JP6547158B2 - Light detection element and solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、光検出素子及び固体撮像装置に係り、特にグローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置、及びこの固体撮像装置の画素として好適な光検出素子やフォトゲート構造を有する光検出素子に関する。 The present invention relates to a light detection element and a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device having a global shutter function and a light detection element having a light detection element and a photogate structure suitable as pixels of the solid-state imaging device.
CMOSイメージセンサにおいては、ローリングシャッタ動作が基本であるが、グローバルシャッタ機能を有するCMOSイメージセンサが提案されている(特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に記載されたようなグローバルシャッタ機能を有する従来のCMOSイメージセンサの場合、グローバルシャッタ用のゲート電極と転送ゲート電極の間を狭い間隙、典型的には0.1μm程度以下で形成しないと、グローバルシャッタ用のゲート電極と転送ゲート電極の間にポテンシャルのディップないし電位障壁が形成され、電荷転送に支障をきたすという問題がある。この問題は通常のCMOSプロセスを用いる場合は解決が困難な課題である。
In the CMOS image sensor, a rolling shutter operation is basic, but a CMOS image sensor having a global shutter function has been proposed (see Patent Document 1).
However, in the case of a conventional CMOS image sensor having a global shutter function as described in
上記の問題点を鑑み、本発明は、低暗電流で低ノイズの性能を維持しつつ、電荷転送のための電位差が確実に確保され、製造プロセスも容易である光検出素子及びこの光検出素子を画素として用いた固体撮像装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, according to the present invention, there is provided a light detecting element and a light detecting element capable of reliably securing a potential difference for charge transfer while maintaining low noise current performance with low dark current and easy manufacturing process. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device using the pixel as a pixel.
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、(a)第1導電型の半導体層からなる基体部と、(b)基体部の上部に設けられ、絶縁ゲート構造によって、光電変換された信号電荷の蓄積と転送を制御する第1の転送制御手段と、(c)第1の転送制御手段に隣接して基体部の上部に設けられた、pn接合からなる緩衝ダイオード部と、(d)緩衝ダイオード部に隣接して基体部の上部に設けられ、絶縁ゲート構造によって信号電荷の転送を制御する第2の転送制御手段と、(e)第2の転送制御手段に隣接して基体部の上部に設けられ、第2の転送制御手段によって転送された信号電荷を検出する、第2導電型の半導体領域からなる電荷検出領域とを備える光検出素子であることを要旨とする。
本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様で規定した光検出素子を画素として、この画素を複数配列して画素アレイを構成した固体撮像装置であることを要旨とする。
In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, photoelectric conversion is provided by (a) a base portion comprising a semiconductor layer of the first conductivity type, and (b) above the base portion. First transfer control means for controlling the accumulation and transfer of the signal charge, and (c) a buffer diode portion comprising a pn junction provided on the upper portion of the base portion adjacent to the first transfer control means; (d) second transfer control means provided on the upper portion of the base portion adjacent to the buffer diode portion and controlling transfer of signal charges by the insulated gate structure, and (e) adjacent to the second transfer control means A gist of the present invention is a light detection element including: a charge detection region provided on an upper portion of the base portion and detecting a signal charge transferred by the second transfer control unit, the charge detection region comprising the semiconductor region of the second conductivity type.
A second aspect of the present invention is a solid-state imaging device in which a pixel array is configured by arranging a plurality of the light detection elements defined in the first aspect of the present invention as pixels.
本発明によれば、低暗電流で低ノイズの性能を維持しつつ、電荷転送のための電位差が確実に確保され、製造プロセスも容易である光検出素子及びこの光検出素子を画素として用いた固体撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, a photodetection element is used which can ensure a potential difference for charge transfer while ensuring low dark current and low noise performance, and which is easy to manufacture, and this photodetection element as a pixel A solid-state imaging device can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の第1及び第2の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is needless to say that parts having different dimensional relationships and proportions are included among the drawings.
当業者が周知のように、半導体における「第1導電型」とはp型又はn型のいずれか一方を意味し、「第2導電型」とは第1導電型の反対導電型を意味する。即ち、「第1導電型」がp型であれば「第2導電型」はn型であり、「第1導電型」がn型であれば「第2導電型」はp型である。以下の説明では、説明の便宜上、「第1導電型」がp型で「第2導電型」がn型で信号電荷が電子である場合について議論するが単なる選択の問題に過ぎない。本発明は斯かる説明の便宜上の選択に限定されるものではなく、「第1導電型」をn型、「第2導電型」をp型と定義して各部に印加する電圧の極性を逆にし、信号電荷が正孔となる場合であっても、本発明の技術的思想が適用され同様な議論が可能であることは勿論である。 As known to those skilled in the art, the "first conductivity type" in a semiconductor means either p-type or n-type, and the "second conductivity type" means the opposite conductivity type of the first conductivity type. . That is, if the “first conductivity type” is p-type, the “second conductivity type” is n-type, and if the “first conductivity type” is n-type, the “second conductivity type” is p-type. In the following description, for convenience of explanation, the case where the “first conductivity type” is p-type, the “second conductivity type” is n-type, and the signal charge is an electron is discussed, but it is merely a matter of choice. The present invention is not limited to the selection for the convenience of the description. The “first conductivity type” is defined as n-type, the “second conductivity type” is defined as p-type, and the polarity of the voltage applied to each part is reversed. Of course, even when the signal charge is a hole, the technical idea of the present invention is applicable and the same argument can be made.
又、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を90度回転すれば「左右」と「上下」は交換して読まれ、紙面を180度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。
更に、以下に示す第1及び第2の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、種々の光検出素子、この光検出素子を用いた高速動画像の撮像装置、高速現象をブレなく撮像するための静止画の撮像装置等の種々の固体撮像装置に適用可能である。又、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでなく、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
Further, the directions of “left and right” and “upper and lower” in the following description are merely definitions for convenience of description, and do not limit the technical idea of the present invention. Thus, for example, if the paper is rotated 90 degrees, "left and right" and "up and down" are read interchangeably, and if the paper is rotated 180 degrees, "left" becomes "right" and "right" becomes "left". Of course.
Furthermore, the first and second embodiments described below illustrate an apparatus and method for embodying the technical idea of the present invention, and various light detection elements, and the light detection elements are described. The present invention is applicable to various solid-state imaging devices such as an imaging device for high-speed moving images used and an imaging device for still images for imaging high-speed phenomena without blurring. Further, the technical idea of the present invention does not specify the material, shape, structure, arrangement and the like of the components to the following, and the technical idea of the present invention is described in the claims. Various changes can be made within the scope.
(第1の実施形態)
図1(a)に示すように、本発明の第1の実施形態に係る光検出素子は、第1導電型(p型)の半導体層からなる基体部11と、基体部11の上部に設けられ、絶縁ゲート構造によって、光電変換された信号電荷の蓄積と転送を制御する第1の転送制御手段(14,15,16)と、第1の転送制御手段(14,15,16)に隣接して基体部11の上部に設けられた、pn接合からなる緩衝ダイオード部D2と、緩衝ダイオード部D2に隣接して基体部11の上部に設けられ、絶縁ゲート構造によって信号電荷の転送を制御する第2の転送制御手段(19,23)と、第2の転送制御手段(19,23)に隣接して基体部11の上部に設けられ、第2の転送制御手段(19,23)によって転送された信号電荷を検出する、第2導電型(n型)の半導体領域からなる電荷検出領域20とを備える。
First Embodiment
As shown in FIG. 1A, the light detection element according to the first embodiment of the present invention is provided on a
なお、図1(a)では「基体部11」として、第1導電型(p型)の半導体基板を用いる場合を例示しているが、半導体基板の代わりに、第1導電型の半導体基板上に、半導体基板よりも低不純物密度の第1導電型のエピタキシャル成長層を形成した2層構造を実現して、エピタキシャル成長層を第1導電型の半導体層からなる基体部11として採用してもよく、第2導電型(n型)の半導体基板上に、第1導電型(p型)のエピタキシャル成長層を形成して、エピタキシャル成長層を第1導電型の半導体層からなる基体部11として採用してもよい。
Although the case where a semiconductor substrate of the first conductivity type (p type) is used as the “
第2導電型(n型)の半導体基板上に、pn接合を形成するように、第1導電型(p型)のエピタキシャル成長層を形成すれば、長い波長の場合、入力光が第2導電型の半導体基板深くまで浸入するが、第2導電型の半導体基板で発生した光によるキャリアは、pn接合のビルトインポテンシャルによる電位障壁のため第1導電型のエピタキシャル成長層まで入って来られないので、第2導電型の半導体基板深くで発生したキャリアを積極的に捨てることができる。これによって、深い位置で発生したキャリアが拡散で戻ってきて、隣の画素に漏れ込むのを防ぐことが可能になる。これは特に、RGBのカラーフィルタが搭載された単板カラーのイメージセンサの場合に、色の混合を起こさないようにできる効果を奏する。 If a first conductivity type (p type) epitaxial growth layer is formed to form a pn junction on a second conductivity type (n type) semiconductor substrate, the input light has a second conductivity type in the case of a long wavelength. The carrier by light generated in the semiconductor substrate of the second conductivity type does not enter the epitaxial growth layer of the first conductivity type because of the potential barrier due to the built-in potential of the pn junction. 2 Carriers generated in the deep of the semiconductor substrate of the conductivity type can be positively discarded. This makes it possible to prevent carriers generated at a deep position from diffusing back and leaking into adjacent pixels. This has the effect of preventing color mixing particularly in the case of a single plate color image sensor mounted with RGB color filters.
基体部11の表面側に、第1導電型(p型)の第1埋込層 領域13と第2導電型(n型)の第2埋込層領域12とのpn接合からなる光電変換ダイオード部D1が形成され、光電変換ダイオード部D1において光電変換して信号電荷を生成すると共にその信号電荷(電子)を第2埋込層領域12に蓄積する。図2及び図3の平面図に示すように、光電変換ダイオード部D1は、平面パターン上、緩衝ダイオード部D2とは異なる方向で第1の転送制御手段(14,15,16)に隣接して配置されている。
A photoelectric conversion diode comprising a pn junction of a first buried
光電変換ダイオード部D1に隣接して、シリコン酸化膜(SiO2膜)等の種々の絶縁膜をゲート絶縁膜とする絶縁ゲート構造を構成するように蓄積ゲート電極14が形成されている。即ち、蓄積ゲート電極14が第1の転送制御手段(14,15,16)の絶縁ゲート構造の一部を構成している。第1の転送制御手段(14,15,16)は、光電変換ダイオード部D1に隣接した、第1導電型の半導体領域からなるバリヤ領域16と、このバリヤ領域16と緩衝ダイオード部D2との間に設けられた、第2導電型の半導体領域からなる埋込チャネル領域15とを含む。即ち、蓄積ゲート電極14の下の基体部11の表面側には、光電変換ダイオード部D1に隣接してバリヤ領域16が形成されると共に、光電変換ダイオード部D1からバリヤ領域16を介して埋込チャネル領域15が形成されている。
A
埋込チャネル領域15に信号電荷を保持する間も光電変換は行われる。このため、基体部11深部で発生する電荷が埋込チャネル領域15中の信号電荷に混入しないよう、図1(a)に示すように、基体部11より高不純物密度のウェル領域23で埋込チャネル領域15、バリヤ領域16、第3埋込層領域18及び第4埋込層領域17等を覆うのが望ましい。
埋込チャネル領域15に隣接して、第1導電型(p型)の第3埋込層領域18と第2導電型(n型)の第4埋込層領域17からなる緩衝ダイオード部D2が形成され、緩衝ダイオード部D2に隣接して第2の転送制御手段を構成する読出ゲート電極19が形成される。読出ゲート電極19も蓄積ゲート電極14と同様に、種々の絶縁膜をゲート絶縁膜として絶縁ゲート構造を構成している。
The photoelectric conversion is also performed while holding the signal charge in the buried
Adjacent to buried
図1では図示を省略しているが、読出ゲート電極19とウェル領域23の間、蓄積ゲート電極14とバリヤ領域16との間、蓄積ゲート電極14と埋込チャネル領域15との間にはゲート絶縁膜が挿入されている。このゲート絶縁膜としては、基体部11がシリコン(Si)であれば、MOS構造に採用されているシリコン酸化膜が好適であるが、シリコン酸化膜に限定されるものではなく、シリコン酸化膜以外のシリコン窒化膜(Si3N4膜)等の種々の絶縁膜を用いることが可能である。例えば、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の3層積層膜からなるONO膜等の多層構造の絶縁膜でもよい。更には、ストロンチウム酸化物(SrO)膜、アルミニウム酸化物(Al2O3)膜、マグネシウム酸化物(MgO)膜、イットリウム酸化物(Y2O3)膜、ハフニウム酸化物(HfO2)膜、ジルコニウム酸化物(ZrO2)膜、タンタル酸化物(Ta2O5)膜、ビスマス酸化物(Bi2O3)膜等のストロンチウム(Sr)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、イットリウム(Y)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、ビスマス(Bi)のいずれか1つの元素を少なくとも含む酸化物、又はこれらの元素を含むシリコン窒化物等の単層膜若しくは多層膜が絶縁膜として使用可能である。又、基体部11がシリコン(Si)である場合に限定されるものではなく、ゲルマニウム(Ge)、ガリウムヒ素(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)、炭化ケイ素(SiC)等の他の半導体材料でも構わない。
Although not shown in FIG. 1, a gate is formed between
読出ゲート電極19に隣接して、高不純物密度で第2導電型(n型)の半導体領域からなる電荷検出領域20(FD)が浮遊状態となるように形成される。蓄積ゲート電極14にはロウ(L)レベルの電圧を印加した状態のまま、読出ゲート電極19にハイ(H)レベルの電圧を印加することで、埋込チャネル領域15に蓄積した信号電荷は電荷検出領域20へ読み出すことができる。
Adjacent to the read
図2及び図3の平面図から理解できるように、平面パターン上、第1の転送制御手段(14,15,16)と異なる方向で、図1に示した光電変換ダイオード部D1の左側に隣接して、絶縁ゲート構造によって電荷の転送を制御する排出制御手段(21,11)が設けられている。更に、排出制御手段(21,11)の左側に隣接して、基体部11の上部に設けられ、排出制御手段(21,11)によって転送された電荷を受け入れる、n型の半導体領域からなる電荷排出領域22が配置されている。
As can be understood from the plan views of FIGS. 2 and 3, adjacent to the left side of the photoelectric conversion diode portion D1 shown in FIG. 1 in a direction different from the first transfer control means (14, 15, 16) on the plane pattern. In addition, discharge control means (21, 11) are provided to control the transfer of charge by means of an insulated gate structure. Furthermore, an electric charge formed of an n-type semiconductor region is provided on the upper part of the base 11 adjacent to the left side of the discharge control means (21, 11) and receives the charge transferred by the discharge control means (21, 11). A
図1(a)に示すように、電荷検出領域20の右側と電荷排出領域22の左側には、ゲート絶縁膜より厚い素子分離絶縁膜31の断面が露出している。素子分離絶縁膜31もシリコン酸化膜で構成してもよく、シリコン酸化膜以外の他の絶縁膜で構成してもよい。平面パターン上においては、素子分離絶縁膜31の端部と基体部11との境界は閉じた多角形のトポロジーをなすように図1(a)の紙面の裏側で連続している。即ち、素子分離絶縁膜31は平面パターン上、電荷検出領域20や電荷排出領域22の周囲を囲うように配置され、基体部11の表面の一部を露出するように素子分離絶縁膜31に設けられた窓部が、図2に示した活性領域30a或いは図3に示した活性領域30bの占有領域を定義している。
As shown in FIG. 1A, the cross section of the element
蓄積ゲート電極14にはハイ(H)レベルとロウ(L)レベルの2値の電圧が印加される。図1(b)に示すように、蓄積ゲート電極14にハイ(H)レベルの電圧(第1電位)が印加された場合は、バリヤ領域16及び埋込チャネル領域15のそれぞれのポテンシャルが共に光電変換ダイオード部D1のポテンシャルφpdよりポテンシャルが深くなる。且つ図1(b)に示すように、バリヤ領域16より埋込チャネル領域15のポテンシャルφgs(H)の方が、電位差Vsb分だけ深いから、光電変換ダイオード部D1に蓄積した信号電荷がバリヤ領域16を介して埋込チャネル領域15に転送される。埋込チャネル領域15のポテンシャルφgs(H)は、光電変換ダイオード部D1のポテンシャルφpdより十分に深くできるから、光電変換ダイオード部D1から埋込チャネル領域15への電荷転送は容易となる。
A binary voltage of high (H) level and low (L) level is applied to the
他方、ロウ(L)レベルの電圧(第2電位)が蓄積ゲート電極14に印加される場合は、図1(b)に示すように、バリヤ領域16より埋込チャネル領域15の方が、電位差Vsa分だけ深くなるポテンシャルφgs(L)を維持しつつ、バリヤ領域16のポテンシャルは光電変換ダイオード部D1のポテンシャルφpdより浅くなり、埋込チャネル領域15に蓄積した信号電荷の逆流を防止する。更に、ロウ(L)レベルの電圧が蓄積ゲート電極14に印加される場合は、埋込チャネル領域15及びバリヤ領域16が共に半導体表面が正孔で埋められるピンニング動作となり(詳細は図6を用いて後述する。)、表面が不活性となって、暗電流の大幅な低減が可能となる。
On the other hand, when a low (L) level voltage (second potential) is applied to the
図1(a)に示すように、光検出素子の電荷検出領域20には、読み出し用バッファアンプを構成する増幅トランジスタTAijのゲート電極が接続されている。増幅トランジスタTAijのドレイン電極は電源VDDに接続され、ソース電極は画素選択用の選択トランジスタTSijのドレイン電極に接続されている。選択トランジスタTSijのソース電極は、読出信号線Bjに接続され、ゲート電極には水平ラインの選択用制御信号S(i)が与えられる。選択用制御信号S(i)をハイ(H)レベルにすることにより、選択トランジスタTSijが導通し、増幅トランジスタTAijで増幅された電荷検出領域20の電位に対応する電流が読出信号線Bjに流れる。更に、電荷検出領域20には、読み出し用バッファアンプを構成するリセットトランジスタTRijのソース電極が接続されている。リセットトランジスタTRijのドレイン電極は電源VDDに接続され、ゲート電極にはリセット信号R(i)が与えられる。リセット信号R(i)をハイ(H)レベルにして、電荷検出領域20に蓄積された電荷を吐き出し、電荷検出領域20をリセットする。
As shown in FIG. 1A, the
前述のように、蓄積ゲート電極14と読出ゲート電極19の間には緩衝ダイオード部D2が形成されており、第3埋込層領域18及び第4埋込層領域17の不純物密度や厚みを適切に設定することで、図1(b)のポテンシャル分布図に示すように、蓄積ゲート電極14と読出ゲート電極19の間を狭い間隙で形成しなくても転送路中にポテンシャルのディップないしバリヤが形成されるのを防止でき、良好な電荷転送が可能となる。即ち、第1の実施形態に係る光検出素子によれば、第1の転送制御手段(14,15,16)と第2の転送制御手段(19,23)の間に緩衝ダイオード部D2が形成されているため、蓄積ゲート電極14と読出ゲート電極19の間を狭い間隙で形成しなくてもポテンシャルのディップないし電位障壁の形成が防止される。例えば、蓄積ゲート電極14と読出ゲート電極19との間のスペースは、0.1から0.5μm程度でよいので、製造工程が容易になる。
As described above, the buffer diode portion D2 is formed between the
又、第1の実施形態に係る光検出素子によれば、光電変換ダイオード部D1の電位と埋込チャネル領域15の電位の差、及び埋込チャネル領域15の電位と電荷検出領域20の電位の差が、第1の転送制御手段(14,15,16)に、ハイ(H)レベルとロウ(L)レベルの2値の電圧を印加することで十分に確保され、電荷転送が容易となる。更に埋込チャネル領域15に電荷蓄積時、バリヤ領域16及び埋込チャネル領域15共に表面がピンニング動作されることで、暗電流が大幅に低減される。
Further, according to the light detection element according to the first embodiment, the difference between the potential of the photoelectric conversion diode unit D1 and the potential of the buried
同様に、埋込チャネル領域15、バリヤ領域16、第3埋込層領域18、第4埋込層領域17、電荷検出領域20及び電荷排出領域22等の上面をメタル層等からなる遮光板24でカバーすることで、埋込チャネル領域15に保持された信号電荷への入射光の影響を防止できる。光電変換ダイオード部D1に対し、蓄積ゲート電極14側とは異なる方向に隣接して、排出ゲート電極21(GR)が形成され、排出ゲート電極21を介して電荷排出領域22(VD)が同じ直線状に配置される。排出ゲート電極21のゲート電圧を適切に設定することで、入射光が強くなり光電変換ダイオード部D1で光電変換された信号電荷が過剰となった場合に、埋込チャネル領域15へ溢れる手前で排出ゲート電極21を介して電荷排出領域22へ過剰な信号電荷を排出することができ、ブルーミングを防止できる。又、排出ゲート電極21のゲート電圧を十分高い電圧に設定することで、光電変換開始時に光電変換ダイオード部D1に蓄積した信号電荷を空にすることができる。
Similarly, a
図2は、図1に示した第1の実施形態に係る光検出素子の平面パターンの一例を示すもので、矩形の平面パターンをなす電荷排出領域22、矩形(長方形)の平面パターンをなす排出ゲート電極21、6角形の平面パターンをなす光電変換ダイオード部D1、矩形(長方形)の平面パターンをなして、内側に矩形の埋込チャネル領域15を含む蓄積ゲート電極14、矩形の平面パターンをなす緩衝ダイオード部D2、矩形の平面パターンをなす読出ゲート電極19、矩形の平面パターンをなす電荷検出領域20が、活性領域30aの内部に左側から右側に向かい、横直線状に配置されている。図2に示すように、平面パターン上、バリヤ領域16、埋込チャネル領域15及び緩衝ダイオード部D2はウェル領域23の内部に配置されている。したがって、図2のIA−IA方向から見た断面図が図1に相当する。
FIG. 2 shows an example of a plane pattern of the light detection element according to the first embodiment shown in FIG. 1, and the
図3も、図1に示した第1の実施形態に係る光検出素子の平面パターンの一例を示すものであり、図3のIB−IB方向から見た階段断面図が図1に相当する。図3に示すように、矩形の平面パターンをなす電荷排出領域22、三角形の平面パターンをなす排出ゲート電極21、多角形の平面パターンをなす光電変換ダイオード部D1、台形の平面パターンをなして、内側に台形の埋込チャネル領域15を含む蓄積ゲート電極14、台形の平面パターンをなす緩衝ダイオード部D2、三角形の平面パターンをなす読出ゲート電極19、矩形の平面パターンをなす電荷検出領域20が、活性領域30bの内部に、左上方向から右下方向に向かう対角線方向を主経路とするように、折り曲がったトポロジーで配置されている。図3に示すように、平面パターン上、バリヤ領域16、埋込チャネル領域15及び緩衝ダイオード部D2はウェル領域23の内部に配置されている。図3に示すような平面パターンのトポロジーによれば、転送路を相対的に長く取ることが可能となるので、活性領域30bの面積の縮小化に有利となる。
FIG. 3 also shows an example of a plane pattern of the light detection element according to the first embodiment shown in FIG. 1, and a step sectional view seen from the IB-IB direction in FIG. 3 corresponds to FIG. As shown in FIG. 3, a
−−第1の実施形態の光検出素子の電荷転送動作−−
図4及び図5を用いて、図1に示した第1の実施形態に係る光検出素子の電荷転送動作をより詳細に示す。
(イ)まず図4(a)のポテンシャルプロファイルに示すように蓄積ゲート電極14の電位SGをロウ(L)レベルのまま、排出ゲート電極21の電位GRをハイ(H)レベルに設定し、排出ゲート電極21の直下のチャネルのポテンシャルを深くし、 チャネルを導通状態にして、光電変換ダイオード部D1の第2埋込層領域12に蓄積した信号電荷や暗電流による電荷を排出する。
--- Charge transfer operation of the light detection element of the first embodiment ---
The charge transfer operation of the light detection element according to the first embodiment shown in FIG. 1 will be described in more detail using FIG. 4 and FIG.
(A) First, as shown in the potential profile of FIG. 4A, the potential GR of the
(ロ)次に図4(b)のポテンシャルプロファイルに示すように蓄積ゲート電極14の電位SGをロウ(L)レベルのまま、読出ゲート電極19の電位TX及び排出ゲート電極21の電位GRをロウ(L)レベルに設定し、読出ゲート電極19及び排出ゲート電極21のそれぞれの直下のチャネルのポテンシャルを浅くし、チャネルを遮断状態にして、光電変換ダイオード部D1で光電変換された信号電荷を、光電変換ダイオード部D1の第2埋込層領域12に蓄積する。
(ハ)光電変換された信号電荷を一定期間、光電変換ダイオード部D1の第2埋込層領域12に蓄積した後、図4(c)のポテンシャルプロファイルに示すように、蓄積ゲート電極14の電位SGをハイ(H)レベルの電圧にすることで、光電変換ダイオード部D1の電荷を埋込チャネル領域15に転送する。
(B) Next, as shown in the potential profile of FIG. 4B, while the potential SG of the
(C) After accumulating the signal charges subjected to photoelectric conversion in the second embedded
(ニ)埋込チャネル領域15への電荷転送が終了後、図5(d)のポテンシャルプロファイルに示すように、蓄積ゲート電極14の電位SGをロウ(L)レベルに戻し、信号電荷を埋込チャネル領域15及び緩衝ダイオード部D2に保持する。
(ホ)電荷読み出し期間では、図5(e)のポテンシャルプロファイルに示すように、蓄積ゲート電極14の電位SGをロウ(L)レベルのまま、読出ゲート電極19の電位TXを高くし、読出ゲート電極19をターン・オンして、埋込チャネル領域15及び緩衝ダイオード部D2に蓄積した信号電荷を電荷検出領域20へ読み出す。
(D) After the charge transfer to the buried
(E) In the charge read-out period, as shown in the potential profile of FIG. 5E, the potential TX of the read
図6は、図1における第1の転送制御手段(14,15,16)を構成するバリヤ領域16と埋込チャネル領域15について、蓄積ゲート電極14に印加する2値の電圧をパラメータとして、深さ方向ポテンシャルを示した図である。ここで、バリヤ領域16のポテンシャル分布は破線で、埋込チャネル領域15のポテンシャル分布は実線で示す。又、ロウ(L)レベルのゲート電圧はV1、ハイ(H)レベルのゲート電圧はV2とする。ハイ(H)レベルの電圧V2では、埋込チャネル領域15のポテンシャルが深く形成されると共に、バリヤ領域16と埋込チャネル領域15の間でVsbの電位差が生じ、信号電荷を保持することができる。他方、負電圧となるロウ(L)レベルの電圧V1では、バリヤ領域16と埋込チャネル領域15の間でVsaの電位差が生じて信号電荷を保持すると共に、両領域共に表面電位が基体部11の電位以下となり、正孔が蓄積する、ピンニング動作となる。このため、暗電流の主要発生源である基体部11の半導体表面が不活性化し、暗電流の大幅低減が可能となる。
FIG. 6 shows the depths of the
−−第1の実施形態に係る固体撮像装置−−
本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置(2次元イメージセンサ)は、図7に示すように、画素アレイ部5と周辺回路部(51,52,55)とを同一の半導体チップ上に集積化している。画素アレイ部5には、図1(a)に要部の概略を示した光検出素子を画素Xij(i=1〜n;j=1〜m:n,mはそれぞれ整数である。)として用い、この画素Xijの多数個を2次元マトリクス状に配列している。それぞれの画素Xijは、例えば、方形状の撮像領域を構成している。
--- Solid-state imaging device according to the first embodiment ---
The solid-state imaging device (two-dimensional image sensor) according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7, has the same semiconductor chip as the pixel array unit 5 and the peripheral circuit unit (51, 52, 55). It is integrated on top. The pixel array unit 5 is a light detection element whose outline is shown in FIG. 1A as a pixel X ij (i = 1 to n; j = 1 to m: n and m are integers). , And a large number of the pixels X ij are arranged in a two-dimensional matrix. Each pixel X ij constitutes, for example, a rectangular imaging region.
画素アレイ部5の下辺部には、第1画素行X11,X12,X13,……,X1m方向;第2画素行X21,X22,X23,……,X2m方向;……;第i画素行Xi1,Xi2,Xi3,……,Xim方向;……;第(n−1)画素行X(n-1)1,X(n-1)2,X(n-1)3,……,X(n-1)m方向;第n画素行Xn1,Xn2,Xn3,……,Xnm方向に沿ってコラムデコーダ回路55が設けられている。又、画素アレイ部の左辺部には第1画素列X11,X21,……,Xi1,……,X(n-1)1,Xn1方向;第2画素列X12,X22,……,Xi2,……,X(n-1)2,Xn2方向;第3画素列X13,X23,……,Xi3,……,X(n-1)3,Xn3方向;……;……;……;第m画素列X1m,X2m,……,Xim,……,X(n-1)m,Xnm方向に沿って行デコーダ回路51,行駆動回路52が設けられている。
The lower side portion of the pixel array section 5, the first pixel row X 11, X 12, X 13 , ......, X 1m direction; second pixel row X 21, X 22, X 23 , ......, X 2m direction; ......; i-th pixel row Xi1 , Xi2 , Xi3 , ..., X im direction; ......; (n-1) -th pixel row X (n-1) 1 , X (n-1) 2 , X (n1) 3, ......, X (n1) m direction; the n-th pixel row X n1, X n2, X n3 , ......, and the
第1画素列X11,X21,……,Xi1,……,X(n-1)1,Xn1にはコラム電源線P1が設けられ、第2画素列X12,X22,……,Xi2,……,X(n-1)2,Xn2にはコラム電源線P2が設けられ、第3画素列X13,X23,……,Xi3,……,X(n-1)3,Xn3にはコラム電源線P3が設けられ、……;……;……;第m画素列X1m,X2m,……,Xim,……,X(n-1)m,Xnmにはコラム電源線Pmが設けられ、コラム毎の電源線P1,P2,P3,……,Pmを介して画素アレイ部5全体の電源線VDDに接続されている。
The first pixel column X 11 , X 21 ,..., X i1 ,..., X (n−1) 1 , X n 1 is provided with a column power supply line P 1 , and the second pixel column X 12 , X 22 , ., X i2 ,..., X (n-1) 2 , X n2 are provided with a column power supply line P 2 , and the third pixel column X 13 ,
コラムデコーダ回路55、行デコーダ回路51,行駆動回路52によって画素アレイ部5内の単位画素Xijが順次走査され、画素信号の読み出しや電子シャッタ動作が実行される。行駆動線W1,W2,……,Wi,……,W(n-),Wnは、第1画素行X11,X12,X13,……,X1m;第2画素行X21,X22,X23,……,X2m;……;第i画素行Xi1,Xi2,Xi3,……,Xim;……;第(n−1)画素行X(n-1)1,X(n-1)2,X(n-1)3,……,X(n-1)m;第n画素行Xn1,Xn2,Xn3,……,Xnmのそれぞれに配列された画素Xij(i=1〜n;j=1〜m)のそれぞれに対して行毎に配線された、蓄積ゲート電極14の駆動線(第1の駆動線)、読出ゲート電極19の駆動線(第2の駆動線)、リセットトランジスタTRijの駆動線(第3の駆動線)R(i)及び選択トランジスタTSijの駆動線(第4の駆動線)S(i)を1つの駆動線に代表して表したものである。
The unit pixels X ij in the pixel array unit 5 are sequentially scanned by the
行デコーダ回路51により、第1画素行X11,X12,X13,……,X1m;第2画素行X21,X22,X23,……,X2m;……;第i画素行Xi1,Xi2,Xi3,……,Xim;……;第(n−1)画素行X(n-1)1,X(n-1)2,X(n-1)3,……,X(n-1)m;第n画素行Xn1,Xn2,Xn3,……,Xnmのうちの特定の画素行が選択され、行駆動回路52を介して、選択された画素行に対して、選択された画素行に対応する、行駆動線W1,W2,……,Wi,……,W(n-),Wnのいずれかから、それぞれの駆動信号が与えられる。
The
そして、第1画素列X11,X21,……,Xi1,……,X(n-1)1,Xn1に設けられた読出信号線B1によって画素信号Vsig1が、第2画素列X12,X22,……,Xi2,……,X(n-1)2,Xn2に設けられた読出信号線B2によって画素信号Vsig2が、第3画素列X13,X23,……,Xi3,……,X(n-1)3,Xn3に設けられた読出信号線B3によって画素信号Vsig3が、……、第m画素列X1m,X2m,……,Xim,……,X(n-1)m,Xnmに設けられた読出信号線Bmによって画素信号Vsigmが、それぞれ読み出される構成となっている。各読出信号線B1,B2,B3,……,Bmから読み出された画素信号Vsig1,Vsig2,Vsig3,……,Vsigmは、信号処理回路SP1,SP2,SP3,……,SPmにおいて、アナログないしアナログとデジタルの信号処理が施される。その後、信号処理回路SP1,SP2,SP3,……,SPmによって信号処理が施されたコラム毎の信号が、コラムデコーダ回路55により出力信号線56へ読み出され、出力信号線56を介して最終的に半導体チップの外部の外部回路へ出力される。
The first pixel row X 11, X 21, ......, X i1, ......, X (n1) 1, the pixel signal V sig1 by the read signal line B 1 provided X n1 is the second pixel column X 12, X 22, ......, X i2, ......, X (n-1) 2, the pixel signal V sig2 by the read signal line B 2 provided in the X n2 is the third pixel column X 13, X 23, ......, X i3, ...... , X (n-1) 3, X n3 pixel signal V sig3 by the read signal line B 3 provided in the, ..., m-th pixel column X 1 m, X 2m, .., X im ,..., X (n−1) m and X nm , the pixel signal V sigm is read out by the read signal line B m . The pixel signals V sig1 , V sig2 , V sig3 ,..., V sigm read from the read signal lines B 1 , B 2 , B 3 ,..., B m are signal processing circuits SP 1 , SP 2 , At SP 3 ,..., SP m , analog or analog and digital signal processing is performed. Thereafter, the signal for each column subjected to the signal processing by the signal processing circuits SP 1 , SP 2 , SP 3 ,..., SP m is read out to the
−−グローバルシャッタ動作−−
図7に示す第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成において、グローバルシャッタ動作は以下のようにしてなされる:
(a)まず、行駆動線W1,W2,……,Wi,……,W(n-1),Wnを介して、全画素Xij(i=1〜n;j=1〜m)の電荷排出領域22に至るそれぞれのチャネルの電位が同時に導通状態のポテンシャルとなるように、十分高い電圧を全画素Xijの排出ゲート電極21に同時に印加して、全画素Xijのそれぞれの光電変換ダイオード部D1の信号電荷や暗電流による電荷を排出させる。その後、入射光により発生した信号電荷を、全画素Xijのそれぞれの光電変換ダイオード部D1の第2埋込層領域12に蓄積する。
--- Global shutter operation ---
In the configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment shown in FIG. 7, the global shutter operation is performed as follows:
(A) First, the row drive lines W 1, W 2, ......, W i, ......, W (n-1), through the W n, all the pixels X ij (i = 1~n; j = 1 as the potential of the respective channel leading to the
(b)次に、全画素Xijのそれぞれの光電変換ダイオード部D1で一定期間光電変換し、第2埋込層領域12に蓄積した信号電荷を、全画素Xij同時に、それぞれの埋込チャネル領域15に転送する。この時、全画素Xijのそれぞれの蓄積ゲート電極14には、行駆動線W1,W2,……,Wi,……,W(n-1),Wnのうちの第1の駆動線を介してハイ(H)レベルの電圧が同時に印加される。
(c)次いで、行駆動線W1,W2,……,Wi,……,W(n-1),Wnのうちの第1の駆動線により、全画素Xijのそれぞれの蓄積ゲート電極14にロウ(L)レベルの電圧が印加され、蓄積ゲート電極14の直下の半導体領域の表面電位をピンニング動作させて、信号電荷を各画素Xijのそれぞれの埋込チャネル領域15に保持する。
(B) Next, a period of time photoelectric conversion in each of the photoelectric conversion diode section D1 of all pixels X ij, the accumulated signal charges to the second buried
(C) Next, the first drive line out of the row drive lines W 1 , W 2 ,..., W i ,..., W (n−1) , W n accumulates each of all the pixels X ij A low (L) level voltage is applied to the
(d)その後、各画素Xijのそれぞれの蓄積ゲート電極14の電位はロウ(L)レベルの電圧の状態のまま、各画素Xijのそれぞれの読出ゲート電極19に、行毎に順次ハイ(H)レベルの電圧を第2の駆動線を介して印加して、各画素Xijのそれぞれの埋込チャネル領域15に保持されていた信号電荷を、各画素Xijのそれぞれの電荷検出領域20へ転送する。
(e)各画素Xijのそれぞれの電荷検出領域20では、信号電荷が転送される前のリセットレベルと信号電荷が転送された後の信号レベルを、それぞれの画素Xij(i=1〜n;j=1〜m)の内部に集積化された増幅トランジスタTAij及び選択トランジスタTSijを介して、読出信号線B1,B2,B3,……,Bmへ読み出す。
(D) Thereafter, in the state of the respective potentials of the
(E) In each
以上に示すように、第1の実施形態に係る固体撮像装置においては、すべての画素Xij(i=1〜n;j=1〜m)において、露光期間における信号電荷の生成の動作が同時に実施でき、グローバルシャッタ動作となる。即ち、第1の実施形態に係る固体撮像装置によれば、グローバルシャッタ動作が可能で、低残像、低暗電流で低ノイズの性能を維持しつつ、電荷転送のための電位差が確実に確保され、製造プロセスも容易な固体撮像装置を提供することができる。 As described above, in the solid-state imaging device according to the first embodiment, in all the pixels X ij (i = 1 to n; j = 1 to m), the operation of generating signal charges in the exposure period is simultaneously performed. It can be implemented and becomes a global shutter operation. That is, according to the solid-state imaging device according to the first embodiment, the global shutter operation is possible, and the potential difference for charge transfer is reliably ensured while maintaining the performance of low residual image, low dark current and low noise. It is possible to provide a solid-state imaging device which is easy to manufacture.
(第2の実施形態)
本発明者は、既に、図11に示すようなフォトゲート電極を有したCMOSイメージセンサ用の画素を検討した。図11に示す画素構造の場合、光電変換するフォトゲート電極(第1のMOSゲート電極)64と電荷転送する第2のMOSゲート電極62の間にはギャップが生じ、その間をソース/ドレインと同じ高不純物密度のn層61で接続する必要があった。図11に示す画素構造の場合、第2のMOSゲート電極62のゲート電圧を高レベルにして、第1のMOSゲート電極64の直下の領域の一部となる埋込チャネル領域15の電荷を電荷検出領域20へ転送する際、n層61の電位は浮遊状態のため電位が定まらず、大きな残像が生じるという問題がある。
Second Embodiment
The inventor has already examined a pixel for a CMOS image sensor having a photogate electrode as shown in FIG. In the case of the pixel structure shown in FIG. 11, a gap is generated between the photogate electrode (first MOS gate electrode) 64 for photoelectric conversion and the second
図11に示した画素構造の問題点を鑑み、本発明の第2の実施形態に係る光検出素子は、図8に示すようにp型の半導体層からなる基体部11と、基体部11の上部に設けられ、絶縁ゲート構造によって、光電変換された信号電荷の蓄積と転送を制御する第1の転送制御手段(15,23,44)と、第1の転送制御手段(15,23,44)に隣接して基体部11の上部に設けられた、pn接合からなる緩衝ダイオード部D2と、緩衝ダイオード部D2に隣接して基体部11の上部に設けられ、絶縁ゲート構造によって信号電荷の転送を制御する第2の転送制御手段(19,23)と、第2の転送制御手段(19,23)に隣接して基体部11の上部に設けられ、第2の転送制御手段(19,23)によって転送された信号電荷を検出する、n型の半導体領域からなる電荷検出領域20とを備える。
In view of the problem of the pixel structure shown in FIG. 11, in the light detection device according to the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, a
第2の実施形態に係る光検出素子の第1の転送制御手段(15,23,44)は、絶縁ゲート構造の一部を構成するフォトゲート電極44と、このフォトゲート電極44の直下の光電変換領域 となるp型のウェル領域23の一部と、この光電変換領域と緩衝ダイオード部D2との間のフォトゲート電極44の直下に設けられた、n型の半導体領域からなる埋込チャネル領域15とを含み、第1の転送制御手段(15,23,44)の内部で光電変換され信号電荷が生成される。
The first transfer control means (15, 23, 44) of the light detection element according to the second embodiment comprises a
図8に示すように、第2の実施形態に係る光検出素子では、光電変換領域の直上に設けられたフォトゲート電極44と電荷転送する読出ゲート電極19の間に、第4埋込層領域17及び第3埋込層領域18からなる緩衝ダイオード部D2が形成され、その電位は固定されるから、読出ゲート電極19のゲート電圧を高レベルにして、第1の転送制御手段(14,15,16)中の埋込チャネル領域15の信号電荷を電荷検出領域20へ転送する際、一方向の電位勾配が形成されて良好な電荷転送が可能となり、残像が生じない。なお、本発明の第2の実施形態に係る光検出素子においては、光電変換するフォトゲート電極44及び緩衝ダイオード部D2を除く領域を遮光板24で覆うことが望ましい。
As shown in FIG. 8, in the light detection element according to the second embodiment, a fourth embedded layer region is provided between the
図9は、図8に示した第2の実施形態に係る光検出素子の平面パターンの一例を示すもので、矩形の平面パターンをなして、内側に光電変換領域と埋込チャネル領域15を含むフォトゲート電極44、矩形の平面パターンをなす緩衝ダイオード部D2、矩形の平面パターンをなす読出ゲート電極19、矩形の平面パターンをなす電荷検出領域20が、活性領域30cの内部に左側から右側に向かい、横直線状に配置されている。図9に示すように、平面パターン上、光電変換領域、埋込チャネル領域15及び緩衝ダイオード部D2はウェル領域23の内部に配置されている。したがって、図9のVIIIA−VIIIA方向から見た断面図が図8に相当する。
FIG. 9 shows an example of a plane pattern of the light detection element according to the second embodiment shown in FIG. 8, which has a rectangular plane pattern and includes a photoelectric conversion region and a buried
図10も、図8に示した第2の実施形態に係る光検出素子の平面パターンの一例を示すものであり、図10のVIIIB−VIIIB方向から見た階段断面図が図8に相当する。図10に示すように、右下の角部が切り取られた矩形の埋込チャネル領域15を内側に含む、角部が切り取られた矩形をなすフォトゲート電極44、台形の平面パターンをなす緩衝ダイオード部D2、三角形の平面パターンをなす読出ゲート電極19、矩形の平面パターンをなす電荷検出領域20が、活性領域30dの内部に、左上方向から右下方向に向かう対角線方向を主経路とするように、折り曲がったトポロジーで配置されている。図10に示すように、平面パターン上、光電変換領域、埋込チャネル領域15及び緩衝ダイオード部D2はウェル領域23の内部に配置されている。図10に示すような平面パターンのトポロジーによれば、光電変換領域を相対的に広く取ることが可能となるので、活性領域30dの面積の縮小化に有利となる。
FIG. 10 also shows an example of a planar pattern of the light detection element according to the second embodiment shown in FIG. 8, and a cross-sectional view taken along the line VIIIB-VIIIB in FIG. 10 corresponds to FIG. As shown in FIG. 10, a rectangular shaped
第2の実施形態に係る光検出素子によれば、第1の転送制御手段(15,23,44)と第2の転送制御手段(19,23)の間に緩衝ダイオード部D2が形成されているため、フォトゲート電極44と読出ゲート電極19の間を狭い間隙で形成しなくてもポテンシャルのディップないし電位障壁の形成が防止される。又、光電変換された電荷が蓄積される埋込チャネル領域15の電位と電荷検出領域20の電位の差が、第1の転送制御手段(15,23,44)に2値の電圧を印加することで十分に確保され、電荷転送が容易となる。更に埋込チャネル領域15に電荷蓄積時、光電変換領域及び埋込チャネル領域15共に表面がピンニング動作されることで、暗電流が大幅に低減される。
According to the light detection element of the second embodiment, the buffer diode portion D2 is formed between the first transfer control means (15, 23, 44) and the second transfer control means (19, 23). Therefore, even if the
第1の実施形態に係る固体撮像装置の場合と同様に、図8〜図10を用いて説明した第2の実施形態に係る光検出素子を画素として、この画素を半導体チップ上に多数配列して画素アレイを構成して固体撮像装置を構成することができる。このような、第2の実施形態に係る固体撮像装置によれば、フォトゲート電極を有する画素構造の場合であっても、低残像、低暗電流で低ノイズの性能を維持しつつ、電荷転送のための電位差が確実に確保され、製造プロセスも容易な固体撮像装置を提供することができる。 As in the case of the solid-state imaging device according to the first embodiment, a large number of pixels are arranged on a semiconductor chip, with the light detection elements according to the second embodiment described with reference to FIGS. Thus, the pixel array can be configured to configure a solid-state imaging device. According to the solid-state imaging device according to the second embodiment, even in the case of the pixel structure having the photogate electrode, charge transfer is performed while maintaining the performance of low residual image, low dark current and low noise. Thus, it is possible to provide a solid-state imaging device in which the potential difference for the device is reliably ensured and the manufacturing process is easy.
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1及び第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
既に述べた第1及び第2の実施の形態の説明では、第1導電型をp型、第2導電型をn型として説明したが、第1導電型をn型、第2導電型をp型としても、電気的な極性を反対にすれば同様な効果が得られることは容易に理解できるであろう。第1及び第2の実施の形態の説明では、転送、蓄積等の処理がされる信号電荷を電子とし、ポテンシャル図において、図の下方向(深さ方向)が、電位(ポテンシャル)の正方向としたが、電気的な極性を反対とする場合においては、処理をされる電荷は正孔となるため、光検出素子内の電位障壁、ポテンシャル谷、ポテンシャル井戸等を示すポテンシャル形状は、図の下方向(深さ方向)が、電位の負方向として表現される。
(Other embodiments)
As described above, although the present invention has been described by the first and second embodiments, it should not be understood that the description and the drawings, which form a part of this disclosure, limit the present invention. Various alternative embodiments, examples and operation techniques will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.
In the description of the first and second embodiments already described, the first conductivity type is described as p-type and the second conductivity type is n-type, but the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p It will be easily understood that the same effect can be obtained by reversing the electrical polarity as a type. In the description of the first and second embodiments, signal charges subjected to processing such as transfer and storage are electrons, and in the potential diagram, the lower direction (depth direction) of the diagram is the positive direction of the potential (potential) However, when the electrical polarity is reversed, the charge to be processed is a hole, and the potential shape showing the potential barrier, potential valley, potential well, etc. in the light detection element is shown in the figure. The downward direction (depth direction) is expressed as the negative direction of the potential.
又、既に述べた第1及び第2の実施の形態の説明においては、2次元固体撮像装置(エリアセンサ)を例示的に説明したが、本発明の光検出素子は2次元固体撮像装置の画素Xijのみに用いられるように限定して解釈するべきではない。例えば、図1に示した2次元マトリクスにおいて、j=m=1とした1次元固体撮像装置(ラインセンサ)の画素Xijとして複数の光検出素子を1次元に配列してもよいことは、上記開示の内容から、容易に理解できるはずである。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
Also, in the description of the first and second embodiments already described, a two-dimensional solid-state imaging device (area sensor) has been described as an example, but the light detection element of the present invention is a pixel of the two-dimensional solid-state imaging device It should not be interpreted as limited to being used only for X ij . For example, in the two-dimensional matrix shown in FIG. 1, a plurality of light detection elements may be arranged one-dimensionally as pixels X ij of a one-dimensional solid-state imaging device (line sensor) with j = m = 1. It should be easily understood from the contents of the above disclosure.
Thus, it is a matter of course that the present invention includes various embodiments and the like which are not described herein. Accordingly, the technical scope of the present invention is defined only by the invention-specifying matters according to the scope of claims appropriate from the above description.
11…基体部
12…第2埋込層領域
13…第1埋込層領域
14…蓄積ゲート電極
15…埋込チャネル領域
16…バリヤ領域
17…第4埋込層領域
18…第3埋込層領域
19…読出ゲート電極
20…電荷検出領域
21…排出ゲート電極
22…電荷排出領域
23…ウェル領域
24…遮光板
30a,30b,30c,30d…活性領域
44…フォトゲート電極
5…画素アレイ部
51…行デコーダ回路
52…行駆動回路
55…コラムデコーダ回路
56…出力信号線
61…n層
62…第2のMOSゲート電極
64…第1のMOSゲート電極
11: base portion 12: second embedded layer region 13: first embedded layer region 14: storage gate electrode 15: embedded channel region 16: barrier region 17: fourth embedded layer region 18: third embedded layer Region 19: read gate electrode 20: charge detection region 21: discharge gate electrode 22: charge discharge region 23: well region 24:
Claims (9)
前記基体部の上部の一部に設けられた第1導電型の第1埋込領域と、
前記第1埋込領域の下に選択的に設けられ、前記第1埋込領域とのpn接合で光電変換ダイオード部を構成する第2導電型の第2埋込領域と、
前記基体部の上部の他の一部に、前記第2埋込領域に一方の端部を接して設けられた第1導電型で前記基体部よりも高不純物密度のウェル領域と、
前記一方の端部側に局所的なバリヤ領域を設定するように前記ウェル領域の上部に設けられ、絶縁ゲート構造によって、前記光電変換ダイオード部によって光電変換された信号電荷の蓄積と転送を制御する第1の転送制御手段と、
前記バリヤ領域から離間した位置において前記第1の転送制御手段に隣接して前記ウェル領域の上部に設けられた、pn接合からなる緩衝ダイオード部と、
前記緩衝ダイオード部に隣接して前記ウェル領域の上部の他方の端部側に設けられ、絶縁ゲート構造によって前記信号電荷の転送を制御する第2の転送制御手段と、
前記他方の端部に接して前記基体部の上部の更に他の一部に設けられ、前記第2の転送制御手段によって転送された前記信号電荷を検出する、第2導電型の半導体領域からなる電荷検出領域、
とを備えることを特徴とする光検出素子。 A base portion comprising a semiconductor layer of a first conductivity type;
A first buried region of the first conductivity type provided in a part of the upper portion of the base portion;
A second buried region of a second conductivity type selectively provided under the first buried region and forming a photoelectric conversion diode part with a pn junction with the first buried region;
A first conductive type provided in contact with one end of the second embedded region in the other part of the upper portion of the base portion, and a well region having a higher impurity density than the base portion;
It is provided in the upper part of the well region so as to set a local barrier region on the one end side, and controls accumulation and transfer of signal charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion diode unit by an insulated gate structure. First transfer control means,
A buffer diode portion consisting of a pn junction provided on the top of the well region adjacent to the first transfer control means at a position separated from the barrier region ;
Second transfer control means provided adjacent to the buffer diode portion and on the other end side of the upper portion of the well region , and controlling transfer of the signal charge by an insulated gate structure;
And contact with the other end is provided with a further portion of the other of the upper portion of the base portion, for detecting the signal charges transferred by said second transfer control means, a semiconductor region of a second conductivity type Charge detection area,
And a light detecting element characterized by comprising:
前記バリヤ領域と前記緩衝ダイオード部との間の前記ウェル領域の上部に設けられた、第2導電型の半導体領域からなる埋込チャネル領域を更に備え、
前記一方の端部側の前記ウェル領域の上部を前記バリヤ領域とすることを特徴とする請求項1に記載の光検出素子。 The first transfer control means
Further comprising the provided above the well region, buried channel region made of a semiconductor region of a second conductivity type between said buffer diode portion and the barrier region,
The light detecting element according to claim 1 , wherein an upper portion of the well region on the one end side is used as the barrier region .
前記排出制御手段に隣接して前記基体部の上部に設けられ、前記排出制御手段によって転送された電荷を受け入れる、第2導電型の半導体領域からなる電荷排出領域、
とを更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の光検出素子。 Discharge control means adjacent to the photoelectric conversion diode unit in a direction different from that of the first transfer control means on a plane pattern and controlling transfer of charges by an insulated gate structure;
A charge discharging region formed of a semiconductor region of a second conductivity type, provided on the upper portion of the base portion adjacent to the discharge control means, for receiving the charge transferred by the discharge control means;
Light detecting device according to claim 1 or 2, further comprising and.
前記第1の転送制御手段に前記第1電位とは異なる第2電位の電圧を印加し、前記バリヤ領域及び埋込チャネル領域の表面を前記信号電荷と逆極性の電荷で埋め、ピンニング動作を実現することを特徴とする請求項2に記載の光検出素子。 Applying a voltage of a first potential to the first transfer control means, and transferring the signal charge from the photoelectric conversion diode unit to the buried channel region;
A voltage of a second potential different from the first potential is applied to the first transfer control means, and the surfaces of the barrier region and the buried channel region are filled with charges of the opposite polarity to the signal charges to realize pinning operation. The light detection element according to claim 2 , wherein
前記基体部の上部の一部に設けられた第1導電型の第1埋込領域と、
前記第1埋込領域の下に選択的に設けられ、前記第1埋込領域とのpn接合で光電変換ダイオード部を構成する第2導電型の第2埋込領域と、
前記基体部の上部の他の一部に、前記第2埋込領域に一方の端部を接して設けられた第1導電型で前記基体部よりも高不純物密度のウェル領域と、
前記一方の端部側に局所的なバリヤ領域を設定するように前記ウェル領域の上部に設けられ、絶縁ゲート構造によって、前記光電変換ダイオード部によって光電変換された信号電荷の蓄積と転送を制御する第1の転送制御手段と、
前記バリヤ領域から離間した位置において前記第1の転送制御手段に隣接して前記ウェル領域の上部に設けられた、pn接合からなる緩衝ダイオード部と、
前記緩衝ダイオード部に隣接して前記ウェル領域の上部の他方の端部側に設けられ、絶縁ゲート構造によって前記信号電荷の転送を制御する第2の転送制御手段と、
前記他方の端部に接して前記基体部の上部の更に他の一部に設けられ、前記第2の転送制御手段によって転送された前記信号電荷を検出する、第2導電型の半導体領域からなる電荷検出領域、
とを備える画素を複数配列して画素アレイを構成したことを特徴とする固体撮像装置。 A base portion comprising a semiconductor layer of a first conductivity type;
A first buried region of the first conductivity type provided in a part of the upper portion of the base portion;
A second buried region of a second conductivity type selectively provided under the first buried region and forming a photoelectric conversion diode part with a pn junction with the first buried region;
A first conductive type provided in contact with one end of the second embedded region in the other part of the upper portion of the base portion, and a well region having a higher impurity density than the base portion;
It is provided in the upper part of the well region so as to set a local barrier region on the one end side, and controls accumulation and transfer of signal charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion diode unit by an insulated gate structure. First transfer control means,
A buffer diode portion consisting of a pn junction provided on the top of the well region adjacent to the first transfer control means at a position separated from the barrier region ;
Second transfer control means provided adjacent to the buffer diode portion and on the other end side of the upper portion of the well region , and controlling transfer of the signal charge by an insulated gate structure;
And contact with the other end is provided with a further portion of the other of the upper portion of the base portion, for detecting the signal charges transferred by said second transfer control means, a semiconductor region of a second conductivity type Charge detection area,
What is claimed is: 1. A solid-state imaging device comprising: a plurality of pixels arranged in a plurality of pixels.
前記バリヤ領域と前記緩衝ダイオード部との間の前記ウェル領域の上部に設けられた、第2導電型の半導体領域からなる埋込チャネル領域を更に備え、
前記一方の端部側の前記ウェル領域の上部を前記バリヤ領域とすることを特徴とする請求項1に記載の光検出素子。
とを含むことを特徴とする請求項5に記載の固体撮像装置。 The first transfer control means of each of the pixels
Further comprising the provided above the well region, buried channel region made of a semiconductor region of a second conductivity type between said buffer diode portion and the barrier region,
The light detecting element according to claim 1 , wherein an upper portion of the well region on the one end side is used as the barrier region .
A solid-state imaging device according to claim 5 , comprising:
前記画素アレイ中のすべての画素が同時に撮像動作を行う露光期間の終わりにおいて、前記光電変換ダイオード部で発生した前記信号電荷を、それぞれの画素の前記埋込チャネル領域に同時に転送するように、それぞれの画素の前記第1の転送制御手段に電圧を同時に印加するように、前記マトリクスの行毎に設けられた第1の駆動線と、
それぞれの画素の前記埋込チャネル領域に蓄積された前記信号電荷を、前記行毎に順次、前記電荷検出領域に読み出すために、それぞれの画素の前記第2の転送制御手段に電圧を印加する、前記行毎に設けられた第2の駆動線と、
前記第1及び第2の駆動線に電圧を供給する行駆動回路、
とを更に備えることを特徴とする請求項6に記載の固体撮像装置。 The pixel array constitutes a matrix,
At the end of the exposure period in which all the pixels in the pixel array simultaneously perform an imaging operation, the signal charges generated in the photoelectric conversion diode unit are simultaneously transferred to the buried channel region of the respective pixels. A first drive line provided for each row of the matrix so as to simultaneously apply a voltage to the first transfer control means of the pixel of
Applying a voltage to the second transfer control unit of each pixel in order to read out the signal charges accumulated in the embedded channel region of each pixel to the charge detection region sequentially for each row; A second drive line provided for each row;
A row drive circuit for supplying a voltage to the first and second drive lines;
The solid-state imaging device according to claim 6 , further comprising
前記画素のそれぞれの前記排出制御手段に隣接して前記基体部の上部に設けられ、前記排出制御手段によって転送された電荷を受け入れる、第2導電型の半導体領域からなる電荷排出領域、
とを更に備えることを特徴とする請求項7に記載の固体撮像装置。 Discharge control means adjacent to the photoelectric conversion diode portions of the pixels in a direction different from the first transfer control means on a plane pattern and controlling transfer of charges by an insulated gate structure;
A charge discharging region formed of a semiconductor region of a second conductivity type, provided on the upper side of the base portion adjacent to the discharge control means of each of the pixels, for receiving the charge transferred by the discharge control means;
The solid-state imaging device according to claim 7 , further comprising
前記画素のそれぞれの前記第1の転送制御手段に前記第1電位とは異なる第2電位の電圧を印加し、前記バリヤ領域及び埋込チャネル領域の表面を前記信号電荷と逆極性の電荷で埋め、前記画素のそれぞれにおいてピンニング動作を実現することを特徴とする請求項7又は8に記載の固体撮像装置。 Applying a voltage of a first potential to the first transfer control unit of each of the pixels, and transferring the signal charge from the photoelectric conversion diode unit to the buried channel region;
A voltage of a second potential different from the first potential is applied to the first transfer control means of each of the pixels, and the surfaces of the barrier region and the buried channel region are filled with charges of the opposite polarity to the signal charges. The solid-state imaging device according to claim 7 , wherein a pinning operation is realized in each of the pixels.
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