JP6307771B2 - Imaging device - Google Patents

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Description

本願は、撮像装置に関する。本願は、特に、半導体基板に積層された光電変換膜を含む光電変換部を有する撮像装置に関する。   The present application relates to an imaging apparatus. The present application particularly relates to an imaging apparatus having a photoelectric conversion unit including a photoelectric conversion film stacked on a semiconductor substrate.

MOS(Metal Oxide Semiconductor)型の撮像装置として積層型の撮像装置が提案されている。積層型の撮像装置では、半導体基板の最表面に光電変換膜が積層され、光電変換膜内において光電変換によって発生した電荷を電荷蓄積領域(「フローティングディフュージョン」と呼ばれる)に蓄積する。撮像装置は、半導体基板内でCCD(Charge Coupled Device)回路またはCMOS(Complementary MOS)回路を用いて、その蓄積された電荷を読み出す。例えば特許文献1は、そのような撮像装置を開示している。   As a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type imaging device, a stacked type imaging device has been proposed. In a stacked imaging device, a photoelectric conversion film is stacked on the outermost surface of a semiconductor substrate, and charges generated by photoelectric conversion in the photoelectric conversion film are stored in a charge storage region (referred to as “floating diffusion”). The imaging device reads out the accumulated electric charge using a CCD (Charge Coupled Device) circuit or a CMOS (Complementary MOS) circuit in a semiconductor substrate. For example, Patent Document 1 discloses such an imaging apparatus.

特開2009−164604号公報JP 2009-164604 A 特開2011−228621号公報JP 2011-228621 A

撮像装置の分野においては、ノイズ低減の要求がある。特に、リセット時に発生するkTCノイズ(「リセットノイズ」とも呼ばれる)を低減したいという要求がある。   There is a demand for noise reduction in the field of imaging devices. In particular, there is a demand for reducing kTC noise (also referred to as “reset noise”) generated at reset.

本願の限定的ではないある例示的な実施形態によれば、以下が提供される。   According to certain non-limiting exemplary embodiments of the present application, the following is provided.

入射光を光電変換する光電変換部、光電変換部の信号を検出する信号検出回路、および、第1容量と第1容量よりも容量値が大きい第2容量とが直列に接続された容量回路を含む単位画素セルと、フィードバック回路とを備え、光電変換部は、光電変換膜と、光電変換膜の受光面側に形成された第1電極と、光電変換膜の第1電極と反対側の面に形成された第2電極とを有し、信号検出回路は、第2電極の電位に応じた信号電圧を増幅して出力する第1のトランジスタと、第2電極にソースおよびドレインの一方が接続された第2のトランジスタとを含み、フィードバック回路は、光電変換部の信号を第2のトランジスタのソースおよびドレインの他方に負帰還させ、容量回路は、第2電極と基準電位との間に設けられている、撮像装置。   A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light, a signal detection circuit that detects a signal of the photoelectric conversion unit, and a capacitor circuit in which a first capacitor and a second capacitor having a capacitance value larger than the first capacitor are connected in series A photoelectric conversion unit, a photoelectric conversion film, a first electrode formed on a light receiving surface side of the photoelectric conversion film, and a surface opposite to the first electrode of the photoelectric conversion film. The signal detection circuit amplifies and outputs a signal voltage corresponding to the potential of the second electrode, and one of a source and a drain is connected to the second electrode. The feedback circuit negatively feeds back the signal of the photoelectric conversion unit to the other of the source and the drain of the second transistor, and the capacitor circuit is provided between the second electrode and the reference potential. An imaging device.

なお、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、システム、集積回路または方法で実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、システム、集積回路および方法の任意な組み合わせで実現されてもよい。   Note that comprehensive or specific aspects may be realized by an element, a device, a system, an integrated circuit, or a method. In addition, comprehensive or specific aspects may be realized by any combination of elements, devices, systems, integrated circuits, and methods.

開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および/または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの1つ以上を得るために全てを必要とはしない。   Additional effects and advantages of the disclosed embodiments will become apparent from the specification and drawings. The effects and / or advantages are individually provided by the various embodiments or features disclosed in the specification and drawings, and not all are required to obtain one or more of these.

本開示の一態様によれば、kTCノイズなどのノイズをより低減し得る撮像装置が提供される。   According to one aspect of the present disclosure, an imaging apparatus that can further reduce noise such as kTC noise is provided.

図1は、第1の実施形態に係る撮像装置の、例示的な回路構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an exemplary circuit configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment. 図2は、図1に示す単位画素セル11の、例示的な回路構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an exemplary circuit configuration of the unit pixel cell 11 illustrated in FIG. 1. 図3は、第1の実施形態に係る撮像装置の、第1のモードにおけるトランジスタの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。FIG. 3 is a timing chart for explaining an example of the operation of the transistor in the first mode of the imaging apparatus according to the first embodiment. 図4は、第1の実施形態に係る撮像装置の、第2のモードにおけるトランジスタの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。FIG. 4 is a timing chart for explaining an example of the operation of the transistor in the second mode of the imaging apparatus according to the first embodiment. 図5は、単位画素セル11における各素子のレイアウトの一例を模式的に示す平面図である。FIG. 5 is a plan view schematically showing an example of the layout of each element in the unit pixel cell 11. 図6は、図5に示すA−A’線断面を模式的に示す断面図である。6 is a cross-sectional view schematically showing a cross section taken along line A-A ′ shown in FIG. 5. 図7は、単位画素セル11における各素子のレイアウトの他の一例を模式的に示す平面図である。FIG. 7 is a plan view schematically showing another example of the layout of each element in the unit pixel cell 11. 図8は、図7に示すB−B’線断面を模式的に示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a cross section taken along line B-B ′ shown in FIG. 7. 図9は、撮像装置101の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining an exemplary manufacturing method of the imaging device 101. 図10は、撮像装置101の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining an exemplary manufacturing method of the imaging device 101. 図11は、撮像装置101の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view for explaining an exemplary manufacturing method of the imaging apparatus 101. 図12は、撮像装置101の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining an exemplary manufacturing method of the imaging apparatus 101. 図13は、第1の実施形態に係る撮像装置における単位画素セルの、他の例示的な回路構成を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram illustrating another exemplary circuit configuration of the unit pixel cell in the imaging apparatus according to the first embodiment. 図14は、第2の実施形態に係る撮像装置における単位画素セルの、例示的な回路構成を示す模式図である。FIG. 14 is a schematic diagram illustrating an exemplary circuit configuration of a unit pixel cell in the imaging apparatus according to the second embodiment. 図15は、第3の実施形態に係る撮像装置における単位画素セルの、例示的な回路構成を示す模式図である。FIG. 15 is a schematic diagram illustrating an exemplary circuit configuration of a unit pixel cell in the imaging apparatus according to the third embodiment. 図16は、第3の実施形態に係る撮像装置の、第1のモードにおけるトランジスタの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。FIG. 16 is a timing chart for explaining an example of the operation of the transistor in the first mode of the imaging apparatus according to the third embodiment. 図17は、第3の実施形態に係る撮像装置の、第2のモードにおけるトランジスタの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。FIG. 17 is a timing chart for explaining an example of the operation of the transistor in the second mode of the imaging apparatus according to the third embodiment. 図18は、第3の実施形態の変形例に係る撮像装置における単位画素セル14aの、例示的な回路構成を示す模式図である。FIG. 18 is a schematic diagram illustrating an exemplary circuit configuration of a unit pixel cell 14a in an imaging apparatus according to a modification of the third embodiment. 図19は、第3の実施形態に係る撮像装置の他の変形例における単位画素セル14bの、例示的な回路構成を示す模式図である。FIG. 19 is a schematic diagram illustrating an exemplary circuit configuration of a unit pixel cell 14b in another modification of the imaging apparatus according to the third embodiment. 図20は、第4の実施形態に係る撮像装置における、単位画素セルのデバイス構造の一例を示す模式的な断面図である。FIG. 20 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a device structure of a unit pixel cell in the imaging apparatus according to the fourth embodiment. 図21は、図20に示す単位画素セル60Aにおける、上部電極62u、誘電体層62dおよび下部電極62bの配置の一例を示す模式的な平面図である。FIG. 21 is a schematic plan view showing an example of the arrangement of the upper electrode 62u, the dielectric layer 62d, and the lower electrode 62b in the unit pixel cell 60A shown in FIG. 図22は、第4の実施形態に係る撮像装置における、単位画素セルのデバイス構造の他の一例を示す模式的な断面図である。FIG. 22 is a schematic cross-sectional view showing another example of the device structure of the unit pixel cell in the imaging apparatus according to the fourth embodiment. 図23は、図22に示す単位画素セル60Bにおける、上部電極62u、誘電体層62dおよび下部電極62bの配置の一例を示す模式的な平面図である。FIG. 23 is a schematic plan view showing an example of the arrangement of the upper electrode 62u, the dielectric layer 62d, and the lower electrode 62b in the unit pixel cell 60B shown in FIG. 図24は、第4の実施形態に係る撮像装置における、単位画素セルのデバイス構造のさらに他の一例を示す模式的な断面図である。FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing still another example of the device structure of the unit pixel cell in the imaging apparatus according to the fourth embodiment. 図25は、図24に示す単位画素セル60Cにおける、上部電極62u、誘電体層62dおよび下部電極62bの配置の一例を示す模式的な平面図である。FIG. 25 is a schematic plan view showing an example of the arrangement of the upper electrode 62u, the dielectric layer 62d, and the lower electrode 62b in the unit pixel cell 60C shown in FIG. 図26は、第5の実施形態に係るカメラシステムの構成例を示す模式図である。FIG. 26 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a camera system according to the fifth embodiment.

本開示の実施形態を詳細に説明する前に、本発明者の知見を説明する。   The knowledge of the present inventor will be described before the embodiments of the present disclosure are described in detail.

電荷蓄積領域に蓄積された電荷の読み出し回路として、画素内に3つのトランジスタを配置した構成が知られている。例えば特許文献2の図4には、出力トランジスタ、行選択トランジスタ、および、フローティングディフュージョンをリセットするリセットトランジスタを有する信号読み出し回路が記載されている。また、光電変換により生成した電荷をフローティングディフュージョンに転送する、転送トランジスタを画素内にさらに設けた読み出し回路も知られている。例えば特許文献2の図7における信号読み出し回路は、リセットトランジスタ、出力トランジスタ、行選択トランジスタおよび電荷転送のためのトランジスタの4つのトランジスタを有している。これらの4つのトランジスタのうち、第4のトランジスタは、画素電極とフローティングディフュージョンとの間に接続されている。この第4のトランジスタは、光電変換により生成して画素電極に収集された電荷をフローティングディフュージョンに転送する転送トランジスタである。以下では、画素内に転送トランジスタを有する読み出し回路を「4Tr読み出し回路」と呼ぶことがある。また、画素内に転送トランジスタを有しない読み出し回路を「3Tr読み出し回路」と呼ぶことがある。参考のために、特開2011−228621号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。   As a circuit for reading out the charge accumulated in the charge accumulation region, a configuration in which three transistors are arranged in a pixel is known. For example, FIG. 4 of Patent Document 2 describes a signal readout circuit having an output transistor, a row selection transistor, and a reset transistor for resetting a floating diffusion. There is also known a readout circuit in which a charge transistor generated by photoelectric conversion is transferred to a floating diffusion and a transfer transistor is further provided in the pixel. For example, the signal readout circuit in FIG. 7 of Patent Document 2 has four transistors: a reset transistor, an output transistor, a row selection transistor, and a transistor for charge transfer. Of these four transistors, the fourth transistor is connected between the pixel electrode and the floating diffusion. The fourth transistor is a transfer transistor that transfers charges generated by photoelectric conversion and collected in the pixel electrode to the floating diffusion. Hereinafter, a readout circuit having a transfer transistor in a pixel may be referred to as a “4Tr readout circuit”. A readout circuit that does not have a transfer transistor in a pixel may be referred to as a “3Tr readout circuit”. For reference, the entire disclosure of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-228621 is incorporated herein by reference.

半導体基板にフォトダイオードが形成された、いわゆるCCDイメージセンサまたはCMOSイメージセンサにおいては、4Tr読み出し回路に相関二重サンプリング(correlated double sampling(CDS))を適用することにより、リセットkTCノイズの影響を除去し得ることが知られている。しかしながら、本発明者の検討によると、積層型の撮像装置では、上記の手法によってリセットkTCノイズの影響を除去することは困難である。   In a so-called CCD image sensor or CMOS image sensor in which a photodiode is formed on a semiconductor substrate, the influence of reset kTC noise is eliminated by applying correlated double sampling (CDS) to the 4Tr readout circuit. It is known that it can. However, according to the study of the present inventor, it is difficult to remove the influence of the reset kTC noise by the above-described method in the multilayer imaging device.

積層型の撮像装置は、典型的には、光電変換部と半導体基板との間の電気的な接続のために、光電変換部と半導体基板との間に金属配線または金属層が介在する。そのため、画素電極によって収集された電荷を、フローティングディフュージョンに完全に転送することが困難である。したがって、積層型の撮像装置においては、画素内に転送トランジスタを設けて相関二重サンプリングを適用する手法を単純に適用することは有効とはいえない。積層型の撮像装置においてkTCノイズを低減することが望まれている。   In the stacked imaging device, typically, a metal wiring or a metal layer is interposed between the photoelectric conversion unit and the semiconductor substrate for electrical connection between the photoelectric conversion unit and the semiconductor substrate. For this reason, it is difficult to completely transfer the charges collected by the pixel electrode to the floating diffusion. Therefore, it is not effective to simply apply a technique of applying correlated double sampling by providing a transfer transistor in a pixel in a stacked imaging device. It is desired to reduce kTC noise in a multilayer imaging device.

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。   Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that each of the embodiments described below shows a comprehensive or specific example. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement and connection forms of components, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present disclosure. The various aspects described herein can be combined with each other as long as no contradiction arises. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept are described as optional constituent elements. In the following description, components having substantially the same function are denoted by common reference numerals, and description thereof may be omitted.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る撮像装置の、例示的な回路構成を模式的に示す。図1に示す撮像装置101は、複数の単位画素セル11と周辺回路とを備える。複数の単位画素セル11は、半導体基板上に2次元に配列されることにより、感光領域(画素領域)を形成している。半導体基板は、その全体が半導体である基板に限定されない。半導体基板は、感光領域が形成される側の表面に半導体層が設けられた絶縁性基板などであってもよい。
(First embodiment)
FIG. 1 schematically illustrates an exemplary circuit configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment. An imaging apparatus 101 illustrated in FIG. 1 includes a plurality of unit pixel cells 11 and peripheral circuits. The plurality of unit pixel cells 11 are two-dimensionally arranged on the semiconductor substrate to form a photosensitive region (pixel region). The semiconductor substrate is not limited to a substrate that is entirely a semiconductor. The semiconductor substrate may be an insulating substrate in which a semiconductor layer is provided on the surface on the side where the photosensitive region is formed.

図示する例では、複数の単位画素セル11は、行方向および列方向に配列されている。本明細書において、行方向および列方向とは、行および列がそれぞれ延びる方向をいう。つまり、図面中、紙面における垂直方向が列方向であり、水平方向が行方向である。複数の単位画素セル11は、1次元に配列されていてもよい。言い換えれば、撮像装置101は、ラインセンサであり得る。   In the illustrated example, the plurality of unit pixel cells 11 are arranged in the row direction and the column direction. In this specification, the row direction and the column direction refer to directions in which rows and columns extend, respectively. That is, in the drawing, the vertical direction on the paper is the column direction, and the horizontal direction is the row direction. The plurality of unit pixel cells 11 may be arranged in one dimension. In other words, the imaging device 101 can be a line sensor.

単位画素セル11の各々は、電源配線22に接続されている。各単位画素セル11には、電源配線22を介して所定の電源電圧が供給される。後に詳しく説明するように、単位画素セル11の各々は、半導体基板に積層された光電変換膜を有する光電変換部を含んでいる。また、図示するように、撮像装置101は、すべての光電変換部に同一の一定電圧を印加するための蓄積制御線17を有する。   Each unit pixel cell 11 is connected to a power supply wiring 22. A predetermined power supply voltage is supplied to each unit pixel cell 11 via the power supply wiring 22. As will be described in detail later, each of the unit pixel cells 11 includes a photoelectric conversion unit having a photoelectric conversion film stacked on a semiconductor substrate. As illustrated, the imaging apparatus 101 includes an accumulation control line 17 for applying the same constant voltage to all the photoelectric conversion units.

撮像装置101の周辺回路は、垂直走査回路(「行走査回路」とも呼ばれる)16と、負荷回路19と、カラム信号処理回路(「行信号蓄積回路」とも呼ばれる)20と、水平信号読み出し回路(「列走査回路」とも呼ばれる)21と、反転増幅器24とを含む。図示する構成において、カラム信号処理回路20、負荷回路19および反転増幅器24は、2次元に配列された単位画素セル11の列毎に配置されている。つまり、この例では、周辺回路は、複数のカラム信号処理回路20と、複数の負荷回路19と、複数の反転増幅器24とを含む。   Peripheral circuits of the imaging device 101 are a vertical scanning circuit (also referred to as a “row scanning circuit”) 16, a load circuit 19, a column signal processing circuit (also referred to as a “row signal storage circuit”) 20, and a horizontal signal readout circuit ( 21) (also referred to as “column scanning circuit”) and an inverting amplifier 24. In the configuration shown in the drawing, the column signal processing circuit 20, the load circuit 19, and the inverting amplifier 24 are arranged for each column of the unit pixel cells 11 arranged in two dimensions. That is, in this example, the peripheral circuit includes a plurality of column signal processing circuits 20, a plurality of load circuits 19, and a plurality of inverting amplifiers 24.

垂直走査回路16は、アドレス信号線30およびリセット信号線26に接続されている。垂直走査回路16は、アドレス信号線30に所定の電圧を印加することにより、各行に配置された複数の単位画素セル11を行単位で選択する。これにより、選択された単位画素セル11の信号電圧の読み出しと、後述する画素電極のリセットとが実行される。   The vertical scanning circuit 16 is connected to the address signal line 30 and the reset signal line 26. The vertical scanning circuit 16 applies a predetermined voltage to the address signal line 30 to select a plurality of unit pixel cells 11 arranged in each row in units of rows. Thereby, the reading of the signal voltage of the selected unit pixel cell 11 and the resetting of the pixel electrode described later are executed.

図示する例では、垂直走査回路16は、フィードバック制御線28および感度調整線32にも接続されている。後述するように、垂直走査回路16がフィードバック制御線28に所定の電圧を印加することにより、単位画素セル11の出力を負帰還させるフィードバック回路を形成することができる。また、垂直走査回路16は、感度調整線32を介して複数の単位画素セル11に所定の電圧を供給することができる。後に詳しく説明するように、本開示では、単位画素セル11の各々は、画素内に1以上の容量素子を有する。本明細書において、「容量素子(capacitor)」は、電極の間に絶縁膜などの誘電体が挟まれた構造を意味する。本明細書における「電極」は、金属から形成された電極に限定されず、ポリシリコン層などを広く含むように解釈される。本明細書における「電極」は、半導体基板の一部分であってもよい。   In the illustrated example, the vertical scanning circuit 16 is also connected to the feedback control line 28 and the sensitivity adjustment line 32. As will be described later, when the vertical scanning circuit 16 applies a predetermined voltage to the feedback control line 28, a feedback circuit that negatively feeds back the output of the unit pixel cell 11 can be formed. Further, the vertical scanning circuit 16 can supply a predetermined voltage to the plurality of unit pixel cells 11 via the sensitivity adjustment line 32. As will be described in detail later, in the present disclosure, each of the unit pixel cells 11 includes one or more capacitive elements in the pixel. In this specification, a “capacitor” means a structure in which a dielectric such as an insulating film is sandwiched between electrodes. The “electrode” in the present specification is not limited to an electrode formed from a metal, and is interpreted to include a polysilicon layer and the like. The “electrode” in this specification may be a part of a semiconductor substrate.

各列に配置された単位画素セル11は、各列に対応した垂直信号線18を介してカラム信号処理回路20に電気的に接続されている。垂直信号線18には、負荷回路19が電気的に接続されている。カラム信号処理回路20は、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理およびアナログ−デジタル変換(AD変換)などを行う。単位画素セル11の列に対応して設けられた複数のカラム信号処理回路20には、水平信号読み出し回路21が電気的に接続されている。水平信号読み出し回路21は、複数のカラム信号処理回路20から水平共通信号線23に信号を順次読み出す。   The unit pixel cells 11 arranged in each column are electrically connected to the column signal processing circuit 20 via the vertical signal line 18 corresponding to each column. A load circuit 19 is electrically connected to the vertical signal line 18. The column signal processing circuit 20 performs noise suppression signal processing represented by correlated double sampling, analog-digital conversion (AD conversion), and the like. A horizontal signal readout circuit 21 is electrically connected to the plurality of column signal processing circuits 20 provided corresponding to the columns of the unit pixel cells 11. The horizontal signal reading circuit 21 sequentially reads signals from the plurality of column signal processing circuits 20 to the horizontal common signal line 23.

図1に例示する構成では、複数の反転増幅器24が各列に対応して設けられている。反転増幅器24の負側の入力端子は、対応する垂直信号線18に接続されている。反転増幅器24の正側の入力端子には、所定の電圧(例えば1Vまたは1V近傍の正電圧)Vrefが供給される。また、反転増幅器24の出力端子は、各列に対応して設けられたフィードバック線25を介して、その反転増幅器24の負側の入力端子との接続を有する複数の単位画素セル11に接続されている。反転増幅器24は、単位画素セル11からの出力を負帰還させるフィードバック回路の一部を構成する。反転増幅器24をフィードバックアンプと呼んでもよい。反転増幅器24は、反転増幅利得を変化させるためのゲイン調整端子24aを含む。反転増幅器24の動作は後述する。   In the configuration illustrated in FIG. 1, a plurality of inverting amplifiers 24 are provided corresponding to each column. The negative input terminal of the inverting amplifier 24 is connected to the corresponding vertical signal line 18. A predetermined voltage (for example, 1 V or a positive voltage near 1 V) Vref is supplied to the positive input terminal of the inverting amplifier 24. The output terminal of the inverting amplifier 24 is connected to a plurality of unit pixel cells 11 having a connection with the negative input terminal of the inverting amplifier 24 via a feedback line 25 provided corresponding to each column. ing. The inverting amplifier 24 constitutes a part of a feedback circuit that negatively feeds back the output from the unit pixel cell 11. The inverting amplifier 24 may be called a feedback amplifier. The inverting amplifier 24 includes a gain adjustment terminal 24a for changing the inverting amplification gain. The operation of the inverting amplifier 24 will be described later.

図2は、図1に示す単位画素セル11の、例示的な回路構成を示す。単位画素セル11は、光電変換部15と、信号検出回路SCとを含む。   FIG. 2 shows an exemplary circuit configuration of the unit pixel cell 11 shown in FIG. The unit pixel cell 11 includes a photoelectric conversion unit 15 and a signal detection circuit SC.

光電変換部15は、典型的には、第1電極15aと、第2電極(画素電極)15cとの間に光電変換膜15bが挟まれた構造を有する。後に図面を参照して説明するように、光電変換膜15bは、単位画素セル11が形成される半導体基板に積層されている。光電変換膜15bは、有機材料またはアモルファスシリコンなどの無機材料から形成される。光電変換膜15bは、有機材料から構成される層と無機材料から構成される層とを含んでいてもよい。   The photoelectric conversion unit 15 typically has a structure in which a photoelectric conversion film 15b is sandwiched between a first electrode 15a and a second electrode (pixel electrode) 15c. As will be described later with reference to the drawings, the photoelectric conversion film 15b is stacked on a semiconductor substrate on which the unit pixel cells 11 are formed. The photoelectric conversion film 15b is formed from an organic material or an inorganic material such as amorphous silicon. The photoelectric conversion film 15b may include a layer composed of an organic material and a layer composed of an inorganic material.

光電変換膜15bの受光面側に、第1電極15aが設けられる。第1電極15aは、ITOなどの透明な導電性材料から形成される。光電変換膜15bを介して第1電極15aに対向する側に第2電極15cが設けられる。第2電極15cは、光電変換膜15bにおいて光電変換によって発生した電荷を収集する。第2電極15cは、アルミニウム、銅などの金属、金属窒化物、または、不純物がドープされることにより導電性が付与されたポリシリコンなどから形成される。   The first electrode 15a is provided on the light receiving surface side of the photoelectric conversion film 15b. The first electrode 15a is formed from a transparent conductive material such as ITO. A second electrode 15c is provided on the side facing the first electrode 15a via the photoelectric conversion film 15b. The second electrode 15c collects charges generated by photoelectric conversion in the photoelectric conversion film 15b. The second electrode 15c is formed of a metal such as aluminum or copper, a metal nitride, or polysilicon that is given conductivity by being doped with impurities.

図示するように、第1電極15aは、蓄積制御線17に接続されており、第2電極15cは、電荷蓄積ノード(「フローティングディフュージョンノード」とも呼ばれる)44に接続されている。蓄積制御線17を介して第1電極15aの電位を制御することにより、光電変換によって生じた正孔−電子対のうち、正孔および電子のいずれか一方を第2電極15cによって収集することができる。信号電荷として正孔を利用する場合、第2電極15cよりも第1電極15aの電位を高くすればよい。以下では、信号電荷として正孔を利用する場合を例示する。例えば10V程度の電圧が、蓄積制御線17を介して第1電極15aに印加される。これにより、信号電荷が電荷蓄積ノード44に蓄積される。もちろん、信号電荷として電子を利用してもよい。   As illustrated, the first electrode 15 a is connected to the storage control line 17, and the second electrode 15 c is connected to a charge storage node (also referred to as “floating diffusion node”) 44. By controlling the potential of the first electrode 15a via the accumulation control line 17, it is possible to collect either the hole or the electron among the hole-electron pairs generated by the photoelectric conversion by the second electrode 15c. it can. When holes are used as signal charges, the potential of the first electrode 15a may be higher than that of the second electrode 15c. Below, the case where a hole is utilized as a signal charge is illustrated. For example, a voltage of about 10 V is applied to the first electrode 15 a via the accumulation control line 17. As a result, the signal charge is stored in the charge storage node 44. Of course, electrons may be used as signal charges.

単位画素セル11が有する信号検出回路SCは、増幅トランジスタ(第1のトランジスタ)34と、第1のリセットトランジスタ(第2のトランジスタ)36とを含む。また、単位画素セル11は、第1容量素子(第1容量)41および第2容量素子(第2容量)42が直列に接続された容量回路45を含む。図示する構成において、第2容量素子42は、第1容量素子41よりも大きな容量値を有する。図2に例示する構成において、第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインのうちの一方、および、第1容量素子41の一方の電極は、電荷蓄積ノード44に接続されている。つまり、これらは、第2電極15cとの電気的な接続を有する。   The signal detection circuit SC included in the unit pixel cell 11 includes an amplification transistor (first transistor) 34 and a first reset transistor (second transistor) 36. The unit pixel cell 11 includes a capacitor circuit 45 in which a first capacitor element (first capacitor) 41 and a second capacitor element (second capacitor) 42 are connected in series. In the illustrated configuration, the second capacitive element 42 has a larger capacitance value than the first capacitive element 41. In the configuration illustrated in FIG. 2, one of the source and drain of the first reset transistor 36 and one electrode of the first capacitor element 41 are connected to the charge storage node 44. That is, they have an electrical connection with the second electrode 15c.

第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインのうちの他方、および、第1容量素子41の他方の電極は、第2容量素子42の一方の電極に接続されている。つまり、この例では、第1容量素子41は、第1のリセットトランジスタ36に並列接続されている。第1容量素子41と、第1のリセットトランジスタ36とを並列接続することにより、電荷蓄積ノード44に対するトランジスタ接合リークを低減し得る。したがって、暗電流を低減し得る。以下では、第1容量素子41と第2容量素子42との接続点を含むノードをリセットドレインノード46と呼ぶことがある。   The other of the source and drain of the first reset transistor 36 and the other electrode of the first capacitor element 41 are connected to one electrode of the second capacitor element 42. That is, in this example, the first capacitor element 41 is connected in parallel to the first reset transistor 36. By connecting the first capacitive element 41 and the first reset transistor 36 in parallel, transistor junction leakage to the charge storage node 44 can be reduced. Therefore, dark current can be reduced. Hereinafter, a node including a connection point between the first capacitor element 41 and the second capacitor element 42 may be referred to as a reset drain node 46.

第2容量素子42の電極のうち、リセットドレインノード46に接続されていない方の電極は、感度調整線32に接続されている。感度調整線32の電位は、例えば0V(基準電位)に設定される。感度調整線32の電位は、撮像装置101の動作時において固定されている必要はない。例えば、垂直走査回路16からパルス電圧が供給されてもよい。後述するように、感度調整線32は、電荷蓄積ノード44の電位の制御に利用可能である。もちろん、撮像装置101の動作時において、感度調整線32の電位が固定されていてもよい。   Of the electrodes of the second capacitive element 42, the electrode not connected to the reset drain node 46 is connected to the sensitivity adjustment line 32. The potential of the sensitivity adjustment line 32 is set to 0 V (reference potential), for example. The potential of the sensitivity adjustment line 32 does not need to be fixed when the imaging apparatus 101 is in operation. For example, a pulse voltage may be supplied from the vertical scanning circuit 16. As will be described later, the sensitivity adjustment line 32 can be used to control the potential of the charge storage node 44. Of course, the potential of the sensitivity adjustment line 32 may be fixed during the operation of the imaging apparatus 101.

図示するように、増幅トランジスタ34のゲートは、電荷蓄積ノード44に接続されている。言い換えれば、増幅トランジスタ34のゲートは、第2電極15cとの電気的な接続を有する。増幅トランジスタ34のソースおよびドレインの一方(NチャンネルMOSであればドレイン)は、電源配線(ソースフォロア電源)22に接続されており、他方は、垂直信号線18に接続されている。増幅トランジスタ34と、負荷回路19(図2において不図示、図1参照)とによって、ソースフォロア回路が形成される。増幅トランジスタ34は、光電変換部15によって生成された信号を増幅する。   As illustrated, the gate of the amplification transistor 34 is connected to the charge storage node 44. In other words, the gate of the amplification transistor 34 has an electrical connection with the second electrode 15c. One of the source and drain (drain if N-channel MOS) of the amplification transistor 34 is connected to the power supply wiring (source follower power supply) 22, and the other is connected to the vertical signal line 18. A source follower circuit is formed by the amplification transistor 34 and the load circuit 19 (not shown in FIG. 2, refer to FIG. 1). The amplification transistor 34 amplifies the signal generated by the photoelectric conversion unit 15.

図示するように、単位画素セル11は、アドレストランジスタ(第3のトランジスタ)40を含む。アドレストランジスタ40のソースまたはドレインは、増幅トランジスタ34のソースおよびドレインのうち、電源配線22に接続されない側に接続されている。アドレストランジスタ40のゲートは、アドレス信号線30に接続されている。図2に例示する構成では、アドレストランジスタ40は、信号検出回路SCの一部を構成している。   As illustrated, the unit pixel cell 11 includes an address transistor (third transistor) 40. The source or drain of the address transistor 40 is connected to the side of the source and drain of the amplification transistor 34 that is not connected to the power supply wiring 22. The gate of the address transistor 40 is connected to the address signal line 30. In the configuration illustrated in FIG. 2, the address transistor 40 constitutes a part of the signal detection circuit SC.

電荷蓄積ノード44に蓄積された信号電荷の量に応じた電圧が増幅トランジスタ34のゲートに印加される。増幅トランジスタ34は、この電圧を増幅する。増幅トランジスタ34によって増幅された電圧が、信号電圧としてアドレストランジスタ40によって選択的に読み出される。   A voltage corresponding to the amount of signal charge stored in the charge storage node 44 is applied to the gate of the amplification transistor 34. The amplification transistor 34 amplifies this voltage. The voltage amplified by the amplification transistor 34 is selectively read out by the address transistor 40 as a signal voltage.

図2に例示する構成では、単位画素セル11は、ソースおよびドレインの一方がリセットドレインノード46に接続され、他方がフィードバック線25に接続された第2のリセットトランジスタ(第4のトランジスタ)38をさらに含んでいる。つまり、図示する構成では、第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインのうちのリセットドレインノード46に接続されている側と、フィードバック線25とが、第2のリセットトランジスタ38を介して接続されている。第2のリセットトランジスタ38のゲートは、フィードバック制御線28に接続されている。後に詳しく説明するように、フィードバック制御線28の電圧を制御することにより、信号検出回路SCの出力をフィードバック(ここでは負帰還)させるフィードバック回路FCを形成することができる。   In the configuration illustrated in FIG. 2, the unit pixel cell 11 includes a second reset transistor (fourth transistor) 38 in which one of the source and the drain is connected to the reset drain node 46 and the other is connected to the feedback line 25. In addition. In other words, in the illustrated configuration, the side connected to the reset drain node 46 of the source and drain of the first reset transistor 36 and the feedback line 25 are connected via the second reset transistor 38. Yes. The gate of the second reset transistor 38 is connected to the feedback control line 28. As will be described in detail later, by controlling the voltage of the feedback control line 28, it is possible to form a feedback circuit FC that feeds back (in this case, negative feedback) the output of the signal detection circuit SC.

なお、増幅トランジスタ34、第1のリセットトランジスタ36、アドレストランジスタ40および第2のリセットトランジスタ38の各々は、NチャンネルMOSであってもよいし、PチャンネルMOSであってもよい。これらの全てがNチャンネルMOSまたはPチャンネルMOSのいずれかに統一されている必要もない。以下では、増幅トランジスタ34、第1のリセットトランジスタ36、アドレストランジスタ40および第2のリセットトランジスタ38がNチャンネルMOSである場合を例示する。トランジスタとして、電界効果トランジスタ(FET)のほか、バイポーラトランジスタも用い得る。   Each of the amplification transistor 34, the first reset transistor 36, the address transistor 40, and the second reset transistor 38 may be an N-channel MOS or a P-channel MOS. It is not necessary that all of these be unified with either the N-channel MOS or the P-channel MOS. Hereinafter, a case where the amplification transistor 34, the first reset transistor 36, the address transistor 40, and the second reset transistor 38 are N-channel MOSs will be exemplified. As a transistor, a bipolar transistor can be used in addition to a field effect transistor (FET).

(撮像装置101の動作の概略)
次に、図面を参照しながら、撮像装置101の動作の一例を説明する。以下に説明するように、図2に例示する構成によれば、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38のゲート電圧を適切に制御することにより、感度の異なる2つの動作モードを切り替えることが可能である。ここで説明する2つの動作モードは、比較的高い感度で撮像が可能な第1のモード、および、比較的低い感度で撮像が可能な第2のモードである。
(Outline of operation of imaging apparatus 101)
Next, an example of the operation of the imaging apparatus 101 will be described with reference to the drawings. As will be described below, according to the configuration illustrated in FIG. 2, two operation modes having different sensitivities are switched by appropriately controlling the gate voltages of the first reset transistor 36 and the second reset transistor 38. It is possible. The two operation modes described here are a first mode in which imaging can be performed with a relatively high sensitivity and a second mode in which imaging can be performed with a relatively low sensitivity.

まず、第1のモードにおける撮像装置101の動作の概略を説明する。第1のモードは、低照度のもとでの撮像に適したモードである。低照度のもとでは、感度が高いと有益である。しかしながら、感度が比較的高いと、ノイズも増幅されるおそれがある。本開示の実施形態によれば、比較的高い感度を実現しながら、kTCノイズの影響を低減および/または除去することが可能である。   First, an outline of the operation of the imaging apparatus 101 in the first mode will be described. The first mode is a mode suitable for imaging under low illuminance. Under low illumination, high sensitivity is beneficial. However, if the sensitivity is relatively high, noise may be amplified. According to the embodiments of the present disclosure, it is possible to reduce and / or eliminate the influence of kTC noise while achieving relatively high sensitivity.

図3は、第1のモードにおけるトランジスタの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。図3において、ADD、RST1、RST2、およびGCNTは、それぞれ、アドレストランジスタ40のゲート電圧、第1のリセットトランジスタ36のゲート電圧、第2のリセットトランジスタ38のゲート電圧および反転増幅器24のゲイン調整端子24aに印加される電圧の変化の一例を模式的に示す。図3に示す例では、時刻t0において、アドレストランジスタ40、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38は、いずれもOFFである。また、反転増幅器24のゲイン調整端子24aの電圧は、ある所定の値である。簡単のため、以下では、電子シャッタの動作の説明を省略する。   FIG. 3 is a timing chart for explaining an example of the operation of the transistor in the first mode. In FIG. 3, ADD, RST1, RST2, and GCNT are the gate voltage of the address transistor 40, the gate voltage of the first reset transistor 36, the gate voltage of the second reset transistor 38, and the gain adjustment terminal of the inverting amplifier 24, respectively. An example of the change of the voltage applied to 24a is shown typically. In the example shown in FIG. 3, at time t0, the address transistor 40, the first reset transistor 36, and the second reset transistor 38 are all OFF. The voltage at the gain adjustment terminal 24a of the inverting amplifier 24 is a certain predetermined value. For simplicity, description of the operation of the electronic shutter is omitted below.

まず、アドレス信号線30の電位を制御することにより、アドレストランジスタ40をONにする(時刻t1)。このとき、電荷蓄積ノード44に蓄積されている信号電荷の読み出しを行う。   First, the address transistor 40 is turned on by controlling the potential of the address signal line 30 (time t1). At this time, the signal charge stored in the charge storage node 44 is read.

次に、リセット信号線26およびフィードバック制御線28の電位を制御することにより、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38をONにする(時刻t2)。これにより、電荷蓄積ノード44とフィードバック線25とが第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38を介して接続され、信号検出回路SCの出力を負帰還させるフィードバック回路FCが形成される。リセットドレインノード46とフィードバック線25との間に第2のリセットトランジスタ38を介在させることにより、リセットトランジスタ38によって選択的にフィードバック回路FCを形成して光電変換部15の信号をフィードバックさせることができる。   Next, the first reset transistor 36 and the second reset transistor 38 are turned on by controlling the potentials of the reset signal line 26 and the feedback control line 28 (time t2). As a result, the charge storage node 44 and the feedback line 25 are connected via the first reset transistor 36 and the second reset transistor 38, and a feedback circuit FC that negatively feeds back the output of the signal detection circuit SC is formed. By interposing the second reset transistor 38 between the reset drain node 46 and the feedback line 25, the reset transistor 38 can selectively form a feedback circuit FC to feed back the signal of the photoelectric conversion unit 15. .

この例では、フィードバック回路FCの形成は、フィードバック線25を共有する複数の単位画素セル11のうちの1つに対して実行される。アドレストランジスタ40のゲート電圧の制御により、フィードバック回路FCの形成の対象となる単位画素セル11を選択し、所望の単位画素セル11に対して、後述するリセットおよび/またはノイズキャンセルを実行し得る。   In this example, the formation of the feedback circuit FC is performed for one of the plurality of unit pixel cells 11 sharing the feedback line 25. By controlling the gate voltage of the address transistor 40, a unit pixel cell 11 that is a target for forming the feedback circuit FC can be selected, and reset and / or noise cancellation described later can be performed on the desired unit pixel cell 11.

ここでは、フィードバック回路FCは、増幅トランジスタ34、反転増幅器24および第2のリセットトランジスタ38を含む負帰還増幅回路である。時刻t1においてONとされたアドレストランジスタ40は、増幅トランジスタ34の出力をフィードバック回路FCに対する入力として供給する。   Here, the feedback circuit FC is a negative feedback amplification circuit including the amplification transistor 34, the inverting amplifier 24, and the second reset transistor 38. The address transistor 40 turned ON at time t1 supplies the output of the amplification transistor 34 as an input to the feedback circuit FC.

電荷蓄積ノード44とフィードバック線25とが電気的に接続されることにより、電荷蓄積ノード44がリセットされる。このとき、信号検出回路SCの出力が負帰還されることにより、垂直信号線18の電圧が、反転増幅器24の正側の入力端子に印加された電圧Vrefに収束する。つまり、この例では、リセットにおける基準電圧は、電圧Vrefである。図2に例示する構成においては、電源電圧(例えば3.3V)と接地(0V)との範囲内で電圧Vrefを任意に設定できる。言い換えれば、リセットにおける基準電圧として、一定の範囲内であれば任意の電圧(例えば電源電圧以外の電圧)を利用できる。   When the charge storage node 44 and the feedback line 25 are electrically connected, the charge storage node 44 is reset. At this time, the output of the signal detection circuit SC is negatively fed back, so that the voltage of the vertical signal line 18 converges to the voltage Vref applied to the positive input terminal of the inverting amplifier 24. That is, in this example, the reference voltage for reset is the voltage Vref. In the configuration illustrated in FIG. 2, the voltage Vref can be arbitrarily set within the range of the power supply voltage (for example, 3.3 V) and the ground (0 V). In other words, any voltage (for example, a voltage other than the power supply voltage) can be used as a reference voltage for resetting within a certain range.

また、時刻t2において、反転増幅器24のゲイン調整端子24aの電位を制御し、反転増幅器24のゲインを低下させる。反転増幅器24において、ゲインGと帯域Bの積G×Bは一定であるため、ゲインGを低下させると帯域Bは広く(カットオフ周波数が高く)なる。このため、負帰還増幅回路における、上述した収束を速めることが可能となる。   At time t2, the potential of the gain adjustment terminal 24a of the inverting amplifier 24 is controlled to reduce the gain of the inverting amplifier 24. In the inverting amplifier 24, since the product G × B of the gain G and the band B is constant, the band B becomes wider (the cut-off frequency is higher) when the gain G is decreased. For this reason, it is possible to speed up the above-described convergence in the negative feedback amplifier circuit.

次に、第1のリセットトランジスタ36をOFFにする(時刻t3)。以下では、時刻t2において第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38をONしてから第1のリセットトランジスタ36をOFFにするまでの期間(図3中の時刻t2〜時刻t3)を「リセット期間」と呼ぶことがある。図3中、リセット期間を矢印Rstにより模式的に示す。時刻t3において第1のリセットトランジスタ36をOFFすることによりkTCノイズが発生する。そのため、リセット後における電荷蓄積ノード44の電圧にkTCノイズが加わる。   Next, the first reset transistor 36 is turned off (time t3). Hereinafter, a period from time t2 when the first reset transistor 36 and second reset transistor 38 are turned on to time when the first reset transistor 36 is turned off (time t2 to time t3 in FIG. It may be called a “reset period”. In FIG. 3, the reset period is schematically indicated by an arrow Rst. By turning off the first reset transistor 36 at time t3, kTC noise is generated. Therefore, kTC noise is added to the voltage of the charge storage node 44 after reset.

図2を参照すればわかるように、第2のリセットトランジスタ38がONである間は、フィードバック回路FCが形成された状態が継続している。そのため、時刻t3において第1のリセットトランジスタ36をOFFにすることによって生じたkTCノイズが、フィードバック回路FCの利得をAとすると、1/(1+A)の大きさまでキャンセルされる。   As can be seen from FIG. 2, while the second reset transistor 38 is ON, the state in which the feedback circuit FC is formed continues. Therefore, the kTC noise generated by turning off the first reset transistor 36 at time t3 is canceled to a magnitude of 1 / (1 + A), where A is the gain of the feedback circuit FC.

この例では、第1のリセットトランジスタ36をOFFする直前(ノイズキャンセル開始の直前)における垂直信号線18の電圧は、反転増幅器24の負側の入力端子に印加された電圧Vrefとほぼ等しい。このように、ノイズキャンセル開始時における垂直信号線18の電圧をノイズキャンセル後の目標電圧Vrefに近づけておくことにより、比較的短い時間でkTCノイズをキャンセルすることができる。以下では、第1のリセットトランジスタ36をOFFしてから第2のリセットトランジスタ38をOFFにするまでの期間(図3中の時刻t3〜時刻t4)を「ノイズキャンセル期間」と呼ぶことがある。図3中、ノイズキャンセル期間を矢印Nclにより模式的に示す。   In this example, the voltage of the vertical signal line 18 immediately before turning off the first reset transistor 36 (immediately before the start of noise cancellation) is substantially equal to the voltage Vref applied to the negative input terminal of the inverting amplifier 24. In this way, the kTC noise can be canceled in a relatively short time by bringing the voltage of the vertical signal line 18 at the start of noise cancellation close to the target voltage Vref after the noise cancellation. Hereinafter, a period from time t1 to time t4 in FIG. 3 after turning off the first reset transistor 36 to turning off the second reset transistor 38 may be referred to as a “noise cancel period”. In FIG. 3, the noise cancellation period is schematically indicated by an arrow Ncl.

また、時刻t3において、反転増幅器24のゲインは、低下させられた状態にある。このため、ノイズキャンセル期間の初期においては、高速に、ノイズのキャンセルを行うことができる。   At time t3, the gain of the inverting amplifier 24 is in a lowered state. For this reason, noise can be canceled at high speed in the early stage of the noise cancellation period.

続いて、時刻t3’において、反転増幅器24のゲイン調整端子24aの電位を制御し、反転増幅器24のゲインを高くする。これにより、ノイズレベルをより低下させる。この時、ゲインGと帯域Bの積G×Bは一定であるため、ゲインGを高めることにより、帯域Bは狭く(カットオフ周波数が低く)なる。つまり、負帰還増幅回路における収束に時間を要する。しかし、t3〜t3’の間において、既に垂直信号線18の電圧を収束レベル付近に制御しているため、収束すべき電圧の幅は小さくなっており、帯域が狭くなることによる収束時間の増大を抑制することができる。   Subsequently, at time t3 ', the potential of the gain adjustment terminal 24a of the inverting amplifier 24 is controlled to increase the gain of the inverting amplifier 24. This further reduces the noise level. At this time, since the product G × B of the gain G and the band B is constant, the band B becomes narrow (the cut-off frequency is low) by increasing the gain G. That is, it takes time to converge in the negative feedback amplifier circuit. However, since the voltage of the vertical signal line 18 is already controlled in the vicinity of the convergence level between t3 and t3 ', the width of the voltage to be converged is small, and the convergence time is increased by narrowing the band. Can be suppressed.

このように、本開示の実施形態によれば、リセットトランジスタをOFFすることによって生じるkTCノイズを縮小し、かつ、発生したkTCノイズを比較的短い時間でキャンセルすることが可能である。   As described above, according to the embodiment of the present disclosure, it is possible to reduce the kTC noise generated by turning off the reset transistor and cancel the generated kTC noise in a relatively short time.

次に、第2のリセットトランジスタ38をOFFにし(時刻t4)、所定の期間、露光を実行する。時刻t4において第2のリセットトランジスタ38をOFFすることにより、kTCノイズが発生する。このとき電荷蓄積ノード44の電圧に加わるkTCノイズの大きさは、単位画素セル11中に第1容量素子41および第2容量素子42を設けず、第2のリセットトランジスタ38を電荷蓄積ノード44に直接接続した場合の(Cfd/C2)1/2×(C1/(C1+Cfd))倍である。上記の式中、Cfd、C1およびC2は、それぞれ、電荷蓄積ノード44の容量値、第1容量素子41の容量値および第2容量素子42の容量値を表す。なお、式中の「×」は乗算を表す。このように、第2容量素子42の容量値C2が大きいほど、発生するノイズ自体が小さく、第1容量素子41の容量値C1が小さいほど、減衰率が大きい。したがって、本開示の実施形態によれば、第1容量素子41の容量値C1および第2容量素子42の容量値C2を適切に設定することにより、第2のリセットトランジスタ38をOFFすることによって生じるkTCノイズを十分に縮小することが可能である。 Next, the second reset transistor 38 is turned off (time t4), and exposure is executed for a predetermined period. By turning off the second reset transistor 38 at time t4, kTC noise is generated. At this time, the magnitude of the kTC noise added to the voltage of the charge storage node 44 is such that the first capacitor element 41 and the second capacitor element 42 are not provided in the unit pixel cell 11, and the second reset transistor 38 is used as the charge storage node 44. (Cfd / C2) 1/2 × (C1 / (C1 + Cfd)) times when directly connected. In the above formula, Cfd, C1, and C2 represent the capacitance value of the charge storage node 44, the capacitance value of the first capacitance element 41, and the capacitance value of the second capacitance element 42, respectively. Note that “x” in the expression represents multiplication. Thus, the larger the capacitance value C2 of the second capacitive element 42, the smaller the generated noise itself, and the smaller the capacitance value C1 of the first capacitive element 41, the greater the attenuation factor. Therefore, according to the embodiment of the present disclosure, the second reset transistor 38 is turned off by appropriately setting the capacitance value C1 of the first capacitance element 41 and the capacitance value C2 of the second capacitance element 42. It is possible to sufficiently reduce the kTC noise.

図3中、露光の期間を矢印Expにより模式的に示す。露光の期間において所定のタイミングで、kTCノイズがキャンセルされたリセット電圧の読み出しを行う(時刻t5)。なお、リセット電圧の読み出しに要する時間は短時間であるので、アドレストランジスタ40のON状態が継続したままでリセット電圧の読み出しが実行されても構わない。   In FIG. 3, the exposure period is schematically indicated by an arrow Exp. The reset voltage from which the kTC noise has been canceled is read out at a predetermined timing during the exposure period (time t5). Since the time required for reading the reset voltage is a short time, the reset voltage may be read while the ON state of the address transistor 40 continues.

時刻t1と時刻t2の間において読み出された信号と、時刻t5において読み出された信号との差分をとることにより、固定ノイズを除去した信号が得られる。このようにして、kTCノイズおよび固定ノイズが除去された信号が得られる。   By taking the difference between the signal read between time t1 and time t2 and the signal read at time t5, a signal from which fixed noise has been removed is obtained. In this way, a signal from which kTC noise and fixed noise are removed is obtained.

なお、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38がOFFとされた状態において、第2容量素子42は、第1容量素子41を介して電荷蓄積ノード44に接続されている。ここで、第1容量素子41を介さずに電荷蓄積ノード44と第2容量素子42とを直接に接続した場合を想定する。この場合において、第2容量素子42を直接に接続したときにおける、信号電荷の蓄積領域全体の容量値は、(Cfd+C2)である。つまり、第2容量素子42が比較的大きな容量値C2を有すると、信号電荷の蓄積領域全体の容量値も大きな値となるので、高い変換ゲイン(高いSN比といってもよい)が得られない。そこで、本開示の実施形態では、第1容量素子41を介して第2容量素子42を電荷蓄積ノード44に接続している。このような構成における、信号電荷の蓄積領域全体の容量値は、(Cfd+(C1C2)/(C1+C2))と表される。ここで、第1容量素子41が比較的小さな容量値C1を有し、かつ、第2容量素子42が比較的大きな容量値C2を有する場合、信号電荷の蓄積領域全体の容量値は、おおよそ(Cfd+C1)となる。すなわち、信号電荷の蓄積領域全体の容量値の増加は小さい。このように、比較的小さな容量値を有する第1容量素子41を介して第2容量素子42を電荷蓄積ノード44に接続することにより、変換ゲインの低下を抑制することが可能である。   Note that the second capacitor element 42 is connected to the charge storage node 44 via the first capacitor element 41 in a state where the first reset transistor 36 and the second reset transistor 38 are turned off. Here, it is assumed that the charge storage node 44 and the second capacitor element 42 are directly connected without using the first capacitor element 41. In this case, the capacitance value of the entire signal charge accumulation region when the second capacitor element 42 is directly connected is (Cfd + C2). That is, if the second capacitance element 42 has a relatively large capacitance value C2, the capacitance value of the entire signal charge accumulation region also becomes a large value, so that a high conversion gain (may be referred to as a high SN ratio) is obtained. Absent. Therefore, in the embodiment of the present disclosure, the second capacitive element 42 is connected to the charge storage node 44 via the first capacitive element 41. In such a configuration, the capacitance value of the entire signal charge accumulation region is expressed as (Cfd + (C1C2) / (C1 + C2)). Here, when the first capacitor element 41 has a relatively small capacitance value C1 and the second capacitor element 42 has a relatively large capacitance value C2, the capacitance value of the entire signal charge accumulation region is approximately ( Cfd + C1). That is, the increase in the capacitance value of the entire signal charge accumulation region is small. In this way, by connecting the second capacitor element 42 to the charge storage node 44 via the first capacitor element 41 having a relatively small capacitance value, it is possible to suppress a decrease in conversion gain.

次に、図4を参照しながら、比較的低い感度で撮像が可能な第2のモードにおける撮像装置101の動作の概略を説明する。第2のモードは、高照度のもとでの撮像に適したモードである。高照度のもとでは、感度が低い方が有利である。比較的低い感度のもとでは、ノイズの影響が小さい反面、信号電荷の蓄積領域全体の容量が大きいことが要求される。   Next, an outline of the operation of the imaging apparatus 101 in the second mode capable of imaging with relatively low sensitivity will be described with reference to FIG. The second mode is a mode suitable for imaging under high illuminance. Under high illuminance, lower sensitivity is advantageous. Under a relatively low sensitivity, the influence of noise is small, but the capacity of the entire signal charge accumulation region is required to be large.

図4は、第2のモードにおけるトランジスタの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。図3を参照しながら説明した第1のモードでは、第1のリセットトランジスタ36を用いて電荷蓄積ノード44をリセットする。これに対し、第2のモードでは、以下に説明するように、第1のリセットトランジスタ36をONとしたまま、第2のリセットトランジスタ38を用いて電荷蓄積ノード44をリセットする。   FIG. 4 is a timing chart for explaining an example of the operation of the transistor in the second mode. In the first mode described with reference to FIG. 3, the charge storage node 44 is reset using the first reset transistor 36. In contrast, in the second mode, as described below, the charge storage node 44 is reset using the second reset transistor 38 while the first reset transistor 36 is kept ON.

図4に示すように、第2のモードでは、第1のリセットトランジスタ36は、常にONである。そして、時刻t1において、第1のモードと同様に、アドレストランジスタ40をONにする。このとき、電荷蓄積ノード44に蓄積されている信号電荷の読み出しを行う。反転増幅器24のゲイン調整端子24aに印加される電圧は、ある所定の値である。   As shown in FIG. 4, in the second mode, the first reset transistor 36 is always ON. At time t1, the address transistor 40 is turned on as in the first mode. At this time, the signal charge stored in the charge storage node 44 is read. The voltage applied to the gain adjustment terminal 24a of the inverting amplifier 24 has a certain predetermined value.

次に、第2のリセットトランジスタ38をONにする(時刻t2)。これにより、信号検出回路SCの出力を負帰還させるフィードバック回路FCが形成され、電荷蓄積ノード44がリセットされる。このとき、リセットにおける基準電圧は、反転増幅器24の正側の入力端子に印加された電圧Vrefである。   Next, the second reset transistor 38 is turned on (time t2). As a result, a feedback circuit FC that negatively feeds back the output of the signal detection circuit SC is formed, and the charge storage node 44 is reset. At this time, the reference voltage at the reset is the voltage Vref applied to the positive input terminal of the inverting amplifier 24.

また、時刻t2において、反転増幅器24のゲイン調整端子24aの電位を制御し、反転増幅器24のゲインを低下させる。反転増幅器24において、ゲインGと帯域Bの積G×Bは一定であるため、ゲインGを低下させると帯域Bは広く(カットオフ周波数が高く)なる。このため、負帰還増幅回路における、上述した収束を速めることが可能となる。   At time t2, the potential of the gain adjustment terminal 24a of the inverting amplifier 24 is controlled to reduce the gain of the inverting amplifier 24. In the inverting amplifier 24, since the product G × B of the gain G and the band B is constant, the band B becomes wider (the cut-off frequency is higher) when the gain G is decreased. For this reason, it is possible to speed up the above-described convergence in the negative feedback amplifier circuit.

次に、第2のリセットトランジスタ38をOFFにする(時刻t4)。第2のリセットトランジスタ38をOFFすることにより、kTCノイズが発生する。この例では、時刻t4において、反転増幅器24のゲインが低下させられた状態にある。このため、負帰還増幅回路における収束を高速で行うことができる。時刻t2において、反転増幅器24のゲイン調整端子24aの電位を制御することによって、反転増幅器24のゲインを高くしておいてもよい。この場合、負帰還増幅回路における収束に時間を要するが、帯域Bを狭く(カットオフ周波数を低く)することができる。ゲイン調整端子24aの電位(反転増幅器24のゲインといってもよい)は、ノイズの縮小に許容可能な時間を考慮して適切に設定されればよい。   Next, the second reset transistor 38 is turned off (time t4). By turning off the second reset transistor 38, kTC noise is generated. In this example, the gain of the inverting amplifier 24 is lowered at time t4. For this reason, convergence in the negative feedback amplifier circuit can be performed at high speed. At time t2, the gain of the inverting amplifier 24 may be increased by controlling the potential of the gain adjustment terminal 24a of the inverting amplifier 24. In this case, time is required for convergence in the negative feedback amplifier circuit, but the band B can be narrowed (cut-off frequency is lowered). The potential of the gain adjustment terminal 24a (which may be referred to as the gain of the inverting amplifier 24) may be set appropriately in consideration of the time allowable for noise reduction.

その後、所定の期間、露光を実行する。露光の期間において所定のタイミングで、リセット電圧の読み出しを行う(時刻t5)。   Thereafter, exposure is performed for a predetermined period. The reset voltage is read at a predetermined timing during the exposure period (time t5).

第2のモードでは、ノイズキャンセル期間が存在していない。しかしながら、高照度のもとでの撮像に利用される第2のモードでは、ショットノイズが支配的であり、kTCノイズによる影響は小さい。時刻t1と時刻t2の間において読み出された信号と、時刻t5において読み出された信号との差分をとることにより、固定ノイズを除去した信号が得られる。   In the second mode, there is no noise cancellation period. However, in the second mode used for imaging under high illuminance, shot noise is dominant and the influence of kTC noise is small. By taking the difference between the signal read between time t1 and time t2 and the signal read at time t5, a signal from which fixed noise has been removed is obtained.

以上の説明からわかるように、図2に例示する構成では、第1のリセットトランジスタ36は、電荷蓄積ノード44をリセットするリセットトランジスタの機能と、第1のモードおよび第2のモードを切り替えるためのスイッチの機能とを兼ねている。このような構成によれば、比較的容易に単位画素セルを微細化し得る。   As can be seen from the above description, in the configuration illustrated in FIG. 2, the first reset transistor 36 functions as a reset transistor that resets the charge storage node 44 and switches between the first mode and the second mode. It also functions as a switch. According to such a configuration, the unit pixel cell can be miniaturized relatively easily.

この例では、第1のリセットトランジスタ36におけるONおよびOFFの切り替えにより、第1のリセットトランジスタ36を介して第2容量素子42を電荷蓄積ノード44に接続するか、第1容量素子41を介して第2容量素子42を電荷蓄積ノード44に接続するかを切り替えることができる。すなわち、第1のリセットトランジスタ36をオン・オフすることによって、第2電極15cの電位の変化量を切り換えることが可能であり、第1のリセットトランジスタ36をオン・オフすることにより、撮像装置の感度を切り替えることが可能である。このように、図2に例示する構成において、第1のリセットトランジスタ36は、ゲイン切替用トランジスタとして利用可能である。   In this example, the second capacitor 42 is connected to the charge storage node 44 via the first reset transistor 36 by switching ON and OFF in the first reset transistor 36, or via the first capacitor 41. Whether the second capacitive element 42 is connected to the charge storage node 44 can be switched. That is, the amount of change in the potential of the second electrode 15c can be switched by turning on and off the first reset transistor 36, and by turning on and off the first reset transistor 36, It is possible to switch the sensitivity. As described above, in the configuration illustrated in FIG. 2, the first reset transistor 36 can be used as a gain switching transistor.

第2容量素子42は、第1のモードにおけるkTCノイズ縮小の機能と、信号電荷の蓄積領域全体の容量増大の機能とを兼ねている。本開示の実施形態によれば、画素内の素子数の増加を抑制しながら、簡易な構成でダイナミックレンジを拡大することが可能である。このことは、画素の微細化において特に有益である。   The second capacitive element 42 has both the function of reducing the kTC noise in the first mode and the function of increasing the capacity of the entire signal charge accumulation region. According to the embodiment of the present disclosure, it is possible to expand the dynamic range with a simple configuration while suppressing an increase in the number of elements in a pixel. This is particularly beneficial in pixel miniaturization.

(単位画素セル11のデバイス構造および撮像装置101の製造方法)
次に、図5および図6を参照しながら、単位画素セル11のデバイス構造の一例を説明する。
(Device structure of unit pixel cell 11 and manufacturing method of imaging apparatus 101)
Next, an example of the device structure of the unit pixel cell 11 will be described with reference to FIGS.

図5は、単位画素セル11における各素子のレイアウトの一例を模式的に示す。図6は、図5に示すA−A’線断面を模式的に示す。既に説明したように、単位画素セル11は、半導体基板上に配列されている。ここでは、半導体基板2(図6参照)としてP型シリコン(Si)基板を用いる例を説明する。   FIG. 5 schematically shows an example of the layout of each element in the unit pixel cell 11. FIG. 6 schematically shows a cross section taken along line A-A ′ shown in FIG. 5. As already described, the unit pixel cells 11 are arranged on the semiconductor substrate. Here, an example in which a P-type silicon (Si) substrate is used as the semiconductor substrate 2 (see FIG. 6) will be described.

図5に例示する構成では、単位画素セル11内に4つのトランジスタ、すなわち、増幅トランジスタ34、第1のリセットトランジスタ36、第2のリセットトランジスタ38およびアドレストランジスタ40が配置されている。単位画素セル11の各々は、半導体基板2に形成された素子分離領域2sによって分離されている。   In the configuration illustrated in FIG. 5, four transistors, that is, an amplification transistor 34, a first reset transistor 36, a second reset transistor 38, and an address transistor 40 are arranged in the unit pixel cell 11. Each unit pixel cell 11 is isolated by an element isolation region 2 s formed in the semiconductor substrate 2.

ここでは、増幅トランジスタ34および第1のリセットトランジスタ36は、ともに半導体基板2上に形成されている。また、ここで説明する例では、第2のリセットトランジスタ38およびアドレストランジスタ40も半導体基板2上に形成されている。例えば第2のリセットトランジスタ38に注目すると、第2のリセットトランジスタ38は、半導体基板2内に形成された不純物領域(ここではN型領域)2dを含む。これらの不純物領域2dの各々は、第2のリセットトランジスタ38のソースまたはドレインとして機能する。不純物領域2dは、典型的には、半導体基板2内に形成された拡散層である。以下では、半導体基板2内の不純物領域2dを「ソース/ドレイン拡散層2d」と呼ぶことがある。図5に例示する構成において、第2のリセットトランジスタ38のソースおよびドレインを構成する2つのソース/ドレイン拡散層2dの一方は、ポリシリコンプラグsp1、ポリシリコン層s1およびコンタクトプラグcp1を介して、フィードバック線25(図5において不図示、図2参照)に接続される。   Here, both the amplification transistor 34 and the first reset transistor 36 are formed on the semiconductor substrate 2. In the example described here, the second reset transistor 38 and the address transistor 40 are also formed on the semiconductor substrate 2. For example, paying attention to the second reset transistor 38, the second reset transistor 38 includes an impurity region (here, N-type region) 2 d formed in the semiconductor substrate 2. Each of these impurity regions 2 d functions as the source or drain of the second reset transistor 38. The impurity region 2 d is typically a diffusion layer formed in the semiconductor substrate 2. Hereinafter, the impurity region 2d in the semiconductor substrate 2 may be referred to as a “source / drain diffusion layer 2d”. In the configuration illustrated in FIG. 5, one of the two source / drain diffusion layers 2d constituting the source and drain of the second reset transistor 38 is connected via the polysilicon plug sp1, the polysilicon layer s1, and the contact plug cp1. It is connected to a feedback line 25 (not shown in FIG. 5, see FIG. 2).

この半導体基板2上には、第1容量素子41および第2容量素子42も形成されている。図5に例示する構成において、第2容量素子42は、単位画素セル11内において比較的大きな面積を占める。これにより、比較的大きな容量値が実現される。ここで説明する実施形態では、図5に示すように、半導体基板の法線方向から見たときに、第2容量素子42と重なる位置に第1容量素子41が形成される。後に詳しく説明するように、第1容量素子41の上部電極41wは、第1のリセットトランジスタ36のソースまたはドレイン(ソース/ドレイン拡散層2d)と、増幅トランジスタ34のゲート電極34eとを電気的に接続する配線(導電層)の一部である。   A first capacitor element 41 and a second capacitor element 42 are also formed on the semiconductor substrate 2. In the configuration illustrated in FIG. 5, the second capacitor element 42 occupies a relatively large area in the unit pixel cell 11. Thereby, a relatively large capacitance value is realized. In the embodiment described here, as shown in FIG. 5, the first capacitive element 41 is formed at a position overlapping the second capacitive element 42 when viewed from the normal direction of the semiconductor substrate. As will be described in detail later, the upper electrode 41w of the first capacitor element 41 electrically connects the source or drain of the first reset transistor 36 (source / drain diffusion layer 2d) and the gate electrode 34e of the amplification transistor 34. It is a part of wiring (conductive layer) to be connected.

図6を参照する。図6に示すように、単位画素セル11は、半導体基板2上に光電変換部15を有する。図示する例において、半導体基板2上には、層間絶縁層4s、4a、4bおよび4cが積層されており、それらの上に光電変換部15の光電変換膜15bが積層されている。光電変換膜15bにおいて被写体からの光が入射する側の受光面15h上に、第1電極15aが設けられている。受光面15hの反対側の面には、第2電極15cが配置されている。第2電極15cは、複数の単位画素セル11の間において電気的に分離されている。   Please refer to FIG. As shown in FIG. 6, the unit pixel cell 11 has a photoelectric conversion unit 15 on the semiconductor substrate 2. In the illustrated example, interlayer insulating layers 4s, 4a, 4b, and 4c are stacked on the semiconductor substrate 2, and the photoelectric conversion film 15b of the photoelectric conversion unit 15 is stacked thereon. The first electrode 15a is provided on the light receiving surface 15h on the photoelectric conversion film 15b on the side where light from the subject is incident. The second electrode 15c is disposed on the surface opposite to the light receiving surface 15h. The second electrode 15 c is electrically separated between the plurality of unit pixel cells 11.

図6に例示する構成において、半導体基板2は、比較的高いアクセプタ濃度を有するウェル2w(ここではP型不純物領域)と、ソース/ドレイン拡散層2d(ここではN型不純物領域)とを有している。図示するように、第2のリセットトランジスタ38は、2つのソース/ドレイン拡散層2dと、半導体基板2上に形成されたゲート絶縁膜38gと、ゲート絶縁膜38g上に形成されたゲート電極38eとを含む。ソースまたはドレインとしての2つのソース/ドレイン拡散層2dの間に、チャネル領域38cが形成される。同様に、第1のリセットトランジスタ36は、2つのソース/ドレイン拡散層2dと、半導体基板2上に形成されたゲート絶縁膜36gと、ゲート絶縁膜36g上に形成されたゲート電極36eとを含む。ソースまたはドレインとしての2つのソース/ドレイン拡散層2dの間に、チャネル領域36cが形成される。図示する例では、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38は、ソース/ドレイン拡散層2dのうちの1つを共有している。また、増幅トランジスタ34も同様に、2つのソース/ドレイン拡散層2dと、半導体基板2上に形成されたゲート絶縁膜34gと、ゲート絶縁膜34g上に形成されたゲート電極34eとを含む。なお、図6では、増幅トランジスタ34における2つのソース/ドレイン拡散層2dは示されておらず、ゲート絶縁膜34g、ゲート電極34e、および、2つのソース/ドレイン拡散層2dの間に形成されるチャネル領域34cが示されている。アドレストランジスタ40(図5参照)も、増幅トランジスタ34とほぼ同様の構成を有し得る。   In the configuration illustrated in FIG. 6, the semiconductor substrate 2 includes a well 2w (here, a P-type impurity region) having a relatively high acceptor concentration and a source / drain diffusion layer 2d (here, an N-type impurity region). ing. As shown in the figure, the second reset transistor 38 includes two source / drain diffusion layers 2d, a gate insulating film 38g formed on the semiconductor substrate 2, and a gate electrode 38e formed on the gate insulating film 38g. including. A channel region 38c is formed between the two source / drain diffusion layers 2d as the source or drain. Similarly, the first reset transistor 36 includes two source / drain diffusion layers 2d, a gate insulating film 36g formed on the semiconductor substrate 2, and a gate electrode 36e formed on the gate insulating film 36g. . A channel region 36c is formed between the two source / drain diffusion layers 2d as the source or drain. In the illustrated example, the first reset transistor 36 and the second reset transistor 38 share one of the source / drain diffusion layers 2d. Similarly, the amplification transistor 34 includes two source / drain diffusion layers 2d, a gate insulating film 34g formed on the semiconductor substrate 2, and a gate electrode 34e formed on the gate insulating film 34g. In FIG. 6, the two source / drain diffusion layers 2d in the amplification transistor 34 are not shown, and are formed between the gate insulating film 34g, the gate electrode 34e, and the two source / drain diffusion layers 2d. A channel region 34c is shown. The address transistor 40 (see FIG. 5) may have substantially the same configuration as the amplification transistor 34.

半導体基板2は、素子間の電気的な分離のための素子分離領域2sを有する。この例では、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38の組と、増幅トランジスタ34およびアドレストランジスタ40の組とが、素子分離領域2sによって分離されている(図5参照)。   The semiconductor substrate 2 has an element isolation region 2s for electrical isolation between elements. In this example, the set of the first reset transistor 36 and the second reset transistor 38 and the set of the amplification transistor 34 and the address transistor 40 are separated by the element isolation region 2s (see FIG. 5).

半導体基板2は、素子分離領域2sで囲まれることによって単位画素セル11の4つのトランジスタ(増幅トランジスタ34、第1のリセットトランジスタ36、第2のリセットトランジスタ38およびアドレストランジスタ40)と電気的に分離された電極領域42cを有する。   The semiconductor substrate 2 is electrically isolated from the four transistors (amplification transistor 34, first reset transistor 36, second reset transistor 38, and address transistor 40) of the unit pixel cell 11 by being surrounded by the element isolation region 2s. The electrode region 42c is formed.

図6に例示する構成において、第2容量素子42は、電極領域42c上に設けられた誘電体層(第1誘電体層)42gと、誘電体層42gを介して半導体基板2の一部に対向する上部電極42eを含む。上部電極42eは、第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインのうち、電荷蓄積ノード44に接続されていない側と電気的に接続されている。   In the configuration illustrated in FIG. 6, the second capacitor element 42 is formed on a part of the semiconductor substrate 2 via the dielectric layer (first dielectric layer) 42 g provided on the electrode region 42 c and the dielectric layer 42 g. The upper electrode 42e which opposes is included. The upper electrode 42e is electrically connected to the side of the source and drain of the first reset transistor 36 that is not connected to the charge storage node 44.

ここで説明する実施形態において、第2容量素子42は、いわゆるMISキャパシタである。ただし、後述するように、ここでは、第2容量素子42の上部電極42eは、金属から形成された電極ではなくポリシリコンから形成された電極である。半導体基板2のうち上部電極42eに対向する部分は、第2容量素子42における電極の1つとして機能する。   In the embodiment described here, the second capacitor element 42 is a so-called MIS capacitor. However, as will be described later, here, the upper electrode 42e of the second capacitive element 42 is not an electrode formed of metal but an electrode formed of polysilicon. A portion of the semiconductor substrate 2 facing the upper electrode 42e functions as one of the electrodes in the second capacitor element 42.

電極領域42cは、感度調整線32(図2参照)と電気的に接続される。電極領域42cには、感度調整線32を介して、電圧源(ここでは垂直走査回路16)から所定の電圧が印加される。電極領域42cの電位を制御することにより、電荷蓄積ノード44の電位を制御し得る。言い換えれば、感度調整線32を介して電極領域42cに供給される電圧を調整することにより、撮像装置101の感度を調整し得る。   The electrode region 42c is electrically connected to the sensitivity adjustment line 32 (see FIG. 2). A predetermined voltage is applied to the electrode region 42 c from the voltage source (here, the vertical scanning circuit 16) via the sensitivity adjustment line 32. By controlling the potential of the electrode region 42c, the potential of the charge storage node 44 can be controlled. In other words, the sensitivity of the imaging device 101 can be adjusted by adjusting the voltage supplied to the electrode region 42 c via the sensitivity adjustment line 32.

なお、半導体基板2の法線方向から見たとき、誘電体層42gの形状および面積は、電極領域42cの形状および面積と一致している必要はない。誘電体層42gが電極領域42cの全体を覆っている必要はない。誘電体層42gが、電極領域42cを囲む素子分離領域2s上にも形成されていてもよい。例えばイオン注入により、ウェル2wの部分よりも不純物濃度の高い領域として電極領域42cを形成してもよい。あるいは、ウェル2wの導電型とは異なる導電型の領域として電極領域42cを形成してもよい。   When viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 2, the shape and area of the dielectric layer 42g do not have to coincide with the shape and area of the electrode region 42c. It is not necessary for the dielectric layer 42g to cover the entire electrode region 42c. The dielectric layer 42g may also be formed on the element isolation region 2s surrounding the electrode region 42c. For example, the electrode region 42c may be formed as a region having a higher impurity concentration than the well 2w by ion implantation. Alternatively, the electrode region 42c may be formed as a region having a conductivity type different from that of the well 2w.

図6に示すように、上部電極41wは、第1のリセットトランジスタ36のソースまたはドレイン(ソース/ドレイン拡散層2d)と、増幅トランジスタ34のゲート電極34eとを電気的に接続している。図6に例示する構成において、上部電極41wは、コンタクトプラグcpa、配線層6s、ビアva、配線層6a、ビアvb、配線層6bおよびビアvcを介して、第2電極15cと電気的に接続されている。典型的には、コンタクトプラグcpa、配線層6s、6aおよび6b、ならびに、ビアva〜vcは、銅などの金属から形成される。ポリシリコンプラグsp2、上部電極41w、コンタクトプラグcpa、配線層6s、6aおよび6b、ビアva〜vc、ならびに、第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインの一方(ここではドレイン)は、電荷蓄積領域として機能する。   As shown in FIG. 6, the upper electrode 41 w electrically connects the source or drain (source / drain diffusion layer 2 d) of the first reset transistor 36 and the gate electrode 34 e of the amplification transistor 34. In the configuration illustrated in FIG. 6, the upper electrode 41w is electrically connected to the second electrode 15c via the contact plug cpa, the wiring layer 6s, the via va, the wiring layer 6a, the via vb, the wiring layer 6b, and the via vc. Has been. Typically, the contact plug cpa, the wiring layers 6s, 6a and 6b, and the vias va to vc are formed from a metal such as copper. The polysilicon plug sp2, the upper electrode 41w, the contact plug cpa, the wiring layers 6s, 6a and 6b, the vias va to vc, and one of the source and drain (here, drain) of the first reset transistor 36 are the charge storage region Function as.

図示するように、上部電極41wは、第2容量素子42の上部電極42eの上まで延びている。上部電極41wと、上部電極42eと、これらの間に挟まれた絶縁膜(第2誘電体層)41gとから、第1容量素子41が形成される。別の言い方をすれば、第1容量素子41は、第2容量素子42の上部電極42eと、上部電極42e上に形成された誘電体層41gと、光電変換部15の第2電極15cに接続された上部電極41wとを含んでいる。第1容量素子41の上部電極41wは、半導体基板2の法線方向から見たとき、その少なくとも一部が誘電体層41gを介して上部電極42eと重なっている。   As shown in the drawing, the upper electrode 41 w extends to above the upper electrode 42 e of the second capacitor element 42. The first capacitive element 41 is formed from the upper electrode 41w, the upper electrode 42e, and an insulating film (second dielectric layer) 41g sandwiched therebetween. In other words, the first capacitive element 41 is connected to the upper electrode 42e of the second capacitive element 42, the dielectric layer 41g formed on the upper electrode 42e, and the second electrode 15c of the photoelectric conversion unit 15. The upper electrode 41w is included. When viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 2, the upper electrode 41w of the first capacitive element 41 at least partially overlaps the upper electrode 42e via the dielectric layer 41g.

この例では、第1容量素子41と第2容量素子42とは、容量素子を形成するための2つの電極のうちの1つを共有している。なお、誘電体層41gは、層間絶縁層4sの一部であり得る。このように、誘電体層41gは、半導体基板2上に形成された層間絶縁層の一部であってもよいし、層間絶縁層とは異なる別個の絶縁膜(または絶縁層)であってもよい。   In this example, the first capacitive element 41 and the second capacitive element 42 share one of the two electrodes for forming the capacitive element. The dielectric layer 41g can be a part of the interlayer insulating layer 4s. As described above, the dielectric layer 41g may be a part of the interlayer insulating layer formed on the semiconductor substrate 2, or may be a separate insulating film (or insulating layer) different from the interlayer insulating layer. Good.

ここでは、第1容量素子41の上部電極41wは、第2容量素子42の上部電極42eと同様に、ポリシリコンから形成される。ポリシリコンから形成された2つの電極の間に誘電体を挟んだ構造を有する容量素子のCVカーブは、比較的広い電圧範囲においてフラットな部分を有する。光量に応じて電荷蓄積ノード44の電圧が変化することに伴って、第1容量素子41の電極間の電圧は、比較的大きな変動を示す。第1容量素子41を構成する2つの電極をポリシリコンから形成すると、素子サイズの増大を抑制しつつ、フラットなCV特性を有する高精度な容量素子を実現し得るので有益である。また、後述するように、撮像装置の製造工程における工程の数の増大を抑制するという利点も得られる。   Here, the upper electrode 41w of the first capacitive element 41 is made of polysilicon, like the upper electrode 42e of the second capacitive element 42. The CV curve of a capacitive element having a structure in which a dielectric is sandwiched between two electrodes formed of polysilicon has a flat portion in a relatively wide voltage range. As the voltage of the charge storage node 44 changes according to the amount of light, the voltage between the electrodes of the first capacitive element 41 shows a relatively large fluctuation. Forming the two electrodes constituting the first capacitive element 41 from polysilicon is advantageous because it can realize a highly accurate capacitive element having flat CV characteristics while suppressing an increase in the element size. In addition, as will be described later, an advantage of suppressing an increase in the number of processes in the manufacturing process of the imaging device is also obtained.

ここで、図7および図8を参照して、第1の実施形態におけるデバイス構造の他の例を説明する。   Here, another example of the device structure in the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図7は、単位画素セル11における各素子のレイアウトの他の一例を模式的に示す。図8は、図7に示すB−B’線断面を模式的に示す。図7および図8に例示する構成と、図5および図6を参照して説明した構成との相違点は、図7および図8に示す単位画素セル11が、第3容量素子43をさらに有する点である。   FIG. 7 schematically shows another example of the layout of each element in the unit pixel cell 11. FIG. 8 schematically shows a cross section taken along line B-B ′ shown in FIG. 7. The difference between the configuration illustrated in FIGS. 7 and 8 and the configuration described with reference to FIGS. 5 and 6 is that the unit pixel cell 11 illustrated in FIGS. 7 and 8 further includes a third capacitance element 43. Is a point.

図7および図8に示すように、第3容量素子43は、第2容量素子42の上部電極42e上に配置された上部電極43eを含んでいる。図7および図8に例示する構成では、上部電極43eは、第2容量素子42の一部を構成する、半導体基板2の電極領域42cと、コンタクトプラグcp3を介して電気的に接続されている。後述するように、第3容量素子43の上部電極43eは、誘電体層43gを介して第2容量素子42の上部電極42eと対向する。つまり、第3容量素子43と第2容量素子42とは、容量素子を形成するための2つの電極のうちの1つを共有し、かつ、電気的に並列に接続されている。したがって、リセットドレインノード46と感度調整線32との間に接続される容量素子の容量値を増大させることができる(図2参照)。これにより、より効果的にkTCノイズを縮小することが可能である。   As shown in FIGS. 7 and 8, the third capacitive element 43 includes an upper electrode 43 e disposed on the upper electrode 42 e of the second capacitive element 42. In the configuration illustrated in FIGS. 7 and 8, the upper electrode 43e is electrically connected to the electrode region 42c of the semiconductor substrate 2 constituting a part of the second capacitor element 42 via the contact plug cp3. . As will be described later, the upper electrode 43e of the third capacitive element 43 faces the upper electrode 42e of the second capacitive element 42 through the dielectric layer 43g. That is, the third capacitive element 43 and the second capacitive element 42 share one of the two electrodes for forming the capacitive element and are electrically connected in parallel. Therefore, the capacitance value of the capacitive element connected between the reset drain node 46 and the sensitivity adjustment line 32 can be increased (see FIG. 2). Thereby, kTC noise can be reduced more effectively.

(撮像装置101の製造方法)
次に、図9〜図12を参照しながら、撮像装置101の製造方法の一例を説明する。図9〜図11は、図5に示すA−A’線断面図に対応する図である。図12は、図7に示すB−B’線断面図に対応する図である。
(Method for Manufacturing Imaging Device 101)
Next, an example of a method for manufacturing the imaging device 101 will be described with reference to FIGS. 9 to 11 are views corresponding to the cross-sectional view taken along the line AA ′ shown in FIG. 5. FIG. 12 is a view corresponding to the cross-sectional view taken along the line BB ′ shown in FIG.

まず、半導体基板2を用意する。ここでは、P型シリコン基板を用いる。次に、リソグラフィを用いて、パターニングされたレジストのマスクを半導体基板2上に形成する。その後、所定の注入条件のもとでアクセプタ(例えばホウ素(B))をイオン注入することにより、ウェル2wを形成する。   First, the semiconductor substrate 2 is prepared. Here, a P-type silicon substrate is used. Next, a patterned resist mask is formed on the semiconductor substrate 2 using lithography. Thereafter, a well 2w is formed by ion-implanting an acceptor (for example, boron (B)) under predetermined implantation conditions.

次に、リソグラフィを用いて、単位画素セル11に配置すべきトランジスタのチャネル領域を形成するためのレジストマスク(レジストパターン)を形成する。ここでは、単位画素セル11内に、増幅トランジスタ34、第1のリセットトランジスタ36、第2のリセットトランジスタ38およびアドレストランジスタ40の4つのトランジスタを形成する。レジストマスクは、各トランジスタのチャネル領域となるべき部分以外の部分を覆うように形成される。その後、所定の注入条件のもとでアクセプタまたはドナーをイオン注入することにより、各トランジスタのチャネル領域を形成する。図9では、増幅トランジスタ34のチャネル領域34c、第1のリセットトランジスタ36のチャネル領域36cおよび第2のリセットトランジスタ38のチャネル領域38cが図示されている。イオン注入を用いることにより、各トランジスタにおいて所望の閾値電圧を実現し得る。   Next, a resist mask (resist pattern) for forming a channel region of a transistor to be arranged in the unit pixel cell 11 is formed using lithography. Here, four transistors of the amplification transistor 34, the first reset transistor 36, the second reset transistor 38, and the address transistor 40 are formed in the unit pixel cell 11. The resist mask is formed so as to cover a portion other than a portion to be a channel region of each transistor. Thereafter, an acceptor or a donor is ion-implanted under predetermined implantation conditions, thereby forming a channel region of each transistor. In FIG. 9, the channel region 34 c of the amplification transistor 34, the channel region 36 c of the first reset transistor 36, and the channel region 38 c of the second reset transistor 38 are illustrated. By using ion implantation, a desired threshold voltage can be realized in each transistor.

また、ここでは、半導体基板2の所定の領域に開口を有するレジストマスクを使用して、半導体基板2の所定の領域にドナー(例えば砒素(As))をイオン注入する。つまり、この例では、半導体基板2の所定の領域にイオン注入を実行することによって電極領域42cが形成される。   Here, a donor (for example, arsenic (As)) is ion-implanted into a predetermined region of the semiconductor substrate 2 using a resist mask having an opening in the predetermined region of the semiconductor substrate 2. That is, in this example, the electrode region 42 c is formed by performing ion implantation in a predetermined region of the semiconductor substrate 2.

次に、例えばISSG(In Situ Steam Generation)によりゲート酸化を行い、半導体基板2の主面上にゲート酸化物の膜を形成する。典型的には、ゲート酸化物は、二酸化シリコン(SiO2)である。次に、化学的気相堆積(Chemical Vapor Deposition(CVD))により、ゲート電極を形成するための材料をゲート酸化物上に堆積する。ここでは、ゲート酸化物上にポリシリコンの膜を形成する。 Next, gate oxidation is performed by, for example, ISSG (In Situ Steam Generation) to form a gate oxide film on the main surface of the semiconductor substrate 2. Typically, the gate oxide is silicon dioxide (SiO 2 ). Next, a material for forming a gate electrode is deposited on the gate oxide by chemical vapor deposition (CVD). Here, a polysilicon film is formed on the gate oxide.

次に、リソグラフィによりポリシリコン膜の上にレジストマスクを形成し、ドライエッチングを実行することにより、ゲート酸化物の膜およびポリシリコンの膜から、それぞれ、ゲート絶縁膜(ゲート絶縁膜34g、36g、38g)およびゲート電極(ゲート電極34e、36e、36e)を形成する。このとき、半導体基板2のうち、4つのトランジスタのゲート絶縁膜およびゲート電極が形成される領域とは異なる領域の上にも、ゲート酸化物の膜およびポリシリコンの膜の積層体が形成されるようにパターニングを実行する。これにより、半導体基板2の一部上に第1誘電体層42gおよび上部電極42eが順に積層された構造を形成することができる。つまり、4つのトランジスタのゲート絶縁膜およびゲート電極の形成と並行して、MISキャパシタとしての第2容量素子42を形成することができる(図9参照)。このように、本開示の実施形態によれば、工程を増加させることなく、単位画素セル11内に第2容量素子42を形成することが可能である。   Next, a resist mask is formed on the polysilicon film by lithography, and dry etching is performed to form gate insulating films (gate insulating films 34g, 36g, 36g, respectively) from the gate oxide film and the polysilicon film, respectively. 38g) and gate electrodes (gate electrodes 34e, 36e, 36e). At this time, a stacked body of the gate oxide film and the polysilicon film is also formed on the semiconductor substrate 2 on a region different from the region where the gate insulating films and gate electrodes of the four transistors are formed. Patterning is performed as follows. Thereby, a structure in which the first dielectric layer 42g and the upper electrode 42e are sequentially laminated on a part of the semiconductor substrate 2 can be formed. That is, the second capacitor element 42 as the MIS capacitor can be formed in parallel with the formation of the gate insulating films and the gate electrodes of the four transistors (see FIG. 9). As described above, according to the embodiment of the present disclosure, the second capacitor element 42 can be formed in the unit pixel cell 11 without increasing the number of steps.

次に、リソグラフィにより、各トランジスタのソース領域およびドレイン領域となるべき部分を覆うレジストマスクを形成する。その後、所定の注入条件のもとでアクセプタのイオン注入を行うことにより、素子分離領域2sを形成する。このとき、素子分離領域2sを形成するためのアクセプタは、各トランジスタのゲート電極(ゲート電極34e、36e、36e)および第2容量素子42の上部電極42eの直下には直接には打ち込まれない。ここでは、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38の組、増幅トランジスタ34およびアドレストランジスタ40の組、ならびに、第2容量素子42を囲むように素子分離領域2sが形成される(図5参照)。素子分離領域2sの形成後、レジストマスクを除去する。   Next, a resist mask is formed by lithography to cover portions to be the source and drain regions of each transistor. Thereafter, the element isolation region 2s is formed by implanting acceptor ions under predetermined implantation conditions. At this time, the acceptor for forming the element isolation region 2s is not directly driven directly under the gate electrodes (gate electrodes 34e, 36e, 36e) of the respective transistors and the upper electrode 42e of the second capacitor element 42. Here, the element isolation region 2s is formed so as to surround the set of the first reset transistor 36 and the second reset transistor 38, the set of the amplification transistor 34 and the address transistor 40, and the second capacitor element 42 (FIG. 5). After the element isolation region 2s is formed, the resist mask is removed.

次に、リソグラフィにより、各トランジスタのソース領域およびドレイン領域となるべき部分に開口を有するレジストマスクを形成する。その後、所定の注入条件のもとでドナーのイオン注入を行うことにより、ソース/ドレイン拡散層2dを形成する(図9参照)。このとき、単位画素セル11内のトランジスタのゲート電極および/または第2容量素子42の上部電極42eに、いわゆるゲート注入を適用してドナーをイオン注入してもよい。   Next, a resist mask having openings in portions to be the source region and the drain region of each transistor is formed by lithography. Thereafter, donor ions are implanted under predetermined implantation conditions to form the source / drain diffusion layer 2d (see FIG. 9). At this time, the donor may be ion-implanted by applying so-called gate implantation to the gate electrode of the transistor in the unit pixel cell 11 and / or the upper electrode 42 e of the second capacitor element 42.

次に、各トランジスタのゲート電極および第2容量素子42の上部電極42eを構成するポリシリコン層と、半導体基板2とを覆う絶縁膜をCVDによって形成する。典型的には、このとき形成される絶縁膜は、二酸化シリコン膜である。   Next, an insulating film that covers the polysilicon layer constituting the gate electrode of each transistor and the upper electrode 42e of the second capacitor element 42 and the semiconductor substrate 2 is formed by CVD. Typically, the insulating film formed at this time is a silicon dioxide film.

次に、リソグラフィにより、ポリシリコン層および半導体基板2を覆う絶縁膜上に、コンタクトホール形成のためのレジストマスクを形成する。その後、ドライエッチングにより、各トランジスタのゲート電極上およびソース/ドレイン拡散層2d上に、コンタクトホールchgおよびコンタクトホールchsをそれぞれ形成することにより、絶縁層48を形成する(図10参照)。なお、コンタクトホールは、第2容量素子42の上部電極42e上にも形成される。上部電極42e上のコンタクトホールは、上部電極42eをリセットドレインノード46に電気的に接続するために設けられる(図5参照)。   Next, a resist mask for forming contact holes is formed on the insulating film covering the polysilicon layer and the semiconductor substrate 2 by lithography. Thereafter, the contact hole chg and the contact hole chs are respectively formed on the gate electrode and the source / drain diffusion layer 2d of each transistor by dry etching, thereby forming the insulating layer 48 (see FIG. 10). The contact hole is also formed on the upper electrode 42e of the second capacitor element 42. The contact hole on the upper electrode 42e is provided to electrically connect the upper electrode 42e to the reset drain node 46 (see FIG. 5).

次に、絶縁層48に形成されたコンタクトホールchsおよびコンタクトホールchgを介してドナーのイオン注入を行うことにより、各トランジスタのゲート電極およびソース/ドレイン拡散層2dに、比較的高い不純物濃度を有する領域を形成する(図10において不図示)。その後、アニールによって注入された不純物の活性化を行うことにより、比較的高い不純物濃度を有する領域を低抵抗化する。   Next, donor ions are implanted through the contact holes chs and contact holes chg formed in the insulating layer 48, so that the gate electrode and the source / drain diffusion layer 2d of each transistor have a relatively high impurity concentration. Regions are formed (not shown in FIG. 10). Thereafter, the impurity implanted by annealing is activated to lower the resistance of the region having a relatively high impurity concentration.

次に、CVDなどにより、高濃度のN型不純物を含むポリシリコンの膜を絶縁層48上に堆積する。このとき、絶縁層48に設けられたコンタクトホール(コンタクトホールchs、chg)の内部にもポリシリコンを堆積する。   Next, a polysilicon film containing a high concentration N-type impurity is deposited on the insulating layer 48 by CVD or the like. At this time, polysilicon is also deposited inside the contact holes (contact holes chs and chg) provided in the insulating layer 48.

次に、リソグラフィにより、レジストマスクを形成する。レジストマスクの形成後、ドライエッチングにより、絶縁層48上にポリシリコン層を形成するとともに、絶縁層48上のポリシリコン層とソース/ドレイン拡散層2dとを接続するポリシリコンプラグ(ポリシリコンプラグsp1、sp2)、および、絶縁層48上のポリシリコン層と各トランジスタのゲート電極(ゲート電極34e、36e、38e)とを接続するポリシリコンプラグ(ポリシリコンプラグsp3)を形成する。なお、電荷蓄積ノード44(例えば図5参照)の一部を構成するソース/ドレイン拡散層2dとのコンタクトとして、ポリシリコンから形成されたプラグを用いることにより、金属プラグを用いたときのような金属/半導体界面に起因する結晶欠陥の影響を回避し得るので、暗電流を抑制するという利点が得られる。その後、絶縁層48上のポリシリコン層表面をシリサイド化によって低抵抗化し、導電層としてのポリシリコン層s1を形成する(図11参照)。   Next, a resist mask is formed by lithography. After the formation of the resist mask, a polysilicon layer is formed on the insulating layer 48 by dry etching, and a polysilicon plug (polysilicon plug sp1) that connects the polysilicon layer on the insulating layer 48 and the source / drain diffusion layer 2d. , Sp2), and a polysilicon plug (polysilicon plug sp3) for connecting the polysilicon layer on the insulating layer 48 and the gate electrode (gate electrode 34e, 36e, 38e) of each transistor. Note that a plug formed of polysilicon is used as a contact with the source / drain diffusion layer 2d constituting a part of the charge storage node 44 (for example, see FIG. 5), as in the case of using a metal plug. Since the influence of crystal defects due to the metal / semiconductor interface can be avoided, the advantage of suppressing dark current can be obtained. Thereafter, the resistance of the surface of the polysilicon layer on the insulating layer 48 is reduced by silicidation to form a polysilicon layer s1 as a conductive layer (see FIG. 11).

このとき、ポリシリコンのパターニングによって、第1のリセットトランジスタ36のソースまたはドレインと、増幅トランジスタ34のゲート電極34eとを接続する導電部(ポリシリコン配線)を形成する。パターニングは、この導電部の少なくとも一部が、絶縁層48を介して第2容量素子42の上部電極42eに重なるように行う。これにより、絶縁膜が2つのポリシリコン層に挟まれた構造を有する第1容量素子41を形成することができる。上記から明らかなように、第1容量素子41の上部電極41wは、ポリシリコン層s1の一部であり得る。また、第1容量素子41が有する第2誘電体層41gは、絶縁層48の一部であり得る。本開示の第1の実施形態によれば、工程を増加させることなく、単位画素セル11内に第1容量素子41を形成することが可能である。   At this time, a conductive portion (polysilicon wiring) that connects the source or drain of the first reset transistor 36 and the gate electrode 34e of the amplification transistor 34 is formed by patterning polysilicon. The patterning is performed so that at least a part of the conductive portion overlaps the upper electrode 42e of the second capacitor element 42 with the insulating layer 48 interposed therebetween. Thus, the first capacitor element 41 having a structure in which the insulating film is sandwiched between the two polysilicon layers can be formed. As is apparent from the above, the upper electrode 41w of the first capacitor element 41 can be a part of the polysilicon layer s1. Further, the second dielectric layer 41 g included in the first capacitor element 41 may be a part of the insulating layer 48. According to the first embodiment of the present disclosure, the first capacitor element 41 can be formed in the unit pixel cell 11 without increasing the number of steps.

また、図12に示すように、第2容量素子42の上部電極42eに重なる位置に、上部電極41wとは別の導電部を形成するようにポリシリコンのパターニングを実行してもよい。この導電部と、半導体基板2の電極領域42cとを電気的に接続することにより、この導電部を第3容量素子43の上部電極43eとして機能させ得る。第3容量素子43が有する誘電体層43gは、第1容量素子41が有する第2誘電体層41gと同様に、絶縁層48の一部であり得る。このように、本開示の実施形態によれば、専用の工程を付加することなく、比較的広い電圧範囲においてフラットなCV特性を示す第3容量素子43を、単位画素セル11内に形成することが可能である。また、画素サイズの拡大を抑制しながら、第2容量素子42および第3容量素子43の合成容量を増大することができる。   Further, as shown in FIG. 12, polysilicon patterning may be performed so that a conductive portion different from the upper electrode 41 w is formed at a position overlapping the upper electrode 42 e of the second capacitor element 42. By electrically connecting this conductive portion and the electrode region 42 c of the semiconductor substrate 2, this conductive portion can function as the upper electrode 43 e of the third capacitor element 43. The dielectric layer 43g included in the third capacitor element 43 may be a part of the insulating layer 48, similarly to the second dielectric layer 41g included in the first capacitor element 41. As described above, according to the embodiment of the present disclosure, the third capacitor element 43 that exhibits flat CV characteristics in a relatively wide voltage range is formed in the unit pixel cell 11 without adding a dedicated process. Is possible. In addition, the combined capacitance of the second capacitor element 42 and the third capacitor element 43 can be increased while suppressing an increase in pixel size.

ポリシリコン層s1の形成後、層間絶縁層4s、配線層6sと上部電極41wとの間の接続のためのコンタクトプラグcpa、配線層6s、層間絶縁層4a、ビアva、配線層6a、層間絶縁層4b、ビアvb、配線層6b、層間絶縁層4cおよびビアvcを順次形成する。なお、層間絶縁層の数などは、任意に設定可能であり、4層である必要はない。層間絶縁層4c上に光電変換部15を形成することにより、図6または図8に示す単位画素セル11が得られる。   After the formation of the polysilicon layer s1, the interlayer insulating layer 4s, the contact plug cpa for connection between the wiring layer 6s and the upper electrode 41w, the wiring layer 6s, the interlayer insulating layer 4a, the via va, the wiring layer 6a, the interlayer insulation The layer 4b, the via vb, the wiring layer 6b, the interlayer insulating layer 4c, and the via vc are sequentially formed. Note that the number of interlayer insulating layers and the like can be arbitrarily set, and need not be four layers. By forming the photoelectric conversion portion 15 on the interlayer insulating layer 4c, the unit pixel cell 11 shown in FIG. 6 or FIG. 8 is obtained.

以上に説明したように、撮像装置101は、公知の半導体製造技術を用いて製造することが可能である。このようにして得られた撮像装置101と、光電変換膜15bの受光面15h上に被写体の像を結像させる光学系とにより、カメラシステムを構成できる。光電変換部15の第1電極15a上に、保護膜、カラーフィルタおよびレンズ(マイクロレンズ)などをさらに形成してもよい。   As described above, the imaging device 101 can be manufactured using a known semiconductor manufacturing technique. A camera system can be configured by the imaging device 101 obtained in this way and the optical system that forms an image of a subject on the light receiving surface 15h of the photoelectric conversion film 15b. A protective film, a color filter, a lens (microlens), and the like may be further formed on the first electrode 15a of the photoelectric conversion unit 15.

(第1の実施形態の変形例)
図13を参照しながら、本開示の第1の実施形態による撮像装置の変形例を説明する。
(Modification of the first embodiment)
A modification of the imaging device according to the first embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG.

図13は、第1の実施形態の撮像装置における単位画素セル12の、例示的な回路構成を模式的に示す。図13に例示する構成と、図2に例示する構成との相違点は、第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインのうち、第2電極15c(電荷蓄積ノード44)に接続されていない側が、リセットドレインノード46ではなくフィードバック線25に接続されている点である。   FIG. 13 schematically illustrates an exemplary circuit configuration of the unit pixel cell 12 in the imaging device according to the first embodiment. The difference between the configuration illustrated in FIG. 13 and the configuration illustrated in FIG. 2 is that the side of the source and drain of the first reset transistor 36 that is not connected to the second electrode 15c (charge storage node 44) The point is that it is connected to the feedback line 25 instead of the reset drain node 46.

図13に例示する構成においては、図3および図4を参照して説明した、第1のモードと第2のモードの切り替えは行えない。しかしながら、第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインのうち、電荷蓄積ノード44に接続されていない側をフィードバック線25に直接に接続するので、第1のリセットトランジスタ36の駆動力を確保するための不純物プロファイルの設計の自由度が向上するという利点が得られる。なお、図13に例示する構成における、各トランジスタの動作タイミングは、上述の第1のモードと同様である。   In the configuration illustrated in FIG. 13, switching between the first mode and the second mode described with reference to FIGS. 3 and 4 cannot be performed. However, since the source and drain of the first reset transistor 36 that are not connected to the charge storage node 44 are directly connected to the feedback line 25, the driving force of the first reset transistor 36 is ensured. There is an advantage that the degree of freedom in designing the impurity profile is improved. Note that the operation timing of each transistor in the configuration illustrated in FIG. 13 is the same as that in the first mode.

図2を参照して説明した構成では、第1容量素子41の電極のうちの一方が、第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインのうちの一方に直接に接続されており、かつ、第1容量素子41の電極のうちの他方が、第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインのうちの他方に直接に接続されている。しかしながら、図13に示すように、第1のリセットトランジスタ36は、第1容量素子41と必ずしも並列接続でなくてもよい。   In the configuration described with reference to FIG. 2, one of the electrodes of the first capacitive element 41 is directly connected to one of the source and the drain of the first reset transistor 36, and the first The other of the electrodes of the capacitive element 41 is directly connected to the other of the source and drain of the first reset transistor 36. However, as shown in FIG. 13, the first reset transistor 36 is not necessarily connected in parallel with the first capacitor element 41.

図13に示す単位画素セル12における各素子のレイアウトおよびデバイス構造は、図5および図7を参照して説明したレイアウト、ならびに、図6および図8を参照して説明したデバイス構造とほぼ同様であるので、説明を省略する。図13に示す単位画素セル12の製造方法も、図9〜図12を参照して説明した製造方法と同様であり得る。   The layout and device structure of each element in the unit pixel cell 12 shown in FIG. 13 are substantially the same as the layout described with reference to FIGS. 5 and 7 and the device structure described with reference to FIGS. Since there is, description is abbreviate | omitted. The manufacturing method of the unit pixel cell 12 shown in FIG. 13 may be the same as the manufacturing method described with reference to FIGS.

(第2の実施形態)
図14は、第2の実施形態に係る撮像装置における単位画素セル13の、例示的な回路構成を模式的に示す。図14に例示するように、第2の実施形態の撮像装置は、単位画素セル13の各列に反転増幅器24(図2および図13参照)の代わりに切替回路50が設けられている点で、第1の実施形態の撮像装置101と異なる。このため、第2の実施形態に係る撮像装置の各列を構成している複数の単位画素セル13において、フィードバック線25は、単位画素セル13間を接続していない。
(Second Embodiment)
FIG. 14 schematically illustrates an exemplary circuit configuration of the unit pixel cell 13 in the imaging apparatus according to the second embodiment. As illustrated in FIG. 14, the imaging apparatus according to the second embodiment is provided with a switching circuit 50 instead of the inverting amplifier 24 (see FIGS. 2 and 13) in each column of the unit pixel cells 13. This is different from the imaging device 101 of the first embodiment. For this reason, in the plurality of unit pixel cells 13 constituting each column of the imaging device according to the second embodiment, the feedback line 25 does not connect the unit pixel cells 13.

各単位画素セル13において、フィードバック線25は、第2のリセットトランジスタ38のソースまたはドレインのうち、リセットドレインノード46に接続されていない側と接続されている。アドレストランジスタ40は、増幅トランジスタ34のソースまたはドレインの一方とフィードバック線25との間に設けられている。アドレストランジスタ40のフィードバック線25に接続されたソースまたはドレインは、垂直信号線18に接続されている。以下、第1の実施形態の撮像装置101と異なる点を主として説明する。   In each unit pixel cell 13, the feedback line 25 is connected to the source or drain of the second reset transistor 38 that is not connected to the reset drain node 46. The address transistor 40 is provided between one of the source and drain of the amplification transistor 34 and the feedback line 25. The source or drain connected to the feedback line 25 of the address transistor 40 is connected to the vertical signal line 18. Hereinafter, differences from the imaging apparatus 101 of the first embodiment will be mainly described.

切替回路50は、電源配線22に並列に接続されたスイッチ素子51、51’と、垂直信号線18に並列に接続されたスイッチ素子52’、52とを含む。スイッチ素子51、51’はそれぞれ、電源電圧(AVDD)および基準電位(AVSS)に接続される。また、スイッチ素子52’、52はそれぞれ、定電流源27’、27を介して、電源電圧(AVDD)および基準電位(AVSS)に接続される。   The switching circuit 50 includes switch elements 51 and 51 ′ connected in parallel to the power supply wiring 22 and switch elements 52 ′ and 52 connected in parallel to the vertical signal line 18. The switch elements 51 and 51 'are connected to a power supply voltage (AVDD) and a reference potential (AVSS), respectively. The switch elements 52 'and 52 are connected to the power supply voltage (AVDD) and the reference potential (AVSS) via the constant current sources 27' and 27, respectively.

単位画素セル13において、信号読み出し時には、アドレストランジスタ40のゲートにアドレス信号線30を介して電圧を印加することによって各列の単位画素セル13の1つを選択する。また、切替回路50のスイッチ素子51およびスイッチ素子52をオンにすることによって、例えば、増幅トランジスタ34からアドレストランジスタ40へ向かう向きに定電流源27から電流が流れ、増幅トランジスタ34で増幅された電荷蓄積ノード44の電位が検出される。   In the unit pixel cell 13, when reading a signal, one of the unit pixel cells 13 in each column is selected by applying a voltage to the gate of the address transistor 40 via the address signal line 30. Further, by turning on the switch element 51 and the switch element 52 of the switching circuit 50, for example, a current flows from the constant current source 27 in the direction from the amplification transistor 34 to the address transistor 40, and the charge amplified by the amplification transistor 34 The potential of storage node 44 is detected.

一方、リセット動作には、切替回路50のスイッチ素子51’およびスイッチ素子52’をオンにすることによって、アドレストランジスタ40および増幅トランジスタ34には信号読み出し時とは逆向きの電流が流れる。これにより増幅トランジスタ34、アドレストランジスタ40、フィードバック線25、第2のリセットトランジスタ38および第1のリセットトランジスタ36を含むフィードバック回路FCが構成される。この時、アドレストランジスタ40および増幅トランジスタ34がカスコード接続されているため、大きなゲインを得ることができる。そのため、フィードバック回路FCは、大きな利得でノイズキャンセルを行うことができる。   On the other hand, in the reset operation, by turning on the switch element 51 ′ and the switch element 52 ′ of the switching circuit 50, a current in the direction opposite to that at the time of signal reading flows through the address transistor 40 and the amplification transistor 34. Thus, a feedback circuit FC including the amplification transistor 34, the address transistor 40, the feedback line 25, the second reset transistor 38, and the first reset transistor 36 is configured. At this time, since the address transistor 40 and the amplification transistor 34 are cascode-connected, a large gain can be obtained. Therefore, the feedback circuit FC can perform noise cancellation with a large gain.

本実施形態の撮像装置は、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38を制御することによって、第1の実施形態の撮像装置と同様、比較的高い感度で撮像が可能な第1のモード、および、比較的低い感度で撮像が可能な第2のモードで動作させることができる。また、本実施形態の撮像装置は、第1の実施形態と同様に、kTCノイズを低減することが可能である。   The image pickup apparatus according to the present embodiment controls the first reset transistor 36 and the second reset transistor 38, so that the first image which can be picked up with a relatively high sensitivity, like the image pickup apparatus according to the first embodiment. It is possible to operate in the mode and the second mode in which imaging can be performed with relatively low sensitivity. In addition, the imaging apparatus of the present embodiment can reduce kTC noise as in the first embodiment.

また、本実施形態の撮像装置によれば、反転増幅器24を備えておらず、アドレストランジスタ40および増幅トランジスタ34は、信号検出回路SCと、フィードバック回路FCのアンプとを兼ねている。このため、撮像装置の回路を構成する面積を小さくすることができる。また、撮像装置の消費電力を低減することができる。さらに、カスコード接続によって大きなゲインを得ることができるため、第1容量素子41および第2容量素子42の容量が小さい場合でも、kTCノイズを低減することが可能となる。   Further, according to the imaging apparatus of the present embodiment, the inverting amplifier 24 is not provided, and the address transistor 40 and the amplification transistor 34 serve as the signal detection circuit SC and the amplifier of the feedback circuit FC. For this reason, the area which comprises the circuit of an imaging device can be made small. In addition, power consumption of the imaging device can be reduced. Furthermore, since a large gain can be obtained by cascode connection, kTC noise can be reduced even when the capacitances of the first capacitive element 41 and the second capacitive element 42 are small.

図14に示す単位画素セル13における各素子のレイアウトは、図5および図7を参照して説明した、単位画素セル11におけるレイアウトとほぼ同様であり得る。また、単位画素セル13における各素子のデバイス構造は、図6および図8を参照して説明した、単位画素セル11におけるデバイス構造とほぼ同様であり得る。したがって、単位画素セル13における各素子のレイアウトおよびデバイス構造の説明を省略する。単位画素セル13の製造方法は、図9〜図12を参照して説明した、単位画素セル11の製造方法と同様であり得る。したがって、単位画素セル13の製造方法の説明を省略する。   The layout of each element in the unit pixel cell 13 shown in FIG. 14 can be substantially the same as the layout in the unit pixel cell 11 described with reference to FIGS. Further, the device structure of each element in the unit pixel cell 13 may be substantially the same as the device structure in the unit pixel cell 11 described with reference to FIGS. 6 and 8. Therefore, the description of the layout and device structure of each element in the unit pixel cell 13 is omitted. The manufacturing method of the unit pixel cell 13 may be the same as the manufacturing method of the unit pixel cell 11 described with reference to FIGS. Therefore, description of the manufacturing method of the unit pixel cell 13 is omitted.

(第3の実施形態)
図15は、第3の実施形態に係る撮像装置における、単位画素セル14の、例示的な回路構成を示す。第2の実施形態と同様、第3の実施形態の撮像装置は、単位画素セル14の各列に、反転増幅器24(図2および図13参照)に代えて切替回路50’が設けられている点で、第1の実施形態の撮像装置101と異なる。また各列を構成している複数の単位画素セル14において、フィードバック線25は、単位画素セル14間を接続していない。
(Third embodiment)
FIG. 15 illustrates an exemplary circuit configuration of the unit pixel cell 14 in the imaging apparatus according to the third embodiment. Similar to the second embodiment, the imaging device of the third embodiment is provided with a switching circuit 50 ′ in each column of the unit pixel cells 14 instead of the inverting amplifier 24 (see FIGS. 2 and 13). This is different from the imaging device 101 of the first embodiment. In the plurality of unit pixel cells 14 constituting each column, the feedback line 25 does not connect the unit pixel cells 14.

各単位画素セル14において、フィードバック線25は、第2のリセットトランジスタ38のソースまたはドレインのうち、リセットドレインノード46に接続されていない側と接続されている。アドレストランジスタ40のソースまたはドレインの一方は、垂直信号線18を介して定電流源27に接続されている。アドレストランジスタ40のソースまたはドレインの他方は、フィードバック線25および増幅トランジスタ34のソースまたはドレインの一方と接続されている。増幅トランジスタ34のソースまたはドレインの他方は、電源配線22を介して切替回路50’に接続されている。   In each unit pixel cell 14, the feedback line 25 is connected to the source or drain of the second reset transistor 38 that is not connected to the reset drain node 46. One of the source and the drain of the address transistor 40 is connected to the constant current source 27 through the vertical signal line 18. The other of the source or drain of the address transistor 40 is connected to one of the feedback line 25 and the source or drain of the amplification transistor 34. The other of the source and drain of the amplification transistor 34 is connected to the switching circuit 50 ′ via the power supply wiring 22.

切替回路50’は、並列に接続されたスイッチ素子51、51’を含み、スイッチ素子51、51’はそれぞれ、電源電圧(AVDD)および基準電位(AVSS)に接続される。   The switching circuit 50 ′ includes switch elements 51 and 51 ′ connected in parallel, and the switch elements 51 and 51 ′ are connected to a power supply voltage (AVDD) and a reference potential (AVSS), respectively.

本実施形態の撮像装置も第1の実施形態の撮像装置101と同様、比較的高い感度で撮像が可能な第1のモード、および、比較的低い感度で撮像が可能な第2のモードで動作させることができる。   Similar to the imaging apparatus 101 of the first embodiment, the imaging apparatus of the present embodiment also operates in the first mode in which imaging can be performed with a relatively high sensitivity and the second mode in which imaging can be performed with a relatively low sensitivity. Can be made.

図16は、第1のモードにおけるトランジスタの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。図16において、ADD、RST1およびRST2は、それぞれ、アドレストランジスタ40のゲート電圧、第1のリセットトランジスタ36のゲート電圧および第2のリセットトランジスタ38のゲート電圧の変化の一例を模式的に示す。図16に示す例では、時刻t0において、アドレストランジスタ40、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38は、いずれもOFFである。簡単のため、以下では、電子シャッタの動作の説明を省略する。   FIG. 16 is a timing chart for explaining an example of the operation of the transistor in the first mode. In FIG. 16, ADD, RST1, and RST2 schematically show examples of changes in the gate voltage of the address transistor 40, the gate voltage of the first reset transistor 36, and the gate voltage of the second reset transistor 38, respectively. In the example shown in FIG. 16, the address transistor 40, the first reset transistor 36, and the second reset transistor 38 are all OFF at time t0. For simplicity, description of the operation of the electronic shutter is omitted below.

まず、アドレス信号線30の電位を制御することにより、アドレストランジスタ40をONにする(時刻t1)。このとき、電荷蓄積ノード44に蓄積されている信号電荷の読み出しを行う。   First, the address transistor 40 is turned on by controlling the potential of the address signal line 30 (time t1). At this time, the signal charge stored in the charge storage node 44 is read.

次に、アドレストランジスタ40をOFFにする(時刻t1’)。その後、リセット信号線26およびフィードバック制御線28の電位を制御することにより、第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38をONにする(時刻t2)。また、切替回路50’を制御し、増幅トランジスタ34のソースおよびドレインの一方に基準電位(AVSS)を印加する。この時アドレストランジスタ40はOFFのままである。これにより、単位画素セル14内において、電荷蓄積ノード44とフィードバック線25とが第1のリセットトランジスタ36および第2のリセットトランジスタ38を介して接続され、増幅トランジスタ34を含む信号検出回路SCの出力を負帰還させるフィードバック回路FCが形成される。   Next, the address transistor 40 is turned off (time t1 '). Thereafter, by controlling the potentials of the reset signal line 26 and the feedback control line 28, the first reset transistor 36 and the second reset transistor 38 are turned on (time t2). Further, the switching circuit 50 ′ is controlled to apply the reference potential (AVSS) to one of the source and the drain of the amplification transistor 34. At this time, the address transistor 40 remains OFF. Thereby, in the unit pixel cell 14, the charge storage node 44 and the feedback line 25 are connected via the first reset transistor 36 and the second reset transistor 38, and the output of the signal detection circuit SC including the amplification transistor 34. Is formed as a feedback circuit FC.

時刻t3において、第1のリセットトランジスタ36をOFFにする(時刻t3)。時刻t3において第1のリセットトランジスタ36をOFFにすることによりkTCノイズが発生する。そのため、リセット後における電荷蓄積ノード44の電圧にkTCノイズが加わる。第1のリセットトランジスタ36をOFFにすることによって生じたkTCノイズは、フィードバック回路FCの利得をAとすると、1/(1+A)の大きさまでキャンセルされる。第2のリセットトランジスタ38の動作帯域が、広帯域である第1の帯域となるようにフィードバック制御線28の電位を設定することにより、ノイズを高速に抑制できる。   At time t3, the first reset transistor 36 is turned off (time t3). By turning off the first reset transistor 36 at time t3, kTC noise is generated. Therefore, kTC noise is added to the voltage of the charge storage node 44 after reset. The kTC noise generated by turning off the first reset transistor 36 is canceled to 1 / (1 + A), where A is the gain of the feedback circuit FC. By setting the potential of the feedback control line 28 so that the operation band of the second reset transistor 38 becomes the first band which is a wide band, noise can be suppressed at high speed.

続いて、時刻t3’において、フィードバック制御線28の電位をハイレベルとローレベルの中間の電位に設定する。これにより、第2のリセットトランジスタ38の動作帯域は第1の帯域よりも狭い第2の帯域となる。   Subsequently, at time t3 ', the potential of the feedback control line 28 is set to an intermediate potential between the high level and the low level. As a result, the operating band of the second reset transistor 38 becomes a second band narrower than the first band.

ここで、時刻t4において、第2のリセットトランジスタ38をOFFにすることによりkTCノイズが発生する。そのため、リセット後における電荷蓄積ノード44の電圧にkTCノイズがさらに加わる。生じたkTCノイズは、第2の帯域が増幅トランジスタ34の動作帯域よりも低い状態においては、フィードバック回路FCにより抑制され、1/(1+A)1/2の大きさまでキャンセルされる。 Here, at the time t4, the kTC noise is generated by turning off the second reset transistor 38. Therefore, kTC noise is further added to the voltage of the charge storage node 44 after reset. The generated kTC noise is suppressed by the feedback circuit FC in a state where the second band is lower than the operating band of the amplification transistor 34, and is canceled to a magnitude of 1 / (1 + A) 1/2 .

続いて、時刻t5において、アドレストランジスタ40をONにする。また、切替回路50’を制御し、増幅トランジスタ34のソースおよびドレインの一方を電源電圧(AVDD)に接続させる。これによって、例えば、増幅トランジスタ34からアドレストランジスタ40へ向かう向きに定電流源27から電流が流れ、増幅トランジスタ34で増幅された、電荷蓄積ノード44の電位が検出される。検出された電位は垂直信号線18を介して定電流源27(カラム信号処理回路20、図1参照)に出力される。図16中、露光の期間を矢印Expにより模式的に示す。露光の期間において所定のタイミングで、kTCノイズがキャンセルされたリセット電圧の読み出しを行う(時刻t5’)。なお、リセット電圧の読み出しに要する時間は短時間であるので、アドレストランジスタ40のON状態が継続したままでリセット電圧の読み出しが実行されても構わない。   Subsequently, at time t5, the address transistor 40 is turned on. Further, the switching circuit 50 ′ is controlled to connect one of the source and the drain of the amplification transistor 34 to the power supply voltage (AVDD). Thereby, for example, a current flows from the constant current source 27 in the direction from the amplification transistor 34 to the address transistor 40, and the potential of the charge storage node 44 amplified by the amplification transistor 34 is detected. The detected potential is output to the constant current source 27 (column signal processing circuit 20, see FIG. 1) via the vertical signal line 18. In FIG. 16, the exposure period is schematically indicated by an arrow Exp. The reset voltage from which the kTC noise has been canceled is read at a predetermined timing during the exposure period (time t5 '). Since the time required for reading the reset voltage is a short time, the reset voltage may be read while the ON state of the address transistor 40 continues.

時刻t1と時刻t1’の間において読み出された信号と、時刻t5’において読み出された信号との差分をとることにより、固定ノイズを除去した信号が得られる。このようにして、kTCノイズおよび固定ノイズが除去された信号が得られる。   By taking the difference between the signal read between time t1 and time t1 'and the signal read at time t5', a signal from which fixed noise has been removed is obtained. In this way, a signal from which kTC noise and fixed noise are removed is obtained.

図17は、比較的低い感度で撮像が可能な第2のモードにおけるトランジスタの動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。第1の実施形態で説明したように、第1のリセットトランジスタ36が常にONであることを除いて、第1のモードと同様に駆動され、各単位画素セル14内でフィードバック回路により、kTCノイズが抑制される。   FIG. 17 is a timing chart for explaining an example of the operation of the transistor in the second mode in which imaging can be performed with relatively low sensitivity. As described in the first embodiment, except that the first reset transistor 36 is always ON, it is driven in the same manner as in the first mode, and kTC noise is generated by the feedback circuit in each unit pixel cell 14. Is suppressed.

本実施形態の撮像装置も第1の実施形態と同様、第1のリセットトランジスタ36は、電荷蓄積ノード44をリセットするリセットトランジスタの機能と、第1のモードおよび第2のモードを切り替えるためのスイッチの機能とを兼ねている。また、第2容量素子42は、第1のモードにおけるkTCノイズ縮小の機能と、信号電荷の蓄積領域全体の容量増大の機能とを兼ねている。本実施形態によれば、画素内の素子数の増加を抑制しながら、簡易な構成でダイナミックレンジを拡大することが可能である。このことは、画素の微細化において特に有益である。   Similarly to the first embodiment, the imaging device of the present embodiment also includes a function of a reset transistor that resets the charge storage node 44 and a switch for switching between the first mode and the second mode. It also serves as a function. The second capacitive element 42 has both a function of reducing the kTC noise in the first mode and a function of increasing the capacity of the entire signal charge accumulation region. According to the present embodiment, it is possible to expand the dynamic range with a simple configuration while suppressing an increase in the number of elements in the pixel. This is particularly beneficial in pixel miniaturization.

(第3の実施形態の変形例)
図18は、第3の実施形態の変形例に係る撮像装置における単位画素セル14aの、例示的な回路構成を模式的に示す。図18に示すように、この例においても、反転増幅器24(図2および図13参照)が省略されており、フィードバック線25は、第2のリセットトランジスタ38のソースまたはドレインのうち、リセットドレインノード46に接続されていない側と、増幅トランジスタ34のソースまたはドレインとを接続している。図18に例示する構成では、増幅トランジスタ34の出力がリセットにおける基準電圧として利用される。
(Modification of the third embodiment)
FIG. 18 schematically illustrates an exemplary circuit configuration of a unit pixel cell 14a in an imaging apparatus according to a modification of the third embodiment. As shown in FIG. 18, also in this example, the inverting amplifier 24 (see FIGS. 2 and 13) is omitted, and the feedback line 25 is a reset drain node of the source or drain of the second reset transistor 38. The side not connected to 46 and the source or drain of the amplification transistor 34 are connected. In the configuration illustrated in FIG. 18, the output of the amplification transistor 34 is used as a reference voltage at reset.

図示する構成において、電源配線22には、電圧切替回路54が接続されている。電圧切替回路54は、第1スイッチ53aおよび第2スイッチ53bの組を有する。電圧切替回路54は、電源配線22に対して第1の電圧Va1および第2の電圧Va2のいずれを供給するかを切り替える。第1の電圧Va1は、例えば0V(接地)であり、第2の電圧Va2は、例えば電源電圧である。電圧切替回路54は、画素毎に設けられてもよいし、複数の画素間で共有されてもよい。   In the illustrated configuration, a voltage switching circuit 54 is connected to the power supply wiring 22. The voltage switching circuit 54 has a set of a first switch 53a and a second switch 53b. The voltage switching circuit 54 switches whether to supply the first voltage Va1 or the second voltage Va2 to the power supply wiring 22. The first voltage Va1 is, for example, 0V (ground), and the second voltage Va2 is, for example, a power supply voltage. The voltage switching circuit 54 may be provided for each pixel or may be shared among a plurality of pixels.

このような回路構成によっても、第1の実施形態と同様に、kTCノイズを縮小し得る。   Even with such a circuit configuration, the kTC noise can be reduced as in the first embodiment.

図19は、第3の実施形態の他の変形例に係る撮像装置における単位画素セル14bの、例示的な回路構成を模式的に示す。図19に例示する構成では、図13を参照して説明した回路構成と同様に、第1のリセットトランジスタ36のソースおよびドレインのうち、電荷蓄積ノード44に接続されていない側が、リセットドレインノード46ではなくフィードバック線25に接続されている。このような回路構成によっても、第1の実施形態と同様に、kTCノイズを縮小し得る。   FIG. 19 schematically illustrates an exemplary circuit configuration of a unit pixel cell 14b in an imaging apparatus according to another modification of the third embodiment. In the configuration illustrated in FIG. 19, as in the circuit configuration described with reference to FIG. 13, the side that is not connected to the charge storage node 44 among the source and drain of the first reset transistor 36 is the reset drain node 46. Instead, it is connected to the feedback line 25. Even with such a circuit configuration, the kTC noise can be reduced as in the first embodiment.

図15に示す単位画素セル14、図18に示す単位画素セル14aおよび図19に示す単位画素セル14bにおける各素子のレイアウトは、図5および図7を参照して説明した、単位画素セル11におけるレイアウトとほぼ同様であり得る。また、単位画素セル14、14aおよび14bにおける各素子のデバイス構造は、図6および図8を参照して説明した、単位画素セル11におけるデバイス構造とほぼ同様であり得る。したがって、単位画素セル14、14aおよび14bにおける各素子のレイアウトおよびデバイス構造の説明を省略する。図15に示す単位画素セル14、図18に示す単位画素セル14aおよび図19に示す単位画素セル14bの製造方法は、図9〜図12を参照して説明した、単位画素セル11の製造方法と同様であり得る。したがって、単位画素セル14、14aおよび14bの製造方法の説明を省略する。   The layout of each element in the unit pixel cell 14 shown in FIG. 15, the unit pixel cell 14a shown in FIG. 18, and the unit pixel cell 14b shown in FIG. 19 is the same as that in the unit pixel cell 11 described with reference to FIGS. It can be almost similar to the layout. Further, the device structure of each element in the unit pixel cells 14, 14a and 14b may be substantially the same as the device structure in the unit pixel cell 11 described with reference to FIGS. Therefore, description of the layout and device structure of each element in the unit pixel cells 14, 14a and 14b is omitted. The unit pixel cell 14 shown in FIG. 15, the unit pixel cell 14a shown in FIG. 18, and the unit pixel cell 14b shown in FIG. 19 are manufactured by the method of manufacturing the unit pixel cell 11 described with reference to FIGS. Can be similar. Therefore, description of the manufacturing method of the unit pixel cells 14, 14a and 14b is omitted.

(第4の実施形態)
上述の実施形態では、半導体基板2に電極領域42cを設け、いわゆるMISキャパシタとして第2容量素子42を形成している。しかしながら、信号検出回路SCにおける高容量の容量素子の構成は、上述した例に限定されない。以下に説明するように、金属または金属化合物から形成された2つの電極の間に誘電体が挟まれた構造を有する容量素子を、半導体基板2と光電変換部15との間に設けられた層間絶縁層内に配置してもよい。以下では、金属または金属化合物から形成された2つの電極の間に誘電体が挟まれた構造を「MIM(Metal−Insulator−Metal)構造」と呼ぶことがある。半導体基板2と光電変換部15との間の層間絶縁層内に配置される容量素子を、いわゆるMIM構造を有する容量素子として形成することにより、より大きな容量値を得やすい。以下に説明するデバイス構造は、上述の第1〜第3の実施形態のいずれにも適用可能である。
(Fourth embodiment)
In the above-described embodiment, the electrode region 42c is provided on the semiconductor substrate 2, and the second capacitor element 42 is formed as a so-called MIS capacitor. However, the configuration of the high-capacitance capacitive element in the signal detection circuit SC is not limited to the above-described example. As will be described below, a capacitive element having a structure in which a dielectric is sandwiched between two electrodes formed of a metal or a metal compound is provided between the semiconductor substrate 2 and the photoelectric conversion unit 15. You may arrange | position in an insulating layer. Hereinafter, a structure in which a dielectric is sandwiched between two electrodes formed of a metal or a metal compound may be referred to as a “MIM (Metal-Insulator-Metal) structure”. By forming the capacitive element disposed in the interlayer insulating layer between the semiconductor substrate 2 and the photoelectric conversion unit 15 as a capacitive element having a so-called MIM structure, a larger capacitance value can be easily obtained. The device structure described below is applicable to any of the first to third embodiments described above.

図20は、単位画素セルのデバイス構造の他の一例を模式的に示す。なお、図20に示す単位画素セル60Aにおける、半導体基板2上の各素子のレイアウトは、図5に例示する、単位画素セル11におけるレイアウトと同様であり得る。図20は、図5に示すC−C’線断面図に対応する図である。   FIG. 20 schematically shows another example of the device structure of the unit pixel cell. Note that the layout of each element on the semiconductor substrate 2 in the unit pixel cell 60A shown in FIG. 20 may be the same as the layout in the unit pixel cell 11 illustrated in FIG. 20 is a diagram corresponding to the cross-sectional view taken along the line C-C ′ illustrated in FIG. 5.

図20に示す単位画素セル60Aは、半導体基板2と第2電極15cとの間に配置された容量素子62を有する。容量素子62は、上部電極62uと、下部電極62bと、上部電極62uおよび下部電極62bの間に配置された誘電体層62dとを含む。図示するように、下部電極62bは、上部電極62uよりも第2電極15cから遠くに(つまり、上部電極62uよりも半導体基板2の近くに)配置されている。なお、本明細書における「上部」および「下部」の用語は、部材間の相対的な配置を示すために用いられており、本開示の撮像装置の姿勢を限定する意図ではない。   A unit pixel cell 60A illustrated in FIG. 20 includes a capacitive element 62 disposed between the semiconductor substrate 2 and the second electrode 15c. The capacitive element 62 includes an upper electrode 62u, a lower electrode 62b, and a dielectric layer 62d disposed between the upper electrode 62u and the lower electrode 62b. As illustrated, the lower electrode 62b is arranged farther from the second electrode 15c than the upper electrode 62u (that is, closer to the semiconductor substrate 2 than the upper electrode 62u). Note that the terms “upper” and “lower” in the present specification are used to indicate the relative arrangement between members, and are not intended to limit the posture of the imaging device of the present disclosure.

ここでは、層間絶縁層4c上に下部電極62bが形成されており、容量素子62は、層間絶縁層4cと光電変換膜15bとの間に設けられた層間絶縁層4dに覆われている。このように、光電変換部15と増幅トランジスタ34のゲート電極34eとの間に下部電極62bおよび上部電極62uを配置することにより、増幅トランジスタ34のゲート電極34eを含む配線層と、下部電極62bおよび上部電極62uとの間の干渉を抑制し得る。したがって、比較的大きな電極面積を有する容量素子62を形成することが可能である。   Here, the lower electrode 62b is formed on the interlayer insulating layer 4c, and the capacitive element 62 is covered with the interlayer insulating layer 4d provided between the interlayer insulating layer 4c and the photoelectric conversion film 15b. Thus, by arranging the lower electrode 62b and the upper electrode 62u between the photoelectric conversion unit 15 and the gate electrode 34e of the amplification transistor 34, the wiring layer including the gate electrode 34e of the amplification transistor 34, the lower electrode 62b, Interference with the upper electrode 62u can be suppressed. Therefore, it is possible to form the capacitive element 62 having a relatively large electrode area.

下部電極62bは、典型的には、金属電極または金属窒化物電極である。下部電極62bを形成するための材料の例は、Ti、TiN、Ta、TaN、Mo、RuおよびPtである。下部電極62bは、層間絶縁層4d内に設けられた配線層の一部であってもよい。   The lower electrode 62b is typically a metal electrode or a metal nitride electrode. Examples of the material for forming the lower electrode 62b are Ti, TiN, Ta, TaN, Mo, Ru, and Pt. The lower electrode 62b may be a part of a wiring layer provided in the interlayer insulating layer 4d.

下部電極62b上には、誘電体層62dが積層されている。この例では、誘電体層62dは、下部電極62bにおいて第2電極15cに対向する側の表面と、側面とを覆っている。   A dielectric layer 62d is stacked on the lower electrode 62b. In this example, the dielectric layer 62d covers the surface and the side surface of the lower electrode 62b facing the second electrode 15c.

誘電体層62dは、層間絶縁層4dを構成する材料(典型的には二酸化シリコン)とは異なる材料(例えば金属酸化物または金属窒化物)から形成されてもよい。半導体基板2と光電変換部15との間に設けられた層間絶縁層内に容量素子62を配置すると、誘電体層62dを形成するための材料として、比較的高い誘電率を有する材料を採用することが比較的容易である。そのため、比較的大きな容量値を実現しやすい。誘電体層62dを形成するための材料の例は、Zr、Al、La、Ba、Ta、Ti、Bi、Sr、Si、YおよびHfからなる群から選択された1種以上を含有する酸化物または窒化物である。誘電体層62dを形成するための材料は、2元系化合物であってもよいし、3元系化合物または4元系化合物であってもよい。誘電体層62dを形成するための材料として、例えば、HfO2、Al23、ZrO2、TiO2、SrTiO3など、比較的高い誘電率を有する材料を用い得る。誘電体層62dが、互いに異なる材料から形成された2以上の層を含んでいてもよい。 The dielectric layer 62d may be made of a material (for example, metal oxide or metal nitride) different from the material (typically silicon dioxide) constituting the interlayer insulating layer 4d. When the capacitive element 62 is disposed in an interlayer insulating layer provided between the semiconductor substrate 2 and the photoelectric conversion unit 15, a material having a relatively high dielectric constant is employed as a material for forming the dielectric layer 62d. It is relatively easy. Therefore, it is easy to realize a relatively large capacitance value. An example of a material for forming the dielectric layer 62d is an oxide containing one or more selected from the group consisting of Zr, Al, La, Ba, Ta, Ti, Bi, Sr, Si, Y, and Hf Or it is nitride. The material for forming the dielectric layer 62d may be a binary compound, a ternary compound, or a quaternary compound. As a material for forming the dielectric layer 62d, for example, a material having a relatively high dielectric constant such as HfO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , or SrTiO 3 can be used. The dielectric layer 62d may include two or more layers formed from different materials.

誘電体層62d上には、上部電極62uが積層されている。この例では、上部電極62uは、誘電体層62dにおいて第2電極15cに対向する側の表面と、側面とを覆っている。上部電極62uは、典型的には、金属電極または金属窒化物電極である。すなわち、ここでは、容量素子62は、いわゆるMIM構造を有する。上部電極62uを形成するための材料としては、下部電極62bを形成するための材料と同様の材料を用い得る。上部電極62uは、層間絶縁層4d内に設けられた配線層の一部であってもよい。   An upper electrode 62u is stacked on the dielectric layer 62d. In this example, the upper electrode 62u covers the surface on the side facing the second electrode 15c and the side surface of the dielectric layer 62d. The upper electrode 62u is typically a metal electrode or a metal nitride electrode. That is, here, the capacitive element 62 has a so-called MIM structure. As a material for forming the upper electrode 62u, the same material as that for forming the lower electrode 62b can be used. The upper electrode 62u may be a part of a wiring layer provided in the interlayer insulating layer 4d.

上部電極62uと誘電体層62dとの間に、Cu、Alなどの金属またはポリシリコンなどから形成された保護層を配置してもよい。上部電極62uと誘電体層62dとの間に保護層を配置することにより、製造工程における誘電体層62dの損傷を抑制し得るので、上部電極62uと下部電極62bとの間におけるリーク電流の発生を抑制し得る。   A protective layer formed of a metal such as Cu or Al or polysilicon may be disposed between the upper electrode 62u and the dielectric layer 62d. By disposing a protective layer between the upper electrode 62u and the dielectric layer 62d, it is possible to suppress damage to the dielectric layer 62d in the manufacturing process. Therefore, generation of leakage current between the upper electrode 62u and the lower electrode 62b Can be suppressed.

上部電極62uは、開口APを有する。開口AP内には、ビアvd、接続部66uおよび接続部66bが配置されている。接続部66uおよび接続部66bは、上部電極62uおよび下部電極62bとそれぞれ同層である。図示するように、ビアvd、接続部66uおよび接続部66bを介して、光電変換部15の第2電極15cと、増幅トランジスタ34のゲート電極34eとの接続を有するビアvcとが接続される。ビアvdは、銅などの金属から形成され得る。ビアvd、接続部66uおよび接続部66bは、単位画素セル60Aにおける電荷蓄積領域の一部を構成する。   The upper electrode 62u has an opening AP. A via vd, a connection part 66u, and a connection part 66b are disposed in the opening AP. The connection portion 66u and the connection portion 66b are in the same layer as the upper electrode 62u and the lower electrode 62b, respectively. As illustrated, the second electrode 15c of the photoelectric conversion unit 15 and the via vc having a connection with the gate electrode 34e of the amplification transistor 34 are connected via the via vd, the connection unit 66u, and the connection unit 66b. The via vd can be formed from a metal such as copper. The via vd, the connection part 66u, and the connection part 66b constitute a part of the charge storage region in the unit pixel cell 60A.

図20に例示する構成において、下部電極62bのうち、ビアvdの右側に示す部分は、ビアvc1、配線層6b、ビアvb1、配線層6a、ビアva1、配線層6s、および、層間絶縁層4s内に設けられたコンタクトプラグcpbを介して、第2容量素子42の上部電極42eに接続されている。すなわち、下部電極62bは、図20において不図示のリセットドレインノード46との接続を有する。ここでは、下部電極62bは、単位画素セル60Aごとに設けられた単一の電極であり(後述する図21参照)、図20において開口APの左右に分離して示す、下部電極62bの2つの部分は、等電位である。   In the configuration illustrated in FIG. 20, the portion of the lower electrode 62b shown on the right side of the via vd is the via vc1, the wiring layer 6b, the via vb1, the wiring layer 6a, the via va1, the wiring layer 6s, and the interlayer insulating layer 4s. It is connected to the upper electrode 42e of the second capacitive element 42 through a contact plug cpb provided inside. That is, the lower electrode 62b is connected to the reset drain node 46 (not shown in FIG. 20). Here, the lower electrode 62b is a single electrode provided for each unit pixel cell 60A (see FIG. 21 described later), and two lower electrodes 62b, which are shown separately on the left and right of the opening AP in FIG. The part is equipotential.

この例では、上部電極62uは、下部電極62bと同層に形成された接続部64bを覆っている。この接続部64bは、ビアvc3、配線層6b、ビアvb3、配線層6aおよびビアva3を介して、配線層6sの一部である配線6zに接続されている。この配線6zは、図20において不図示の感度調整線32との接続を有する。すなわち、容量素子62は、上述の第2容量素子42と電気的に並列に接続されており、第2容量素子42と同様に機能する。すなわち、この例では、単位画素セル60Aは、第1容量素子41と、容量素子62および第2容量素子42とが直列に接続された容量回路を有している。   In this example, the upper electrode 62u covers the connection portion 64b formed in the same layer as the lower electrode 62b. The connecting portion 64b is connected to the wiring 6z that is a part of the wiring layer 6s through the via vc3, the wiring layer 6b, the via vb3, the wiring layer 6a, and the via va3. The wiring 6z has a connection with a sensitivity adjustment line 32 (not shown in FIG. 20). That is, the capacitive element 62 is electrically connected in parallel with the above-described second capacitive element 42 and functions in the same manner as the second capacitive element 42. That is, in this example, the unit pixel cell 60A has a capacitor circuit in which the first capacitor element 41, the capacitor element 62, and the second capacitor element 42 are connected in series.

単位画素セル内に容量素子62を形成することにより、第2容量素子42を省略可能である。第2容量素子42を省略した場合には、電極領域42cのための領域を半導体基板2において確保する必要がない。そのため、半導体基板2における素子レイアウトの設計の自由度が向上する。例えば、電極領域42cの省略により、画素サイズを低減し得る。あるいは、半導体基板2上のトランジスタ(例えば増幅トランジスタ34)のサイズを拡大し得る。トランジスタのサイズの拡大により、トランジスタの特性のバラつきを低減し得るので、単位画素セル間における感度バラつきを低減し得る。また、トランジスタのサイズの拡大により、駆動能力が向上(相互コンダクタンスgmの向上といってもよい)するので、ノイズをより低減し得る。 By forming the capacitive element 62 in the unit pixel cell, the second capacitive element 42 can be omitted. When the second capacitive element 42 is omitted, it is not necessary to secure a region for the electrode region 42c in the semiconductor substrate 2. Therefore, the degree of freedom in designing the element layout in the semiconductor substrate 2 is improved. For example, the pixel size can be reduced by omitting the electrode region 42c. Alternatively, the size of the transistor (for example, the amplification transistor 34) on the semiconductor substrate 2 can be increased. Since the variation in transistor characteristics can be reduced by increasing the transistor size, the sensitivity variation between unit pixel cells can be reduced. Further, since the driving capability is improved by increasing the size of the transistor (it may be said that the mutual conductance g m is improved), noise can be further reduced.

なお、この例では、上部電極62uは、光電変換部15の第2電極15cに対向する面とは反対側の面において、ビアvc3に電気的に接続されている。このように、上部電極62uと感度調整線32との間の電気的接続のためのコンタクトを半導体基板2に近い側の面に設けることにより、配線の複雑化を回避し得る。また、上部電極62uと光電変換部15の第2電極15cとの間の距離を縮小し得るので、互いに隣接する画素間における、電荷蓄積領域同士の寄生容量を低減し得る。   In this example, the upper electrode 62u is electrically connected to the via vc3 on the surface opposite to the surface facing the second electrode 15c of the photoelectric conversion unit 15. Thus, by providing a contact for electrical connection between the upper electrode 62u and the sensitivity adjustment line 32 on the surface near the semiconductor substrate 2, the complexity of the wiring can be avoided. In addition, since the distance between the upper electrode 62u and the second electrode 15c of the photoelectric conversion unit 15 can be reduced, the parasitic capacitance between the charge storage regions between adjacent pixels can be reduced.

撮像装置101の動作時、上部電極62uには、感度調整線32を介して所定の電圧が印加される。なお、ここでは、上部電極62uは、下部電極62bと同様に、単位画素セル60Aごとに設けられた単一の電極であり(後述する図21参照)、図20において開口APの左右に分離して示す、上部電極62uの2つの部分は、等電位である。   During the operation of the imaging apparatus 101, a predetermined voltage is applied to the upper electrode 62 u via the sensitivity adjustment line 32. Here, like the lower electrode 62b, the upper electrode 62u is a single electrode provided for each unit pixel cell 60A (see FIG. 21 described later), and is separated to the left and right of the opening AP in FIG. The two parts of the upper electrode 62u shown in FIG.

図21は、単位画素セル60Aを半導体基板2の法線方向から見たときの、上部電極62u、誘電体層62dおよび下部電極62bの配置の一例を示す。図21には、図5と同様にC−C’切断線も示されている。図21に示すように、半導体基板2の法線方向から見たときにおける上部電極62uの形状と、下部電極62bの形状とが一致している必要はない。半導体基板2の法線方向から見たとき、上部電極62uが、下部電極62bの少なくとも一部と対向する部分を含んでいればよい。   FIG. 21 shows an example of the arrangement of the upper electrode 62u, the dielectric layer 62d, and the lower electrode 62b when the unit pixel cell 60A is viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 2. FIG. 21 also shows a C-C ′ cut line as in FIG. 5. As shown in FIG. 21, the shape of the upper electrode 62u and the shape of the lower electrode 62b do not have to match when viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 2. When viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 2, it is sufficient that the upper electrode 62u includes a portion facing at least a part of the lower electrode 62b.

この例では、下部電極62bおよび上部電極62uは、単位画素セル60Aにおいて大きな領域を占めている。そのため、下部電極62bおよび/または上部電極62uの少なくとも一方を遮光性の電極として形成することにより、下部電極62bまたは上部電極62uを遮光層として機能させ得る。例えば上部電極62uを遮光層として機能させることにより、第2電極15c間に形成された間隙を通過した光を上部電極62uによって遮ることが可能である。これにより、第2電極15c間に形成された間隙を通過した光が半導体基板2上のトランジスタ(例えば増幅トランジスタ34)のチャネル領域に入射することを抑制し得る。例えば、上部電極62uとして、厚さが100nmのTaN電極を形成することにより、十分な遮光性を実現し得る。   In this example, the lower electrode 62b and the upper electrode 62u occupy a large area in the unit pixel cell 60A. Therefore, by forming at least one of the lower electrode 62b and / or the upper electrode 62u as a light shielding electrode, the lower electrode 62b or the upper electrode 62u can function as a light shielding layer. For example, by allowing the upper electrode 62u to function as a light shielding layer, it is possible to block light that has passed through the gap formed between the second electrodes 15c by the upper electrode 62u. Thereby, it is possible to suppress the light that has passed through the gap formed between the second electrodes 15c from entering the channel region of the transistor (for example, the amplification transistor 34) on the semiconductor substrate 2. For example, a sufficient light shielding property can be realized by forming a TaN electrode having a thickness of 100 nm as the upper electrode 62u.

第4の実施形態によれば、半導体基板2上のトランジスタのチャネル領域への迷光の入射を抑制してトランジスタの特性のシフト(例えば閾値電圧の変動)を抑制し得る。半導体基板2上のトランジスタのチャネル領域への迷光の入射を抑制することにより、各画素のトランジスタの特性が安定化し、複数の画素間でのトランジスタの動作のバラつきを低減し得る。このように、半導体基板2上のトランジスタのチャネル領域への迷光の入射を抑制することは、撮像装置の信頼性の向上に貢献する。   According to the fourth embodiment, it is possible to suppress the stray light from entering the channel region of the transistor on the semiconductor substrate 2 to suppress the shift of the transistor characteristics (for example, the fluctuation of the threshold voltage). By suppressing the stray light from entering the channel region of the transistor on the semiconductor substrate 2, the characteristics of the transistor of each pixel can be stabilized, and variations in the operation of the transistor among a plurality of pixels can be reduced. As described above, suppressing the incidence of stray light on the channel region of the transistor on the semiconductor substrate 2 contributes to the improvement of the reliability of the imaging device.

図21に例示する構成では、上部電極62uが空間的に分離されることにより、単位画素セル60Aの間で上部電極62uが電気的に分離されている。つまり、この例では、互いに隣接する上部電極62uの間には、わずかな間隙が存在する。しかしながら、ここでは、上部電極62uの各々は、感度調整線32を介して所定の電圧が供給されるように構成されている。そのため、互いに隣接する上部電極62u間の距離を、互いに隣接する第2電極15c間の距離と比較して十分に小さくし得る。したがって、第2電極15c間に形成された間隙を通過した光の大部分を上部電極62uによって遮ることが可能である。なお、図1に例示する回路構成では、同一の行に属する単位画素セル中の上部電極62uに共通の電圧が印加される。したがって、複数の列にわたって行方向に延びる複数の帯状の電極を上部電極62uとして用いてもよい。もちろん、図21に示すように上部電極62uを単位画素セル60Aごとに空間的に分離し、上部電極62uごとに独立した電圧を供給してもよい。   In the configuration illustrated in FIG. 21, the upper electrode 62u is electrically separated between the unit pixel cells 60A by spatially separating the upper electrode 62u. That is, in this example, there is a slight gap between the upper electrodes 62u adjacent to each other. However, here, each of the upper electrodes 62u is configured to be supplied with a predetermined voltage via the sensitivity adjustment line 32. Therefore, the distance between the upper electrodes 62u adjacent to each other can be made sufficiently smaller than the distance between the second electrodes 15c adjacent to each other. Therefore, most of the light that has passed through the gap formed between the second electrodes 15c can be blocked by the upper electrode 62u. In the circuit configuration illustrated in FIG. 1, a common voltage is applied to the upper electrode 62u in the unit pixel cells belonging to the same row. Therefore, a plurality of strip-like electrodes extending in the row direction over a plurality of columns may be used as the upper electrode 62u. Of course, as shown in FIG. 21, the upper electrode 62u may be spatially separated for each unit pixel cell 60A, and an independent voltage may be supplied for each upper electrode 62u.

この例では、上部電極62uの開口APは、図面中において単位画素セル60Aの下方に形成されている。しかしながら、開口APの配置は、この例に限定されない。例えば、単位画素セル60Aの中央に開口APを配置し、接続部66uおよび接続部66bを取り囲むように上部電極62uを形成してもよい。単位画素セル60Aの中央に開口APを配置し、上部電極62uの形状を接続部66uに関して対称性の高い形状とすると、単位画素セル60A内における容量の偏りを低減し得るので有益である。半導体基板2の法線方向から見たときにおける、上部電極62uの形状は、図21に示す形状に限定されない。例えば、上部電極62uが複数の部分を含んでいてもよい。誘電体層62dおよび下部電極62bについても同様である。   In this example, the opening AP of the upper electrode 62u is formed below the unit pixel cell 60A in the drawing. However, the arrangement of the aperture AP is not limited to this example. For example, the opening AP may be arranged in the center of the unit pixel cell 60A, and the upper electrode 62u may be formed so as to surround the connection part 66u and the connection part 66b. If the opening AP is arranged in the center of the unit pixel cell 60A and the shape of the upper electrode 62u is highly symmetric with respect to the connection portion 66u, it is advantageous because the capacitance deviation in the unit pixel cell 60A can be reduced. The shape of the upper electrode 62u when viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 2 is not limited to the shape shown in FIG. For example, the upper electrode 62u may include a plurality of portions. The same applies to the dielectric layer 62d and the lower electrode 62b.

上述したように、この例では、上部電極62uは、感度調整線32との接続を有するので、感度調整線32を介して一定の電圧を上部電極62uに供給することにより、撮像装置101の動作時における上部電極62uの電位を一定とできる。したがって、接続部66uおよび接続部66bを取り囲むように上部電極62uを形成し、一定の電圧を上部電極62uに印加することにより、上部電極62uをシールド電極として機能させ得る。上部電極62uがシールド電極として機能することにより、電荷蓄積ノード44へのノイズ混入を抑制し得る。   As described above, in this example, since the upper electrode 62u has a connection with the sensitivity adjustment line 32, by supplying a constant voltage to the upper electrode 62u via the sensitivity adjustment line 32, the operation of the imaging device 101 is performed. At this time, the potential of the upper electrode 62u can be made constant. Therefore, the upper electrode 62u is formed so as to surround the connection portion 66u and the connection portion 66b, and a certain voltage is applied to the upper electrode 62u, whereby the upper electrode 62u can function as a shield electrode. By the upper electrode 62u functioning as a shield electrode, noise mixing into the charge storage node 44 can be suppressed.

以上に説明したように、第4の実施形態では、リセットドレインノード46と感度調整線32との間に接続される容量素子として、容量素子62を、上部電極41wと光電変換部15の第2電極15cとの間に配置している。図20に例示するように、この容量素子62は、単位画素セルの層間絶縁層(例えば層間絶縁層4d)内に配置される。したがって、いわゆるMIM構造を有する容量素子として容量素子62を形成することが可能である。つまり、容量素子62において比較的大きな容量値を得やすい。このような構成によっても、上述の第1〜第3の実施形態と同様に、信号電荷の蓄積領域全体の容量値の増加を抑制しながら、リセットに伴って生じるkTCノイズを縮小することが可能である。また、容量素子62が高容量であると、信号電荷の蓄積領域全体の容量を大きくできるので、高照度のもとでの撮影に有利である。   As described above, in the fourth embodiment, as the capacitive element connected between the reset drain node 46 and the sensitivity adjustment line 32, the capacitive element 62 is used as the second electrode of the upper electrode 41 w and the photoelectric conversion unit 15. It arrange | positions between the electrodes 15c. As illustrated in FIG. 20, the capacitive element 62 is disposed in an interlayer insulating layer (for example, the interlayer insulating layer 4d) of the unit pixel cell. Therefore, the capacitor 62 can be formed as a capacitor having a so-called MIM structure. That is, it is easy to obtain a relatively large capacitance value in the capacitive element 62. Even with such a configuration, similarly to the first to third embodiments described above, it is possible to reduce kTC noise caused by resetting while suppressing an increase in the capacitance value of the entire signal charge accumulation region. It is. Further, if the capacitance element 62 has a high capacity, the capacity of the entire signal charge accumulation region can be increased, which is advantageous for photographing under high illuminance.

(容量素子62の形成方法)
以下、単位画素セル60Aを有する撮像装置の製造方法の概略を説明する。ビアvcを形成するまでの製造工程は、第1の実施形態とほぼ同様であり得るので説明を省略する。図12を参照して説明したように、第2容量素子42の上部電極42eに重なる位置に、電極領域42cに電気的に接続された上部電極43eを形成してもよい。ここでは、ビアvcの形成と並行して、ビアvc1およびvc3も形成される。
(Method for Forming Capacitive Element 62)
Hereinafter, an outline of a method for manufacturing an imaging device having the unit pixel cell 60A will be described. The manufacturing process until the via vc is formed can be substantially the same as that in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. As described with reference to FIG. 12, the upper electrode 43 e electrically connected to the electrode region 42 c may be formed at a position overlapping the upper electrode 42 e of the second capacitor element 42. Here, the vias vc1 and vc3 are also formed in parallel with the formation of the via vc.

ビアvc、vc1およびvc3の形成後、層間絶縁層4c上に下部電極62b、接続部66bおよび接続部64bを形成する。下部電極62b、接続部66bおよび接続部64bを形成するための材料として、ここでは、TaNを用いる。層間絶縁層4c上への下部電極62b、接続部66bおよび接続部64bの形成には、一般的な半導体プロセスで導入されているフォトリソグラフィを適用できる。その後、誘電体層62dの材料を堆積することによって誘電体膜を形成し、誘電体膜のパターニングを実行する。   After the formation of the vias vc, vc1, and vc3, the lower electrode 62b, the connection portion 66b, and the connection portion 64b are formed on the interlayer insulating layer 4c. Here, TaN is used as a material for forming the lower electrode 62b, the connection portion 66b, and the connection portion 64b. Photolithography introduced in a general semiconductor process can be applied to the formation of the lower electrode 62b, the connection portion 66b, and the connection portion 64b on the interlayer insulating layer 4c. Thereafter, a dielectric film is formed by depositing a material for the dielectric layer 62d, and patterning of the dielectric film is performed.

誘電体膜の形成には、例えば原子層堆積法(Atomic Layer Deposition(ALD))を適用できる。ALDによれば、互いに異なる原子を数原子ずつ積層することが可能である。ここでは、誘電体膜として、Hfの酸化物の膜を形成する。Hfの酸化物の膜の形成においては、テトラキスエチルメチルアミドハフニウムをプリカーサとして用い、プリカーサの導入後にプラズマ放電を行う。酸素雰囲気においてプラズマ放電を行うことにより、Hfの酸化が促される。上述の工程を繰り返すことにより、HfO2を一層ずつ積層する。例えば、ガス状のプリカーサの導入とプラズマ放電とを250回繰り返すことにより、22nmの厚さを有する膜を形成する。 For example, atomic layer deposition (ALD) can be applied to the formation of the dielectric film. According to ALD, several atoms different from each other can be stacked. Here, an Hf oxide film is formed as the dielectric film. In the formation of the Hf oxide film, tetrakisethylmethylamido hafnium is used as a precursor, and plasma discharge is performed after introduction of the precursor. By performing plasma discharge in an oxygen atmosphere, oxidation of Hf is promoted. By repeating the above-described steps, HfO 2 is laminated one by one. For example, a film having a thickness of 22 nm is formed by repeating introduction of a gaseous precursor and plasma discharge 250 times.

誘電体膜のパターニングには、一般的な半導体プロセスで導入されているフォトリソグラフィを適用できる。誘電体膜のパターニングにより、誘電体層62dが形成される。誘電体層62dは、連続した単一の膜であってもよいし、下部電極62b上の互いに異なる箇所に配置された複数の部分を含んでいてもよい。   Photolithography introduced in a general semiconductor process can be applied to the patterning of the dielectric film. A dielectric layer 62d is formed by patterning the dielectric film. The dielectric layer 62d may be a continuous single film, or may include a plurality of portions arranged at different locations on the lower electrode 62b.

誘電体層62dの形成後、下部電極62bと同様にして上部電極62uおよび接続部66uを形成する。その後、層間絶縁層4dおよびビアvdを形成し、層間絶縁層4d上に光電変換部15を形成することにより、図20に示すデバイス構造が得られる。   After the formation of the dielectric layer 62d, the upper electrode 62u and the connection portion 66u are formed in the same manner as the lower electrode 62b. Thereafter, the interlayer insulating layer 4d and the via vd are formed, and the photoelectric conversion portion 15 is formed on the interlayer insulating layer 4d, whereby the device structure shown in FIG. 20 is obtained.

TiN、TaN、WNなどの金属窒化物を用いて、光電変換部15の第2電極15cを形成してもよい。金属窒化物は、緻密性に優れ、高温下においても不純物元素の移動および/または混入が起こりにくい性質を有している。そのため、誘電体層62dの上方に位置する上部電極62uを金属窒化物(ここではTaN)を用いて形成し、かつ、第2電極15cを金属窒化物を用いて形成することにより、不純物に起因するキャリアの誘電体層62dへの混入を抑制し得る。誘電体層62dへの不純物の混入を抑制することにより、容量素子62における上部電極62uと下部電極62bとの間のリーク電流を低減し得る。   The second electrode 15c of the photoelectric conversion unit 15 may be formed using a metal nitride such as TiN, TaN, or WN. Metal nitride is excellent in denseness and has a property that impurity elements are less likely to move and / or mix even at high temperatures. Therefore, the upper electrode 62u located above the dielectric layer 62d is formed using metal nitride (here, TaN), and the second electrode 15c is formed using metal nitride, resulting in impurities. Can be prevented from entering the dielectric layer 62d. By suppressing the entry of impurities into the dielectric layer 62d, the leakage current between the upper electrode 62u and the lower electrode 62b in the capacitive element 62 can be reduced.

また、金属窒化物は、スパッタリングにおいてマイグレーションを生じにくいので、平坦な表面を形成しやすい。金属窒化物を用いて光電変換部15の第2電極15cを形成すると、平坦な界面を介した接合を実現し得る。第2電極15cの表面の凹凸を抑制することにより、第2電極15cと光電変換膜15bとの間の円滑な電荷輸送を実現し得る。また、界面欠陥に起因する準位の発生を抑制して、暗電流を抑制し得る。このように、容量素子62の上部電極62uおよび光電変換部15の第2電極15cの両方を金属窒化物から形成すると、リーク電流および暗電流低減の観点から有益である。さらに、金属窒化物を用いて容量素子62の下部電極62bを形成すれば、上部電極62uの平坦性をより向上させ得るので有益である。また、誘電体層62dの酸化を抑制し得るので有益である。   In addition, since metal nitride hardly causes migration during sputtering, it is easy to form a flat surface. When the second electrode 15c of the photoelectric conversion unit 15 is formed using metal nitride, bonding via a flat interface can be realized. By suppressing the unevenness of the surface of the second electrode 15c, smooth charge transport between the second electrode 15c and the photoelectric conversion film 15b can be realized. In addition, generation of levels due to interface defects can be suppressed, and dark current can be suppressed. Thus, forming both the upper electrode 62u of the capacitive element 62 and the second electrode 15c of the photoelectric conversion unit 15 from metal nitride is advantageous from the viewpoint of reducing leakage current and dark current. Furthermore, if the lower electrode 62b of the capacitive element 62 is formed using metal nitride, it is beneficial because the flatness of the upper electrode 62u can be further improved. Further, it is useful because oxidation of the dielectric layer 62d can be suppressed.

(第4の実施形態の第1の変形例)
図22は、単位画素セルのデバイス構造のさらに他の一例を模式的に示す。図23は、図22に示す単位画素セル60Bを半導体基板2の法線方向から見たときの、上部電極62u、誘電体層62dおよび下部電極62bの配置の一例を示す。図22は、図23に示すC−C’線断面図に対応する図である。図22および図23に示す単位画素セル60Bと、図20および図21を参照して説明した単位画素セル60Aとの間の主な相違点は、上部電極62uおよび下部電極62bが、それぞれ、リセットドレインノード46および感度調整線32に接続されている点である。
(First Modification of Fourth Embodiment)
FIG. 22 schematically shows still another example of the device structure of the unit pixel cell. FIG. 23 shows an example of the arrangement of the upper electrode 62u, the dielectric layer 62d, and the lower electrode 62b when the unit pixel cell 60B shown in FIG. 22 is viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 2. FIG. 22 is a view corresponding to the cross-sectional view taken along the line CC ′ shown in FIG. The main difference between the unit pixel cell 60B shown in FIGS. 22 and 23 and the unit pixel cell 60A described with reference to FIGS. 20 and 21 is that the upper electrode 62u and the lower electrode 62b are reset, respectively. This is connected to the drain node 46 and the sensitivity adjustment line 32.

図22に示すように、この例では、接続部64b、ビアvc2、配線層6b、ビアvb2、配線層6aおよびビアva2を介して、上部電極62uが、配線層6sの一部である配線6wに接続されている。この配線6wは、リセットドレインノード46との接続を有する。すなわち、上部電極62uは、リセットドレインノード46との接続を有する。一方、下部電極62bは、ビアvc3、配線層6b、ビアvb3、配線層6aおよびビアva3を介して、配線6zに接続されている。上述したように、この配線6zは、感度調整線32(図22において不図示)との接続を有する。すなわち、下部電極62bは、感度調整線32との接続を有する。つまり、容量素子62は、この例においても、リセットドレインノード46と感度調整線32との間に接続されている。したがって、容量素子62は、上述の第2容量素子42と同様に機能する。また、この例では、下部電極62bが感度調整線32との接続を有するので、感度調整線32を介して下部電極62bの電位を制御可能である。下部電極62bの電位を制御することにより、電荷蓄積ノード44の電位を制御して、撮像装置の感度を調整し得る。また、撮像装置の動作時に感度調整線32を介して一定の電圧を下部電極62bに供給すれば、下部電極62bをシールド電極として機能させ得る。   As shown in FIG. 22, in this example, the upper electrode 62u is a part of the wiring layer 6s via the connecting portion 64b, the via vc2, the wiring layer 6b, the via vb2, the wiring layer 6a, and the via va2. It is connected to the. The wiring 6 w has a connection with the reset drain node 46. That is, the upper electrode 62 u has a connection with the reset drain node 46. On the other hand, the lower electrode 62b is connected to the wiring 6z through the via vc3, the wiring layer 6b, the via vb3, the wiring layer 6a, and the via va3. As described above, the wiring 6z has a connection with the sensitivity adjustment line 32 (not shown in FIG. 22). That is, the lower electrode 62 b has a connection with the sensitivity adjustment line 32. That is, the capacitive element 62 is connected between the reset drain node 46 and the sensitivity adjustment line 32 also in this example. Accordingly, the capacitive element 62 functions in the same manner as the second capacitive element 42 described above. In this example, since the lower electrode 62 b has a connection with the sensitivity adjustment line 32, the potential of the lower electrode 62 b can be controlled via the sensitivity adjustment line 32. By controlling the potential of the lower electrode 62b, the potential of the charge storage node 44 can be controlled to adjust the sensitivity of the imaging device. Further, when a constant voltage is supplied to the lower electrode 62b via the sensitivity adjustment line 32 during the operation of the imaging apparatus, the lower electrode 62b can function as a shield electrode.

図22に示すように、この例では、第1のリセットトランジスタ36のソースまたはドレイン(ソース/ドレイン拡散層2d)と、増幅トランジスタ34のゲート電極34eとを接続する上部電極41xは、第2容量素子42の上部電極42eの上まで延びていない。換言すれば、上部電極41xは、半導体基板2の法線方向から見たとき、上部電極42eと重なりを有していない。したがって、単位画素セル60Bは、層間絶縁層4s内に、互いに対向する2つのポリシリコン層と、それらに挟まれた絶縁膜とから構成された第1容量素子41を有しない。   As shown in FIG. 22, in this example, the upper electrode 41x that connects the source or drain of the first reset transistor 36 (source / drain diffusion layer 2d) and the gate electrode 34e of the amplification transistor 34 has a second capacitance. It does not extend above the upper electrode 42e of the element 42. In other words, the upper electrode 41 x does not overlap the upper electrode 42 e when viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 2. Therefore, the unit pixel cell 60B does not have the first capacitor element 41 configured by two polysilicon layers facing each other and the insulating film sandwiched between them in the interlayer insulating layer 4s.

ここで、光電変換部15および容量素子62に注目すると、光電変換部15の第2電極15cと、容量素子62の上部電極62uとは、層間絶縁層4dを介して対向している。上述したように、この例では、上部電極62uがリセットドレインノード46との接続を有する。すなわち、第2電極15c、上部電極62uおよび層間絶縁層4dによって形成される容量素子41Bは、電荷蓄積ノード44とリセットドレインノード46の間に接続された容量素子とみなすことができる。例えば図2に示す回路構成からわかるように、この容量素子41Bは、上述の第1容量素子41と同様に機能する。すなわち、この例では、容量素子41Bと、容量素子62および第2容量素子42とが直列に接続されることにより、容量回路が形成されている。   Here, paying attention to the photoelectric conversion unit 15 and the capacitive element 62, the second electrode 15c of the photoelectric conversion unit 15 and the upper electrode 62u of the capacitive element 62 face each other through the interlayer insulating layer 4d. As described above, in this example, the upper electrode 62 u has a connection with the reset drain node 46. That is, the capacitive element 41B formed by the second electrode 15c, the upper electrode 62u, and the interlayer insulating layer 4d can be regarded as a capacitive element connected between the charge storage node 44 and the reset drain node 46. For example, as can be seen from the circuit configuration shown in FIG. 2, the capacitive element 41 </ b> B functions in the same manner as the first capacitive element 41 described above. That is, in this example, the capacitive element is formed by connecting the capacitive element 41B, the capacitive element 62, and the second capacitive element 42 in series.

このように、第1容量素子41に代えて、光電変換部15の第2電極15cと、容量素子62の上部電極62uとの間に形成された容量を低容量の容量素子として利用してもよい。このような構成においても、容量素子62によって十分に大きな容量値を得られていれば、いわゆるMISキャパシタとして形成された第2容量素子42を省略可能である。   In this manner, instead of the first capacitor element 41, the capacitor formed between the second electrode 15c of the photoelectric conversion unit 15 and the upper electrode 62u of the capacitor element 62 may be used as a low-capacitance capacitor element. Good. Even in such a configuration, as long as a sufficiently large capacitance value can be obtained by the capacitor 62, the second capacitor 42 formed as a so-called MIS capacitor can be omitted.

なお、例えば図20に示す上部電極41wのように、上部電極41xを第2容量素子42の上部電極42eの上まで延ばしてもよい。ただし、ノイズの縮小および変換ゲインの低下の抑制の観点からは、上部電極41xが第2容量素子42の上部電極42eとの重なりを有しない方が有利である。   For example, like the upper electrode 41w shown in FIG. 20, the upper electrode 41x may extend over the upper electrode 42e of the second capacitor element 42. However, it is advantageous that the upper electrode 41x does not overlap with the upper electrode 42e of the second capacitor element 42 from the viewpoint of reducing noise and suppressing conversion gain.

単位画素セル60Bの製造方法は、上部電極41xを形成するためのレジストマスクのパターン、および、配線層6sを形成するためのレジストマスクのパターンが異なる点以外は、単位画素セル60Aの製造方法とほぼ同様であり得る。したがって、単位画素セル60Bの製造方法の説明を省略する。   The manufacturing method of the unit pixel cell 60B is the same as the manufacturing method of the unit pixel cell 60A, except that the resist mask pattern for forming the upper electrode 41x and the resist mask pattern for forming the wiring layer 6s are different. It can be almost the same. Therefore, description of the manufacturing method of the unit pixel cell 60B is omitted.

(第4の実施形態の第2の変形例)
図24は、単位画素セルのデバイス構造のさらに他の一例を模式的に示す。図25は、図24に示す単位画素セル60Cを半導体基板2の法線方向から見たときの、上部電極62u、誘電体層62dおよび下部電極62bの配置の一例を示す。図24は、図25に示すC−C’線断面図に対応する図である。図24および図25に示す単位画素セル60Cと、図20および図21を参照して説明した単位画素セル60Aとの間の主な相違点は、第1容量素子41に代えて、下部電極62bを一方の電極として有する低容量の容量素子41Cを層間絶縁層内に形成している点である。
(Second modification of the fourth embodiment)
FIG. 24 schematically shows still another example of the device structure of the unit pixel cell. FIG. 25 illustrates an example of the arrangement of the upper electrode 62u, the dielectric layer 62d, and the lower electrode 62b when the unit pixel cell 60C illustrated in FIG. 24 is viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 2. 24 is a view corresponding to the cross-sectional view taken along the line CC ′ shown in FIG. The main difference between the unit pixel cell 60C shown in FIGS. 24 and 25 and the unit pixel cell 60A described with reference to FIGS. 20 and 21 is that, instead of the first capacitor element 41, the lower electrode 62b. The low-capacitance capacitive element 41C is formed in the interlayer insulating layer as one electrode.

図24に例示する単位画素セル60Cでは、図20を参照して説明した単位画素セル60Aと同様に、下部電極62bおよび上部電極62uは、それぞれ、リセットドレインノード46および感度調整線32に接続されている。単位画素セル60Cは、図22を参照して説明した単位画素セル60Bと同様に、層間絶縁層4s内に第1容量素子41を有しない。   In the unit pixel cell 60C illustrated in FIG. 24, similarly to the unit pixel cell 60A described with reference to FIG. 20, the lower electrode 62b and the upper electrode 62u are connected to the reset drain node 46 and the sensitivity adjustment line 32, respectively. ing. Similarly to the unit pixel cell 60B described with reference to FIG. 22, the unit pixel cell 60C does not include the first capacitor element 41 in the interlayer insulating layer 4s.

図24に例示する構成において、層間絶縁層4b内に形成された配線層6bは、ビアvcとビアvbとの間に配置された電極6bxを含んでいる。図24および図25に模式的に示すように、この電極6bxは、半導体基板2の法線方向から見たときに、下部電極62bと重なる部分を有している。すなわち、電極6bxの少なくとも一部は、層間絶縁層4cの少なくとも一部を介して下部電極62bの少なくとも一部と対向している。これにより、容量素子62と、層間絶縁層(ここでは層間絶縁層4c)内に配置された配線層(ここでは電極6bx)との間で容量素子41Cが形成される。層間絶縁層4cのうち、下部電極62bおよび電極6bxに挟まれた部分は、容量素子41Cにおける誘電体層として機能する。下部電極62bがリセットドレインノード46との接続を有し、電極6bxが第2電極15cとの接続を有するので、容量素子41Cは、上述の第1容量素子41と同様に機能する。すなわち、この例では、容量素子41Cと、容量素子62および第2容量素子42とが直列に接続されることにより、容量回路が形成されている。   In the configuration illustrated in FIG. 24, the wiring layer 6b formed in the interlayer insulating layer 4b includes an electrode 6bx disposed between the via vc and the via vb. As schematically shown in FIGS. 24 and 25, the electrode 6bx has a portion overlapping the lower electrode 62b when viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 2. That is, at least a part of the electrode 6bx faces at least a part of the lower electrode 62b via at least a part of the interlayer insulating layer 4c. Thereby, the capacitive element 41C is formed between the capacitive element 62 and the wiring layer (here, the electrode 6bx) disposed in the interlayer insulating layer (here, the interlayer insulating layer 4c). Of the interlayer insulating layer 4c, a portion sandwiched between the lower electrode 62b and the electrode 6bx functions as a dielectric layer in the capacitive element 41C. Since the lower electrode 62b has a connection with the reset drain node 46 and the electrode 6bx has a connection with the second electrode 15c, the capacitive element 41C functions in the same manner as the first capacitive element 41 described above. In other words, in this example, the capacitive element is formed by connecting the capacitive element 41C, the capacitive element 62, and the second capacitive element 42 in series.

このように、容量素子62と、層間絶縁層内に配置された配線層との間に容量素子を形成してもよい。このような構成によれば、低容量(例えば0.5fF程度)の容量素子を比較的容易に単位画素セル内に配置し得る。この例では、配線層6bの一部(ここでは電極6bx)を低容量の容量素子における一方の電極として用いているが、低容量の容量素子における一方の電極は、配線層6aまたは6sなど、他の配線層の一部であってもよい。図24および図25を参照して説明した構成においても、容量素子62によって十分に大きな容量値を得られていれば、いわゆるMISキャパシタとして形成された第2容量素子42を省略可能である。   In this manner, a capacitive element may be formed between the capacitive element 62 and the wiring layer disposed in the interlayer insulating layer. According to such a configuration, a low-capacitance (for example, about 0.5 fF) capacitive element can be disposed in the unit pixel cell relatively easily. In this example, a part of the wiring layer 6b (here, the electrode 6bx) is used as one electrode in the low-capacitance capacitive element, but the one electrode in the low-capacitance capacitive element is the wiring layer 6a or 6s, etc. It may be a part of another wiring layer. Also in the configuration described with reference to FIGS. 24 and 25, the second capacitive element 42 formed as a so-called MIS capacitor can be omitted if a sufficiently large capacitance value is obtained by the capacitive element 62.

単位画素セル60Cの製造方法は、上部電極41xを形成するためのレジストマスクのパターン、および、電極6bxを形成するためのレジストマスクのパターンが異なる点以外は、単位画素セル60Aの製造方法とほぼ同様であり得る。したがって、単位画素セル60Cの製造方法の説明を省略する。   The manufacturing method of the unit pixel cell 60C is almost the same as the manufacturing method of the unit pixel cell 60A, except that the resist mask pattern for forming the upper electrode 41x and the resist mask pattern for forming the electrode 6bx are different. It can be the same. Therefore, description of the manufacturing method of the unit pixel cell 60C is omitted.

(第5の実施形態)
図26を参照して、本実施形態によるカメラシステム105を説明する。
(Fifth embodiment)
The camera system 105 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図26は、本実施形態によるカメラシステム105の構成例を模式的に示す。カメラシステム105は、レンズ光学系601と、撮像装置602と、システムコントローラ603と、カメラ信号処理部604とを備えている。   FIG. 26 schematically illustrates a configuration example of the camera system 105 according to the present embodiment. The camera system 105 includes a lens optical system 601, an imaging device 602, a system controller 603, and a camera signal processing unit 604.

レンズ光学系601は、例えばオートフォーカス用レンズ、ズーム用レンズおよび絞りを含んでいる。レンズ光学系601は、撮像装置602の撮像面に光を集光する。撮像装置602として、上述した第1から第4の実施形態による撮像装置を広く用いることができる。   The lens optical system 601 includes, for example, an autofocus lens, a zoom lens, and a diaphragm. The lens optical system 601 collects light on the imaging surface of the imaging device 602. As the imaging device 602, the imaging devices according to the first to fourth embodiments described above can be widely used.

システムコントローラ603は、カメラシステム105全体を制御する。システムコントローラ603は、例えばマイクロコンピュータによって実現され得る。   A system controller 603 controls the entire camera system 105. The system controller 603 can be realized by a microcomputer, for example.

カメラ信号処理部604は、撮像装置602からの出力信号を処理する信号処理回路として機能する。カメラ信号処理部604は、例えばガンマ補正、色補間処理、空間補間処理、およびオートホワイトバランスなどの処理を行う。カメラ信号処理部604は、例えばDSP(Digital Signal Processor)などによって実現され得る。   The camera signal processing unit 604 functions as a signal processing circuit that processes an output signal from the imaging device 602. The camera signal processing unit 604 performs processing such as gamma correction, color interpolation processing, spatial interpolation processing, and auto white balance, for example. The camera signal processing unit 604 can be realized by, for example, a DSP (Digital Signal Processor).

本実施形態によるカメラシステムによれば、第1から第4の実施形態による撮像装置を利用することによって、読出時のリセットノイズ(kTCノイズ)を適切に抑制することができる。その結果、電荷を正確に読み出すことができ、良好な画像を取得できる。   According to the camera system according to the present embodiment, reset noise (kTC noise) at the time of reading can be appropriately suppressed by using the imaging device according to the first to fourth embodiments. As a result, charges can be read out accurately and a good image can be acquired.

また、第1の実施形態で詳述したように、被写体が明るく低い感度で撮像が可能なモードと、被写体が暗く、比較的高い感度で撮像が可能なモードとを切り替えて撮影することが可能なカメラシステムを実現することが可能である。   In addition, as described in detail in the first embodiment, it is possible to switch between a mode in which the subject can be imaged with bright and low sensitivity and a mode in which the subject is dark and capable of imaging with relatively high sensitivity. It is possible to realize a simple camera system.

本開示の実施形態によれば、kTCノイズを低減し得る。また、簡易な構成によってダイナミックレンジの拡大を実現し得るので、デジタルカメラなどに有用である。   According to the embodiments of the present disclosure, kTC noise may be reduced. Further, since the dynamic range can be expanded with a simple configuration, it is useful for digital cameras and the like.

2 半導体基板
2d ドレイン拡散層
2s 素子分離領域
2w ウェル
4a〜4d、4s 層間絶縁層
6a、6b、6s 配線層
6bx 電極
6w、6z 配線
11〜14、14a、14b 単位画素セル
15 光電変換部
15a 第1電極
15b 光電変換膜
15c 第2電極
15h 受光面
16 垂直走査回路
17 蓄積制御線
18 垂直信号線
19 負荷回路
20 カラム信号処理回路
21 水平信号読み出し回路
22 電源配線
23 水平共通信号線
24 反転増幅器
24a ゲイン調整端子
25 フィードバック線
26 リセット信号線
27、27’ 定電流源
28 フィードバック制御線
30 アドレス信号線
32 感度調整線
34 増幅トランジスタ
34c チャネル領域
34e ゲート電極
34g ゲート絶縁膜
36 第1のリセットトランジスタ
36c チャネル領域
36e ゲート電極
36g ゲート絶縁膜
38 第2のリセットトランジスタ
38c チャネル領域
38e ゲート電極
38g ゲート絶縁膜
40 アドレストランジスタ
41、41B、41C 第1容量素子
41g 誘電体層
41w、41x 上部電極
42 第2容量素子
42c 電極領域
42e 上部電極
42g 誘電体層
43 第3容量素子
43e 上部電極
43g 誘電体層
44 電荷蓄積ノード
45 容量回路
46 リセットドレインノード
50、50’ 切替回路
51 スイッチ素子
51’ スイッチ素子
52 スイッチ素子
52’ スイッチ素子
53a 第1スイッチ
53b 第2スイッチ
54 電圧切替回路
60A〜60C 単位画素セル
62 容量素子
62b 下部電極
62d 誘電体層
62u 上部電極
101、602 撮像装置
105 カメラシステム
601 レンズ光学系
602 撮像装置
603 システムコントローラ
604 カメラ信号処理部
2 Semiconductor substrate 2d Drain diffusion layer 2s Element isolation region 2w Wells 4a-4d, 4s Interlayer insulating layers 6a, 6b, 6s Wiring layer 6bx Electrode 6w, 6z Wirings 11-14, 14a, 14b Unit pixel cell 15 Photoelectric conversion unit 15a First 1 electrode 15b photoelectric conversion film 15c second electrode 15h light receiving surface 16 vertical scanning circuit 17 accumulation control line 18 vertical signal line 19 load circuit 20 column signal processing circuit 21 horizontal signal readout circuit 22 power supply wiring 23 horizontal common signal line 24 inverting amplifier 24a Gain adjustment terminal 25 Feedback line 26 Reset signal line 27, 27 'Constant current source 28 Feedback control line 30 Address signal line 32 Sensitivity adjustment line 34 Amplifying transistor 34c Channel region 34e Gate electrode 34g Gate insulating film 36 First reset transistor 36c Channel Region 36e Gate electrode 36g gate insulating film 38 second reset transistor 38c channel region 38e gate electrode 38g gate insulating film 40 address transistors 41, 41B, 41C first capacitor element 41g dielectric layer 41w, 41x upper electrode 42 second capacitor element 42c Electrode region 42e Upper electrode 42g Dielectric layer 43 Third capacitor 43e Upper electrode 43g Dielectric layer 44 Charge storage node 45 Capacitor circuit 46 Reset drain node 50, 50 'Switching circuit 51 Switch element 51' Switch element 52 Switch element 52 ' Switch element 53a First switch 53b Second switch 54 Voltage switching circuit 60A-60C Unit pixel cell 62 Capacitance element 62b Lower electrode 62d Dielectric layer 62u Upper electrode 101, 602 Imaging device 105 Camera system 601 Lens optical system 602 Image device 603 System controller 604 Camera signal processing unit

Claims (7)

入射光を光電変換し電気信号を生成する光電変換部と、前記電気信号を検出する信号検出回路と、第1容量と前記第1容量よりも容量値が大きい第2容量とが直列に接続された容量回路と、を含む単位画素セルと、
前記電気信号を負帰還させる帰還経路を形成するフィードバック回路と
を備え、
前記光電変換部は、光電変換膜と、前記光電変換膜の受光面側に形成された第1電極と、前記光電変換膜の前記第1電極と反対側の面に形成された第2電極とを有し、
前記信号検出回路は、前記第2電極にゲートが接続され、前記第2電極の電位に応じた信号電圧を増幅して出力する第1のトランジスタと、前記第2電極にソースおよびドレインの一方が接続された第2のトランジスタとを含み、
前記第1容量は、前記第2のトランジスタの前記ソースと前記ドレインとの間に電気的に接続されており、
前記第2容量は、前記第2のトランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方に電気的に接続されており、
前記フィードバック回路は、前記第1のトランジスタおよび反転増幅器を前記帰還経路の一部に含み、前記電気信号を、前記第1のトランジスタおよび前記反転増幅器を介して、前記第2のトランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方に電気的に負帰還させ、
前記容量回路は、前記第2電極と基準電位との間に設けられている、
撮像装置。
A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light to generate an electrical signal, a signal detection circuit that detects the electrical signal, and a first capacitor and a second capacitor having a capacitance value larger than the first capacitor are connected in series. A unit pixel cell including a capacitance circuit;
A feedback circuit that forms a feedback path for negatively feeding back the electrical signal,
The photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion film, a first electrode formed on a light receiving surface side of the photoelectric conversion film, and a second electrode formed on a surface opposite to the first electrode of the photoelectric conversion film; Have
The signal detection circuit includes a first transistor that has a gate connected to the second electrode, amplifies and outputs a signal voltage corresponding to the potential of the second electrode, and one of a source and a drain connected to the second electrode. A connected second transistor;
The first capacitor is electrically connected between the source and the drain of the second transistor;
The second capacitor is electrically connected to the other of the source and the drain of the second transistor;
The feedback circuit includes the first transistor and an inverting amplifier in a part of the feedback path, and the electrical signal is passed through the first transistor and the inverting amplifier to the source of the second transistor and Electrically negative feedback to the other of the drains,
The capacitance circuit is provided between the second electrode and a reference potential.
Imaging device.
入射光を光電変換し電気信号を生成する光電変換部と、前記電気信号を検出する信号検出回路と、第1容量と前記第1容量よりも容量値が大きい第2容量とが直列に接続された容量回路と、を含む単位画素セルと、
前記電気信号を負帰還させる帰還経路を形成するフィードバック回路と
を備え、
前記光電変換部は、光電変換膜と、前記光電変換膜の受光面側に形成された第1電極と、前記光電変換膜の前記第1電極と反対側の面に形成された第2電極とを有し、
前記信号検出回路は、前記第2電極の電位に応じた信号電圧を増幅して出力する第1のトランジスタと、前記第2電極にソースおよびドレインの一方が接続された第2のトランジスタとを含み、
前記第1容量は、前記第2のトランジスタの前記ソースと前記ドレインとの間に電気的に接続されており、
前記第2容量は、前記第2のトランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方に電気的に接続されており、
前記フィードバック回路は、前記電気信号を前記第2のトランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方に電気的に負帰還させ、
前記容量回路は、前記第2電極と基準電位との間に設けられている、
撮像装置。
A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts incident light to generate an electrical signal, a signal detection circuit that detects the electrical signal, and a first capacitor and a second capacitor having a capacitance value larger than the first capacitor are connected in series. A unit pixel cell including a capacitance circuit;
A feedback circuit that forms a feedback path for negatively feeding back the electrical signal,
The photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion film, a first electrode formed on a light receiving surface side of the photoelectric conversion film, and a second electrode formed on a surface opposite to the first electrode of the photoelectric conversion film; Have
The signal detection circuit includes a first transistor that amplifies and outputs a signal voltage corresponding to the potential of the second electrode, and a second transistor having one of a source and a drain connected to the second electrode. ,
The first capacitor is electrically connected between the source and the drain of the second transistor;
The second capacitor is electrically connected to the other of the source and the drain of the second transistor;
The feedback circuit electrically negatively feeds back the electrical signal to the other of the source and the drain of the second transistor,
The capacitance circuit is provided between the second electrode and a reference potential.
Imaging device.
前記フィードバック回路は、前記第1のトランジスタおよび反転増幅器を前記帰還経路の一部に含み、前記電気信号を、前記第1のトランジスタおよび前記反転増幅器を介して、前記第2のトランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方に電気的に負帰還させる、
請求項に記載の撮像装置。
The feedback circuit includes the first transistor and an inverting amplifier in a part of the feedback path, and the electrical signal is passed through the first transistor and the inverting amplifier to the source of the second transistor and Electrically negative feedback to the other of the drains,
The imaging device according to claim 2 .
前記第2のトランジスタをオン・オフすることによって、前記第2電極の電位の変化量を切り換える、
請求項からのいずれか1項に記載の撮像装置。
Switching the amount of change in potential of the second electrode by turning on and off the second transistor;
The imaging device according to any one of claims 1 to 3 .
前記信号検出回路は、前記第1のトランジスタの出力を前記フィードバック回路に選択的に出力する第3のトランジスタを更に含む、
請求項1からのいずれか1項に記載の撮像装置。
The signal detection circuit further includes a third transistor that selectively outputs the output of the first transistor to the feedback circuit.
The imaging device according to any one of claims 1 to 4 .
前記信号検出回路は、前記フィードバック回路によって帰還された電気信号を前記第2のトランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方に選択的に伝える第4のトランジスタをさらに含む、
請求項1からのいずれか1項に記載の撮像装置。
The signal detection circuit further includes a fourth transistor that selectively transmits the electrical signal fed back by the feedback circuit to the other of the source and the drain of the second transistor.
The imaging device according to any one of claims 1 to 5 .
前記信号検出回路は、前記第2のトランジスタの前記ソースと前記ドレインとの間に電気的に接続され、前記フィードバック回路によって帰還された電気信号を選択的に第1容量に伝える第4のトランジスタをさらに含む、
請求項1からのいずれか1項に記載の撮像装置。
The signal detection circuit includes a fourth transistor that is electrically connected between the source and the drain of the second transistor and selectively transmits the electric signal fed back by the feedback circuit to the first capacitor. In addition,
The imaging device according to any one of claims 1 to 5 .
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