれぞれ透明絶縁層であるSiO2膜をそれぞれ介して4層の多層積層構造になっている。この4層の多層積層構造は、撮像素子のカラーフィルタレスを実現するため、各受光部(フォトダイオード部)を構成する4層のSi層(P型注入領域およびN型注入領域)をそれぞれSiO2膜3a〜3eの各透明膜で上下に挟み込んだ構造である。SiO2膜3a〜3eのバンドギャップがSi層よりも大きいため4層の各Si層に光電変換された信号電荷を閉じ込めることができる。このように、バンドギャップの異なる透明層(ここではSiO2膜とSi層)を組み合わせ4層の第1受光部〜第4受光部(光電変換部)からなっている。つまり、一導電型注入領域および他導電型注入領域は、P型注入領域およびN型注入領域で構成される複数層(ここでは4層)の光電変換部がそれぞれ、各間に光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層(SiO2膜)を介在させた多層積層構造になっている。
The first light receiving portion to the fourth light receiving portion configured by the P-
SiO2膜3a〜3eおよび4層のSi層は可視光が透過しかつ、4層のSi層はその深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、4層のSi層は各色の受光部(ダイオード部)とすることができる。例えば第1受光部を構成する縦方向のP型注入領域4aと2列のN型注入領域5aは、最上層であり光の波長が最も短い青色光(B)を主に吸収して光電変換し、第2受光部を構成する縦方向のP型注入領域4bと2列のN型注入領域5bは、中間層であり光の波長が中間の緑色光(G)を主に吸収して光電変換し、第3受光部を構成する縦方向のP型注入領域4cと2列のN型注入領域5cは、最下層であり光の波長が長い赤色光(R)を主に吸収して光電変換し、第4受光部を構成する一方向のP型注入領域4dと2列のN型注入領域5dにおける光電変換部は、光の波長が最も長い近赤外光を吸収して光電変換するようになっている。このように、光電変換部である第1受光部〜第4受光部の多層化による多原色(ここでは三原色のRGBおよび近赤外)のフルカラー撮像を各画素毎に一括して同時に行うことができる。
The SiO 2 films 3a to 3e and the four Si layers transmit visible light, and the four Si layers have different absorption coefficients depending on the wavelength of light according to their depths. It can be set as a light receiving part (diode part). For example, the vertical P-
図8の偏光板12、透明電極13、液晶層14、透明電極15および偏光板16から入射光透過/遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが構成されており、この液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する第1受光部〜第4受光部の4層積層構造を持つ固体撮像素子1Aが構成されている。この液晶セルは、そのスイッチイング特性により、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮蔽するように機能する。
The
ここで、本実施形態2の固体撮像素子1Aの電荷転送方法の一例について図9(a)〜図9(c)を用いて詳細に説明する。
Here, an example of the charge transfer method of the solid-
図9(a)〜図9(c)は、図7の固体撮像素子1Aにおいて2列3行に受光領域を拡張した場合のCCD転送事例を示す平面図である。ここで、透明電極6〜11に印加する低電圧を「0V」、高電圧を「5V」する。
FIG. 9A to FIG. 9C are plan views showing CCD transfer examples in the case where the light receiving area is expanded to 2 columns and 3 rows in the solid-
図9(a)の「Time1」に示すように、P型注入領域4と2列のN型注入領域5が縦方向に設けられており、最も上の行R1の電荷転送用の横方向の透明電極6(R1)に駆動電圧「0V」が印加された場合に、最も上の行R1のP型注入領域4のポテンシャル電位が「0V」で、2列のN型注入領域5のポテンシャル電位が「5V」になって深くなている。このとき、上から2〜4行目(R2〜R4)の電荷転送用の透明電極7〜9に駆動電圧「5V」が印加されるので、上から2〜4行目(R2〜R4)のP型注入領域4のポテンシャル電位が「5V」で、2列のN型注入領域5のポテンシャル電位が「10V」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「10V」の透明電極7〜9下の2列のN型注入領域5に信号電荷が蓄積されて保持される。
As shown in “
次に、図9(b)の「Time2」に示すように、最も上の行R1と2行目の行R2の電荷転送用の透明電極6、7に駆動電圧「0V」が印加され、最も上の行R1と2行目の行R2のP型注入領域4のポテンシャル電位が「0V」で、2列のN型注入領域5のポテンシャル電位が「5V」になる。このとき、上から3、4行目の行R3、4の電荷転送用の透明電極8、9に駆動電圧「5V」が印加され、上から3、4行目の行R3、4のP型注入領域4のポテンシャル電位が「5V」で、2列のN型注入領域5のポテンシャル電位が「10V」になっている。さらに、上から5、6行目の行R5およびR6の電荷転送用の透明電極10,11に駆動電圧「0V」が印加されて、上から5、6行目の行R5およびR6のP型注入領域4のポテンシャル電位が「0V」で、2列のN型注入領域5のポテンシャル電位が「5V」になっている。
Next, as shown in “
その後、図9(c)の「Time3」に示すように、最も上の行R1の電荷転送用の透明電極6に駆動電圧「5V」が印加され、最も上の行R1のP型注入領域4のポテンシャル電位が「5V」で、2列のN型注入領域5のポテンシャル電位が「10V」になる。このとき、上から2行目(R2)の電荷転送用の透明電極7に駆動電圧「0V」が印加され、上から2行目の行R2のP型注入領域4のポテンシャル電位が「0V」で、2列のN型注入領域5のポテンシャル電位が「5V」になっている。さらに、上から3〜5行目の行R3〜R5の電荷転送用の透明電極8〜10に駆動電圧「5V」が印加されて、上から3〜5行目の行R3〜R5のP型注入領域4のポテンシャル電位が「5V」で、2列のN型注入領域5のポテンシャル電位が「10V」になって深くなている。よって、透明電極8〜10下の2列のN型注入領域5に保持された信号電荷が、透明電極8〜10下の2列のN型注入領域5に保持されて垂直方向に一一コマ電荷転送されることになる。この電荷転送が、撮像領域全面で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が水平方向に電荷転送されることになる。
Thereafter, as shown in “Time 3” of FIG. 9C, the drive voltage “5 V” is applied to the
電荷転送用の単層の透明電極6〜11およびその下の4層のP型注入領域4a〜4dとN型注入領域5a〜5dが繰り返し配設されて、各画素毎の信号電荷が複数列を垂直方向に電荷転送され、その後、水平方向に、電荷転送用の単層の透明電極6〜11およびその下の4層のP型注入領域4a〜4dとN型注入領域5a〜5dが繰り返し配設されて水平方向に電荷転送される。その後、4層に対応した各電荷検出部により電荷検出されて4層分の信号電荷がそれぞれ増幅されて各撮像信号として出力される。前述したが、4層分の各撮像信号は所定の信号処理部により信号処理されて各画素毎のRGB信号および近赤外信号を得ることができる。
Single-layer
以上により、本実施形態2によれば、上記実施形態1の場合と同様の効果を得ることができる。 As described above, according to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
特に、本実施形態2によれば、上記実施形態1の場合よりも暗い場合でも1画素部の平面視面積を増やしかつ近赤外をも検出して、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。 In particular, according to the second embodiment, even when the image is darker than in the first embodiment, the planar view area of one pixel unit is increased and the near infrared is detected, and either a still image or a moving image is detected. Clear full-color imaging can be realized.
(実施形態3)
本実施形態3では、電荷転送用の透明電極が照射面側とは反対側に存在する裏面照射の場合について説明する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a case of backside illumination in which a transparent electrode for charge transfer exists on the side opposite to the irradiated surface side will be described.
図15は、本発明の実施形態3における固体撮像素子の要部構成例を示す断面図である。なお、図15では、図2の構成部材と同一の作用効果を奏する構成部材には同一の番号を付してその説明を省略する。 FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a main part of a solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 15, the same reference numerals are given to the constituent members having the same effects as the constituent members in FIG. 2, and the description thereof is omitted.
図15に示すように、裏面照射の固体撮像素子1Bは、半導体層(または半導体基板)に交互に一方向に隣接配置されたP型注入領域4およびN型注入領域5であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層(ここでは3層)の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層(SiO2膜3a〜3e)をその各間に介在させて積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された3層のP型注入領域4a〜4cおよびN型注入領域5a〜5cと、P型注入領域4cおよびN型注入領域5c上に透明層(SiO2膜3e)を介して設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極6〜11と、P型注入領域4aおよびN型注入領域5a上に透明層(SiO2膜3a)を介して入射光を透過または遮光制御する入射光透過/遮光制御手段としての液晶セルとを有している。
As shown in FIG. 15, the back-illuminated solid-
液晶セルは、横方向の偏光を通す偏光板12、液晶制御用の下側の透明電極13、ツイストネマテック(TN)またはスーパーツイストネマテック(STN)の液晶材料などからなる液晶層14、液晶制御用の上側の透明電極15、縦方向の偏光を通す偏光板16をこの順に積層する。なお、液晶材料としては、偏光板12、16を用いずに、ツイストネマテック(TN)やスーパーツイストネマテック(STN)以外のシャッタ機能に用いる液晶材料であって、動作速度の速い液晶材料を選定して用いることもできる。このように、入射光を受光する第1受光部〜第3受光部からなるSi層の3層積層構造の上部に液晶セルによるシャッタ機構を導入しかつ、電荷転送用の透明電極6〜11が照射面側とは反対側に存在する裏面照射により、第1受光部〜第3受光部の開口サイズを、従来の遮光膜の開口サイズに比べて格段に向上させ、受光感度特性の改善とスミア特性の改善を図ることが可能となる。この場合、透明電極6〜11は、入射光を遮断してもよく透明電極でなくてもよい。
The liquid crystal cell includes a
本実施形態3の固体撮像素子1Bによれば、電荷転送用の透明電極6〜11が照射面側とは反対側に存在するため、P型注入領域4aおよびN型注入領域5aに光入射させるのに、液晶セルを通過した入射光は上記実施形態1,2のように透明電極6〜11を通過する必要ななく、その分、入射光の利用効率がよくなる。
According to the solid-
なお、本実施形態3では特に説明しなかったが、間にSiO2膜が介在した3層のP型注入領域4a〜4cおよびN型注入領域5a〜5cの製造方法や、透明電極6〜11による電荷転送方法について上記実施形態1,2と同様である。要するに、電荷転送用の透明電極6〜11が、P型注入領域4およびN型注入領域5の照射面側とは反対側に位置している以外は上記実施形態1,2と同様である。
Although not specifically described in the third embodiment, a method of manufacturing three layers of P-
(実施形態4)
図10は、本発明の実施形態4として、本発明の実施形態1〜3の固体撮像素子1または1Aからの撮像信号を信号処理する固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
(Embodiment 4)
FIG. 10 shows a schematic configuration of an electronic information device using, as an imaging unit, a solid-state imaging device that performs signal processing on an imaging signal from the solid-
図10において、本実施形態4の電子情報機器90は、上記実施形態1〜3の固体撮像素子1、1Aおよび1Bのいずれかからの撮像信号に対して所定の信号処理を行ってカラー画像信号を得る固体撮像装置91と、この固体撮像装置91からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部92と、この固体撮像装置91からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示部93と、この固体撮像装置91からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信部94と、この固体撮像装置91からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力部95とを有している。なお、この電子情報機器90として、これに限らず、固体撮像装置91の他に、メモリ部92と、表示部93と、通信部94と、プリンタなどの画像出力部95とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
In FIG. 10, the
この電子情報機器90としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置(PDA)などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
As described above, the
したがって、本実施形態4によれば、この固体撮像装置91からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力部95により良好にプリントアウト(印刷)したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部92に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
Therefore, according to the fourth embodiment, on the basis of the color image signal from the solid-
なお、本実施形態1〜3では、光電変換部を構成する半導体層(または半導体基板)がシリコン層(またはシリコン基板)であり、透明層が二酸化シリコン層である場合について説明したが、これに限らず、光電変換部を構成する半導体層(または半導体基板)がゲルマニュウム層(またはゲルマニュウム基板)であり、透明層が二酸化シリコン層であってもよい。要するに、半導体層(または半導体基板)が可視光または近赤外まで受光できるバンドギャップをもつ半導体(例えばシリコンまたはゲルマニュウムなど)であり、透明層が可視光を透過するバンドギャップをもつ二酸化シリコン層などである。 In the first to third embodiments, the case where the semiconductor layer (or semiconductor substrate) constituting the photoelectric conversion unit is a silicon layer (or silicon substrate) and the transparent layer is a silicon dioxide layer has been described. The semiconductor layer (or semiconductor substrate) constituting the photoelectric conversion unit is not limited to a germanium layer (or germanium substrate), and the transparent layer may be a silicon dioxide layer. In short, a semiconductor layer (or a semiconductor substrate) is a semiconductor (for example, silicon or germanium) having a band gap that can receive visible light or near infrared, and a transparent layer has a band gap that transmits visible light. It is.
なお、本実施形態1〜3では、特に詳細には説明しなかったが、高電圧の電荷転送駆動用の透明電極6〜11の印加位置を一または複数に印加することにより、画素部毎の信号電荷を各光電変換部で保持する平面視画素露光サイズが制御可能とされており、画素露光サイズは、他方向の一導電型注入領域または他導電型注入領域のn(nは自然数)列と、一方向の電荷転送駆動用の透明電極のm(mは自然数)行の隣接半導体領域を1画素部として組み合わせている。高電圧は複数の高電圧を有して、半導体層または半導体基板のポテンシャ電位が電荷転送方向に順次深くなるように半導体層または半導体基板に高電圧を付与するようにしてもよい。この場合の半導体層または半導体基板は、導電型がN型半導体、P型半導体および真性半導体の少なくともいずれかである。
Although not described in detail in
以上のように、本発明の好ましい実施形態1〜4を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態1〜4に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態1〜4の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
As mentioned above, although this invention has been illustrated using preferable Embodiment 1-4 of this invention, this invention should not be limited and limited to this Embodiment 1-4. It is understood that the scope of the present invention should be construed only by the claims. It is understood that those skilled in the art can implement an equivalent range from the description of specific
本発明は、液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された特に高画素、高感度、高スミア特性向けの固体撮像素子、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、DSC、監視カメラ、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、入射光を透過または遮光制御する入射光透過/遮光制御手段を設けたため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、1画素部で一括して同時に検出した1画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。 The present invention, in combination with a liquid crystal cell, is a solid-state image sensor for a particularly high pixel, high sensitivity, high smear characteristic composed of a semiconductor element that photoelectrically converts image light from a subject and images the solid-state image sensor. Digital cameras such as digital video cameras and digital still cameras used as image input devices as image input devices, image input cameras, scanner devices, facsimile devices, DSCs, surveillance cameras, television telephone devices, mobile phone devices with cameras, etc. In the field of electronic information equipment, since incident light transmission / shielding control means for transmitting or shielding incident light is provided, it is possible to suppress deterioration of light receiving sensitivity characteristics and smear characteristics due to miniaturization of the pixel portion, and to prevent light shielding film Manufacturing process can be simplified, and signal readout control can be eliminated. As a premise, multiple layers of photoelectric conversion units that photoelectrically convert image light from the subject are stacked with a transparent layer having a band gap different from that of the photoelectric conversion unit. Instead, a plurality of color signals are obtained from the signal charges of each layer for each pixel unit detected simultaneously by a single pixel unit by a multi-layered light receiving unit, and can be either a still image or a moving image. Clear full-color imaging can be realized.
1、1A、1B 固体撮像素子
2 半導体基板(または半導体層)
3a〜3e SiO2膜(透明層)
4、4a〜4d P型注入領域
5、5a〜5d N型注入領域
6〜11 透明電極
12 偏光板
13 透明電極
14 液晶層
15 透明電極
16 偏光板
21 半導体基板(または半導体層)
22 SiO2膜
23a,23 Si層
90 電子情報機器
91 固体撮像装置
92 メモリ部
93 表示部
94 通信部
95 画像出力部
1, 1A, 1B Solid-
3a-3e SiO 2 film (transparent layer)
4, 4a to 4d P-
22 SiO 2 film 23a, 23
Claims (16)
該光電変換領域は、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、該光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在させて積層された積層構造を有し、
該複数層の光電変換部の各々は、
交互に一方向に隣接配置され、該一方向に直交する他方向にそれぞれ該積層構造の各層に沿って延びる一導電型注入領域および他導電型注入領域を有し、
該固体撮像素子は、
該光電変換領域の、該画像光が入射する照射面とは反対側の表面に該一方向に延びるように設けられた複数の電荷転送駆動用の電極と、
該光電変換領域の該照射面上に設けられ、該画像光を透過または遮光制御する入射光透過/遮光制御手段とを有している固体撮像素子。 A solid-state imaging device including a photoelectric conversion region formed on a semiconductor layer or a semiconductor substrate ,
Photoelectric conversion region, chromatic photoelectric conversion unit of the plurality of layers for photoelectrically converting an image light from an object, a stacked structure stacked by interposing a transparent layer having different band gaps between the respective the photoelectric conversion portion And
Each of the photoelectric conversion portions of the plurality of layers is
Alternately in one direction are arranged adjacent to, has one conductivity type implanted regions and other conductive type implanted region extending along each of the respective laminated structure in another direction perpendicular to said one direction,
The solid-state image sensor is
The photoelectric conversion region, and the electrode of the charge transfer driving of several provided to extend in the one direction on the surface opposite to the irradiated surface of the image light is incident,
A solid-state imaging device having incident light transmission / shielding control means that is provided on the irradiation surface of the photoelectric conversion region and controls transmission or shielding of the image light.
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