KR20200134209A - 촬상 소자 및 전자 기기 - Google Patents

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Abstract

본 기술은, 글로벌 셔터 방식의 촬상 소자에 있어서, 광전변환부와, 광전변환부에서 전송된 전하를 유지하는 소자와의 사이의 혼신을 억제할 수 있도록 한 촬상 소자 및 전자 기기에 관한 것이다. 촬상 소자는, 광전변환부와, 전하 전송부와, 상기 광전변환부에서 상기 전하 전송부에의 전하의 전송에 이용된 전극과, 전하 전압 변환부와, 전하 배출부를 화소내에 구비하고, 상기 전하 전송부는, 상기 전하 전압 변환부에의 제1의 전송 방향 및 상기 전하 배출부에의 제2의 전송 방향에 전하를 전송할 수 있다. 본 기술은, 예를 들면, 글로벌 셔터 방식의 CMOS 이미지 센서에 적용할 수 있다.

Description

촬상 소자 및 전자 기기
본 기술은, 촬상 소자 및 전자 기기에 관한 것으로서, 특히, 글로벌 셔터에 대응한 촬상 소자 및 전자 기기에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서에는, 롤링 셔터 방식과 글로벌 셔터 방식이 있다.
롤링 셔터 방식의 CMOS 이미지 센서로는, 각 화소의 노광이 행 단위로 순차적으로 행해진다. 즉, 화소내의 포토 다이오드의 전하를 리셋하고, 전하의 축적을 시작한 후, 소정의 시간 후에 포토 다이오드에 축적된 전하를 판독하는 동작이, 행 단위로 시차를 두고 순차적으로 행해진다. 따라서, 각 화소의 노광 기간이 행마다 다르기 때문에, 특히 움직임이 빠른 피사체의 상에 왜곡이 생긴다.
한편, 글로벌 셔터 방식의 CMOS 이미지 센서로는, 전(全) 화소의 노광이 일괄하여 행해진다. 예를 들면, 글로벌 셔터 방식의 CMOS 이미지 센서에는, 포토 다이오드와는 다르게 전하를 유지하는 전하 유지부가 각 화소에 설치된다. 그리고, 화소내의 포토 다이오드의 전하를 리셋하고, 전하의 축적을 시작한 후, 소정의 시간 후에 포토 다이오드에 축적된 전하를 전하 유지부에 판독하는 동작이, 전 화소에서 동시에 행해진다. 그 후, 전하 유지부에 유지(축적)된 전하가, 행 단위로 순차적으로 판독된다. 따라서, 각 화소의 노광 기간이 통일되기 때문에, 피사체의 상의 왜곡이 억제된다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1 : 특개2004-111590호 공보
글로벌 셔터 방식의 CMOS 이미지 센서에서는, 다른 프레임의 전하가 포토 다이오드와 전하 유지부에 축적된다. 따라서, 포토 다이오드와 전하 유지부와의 사이에서 한쪽에서 넘친 전하가 다른 쪽에 유입하는 혼신이 발생하면, 화질이 저하된다.
본 기술은, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 포토 다이오드 등의 광전변환부와, 광전변환부에서 전송된 전하를 유지하는 소자와의 사이의 혼신을 억제할 수 있도록 한 것이다.
본 기술의 제1의 측면의 촬상 소자는, 광전변환부와, 전하 전송부와, 상기 광전변환부에서 상기 전하 전송부에의 전하의 전송에 이용되는 제1의 전극과, 전하 전압 변환부와, 제1의 전하 배출부를 화소내에 구비하고, 상기 전하 전송부는, 상기 전하 전압 변환부에의 제1의 전송 방향 및 상기 제1의 전하 배출부에의 제2의 전송 방향에 전하를 전송할 수 있다.
본 기술의 제2의 측면의 전자 기기는, 촬상 소자와, 상기 촬상 소자로부터 출력된 신호를 처리하는 신호 처리부를 구비하고, 상기 촬상 소자는, 광전변환부와, 전하 전송부와, 상기 광전변환부에서 상기 전하 전송부에의 전하의 전송에 이용되는 전극과, 전하 전압 변환부와, 전하 배출부를 화소내에 구비하고, 상기 전하 전송부는, 상기 전하 전압 변환부에의 제1의 전송 방향 및 상기 전하 배출부에의 제2의 전송 방향에 전하를 전송할 수 있다.
본 기술의 제1의 측면에 있어서는, 광전변환부에서 전하 전송부에 전하가 전송되고, 전하 전송부로부터 전하 전압 변환부에의 제1의 전송 방향, 또는, 제1의 전하 배출부에의 제2의 전송 방향에 전하가 전송된다.
본 기술의 제2의 측면에 있어서는, 촬상 소자로부터 출력된 신호가 처리됨과 동시에, 광전변환부에서 전하 전송부에 전하가 전송되고, 전하 전송부로부터 전하 전압 변환부에의 제1의 전송 방향, 또는, 전하 배출부에의 제2의 전송 방향에 전하가 전송된다.
본 기술의 제1의 측면 또는 제2의 측면에 의하면, 광전변환부와, 광전변환부에서 전송된 전하를 유지하는 소자와의 사이의 혼신을 억제할 수 있다.
도 1은 CMOS 이미지 센서의 구성례를 도시하는 블록도.
도 2는 도 1의 단위 화소의 기본적인 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 3은 도 1의 단위 화소의 기본적인 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 4는 도 3의 단위 화소의 포텐셜 도면.
도 5는 도 3의 단위 화소의 포텐셜 도면.
도 6은 도 1의 단위 화소의 제1의 실시의 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 7은 도 1의 단위 화소의 제1의 실시의 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 8은 도 1의 단위 화소의 제1의 실시의 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 9는 도 7의 단위 화소의 포텐셜 도면.
도 10은 도 8의 단위 화소의 포텐셜 도면.
도 11은 포토 다이오드 및 전하 유지부에서 넘친 전하의 흐름을 나타내는 도면.
도 12는 도 7의 단위 화소의 포텐셜 도면.
도 13은 도 8의 단위 화소의 포텐셜 도면.
도 14는 도 7의 단위 화소의 포텐셜 도면.
도 15는 도 8의 단위 화소의 포텐셜 도면.
도 16은 도 1의 단위 화소의 제2의 실시의 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 17은 도 1의 단위 화소의 제2의 실시의 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 18은 도 1의 단위 화소의 제2의 실시의 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 19는 도 1의 단위 화소의 제3의 실시의 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 20은 도 1의 단위 화소의 제3의 실시의 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 21은 도 1의 단위 화소의 제4의 실시의 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 평면도.
도 22는 도 1의 단위 화소의 제4의 실시의 형태의 구성례를 모식적으로 도시하는 단면도.
도 23은 본 기술의 응용례를 나타내는 도면.
도 24는 전자 기기의 구성례를 도시하는 블록도.
이하, 본 기술을 실시하기 위한 형태(이하, 실시의 형태라고 한다)에 관하여 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서에 행한다.
1. 기본 구성례
2. 제1의 실시의 형태
3. 제2의 실시의 형태(전위 장벽의 높이를 제어함에 의해 전하를 배출하는 예)
4. 제3의 실시의 형태(포토 다이오드를 반도체 기판의 심부에 배치한 예)
5. 제4의 실시의 형태(전하 유지부를 생략한 예)
6. 변형례
7. 응용례
<<1. 기본 구성례>>
먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 글로벌 셔터 방식의 촬상 소자의 일례인 CMOS 이미지 센서의 기본적인 구성례에 관하여 설명한다.
<CMOS 이미지 센서(1)의 구성례>
도 1은, CMOS 이미지 센서(1)의 구성례를 도시하는 블록도이다.
CMOS 이미지 센서(1)는, 화소 어레이부(11), 수직 구동부(12), 수평 전송부(13), 신호 처리부(14), 및, 출력 버퍼(15)를 구비한다.
화소 어레이부(11)에는, 단위 화소(31)가 행렬상으로 배치되어 있다. 단위 화소(31)는, 입사광량에 응한 전하량의 광전하를 발생하고 내부에 축적하는 광전변환 소자를 가진다. 또한, 이하, 광전하를 단지 전하라고 칭하고, 단위 화소를 단지 화소라고 칭한 경우가 있다.
또한, 화소 어레이부(11)에는, 행마다 화소 구동선(21)이 도면의 좌우 방향(화소행의 방향)에 따라 형성되고, 열마다 수직 신호선(22)이 도면의 상하 방향(화소열의 방향)에 따라 형성되어 있다. 화소 구동선(21)의 한 끝은, 수직 구동부(12)의 각 행에 대응한 출력단에 접속되어 있다. 각 수직 신호선(22)에는, 전류원(32)이 접속되어 있다.
또한, 이 도면에서는, 각 행의 화소 구동선(21)을 1개씩 나타내고 있지만, 1개로 한정되는 것이 아니다.
수직 구동부(12)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 화소 어레이부(11)의 각 화소를, 전 화소 동시 또는 행 단위 등으로 구동하는 화소 구동부이다. 예를 들면, 수직 구동부(12)는, 모든 화소(31)가 동시에 노광을 행하는 글로벌 셔터 동작을 행하도록 각 화소(31)를 구동한다. 수직 구동부(12)에 의해 선택 주사된 행의 각 화소(31)로부터 출력된 화소 신호는, 수직 신호선(22)의 각각을 통해 수평 전송부(13)에 공급된다.
수평 전송부(13)는, 열마다 신호 처리부(41) 및 스위치(42)를 구비한다. 신호 처리부(41)는, 예를 들면, 수직 신호선(22)을 이용하여 공급된 화소 신호의 A/D(Analog/Digital) 변환 처리, 및, CDS(Correlated Double Sampling ; 상관 이중 샘플링) 처리 등을 행한다. 신호 처리된 각 열의 화소 신호는, 스위치(42)가 순차적으로 온이 됨에 의해, 신호 처리부(14)에 순차적으로 공급된다.
신호 처리부(14)는, 수평 전송부(13)로부터 공급되는 화소 신호에 대해 가산 처리 등의 여러 가지의 신호 처리를 행하고, 신호 처리후의 화소 신호를 출력 버퍼(15)에 공급한다.
또한, 수평 전송부(13)의 신호 처리부(41)과, 신호 처리부(14)와의 사이의 신호 처리의 분담은, 이 예로 한정되는 것이 아니고, 변경하는 것이 가능하다.
출력 버퍼(15)는, 화소 신호의 출력을 제어한다.
또한, CMOS 이미지 센서(1)는, 표면 조사형 및 이면 조사형의 어느 쪽이라도 좋다.
<화소(31a)의 구성례>
도 2 및 도 3은, 도 1의 화소 어레이부(11)의 화소(31)의 기본적인 형태인 화소(31a)의 구성례를 나타내고 있다. 도 2는, 화소(31a)의 평면도를 모식적으로 나타내고, 도 3은, 도 2의 A-A’방향의 화소(31a)의 단면의 구성례를 모식적으로 나타내고 있다. 도 2 및 도 3에는, 1개의 화소(31a)만이 도시되어 있지만, 다른 화소도 기본적으로 동일한 구성이다.
또한, 도면 중의 [P] 및 [N]의 기호는, 각각 반도체 영역의 극성(P형 반도체 영역 및 N형 반도체 영역)을 나타내고 있다. 또한, [P+], [P-], 및, [N+], [N-]의 기호의 말미의 [+] 또는 [-]는, P형 반도체 영역 및 N형 반도체 영역의 불순물 농도를 나타내고 있다. [+]는 불순물 농도가 높은 것을 나타내고, [-]는 불순물 농도가 낮은 것을 나타내고 있다. 또한, [+] 및 [-]의 모두 부가되어 있지 않는 반도체 영역의 불순물 농도는, [+]가 부가되어 있는 반도체 영역과 [-]가 부가되어 있는 반도체 영역의 중간이다. 이것은, 이후의 도면에 대해서도 마찬가지이다.
또한, CMOS 이미지 센서(1)가 표면 조사형의 경우, 도 3의 반도체 기판(101)의 윗면(겉면)이 광의 입사면이 된다. 한편, CMOS 이미지 센서(1)가 이면 조사형의 경우, 도 3의 반도체 기판(101)의 하면(이면)이 광의 입사면이 된다.
또한, 이하, 반도체 기판(101)의 게이트 전극이 마련되어 있는 면을 회로면이라고 칭한다.
화소(31a)는, 반도체 기판(101), 포토 다이오드(PD)(102), 제1 전송 게이트(T1)(103), 전하 유지부(MEM)(104), 제2 전송 게이트(T2)(105), 제3 전송 게이트(T3)(106), FD(Floating Diffusion : 부유 확산 영역)(107), 리셋 트랜지스터(108), 증폭 트랜지스터(109), 선택 트랜지스터(110), 전하 배출 게이트(ABG111), 및, 전하 배출부(Drain)(112)를 구비하고 있다.
또한, 도 2 및 도 3에서는, 리셋 트랜지스터(108), 증폭 트랜지스터(109), 및, 선택 트랜지스터(110)에, N 채널의 MOS 트랜지스터를 이용한 예를 나타내고 있다. 단, 리셋 트랜지스터(108), 증폭 트랜지스터(109), 및, 선택 트랜지스터(110)의 도전형의 조합은, 이러한 조합에 한정되는 것이 아니다.
또한, 도시는 생략하지만, 전하 유지부(104)와 FD(107)의 표면은, 텅스텐 등에 의한 차광막에 의해 차광되어 있다. 또한, 도시는 생략하지만, 제1 전송 게이트(103), 제2 전송 게이트(105), 제3 전송 게이트(106), 및, 전하 배출 게이트(111)의 각 게이트 전극과 반도체 기판(101)의 사이에는, 절연막이 형성되어 있다.
포토 다이오드(102)는, 반도체 기판(101)(의 P형 웰층)의 회로면측의 표면에 P형층(102A)을 형성하고, P형층(102A)의 아래쪽에 N형층(102B)을 매입함에 의해 형성된 매입형 포토 다이오드이다. P형층(102A) 및 N형층(102B)은, 전하 배출시에 공핍 상태를 발생시키는 불순물 농도를 갖는다.
제1 전송 게이트(103)는, 게이트 전극(103A)에 제어 펄스(T1)가 인가됨에 의해, 포토 다이오드(102)에 축적되어 있는 전하를 전송한다.
또한, 이하, 게이트 전극(103A)에 제어 펄스(T1)가 인가된 상태를, 제1 전송 게이트(103)가 온 된 상태라고도 한다. 또한, 이하, 게이트 전극(103A)에 제어 펄스(T1)가 인가되어 있지 않는 상태를, 제1 전송 게이트(103)가 오프 된 상태라고도 한다.
전하 유지부(104)는, 제2 전송 게이트(105)의 게이트 전극(105A)의 아래쪽에 있어서, 전하 배출시에 공핍 상태로 된 불순물 농도의 N형의 매입 채널에 의해 형성되어 있다. 전하 유지부(104)는, 제1 전송 게이트(103)에 의해 포토 다이오드(102)로부터 전송된 전하를 유지한다.
제2 전송 게이트(105)는, 게이트 전극(105A)에 제어 펄스(T2)가 인가됨에 의해, 전하 유지부(104)을 변조한다. 즉, 게이트 전극(105A)에 제어 펄스(T2)가 인가됨에 의해, 전하 유지부(104)의 포텐셜이 깊어진다. 이것에 의해, 전하 유지부(104)의 포화 전하량이, 변조하지 않는 경우보다도 증가한다.
또한, 이하, 게이트 전극(105A)에 제어 펄스(T2)가 인가된 상태를, 제2 전송 게이트(105)가 온 된 상태라고 한다. 또한, 이하, 게이트 전극(105A)에 제어 펄스(T2)가 인가되어 있지 않는 상태를, 제2 전송 게이트(105)가 오프 된 상태라고 한다.
제3 전송 게이트(106)는, 게이트 전극(106A)에 제어 펄스(T3)가 인가됨에 의해, 전하 유지부(104)에 축적된 전하를 전송한다.
또한, 이하, 게이트 전극(106A)에 제어 펄스(T3)가 인가된 상태를, 제3 전송 게이트(106)이 온 된 상태라고 한다. 또한, 이하, 게이트 전극(106A)에 제어 펄스(T3)가 인가되어 있지 않는 상태를, 제3 전송 게이트(106)가 오프 된 상태라고 한다.
FD(107)는, 배선용의 콘택트를 접속할 수 있는 불순물 농도의 N형층으로 된 전하 전압 변환부이다. FD(107)는, 제3 전송 게이트(106)에 의해 전하 유지부(104)로부터 전송된 전하를 유지하고, 전압으로 변환한다.
리셋 트랜지스터(108)의 드레인 전극은 전원(VDD)에 접속되고, 소스 전극은 FD(107)에 접속되어 있다. 리셋 트랜지스터(108)의 게이트 전극에 리셋 펄스(RST)가 인가되고, 리셋 트랜지스터(108)가 온이 됨에 의해, FD(107)로부터 전하가 배출되고, FD(107)가 리셋된다.
증폭 트랜지스터(109)의 드레인 전극은 전원(VDD)에 접속되고, 게이트 전극은 FD(107)에 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(110)의 드레인 전극은 증폭 트랜지스터(109)의 소스 전극에 접속되고, 소스 전극은 수직 신호선(22)에 접속되어 있다. 그리고, 선택 트랜지스터(110)의 게이트 전극에 선택 펄스(SEL)가 인가되고, 선택 트랜지스터(110)가 온이 됨에 의해, 화소 신호를 판독하는 대상이 되는 화소(31a)가 선택된다. 즉, 증폭 트랜지스터(109)는, 선택 트랜지스터(110)가 온이 되어 있을 때, FD(107)의 전압을 나타내는 화소 신호를, 수직 신호선(22)을 이용하여 수평 전송부(13)에 공급한다.
또한, 선택 트랜지스터(110)를, 전원(VDD)과 증폭 트랜지스터(109)의 드레인 전극과의 사이에 접속하도록 하는 것도 가능하다. 또한, 리셋 트랜지스터(108), 증폭 트랜지스터(109), 및, 선택 트랜지스터(110)에 관해서는, 그 하나 또는 복수를 화소 신호의 판독 방법에 의해 생략하거나, 복수의 화소 사이에서 공유하거나 하는 것도 가능하다.
전하 배출 게이트(111)는, 게이트 전극(111A)에 제어 펄스(ABG)가 인가됨에 의해, 포토 다이오드(102)에 축적되어 있는 전하를 전송한다.
또한, 이하, 게이트 전극(111A)에 제어 펄스(ABG)가 인가된 상태를, 전하 배출 게이트(111)가 온 된 상태라고 한다. 또한, 이하, 게이트 전극(111A)에 제어 펄스(ABG)가 인가되어 있지 않는 상태를, 전하 배출 게이트(111)가 오프 된 상태라고 한다.
전하 배출부(112)는, 배선용의 콘택트를 접속할 수 있는 불순물 농도의 N형층에 의해 구성되어 있다. 전하 배출부(112)는, 전원(Vofd)에 접속되어 있고, 전하 배출부(112)의 전위는, 전원(Vofd)의 전위와 거의 같아진다. 전하 배출 게이트(111)에 의해 포토 다이오드(102)로부터 전하 배출부(112)에 전송된 전하는, 전원(Vofd)으로 배출된다.
그리고, 수직 구동부(12)는, 전 화소(31a) 동시에 전자 셔터 동작을 행하도록 각 화소(31a)를 구동한다. 전자 셔터 동작이란, 포토 다이오드(102)를 리셋한 후, 포토 다이오드(102)에의 전하의 축적을 시작하고, 소정의 시간 후에 포토 다이오드(102)에 축적된 전하를 전하 유지부(104)에 전송하는 동작이다. 또한, 수직 구동부(12)는, 전하 유지부(104)로부터 FD(107)에의 전하의 판독, 및, 각 화소(31a)로부터의 수직 신호선(22)에의 화소 신호의 출력이 화소행마다 행해지도록, 각 화소(31a)를 구동한다.
이와 같이, 전 화소(31a)가 동시에 전자 셔터 동작을 행함에 의해, 화소(31a) 사이의 노광 기간의 벗어남이 억제되고, 촬영된 화상의 왜곡이 억제된다.
한편, 화소(31a)를 이용한 CMOS 이미지 센서(1)에서는, 화소(31a) 내부의 구성 요소(예를 들면, 전하 유지부(104), 제2 전송 게이트(105), 및, 제3 전송 게이트(106))가 증가한다. 그 때문에, 포토 다이오드(102)의 수광면적 및 체적이 작아진다.
또한, 포토 다이오드(102) 및 전하 유지부(104)는, 이하의 이유에 의해, 단위 면적당의 축적 전하 밀도를 높게 할 수 없다.
도 4의 A 및 B는, 도 2의 화소(31a)의 전하 전송시의 A-A’방향의 포텐셜 도면을 나타내고 있다. 이 포텐셜 도면에 있어서, 종방향이 전위를 나타내고, 아래방향을 향할수록 전위가 높아진다.
또한, 이하, 소자간(예를 들면, 포토 다이오드(102)와 전하 유지부(104)와의 사이)의 전위 장벽(포텐셜 베리어)의 전위가 낮아지는(전위 장벽이 도면 내의 윗방향으로 오른다)것을, 전위 장벽이 높아진다 또는 오른다고 한다. 한편, 소자간의 전위 장벽의 전위가 높아지는(전위 장벽이 도면 내의 아래방향으로 내려간다)것을, 전위 장벽이 낮아진다 또는 내려간다고 한다.
도 4의 A는, 포토 다이오드(102)로부터 전하 유지부(104)에의 전하 전송시의 포텐셜 도면을 나타내고 있다. 이때, 제1 전송 게이트(103) 및 제2 전송 게이트(105)가 온 하고, 제3 전송 게이트(106) 및 전하 배출 게이트(111)가 오프 하고 있다. 이것에 의해, 포토 다이오드(102)와 전하 유지부(104)와의 사이의 전위 장벽(이하, 전위 장벽(T1)이라고 칭한다)이 내려가고, 전하 유지부(104)의 포텐셜이 깊어진다.
또한, 도면 내의 φp는, 공핍 상태의 포토 다이오드(102)의 포텐셜의 깊이를 나타내고 있다. Δφ1은, 포토 다이오드(102)로부터 전송된 전하에 의한 전하 유지부(104)의 전위의 변화량을 나타내고 있다. Δφ2는, 포토 다이오드(102)와 전하 유지부(104)와의 사이의 전위차를 나타내고 있다.
여기에서, 포토 다이오드(102)의 포화시에도 전하를 완전하게 전송할 수 있도록 하기 위해서는, 포토 다이오드(102)의 포화시의 전위차 Δφ2를 소정의 값 이상으로 설정할 필요가 있다. 따라서, 포토 다이오드(102)의 공핍 상태의 전위(이하, 공핍 전위라고 한다)를, 전원 전압(VDD)에 대해 충분히 낮게 설정할 필요가 있다. 그 때문에, 포토 다이오드(102)의 단위 체적당의 축적 전하 밀도는, 그다지 높게 할 수 없다.
도 4의 B는, 전하 유지부(104)로부터 FD(107)에의 전하 전송시의 포텐셜 도면을 나타내고 있다. 이때, 제3 전송 게이트(106)가 온이 되고, 제1 전송 게이트(103), 제2 전송 게이트(105), 및, 전하 배출 게이트(111)가 오프 하고 있다. 이것에 의해, 전하 유지부(104)와 FD(107)와의 사이의 전위 장벽(이하, 전위 장벽(T3)이라고 칭한다)이 낮아진다.
또한, 도면 내의 φm는, 공핍 상태의 전하 유지부(104)의 포텐셜의 깊이를 나타내고 있다. Δφ11은, 전하 유지부(104)로부터 전송된 전하에 의한 FD(107)의 전위의 변화량을 나타내고 있다. Δφ12는, 전하 유지부(104)와 FD(107)와의 사이의 전위차를 나타내고 있다.
여기에서, 전하 유지부(104)의 포화시에도 전하를 완전하게 전송할 수 있도록 하기 위해서는, 전하 유지부(104)의 포화시의 전위차 Δφ12를 소정의 값 이상으로 설정할 필요가 있다. 따라서, 전하 유지부(104)의 공핍 전위를, 전원 전압(VDD)에 대하여 충분히 낮게 설정할 필요가 있다. 그 때문에, 전하 유지부(104)의 단위 체적당의 축적 전하 밀도는, 그다지 높게 할 수 없다.
도 5는, 도 2의 화소(31a)의 노광 기간 중(포토 다이오드(102)에 전하를 축적 중)의 A-A’방향의 포텐셜 도면을 나타내고 있다. 이 포텐셜 도면에 있어서, 종방향이 전위를 나타내고, 아래방향을 향할수록 전위가 높아진다.
이때, 제1 전송 게이트(103), 제2 전송 게이트(105), 제3 전송 게이트(106), 및, 전하 배출 게이트(111)가 오프 하고 있다.
또한, 이때, 포토 다이오드(102)와 전하 유지부(104)에는 다른 프레임의 전하가 축적된다. 그 때문에, 포토 다이오드(102)와 전하 유지부(104)와의 사이에서 혼신이 발생하면, 화질이 대폭적으로 저하된다.
이것에 대해, 포토 다이오드(102)가 포화되고, 전하가 넘쳐도, 넘친 전하가, 전하 유지부(104)에 유입하지 않고, 전하 배출부(112)에 유입하도록, 포토 다이오드(102)와 전하 배출부(112)와의 사이의 전위 장벽(이하, 전위 장벽(ABG)이라고 칭한다)이, 포토 다이오드(102)와 전하 유지부(104)와의 사이의 전위 장벽(T1)보다, Δφ21만큼 낮게 설정된다. 이와 같이, 전위 장벽(ABG)을 낮게 설정함에 의해, 포토 다이오드(102)의 포화 전하량이 감소한다.
또한, 전하 유지부(104)가 포화되고, 전하가 넘쳐도, 넘친 전하가, 포토 다이오드(102)에 유입하지 않고, FD(107)에 유입하도록, 전하 유지부(104)와 FD(107)와의 사이의 전위 장벽(T3)이, 포토 다이오드(102)와 전하 유지부(104)와의 사이의 전위 장벽(T1)보다, Δφ21만큼 낮게 설정된다. 이와 같이, 전위 장벽(T3)을 낮게 설정함에 의해, 전하 유지부(104)의 포화 전하량이 감소한다.
이상과 같이, 화소(31a)에서는, 포토 다이오드(102)의 수광 면적, 체적, 포화 전하량, 및, 단위 체적당의 축적 전하 밀도가 감소한다. 또한, 전하 유지부(104)의 포화 전하량, 및, 단위 체적당의 축적 전하 밀도가 감소한다. 그 결과, CMOS 이미지 센서(1)의 감도 및 다이내믹 레인지가 저하된다.
한편, CMOS 이미지 센서(1)의 감도 및 다이내믹 레인지의 저하를 방지하기 위해서는, 포토 다이오드(102) 및 전하 유지부(104)를 크게 할 필요가 있고, CMOS 이미지 센서(1)의 사이즈가 증대한다.
<<2. 제1의 실시의 형태>>
다음에, 도 6 내지 도 15를 참조하여, 본 기술의 제1의 실시의 형태에 관하여 설명한다.
<화소(31b)의 구성례>
도 6 내지 도 8은, 도 1의 화소 어레이부(11)의 화소(31)의 제1의 실시의 형태인 화소(31b)의 구성례를 나타내고 있다. 도 6은, 화소(31b)의 평면도를 모식적으로 나타내고, 도 7은, 도 6의 B-B’방향의 화소(31b)의 단면의 구성례를 모식적으로 나타내고, 도 8은, 도 6의 C-C’방향의 화소(31b)의 단면의 구성례를 모식적으로 나타내고 있다. 도 6 내지 도 8에는, 1개의 화소(31b)만이 도시되어 있지만, 다른 화소도 기본적으로 동일한 구성을 구비하고 있다.
또한, 도면 중, 도 2 및 도 3의 화소(31a)와 대응하는 부분에는, 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 설명은 적절히 생략한다.
화소(31b)는, 화소(31a)와 비교하여, 전하 전송부(201), 전하 배출부(Drain1)(202), 분리부(203), 및, DTI(Deep Trench Isolation)(204)가 추가되고, 전하 배출 게이트(111) 및 전하 배출부(112)가 삭제되는 점이 다르다.
전하 전송부(201)는, 전하 유지부(104)의 방향, 및, 전하 배출부(202)의 방향의 2 방향으로 전하를 전송한다. 예를 들면, 전하 전송부(201)는, 제1 전송 게이트(103)에 의해 포토 다이오드(102)로부터 전송된 전하를, 전하 유지부(104)의 방향 또는 전하 배출부(202)의 방향으로 전송한다. 또한, 예를 들면, 전하 전송부(201)는, 포토 다이오드(102) 및 전하 유지부(104)로부터 넘치고, 유입한 전하를 전하 배출부(202)의 방향에 전송한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 전하의 전송 방향은, 반드시 직선상의 방향으로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 만곡 또는 굽은 방향이라도 좋다.
전하 전송부(201)는, 전송 영역(211), 제4 전송 게이트(A1)(212), 제5 전송 게이트(A2)(213), 및, 전하 배출 게이트(ABG)(214)를 구비한다.
전송 영역(211)은, 제4 전송 게이트(212)의 게이트 전극(212A)의 아래쪽에 있어서, 포토 다이오드(102)의 전하를 유지하는 영역인 N형층(102B)와 극성이 동일한 N형의 매입 채널에 의해 형성되어 있는 전송 채널 영역이다. 전송 영역(211)은, 제1 전송 게이트(103)에 의해 포토 다이오드(102)로부터 전송된 전하, 및, 포토 다이오드(102) 및 전하 유지부(104)로부터 넘친 전하가 유입하는 영역이다.
제4 전송 게이트(212)는, 게이트 전극(212A)에 제어 펄스(A1)가 인가됨에 의해, 전송 영역(211)을 변조한다. 즉, 게이트 전극(212A)에 제어 펄스(A1)가 인가됨에 의해, 전송 영역(211)의 포텐셜이 깊어진다.
또한, 이하, 게이트 전극(212A)에 제어 펄스(A1)가 인가된 상태를, 제4 전송 게이트(212)가 온 된 상태라고 한다. 또한, 이하, 게이트 전극(212A)에 제어 펄스(A1)가 인가되어 있지 않는 상태를, 제4 전송 게이트(212)가 오프 된 상태라고 한다.
제5 전송 게이트(213)는, 게이트 전극(213A)에 제어 펄스(A2)가 인가됨에 의해, 전송 영역(211)에 유입한 전하를 전송한다.
또한, 이하, 게이트 전극(213A)에 제어 펄스(A2)가 인가된 상태를, 제5 전송 게이트(213)가 온 된 상태라고 한다. 또한, 이하, 게이트 전극(213A)에 제어 펄스(A2)가 인가되어 있지 않는 상태를, 제5 전송 게이트(213)가 오프 된 상태라고 한다.
전하 배출 게이트(214)는, 게이트 전극(214A)에 제어 펄스(ABG)가 인가됨에 의해, 전송 영역(211)에 유입한 전하를 전송한다.
또한, 이하, 게이트 전극(214A)에 제어 펄스(ABG)가 인가된 상태를, 전하 배출 게이트(214)가 온 된 상태라고 한다. 또한, 이하, 게이트 전극(214A)에 제어 펄스(ABG)가 인가되어 있지 않는 상태를, 전하 배출 게이트(214)가 오프 된 상태라고 한다.
전하 배출부(202)는, 배선용의 콘택트를 접속할 수 있는 불순물 농도의 N형층에 의해 구성되어 있다. 전하 배출부(202)는, 전원(Vofd)에 접속되어 있고, 전하 배출부(202)의 전위는, 전원(Vofd)의 전위와 거의 같아진다. 그리고, 전하 배출 게이트(214)에 의해 포토 다이오드(102)로부터 전하 배출부(202)에 전송된 전하는, 전원(Vofd)으로 배출된다.
분리부(203)는, 전송 영역(211)의 아래쪽에 배치되고, 포토 다이오드(102)와 전하 유지부(104) 및 FD(107)과의 사이를 전기적으로 분리한다. 분리부(203는, 예를 들면, 충분히 깊은 트렌치, 또는, 반도체 기판(101)의 회로면과 반대측의 하면까지 관통한 DTI 등의 물리적 장벽, 또는, 전하를 트랩한 드레인에 의해 구성된다. 이 분리부(203)에 의해, 전하가 전송 영역(211)의 아래쪽을 통과하여 블루밍(blooming) 하는 것이 억제된다.
또한, 분리부(203)를 물리적 장벽에 의해 실현한 경우, CMOS 이미지 센서(1)가 이면 조사형인 쪽이, 분리부(203)를 형성하기 쉽다.
DTI(204)는, 화소(31b)의 주위를 포위, 인접한 화소(31b) 사이를 전기적으로 분리한다. 또한, DTI(204)는, 포토 다이오드(102)와, 게이트 전극(105A), 게이트 전극(106A), 게이트 전극(212A), 및, 게이트 전극(213A)과의 사이를 전기적으로 분리한다.
다음에, 도 9 및 도 15를 참조하여, 화소(31b)의 동작에 관하여 설명한다.
도 9, 도 12, 및, 도 14의 아래 도면은, 도 6의 화소(31b)의 B-B’방향의 포텐셜 도면을 나타내고 있다. 도 10, 도 13, 및, 도 15의 아래 도면은, 도 6의 화소(31b)의 C-C’방향의 포텐셜 도면을 나타내고 있다. 이러한 포텐셜 도면에 있어서, 종방향이 전위를 나타내고, 아래방향으로 향할수록 전위가 높아진다.
도 9 및 도 10은, 노광 기간 중(포토 다이오드(102)에 전하를 축적 중)의 화소(31b)의 상태를 나타내고 있다.
구체적으로는, 제1 전송 게이트(103) 내지 제5 전송 게이트(213)가 오프 하여, 전하 배출 게이트(214)가 온 하고 있다. 그 결과, 포토 다이오드(102)와 전송 영역(211)과의 사이의 전위 장벽(T1)이, 포토 다이오드(102)의 공핍 전위, 및, 전송 영역(211)의 공핍 전위보다 높아진다.
이것에 의해, 포토 다이오드(102)에 있어서, 광전변환에 의해 발생한 전하가 그대로 축적된다.
또한, 전송 영역(211)과 전하 유지부(104)와의 사이의 전위 장벽(이하, 전위 장벽(A2)이라고 칭한다)이, 전송 영역(211)의 공핍 전위, 및, 전하 유지부(104)의 공핍 전위보다 높아진다. 전송 영역(211)과 전하 배출부(202)와의 사이의 전위 장벽(이하, 전위 장벽(ABG)이라고 칭한다)이, 전송 영역(211)의 공핍 전위보다 낮아지고, 전원 전압(Vofd)과 거의 같아진다.
이것에 의해, 도 11에 나타난 바와 같이, 포토 다이오드(102)가 포화함에 의해 넘친 전하, 및, 전하 유지부(104)가 포화함에 의해 넘친 전하가, 전송 영역(211)에 유입한다. 전송 영역(211)에 유입한 전하는, 전하 배출 게이트(214)를 이용하고, 전하 배출부(202)에 배출된다. 그 결과, 포토 다이오드(102)와 전하 유지부(104)와의 사이의 혼신이 방지된다
또한, 전하 유지부(104)와 FD(107)와의 사이의 전위 장벽(T3)이, 전하 유지부(104)의 공핍 전위, 및, 전원 전압(VDD)보다 높아진다.
도 12 및 도 13은, 포토 다이오드(102)로부터 전하 유지부(104)에의 전하 전송시의 화소(31b)의 상태를 나타내고 있다.
먼저, 도 12의 A 및 도 13의 A에 나타난 바와 같이, 제1 전송 게이트(103), 제2 전송 게이트(105), 제4 전송 게이트(212), 및, 제5 전송 게이트(213)가 온 하여, 제3 전송 게이트(106) 및 전하 배출 게이트(214)가 오프 한다. 그 결과, 전위 장벽(T1) 및 전위 장벽(A2)이, 포토 다이오드(102)의 공핍 전위보다 낮아지고, 전송 영역(211)의 공핍 전위 및 전하 유지부(104)의 공핍 전위보다 높아진다. 전위 장벽(ABG)이, 전송 영역(211)의 공핍 전위보다 높아진다.
이것에 의해, 포토 다이오드(102)에 축적되어 있는 전하가, 제1 전송 게이트(103), 전송 영역(211), 및, 제5 전송 게이트(213)를 이용하여, 전하 유지부(104)에 전송된다.
다음에, 도 12의 B 및 도 13의 B에 나타난 바와 같이, 제1 전송 게이트(103) 및 제4 전송 게이트(212)가 온 한다. 그 결과, 전위 장벽(T1)이, 포토 다이오드(102)의 공핍 전위 및 전송 영역(211)의 공핍 전위보다 높아진다. 전위 장벽(A2)이, 전송 영역(211)의 공핍 전위보다 낮아진다.
이것에 의해, 포토 다이오드(102)로부터의 전하의 전송이 정지한다. 한편, 전송 영역(211)에 남아 있는 전하가, 제5 전송 게이트(213)를 이용하고, 전하 유지부(104)에 전송된다.
이와 같이 하여, 포토 다이오드(102)에 축적된 전하가, 전하 유지부(104)에 전송된다.
도 14 및 도 15는, 포토 다이오드(102)의 리셋 때의 화소(31b)의 상태를 나타내고 있다.
이 경우, 제1 전송 게이트(103), 제4 전송 게이트(212), 및, 전하 배출 게이트(214)가 온 하여, 제2 전송 게이트(105), 제3 전송 게이트(106), 및, 제5 전송 게이트(213)가 오프 한다. 그 결과, 전위 장벽(T1)이, 포토 다이오드(102)의 공핍 전위보다 낮아지고, 전송 영역(211)의 공핍 전위보다 높아진다. 전위 장벽(ABG)이, 전송 영역(211)의 공핍 전위, 및, 전원 전압(Vofd)과 거의 같아진다.
이것에 의해, 포토 다이오드(102)에 축적되어 있는 전하가, 제1 전송 게이트(103)를 이용하고, 전송 영역(211)에 전송된다. 전송 영역(211)에 전송된 전하는, 전하 배출 게이트(214)를 이용하고, 전하 배출부(202)에 배출된다. 이와 같이 하여, 포토 다이오드(102)가 리셋된다.
이상과 같이, 화소(31b)에서는, 포토 다이오드(102)와 전하 유지부(104)와의 사이의 혼신이 방지된다.
또한, 포토 다이오드(102)에 대한 전송 게이트가 제1 전송 게이트(103)의 1개뿐이고, 포토 다이오드(102)로부터의 전하의 전송 방향이 1 방향만으로 된다. 따라서 화소(31b)는, 포토 다이오드(102)로부터의 전하의 전송 방향이 2 방향인 화소(31a)와 비교하여, 설계가 용이해진다. 또한, 도 5의 화소(31a)와 같이, 포토 다이오드(102)에 대하여 전위 장벽(T1)보다 낮은 전위 장벽(ABG)을 설치할 필요가 없기 때문에, 포토 다이오드(102)의 포화 전하량을 늘릴 수 있다.
또한, 도 5의 화소(31a)와 같이, 전하 유지부(104)와 FD(107)와의 사이의 전위 장벽(T3)을, 전하 유지부(104)와 전송 영역(211)과의 사이의 전위 장벽(A2)보다 낮게 할 필요가 없다. 이것에 의해, 전하 유지부(104)의 포화 전하량을 늘릴 수 있다.
또한, 전송 영역(211)은 전하를 유지할 필요가 없기 때문에, 면적을 작게 할 수 있다. 따라서, 전송 영역(211)은, 전하의 전송 방향이 2 방향이지만, 설계는 용이하다.
<<3. 제2의 실시의 형태>>
다음에, 도 16 내지 도 18을 참조하여, 본 기술의 제2의 실시의 형태에 관하여 설명한다.
<화소(31c)의 구성례>
도 16 내지 도 18은, 도 1의 화소 어레이부(11)의 화소(31)의 제2의 실시의 형태인 화소(31c)의 구성례를 나타내고 있다. 도 16은, 화소(31c)의 평면도를 모식적으로 나타내고, 도 17은, 도 16의 D-D’방향의 화소(31c)의 단면의 구성례를 모식적으로 나타내고, 도 18은, 도 16의 E-E’방향의 화소(31c)의 단면의 구성례를 모식적으로 나타내고 있다. 도 16 내지 도 18에는, 1개의 화소(31c)만이 도시되어 있지만, 다른 화소도 기본적으로 동일한 구성을 구비하고 있다.
또한, 도면 중, 도 6 내지 도 8의 화소(31b)와 대응한 부분에는, 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 설명은 적절히 생략한다.
화소(31c)는, 화소(31b)와 비교하여, 전하 전송부(201) 대용으로 전하 전송부(251)가 설치되고, 셔터 게이트(SHT)(252) 및 제2 전하 배출부(Drain2)(253)가 추가되어 있는 점이 다르다. 전하 전송부(251)는, 전하 전송부(201)와 비교하여, 전하 배출 게이트(214)가 삭제되어 있는 점이 다르다.
또한, 이하, 전하 배출부(202)를 제2 전하 배출부(253)와 구별하는 경우, 제1 전하 배출부(202)라고 칭한다.
셔터 게이트(252)는, 게이트 전극(252A)에 제어 펄스(SHT)가 인가됨에 의해, 포토 다이오드(102)에 축적되어 있는 전하를 전송한다.
또한, 이하, 게이트 전극(252A)에 제어 펄스(SHT)가 인가된 상태를, 셔터 게이트(252)가 온 된 상태라고 한다. 또한, 이하, 게이트 전극(252A)에 제어 펄스(SHT)가 인가되어 있지 않는 상태를, 셔터 게이트(252)가 오프 된 상태라고 한다.
제2 전하 배출부(253)는, 배선용의 콘택트를 접속할 수 있는 불순물 농도의 N형층에 의해 구성되어 있다. 제2 전하 배출부(253)는, 전원(Vofd)에 접속되어 있고, 제2 전하 배출부(253)의 전위는, 전원(Vofd)의 전위와 거의 같아진다. 셔터 게이트(252)에 의해 포토 다이오드(102)로부터 제2 전하 배출부(253)에 전송된 전하는, 전원(Vofd)으로 배출된다. 이것에 의해, 포토 다이오드(102)가 리셋된다.
전송 영역(211)과 전하 배출부(202)와의 사이의 전위 장벽(ABG)의 높이는, 가변의 전원 전압(Vofd)에 의해 제어된다. 구체적으로는, 도 18의 아래 도면에 나타난 바와 같이, 전원 전압(Vofd)을 높게 하면, 전송 영역(211)과 전하 배출부(202)와의 사이의 전위 장벽(ABG)이 공핍화하여, 낮아진다. 그리고, 전송 영역(211)의 전하가, 전위 장벽(ABG)을 초과하고, 전하 배출부(202)에 전송된다.
이와 같이, 화소(31c)에서는, 전하 배출 게이트(214)를 이용하지 않고, 전위 장벽(ABG)의 높이를 전압 제어함에 의해, 전송 영역(211)의 전하가 전하 배출부(202)에 배출된다.
또한, 전위 장벽(ABG)의 높이는, 전원 전압(Vofd), 및, 전송 영역(211)과 전하 배출부(202)와의 사이의 불순물 농도에 의해 조정된다.
<<4. 제3의 실시의 형태>>
다음에, 도 19 및 도 20을 참조하여, 본 기술의 제3의 실시의 형태에 관하여 설명한다.
<화소(31d)의 구성례>
도 19 내지 도 20은, 도 1의 화소 어레이부(11)의 화소(31)의 제3의 실시의 형태인 화소(31d)의 구성례를 나타내고 있다. 도 19는, 화소(31d)의 평면도를 모식적으로 나타내고, 도 20은, 도 19의 F-F’방향의 화소(31d)의 단면의 구성례를 모식적으로 나타내고 있다. 도 19 및 도 20에는, 1개의 화소(31d)만이 도시되어 있지만, 다른 화소도 기본적으로 동일한 구성을 구비하고 있다.
또한, 도면 중, 도 6 내지 도 8의 화소(31b)와 대응하는 부분에는, 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 설명은 적절히 생략한다.
화소(31d)는, 화소(31b)와 비교하여, 반도체 기판(101)이 두꺼워지고, 포토 다이오드(102), 제1 전송 게이트(103), 및, 전하 유지부(104) 대용으로, 포토 다이오드(301), 제1 전송 게이트(302), 및, 전하 유지부(303)가 마련되어 있는 점이 다르다.
CMOS 이미지 센서(1)가 이면 조사형인 경우, 포토 다이오드 및 전하 유지부는, 반도체 기판(101)의 회로면으로부터 소정의 거리 이상 떨어진, 반도체 기판(101)의 깊은 위치에 배치되는 것이 가능하다.
구체적으로는, 포토 다이오드(301)는, N형층(301A) 및 소자 분리층(301B)에 의해 구성된다. N형층(301A)은, 반도체 기판(101)의 회로면으로부터 소정의 거리이상 떨어진, 반도체 기판(101)의 깊은 위치에 형성되어 있다. N형층(301A)의 측면은, P형층으로 된 소자 분리층(301B)에 의해 덮혀 있다.
N형층(301A)과 소자 분리층(301B)과의 접합면의 면적은, 도 3의 포토 다이오드(102)의 P형층(102A)과 N형층(102B)과의 접합면의 면적보다 폭넓게 할 수 있다. 따라서, 소자 분리층(301B)의 불순물 농도를 높게 하여, N형층(301A)과 소자 분리층(301B)과의 사이의 전계를 증대시킴에 의해, 포토 다이오드(301)의 포화 전하량을, 도 3의 포토 다이오드(102)의 포화 전하량보다 크게 할 수 있다.
또한, 종형 트랜지스터로 된 제1 전송 게이트(302)의 게이트 전극(302A)이, 반도체 기판(101)의 회로면에 대해 수직한 방향에 있어서, N형층(301A)과 겹쳐지는 위치에 배치되어 있다. 게이트 전극(302A)은 트렌치 형상이고, 트렌치부의 선단이 N형층(301A)의 상면까지 도달하고 있다.
제1 전송 게이트(302)는, 게이트 전극(302A)에 제어 펄스(T1)가 인가됨에 의해, 포토 다이오드(301)에 축적되어 있는 전하를 전송한다.
또한, 이하, 게이트 전극(302A)에 제어 펄스(T1)가 인가된 상태를, 제1 전송 게이트(302)가 온 된 상태라고 한다. 또한, 이하, 게이트 전극(302A)에 제어 펄스(T1)가 인가되어 있지 않는 상태를, 제1 전송 게이트(302)가 오프 된 상태라고 한다.
이와 같이, 화소(31d)에서는, 반도체 기판(101)의 회로면에 있어서, 포토 다이오드(301)를 구성하는 N형층(301A)의 상방에, 제1 전송 게이트(302) 등의 트랜지스터를 배치할 수 있다. 이것에 의해, 반도체 기판(101)의 회로면에 배치 가능한 트랜지스터의 수나 면적을 늘릴 수 있다.
전하 유지부(303)는, N형층(303A) 및 소자 분리층(303B)에 의해 구성된다. N형층(303A)은, 도 3의 전하 유지부(104)를 구성하는 N형층과 마찬가지로, 게이트 전극(105A)의 아래쪽에 배치됨과 동시에, 반도체 기판(101)의 깊은 위치에 있어서, 게이트 전극(213A)의 아래쪽, 및, FD(107)의 아래쪽까지 넓어져 있다. 이것에 의해, 전하 유지부(303)의 체적을 크게 할 수 있고, 포화 전하량을 크게 할 수 있다.
또한, N형층(303A)의 반도체 기판(101)의 깊은 위치에 있어서 넓어져 있는 부분의 측면은, P형층으로 된 소자 분리층(303B)에 의해 덮혀 있다. 그리고, 소자 분리층(303B)의 불순물 농도를 높게 하여, N형층(303A)과 소자 분리층(303B)과의 사이의 전계를 증대시킴에 의해, 전하 유지부(303)의 포화 전하량을 더욱 크게 할 수 있다.
또한, 예를 들면, 화소(301d)에 있어서, 도 16의 화소(31c)와 마찬가지로, 셔터 게이트를 설치한 경우, 셔터 게이트는, 예를 들면, 제1 전송 게이트(302)와 마찬가지로, 종형 트랜지스터에 의해 구성된다.
<<5. 제4의 실시의 형태>>
다음에, 도 21 및 도 22를 참조하여, 본 기술의 제4의 실시의 형태에 관하여 설명한다.
<화소(31e)의 구성례>
도 21 및 도 22는, 도 1의 화소 어레이부(11)의 화소(31)의 제4의 실시의 형태인 화소(31e)의 구성례를 나타내고 있다. 도 21은, 화소(31e)의 평면도를 모식적으로 나타내고, 도 22는, 도 21의 G-G’방향의 화소(31e)의 단면의 구성례를 모식적으로 나타내고 있다. 도 21 및 도 22에는, 1개의 화소(31e)만이 도시되어 있지만, 다른 화소도 기본적으로 동일한 구성을 구비하고 있다.
또한, 도면 중, 도 6 내지 도 8의 화소(31b)와 대응하는 부분에는, 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 설명은 적절히 생략한다.
화소(31e)는, 화소(31b)와 비교하여, 전하 유지부(104), 제2 전송 게이트(105), 및, 제3 전송 게이트(106)가 삭제되어 있는 점이 다르다.
즉, 화소(31e)에서는, FD(107)가, 제5 전송 게이트(213)에 의해 전송 영역(211)으로부터 전송된 전하를 유지하고, 전압으로 변환한다.
분리부(203)는, 전송 영역(211)의 아래쪽에 배치되고, 포토 다이오드(102)와 FD(107)와의 사이를 전기적으로 분리한다.
화소(31e)는, 화소(31b)와 비교하여, 포토 다이오드(102)의 수광면적을 크게 할 수 있고, 수광 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 화소(31e)에 있어서, 화소(31b) 내지 화소(31d)와 마찬가지로, 포토 다이오드(102)와 FD(107)와의 사이의 혼신을 방지할 수 있다.
<<6. 변형례>>
이하, 상술한 본 기술의 실시의 형태의 변형례에 관하여 설명한다.
예를 들면, 상술한 제1의 실시의 형태 내지 제4의 실시의 형태를 조합시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 제2의 실시의 형태 또는 제3의 실시의 형태와 제4의 실시의 형태를 조합시키고, 화소(31c) 또는 화소(31d)에 있어서, 전하 유지부(104)를 생략하고, 포토 다이오드(102)의 전하를 FD(107)에 전송하도록 해도 된다. 예를 들면, 제2의 실시의 형태와 제3의 실시의 형태를 조합시키고, 화소(31c)에 있어서, 반도체 기판(101)의 깊은 위치에 포토 다이오드를 배치하도록 하여도 된다.
또한, 예를 들면, 제1 전송 게이트(103) 및 제4 전송 게이트(212)를 1개의 전송 게이트에 결합되고, 게이트 전극(103A) 및 게이트 전극(212A)을 1개의 게이트 전극에 결합할 수 있다.
또한, 본 기술은, 상술한 실시의 형태로 설명한 단위 화소 이외의 구조에도 채용할 수 있다. 예를 들면, 본 기술은, 1개의 화소내에 2 이상의 전하 유지부를 구비하는 경우에도 적용할 수 있다.
또한, 본 기술의 실시의 형태로의 전(全) 화소라는 것은, 화상에 나타나는 부분의 화소의 전부를 의미하고, 더미 화소 등은 제외된다. 또한, 시간차나 화상의 왜곡이 문제가 되지 않을 정도로 충분히 작으면, 전 화소 동시에 동작시키는 대신에, 여러행(예를 들면, 수십행)씩 고속으로 주사하도록 하는 것도 가능하다. 또한, 화상에 나타나는 전 화소에 한정되지 않고, 소정의 여러행에 대하여 글로벌 셔터 동작을 적용할 수도 있다.
또한, 위에서 설명한 화소(31)에 있어서 디바이스 구조의 도전형은 일례에 지나지 않고, N형, P형이 반대라도 상관하지 않고, 또한, 반도체 기판(101)의 도전형에 대해서도 N형, P형의 어느 쪽도 상관하지 않는다. 또한, 화소에서 이동하는 한 다수의 캐리어가 정공인지 전자인지에 따라, 상술한 각 부분의 전위 또는 포텐셜의 대소 관계가 반대가 되는 경우가 있다.
또한, 본 기술은, CMOS 이미지 센서 이외에도, 광전변환부, 및, 광전변환부에서 전송된 전하를 유지하는 소자를 화소내에 구비하고, 글로벌 셔터 동작을 행한 촬상 소자 전반에 대하여 적용 가능하다.
<<7. 응용례>>
다음에, 본 기술의 응용례에 관하여 설명한다.
<본 기술의 응용례>
예를 들면, 본 기술은, 도 23에 나타나도록, 가시광이나, 적외광, 자외광, X선 등의 빛을 센싱하는 다양한 케이스에 응용할 수 있다.
·디지털 카메라나, 카메라 기능 부가의 휴대 기기 등의, 감상용으로 제공되는 화상을 촬영하는 장치
·자동 정지 등의 안전운전이나, 운전자의 상태의 인식 등을 위해, 자동차의 앞쪽이나 뒤쪽, 주위, 차내 등을 촬영하는 차량 탑재용 센서, 주행 차량이나 도로를 감시하는 감시 카메라, 차량 사이 등의 측거를 측정하는 측거 센서 등의, 교통용으로 제공되는 장치
·유저의 제스처를 촬영하고, 그 제스처에 응한 기기 조작을 행하기 위해, TV나, 냉장고, 에어 컨디셔너 등의 가전에 제공되는 장치
·내시경이나, 적외광의 수광에 의한 혈관 촬영을 행하는 장치 등의, 의료나 건강 관리용으로 제공되는 장치
·방범 용도의 감시 카메라나, 인물 인증 용도의 카메라 등의, 보안용으로 제공되는 장치
·피부를 촬영하는 피부측정기나, 두피를 촬영하는 현미경 등의, 미용용으로 제공되는 장치
·스포츠 용도등용의 액션 카메라나 웨어러블 카메라 등의, 스포츠용으로 제공되는 장치
·밭이나 작물의 상태를 감시하기 위한 카메라 등의, 농업용으로 제공되는 장치
<전자 기기에의 응용례>
도 24는, 본 기술을 적용한 전자 기기의 구성례를 나타내고 있다.
전자 기기(600)는, 광학계 구성부(601), 구동부(602), 촬상 소자(603), 및, 신호 처리부(604)를 구비한다.
광학계 구성부(601)는, 광학 렌즈 등으로부터 구성되고, 피사체의 광학상을 촬상 소자(603)에 입사시킨다. 구동부(602)는, 촬상 소자(603)의 내부의 구동에 관한 각종의 타이밍 신호를 생성, 출력함에 의해 촬상 소자(603)의 구동을 제어한다. 신호 처리부(604)는, 촬상 소자(603)로부터 출력된 화상 신호에 대해 소정의 신호 처리를 가하고, 그 신호 처리 결과에 응한 처리를 실행한다. 또한, 신호 처리부(604)는, 신호 처리 결과의 화상 신호를 후단에 출력하고, 예를 들면, 고체 메모리 등의 기록 매체에 기록하거나, 소정의 네트워크를 이용하여, 소정의 서버에 전송하거나 한다.
여기에서, 상술한 CMOS 이미지 센서(1)를 촬상 소자(603)로서 이용함에 의해, 촬영된 화상의 고화질화를 실현할 수 있다.
또한, 본 기술의 실시 형태는, 상술한 실시 형태로 한정된 것이 아니고, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 변경이 가능하다.
<구성의 조합 예>
또한, 예를 들면, 본 기술은, 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1)
광전변환부와,
전하 전송부와,
상기 광전변환부에서 상기 전하 전송부에의 전하의 전송에 이용된 제1의 전극과,
전하 전압 변환부와,
제1의 전하 배출부를 화소내에 구비하고,
상기 전하 전송부는, 상기 전하 전압 변환부에의 제1의 전송 방향 및 상기 제1의 전하 배출부에의 제2의 전송 방향에 전하를 전송할 수 있는 촬상 소자.
(2)
상기 전하 전송부는,
상기 광전변환부의 전하를 축적한 영역과 극성이 동일하고, 상기 제1의 전극을 이용하고 상기 광전변환부에서 전송된 전하가 유입한 영역인 전송 채널 영역과,
상기 전송 채널 영역의 전위의 제어에 이용된 제2의 전극과,
상기 전송 채널 영역에서 상기 제1의 전송 방향에의 전하의 전송에 이용된 제3의 전극을 구비한 상기 (1)에 기재된 촬상 소자.
(3)
상기 제1의 전송 방향에 있어서, 상기 전하 전송부와 상기 전하 전압 변환부와의 사이에 배치되고, 상기 제3의 전극을 이용하고 상기 전송 채널 영역에서 전송된 전하를 유지한 전하 유지부와,
상기 전하 유지부에서 상기 전하 전압 변환부에의 전하의 전송에 이용된 제4의 전극을 상기 화소내에 또한 구비한 상기 (2)에 기재된 촬상 소자.
(4)
상기 제3의 전극을 이용하고, 상기 전송 채널 영역에서 상기 전하 전압 변환부에 전하가 전송되는 상기 (2)에 기재된 촬상 소자.
(5)
상기 전하 전송부는,
상기 전송 채널 영역에서 상기 제1의 전하 배출부에의 전하의 전송에 이용된 제5의 전극을 또한 구비한 상기 (2) 내지 (4)의 어느 하나에 기재된 촬상 소자.
(6)
상기 제1의 전하 배출부에 가변의 전압이 인가되고, 상기 제1의 전하 배출부에 인가된 전압에 의해, 상기 전송 채널 영역과 상기 제1의 전하 배출부와의 사이의 전위 장벽의 전위가 변동하는 상기 (2) 내지 (4)의 어느 하나에 기재된 촬상 소자.
(7)
제2의 전하 배출부와,
상기 광전변환부에서 상기 제2의 전하 배출부에의 전하의 전송에 이용된 제6의 전극을 상기 화소내에 또한 구비한 상기 (6)에 기재된 촬상 소자.
(8)
상기 광전변환부가 형성되어 있는 반도체 기판의 상기 제1의 전극이 마련되어 있는 면과 반대측의 면과 상기 전송 채널 영역과의 사이에 있어서, 상기 광전변환부와 상기 전하 전압 변환부와의 사이를 전기적으로 분리한 분리부를 또한 구비한 상기 (2) 내지 (7)의 어느 하나에 기재된 촬상 소자.
(9)
상기 제1의 전극과 상기 제2의 전극이 1개의 전극에 의해 구성되는 상기 (2) 내지 (8)의 어느 하나에 기재된 촬상 소자.
(10)
상기 광전변환부가 형성되어 있는 반도체 기판의 상기 제1의 전극이 마련되어 있는 면인 회로면과, 상기 광전변환부와의 사이가 소정의 거리이상 떨어지고 있는 상기 (1) 내지 (9)의 어느 하나에 기재된 촬상 소자.
(11)
상기 제1의 전극이, 상기 반도체 기판의 상기 회로면에 대해 수직한 방향에 있어서, 상기 광전변환부와 겹쳐지는 위치에 배치되어 있는 상기 (10)에 기재된 촬상 소자.
(12)
촬상 소자와,
상기 촬상 소자로부터 출력된 신호를 처리한 신호 처리부를 구비하고,
상기 촬상 소자는,
광전변환부와,
전하 전송부와,
상기 광전변환부에서 상기 전하 전송부에의 전하의 전송에 이용된 전극과,
전하 전압 변환부와,
전하 배출부를 화소내에 구비하고,
상기 전하 전송부는, 상기 전하 전압 변환부에의 제1의 전송 방향 및 상기 전하 배출부에의 제2의 전송 방향에 전하를 전송 가능한 전자 기기.
또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이고 한정된 것이 아니고, 다른 효과가 있어도 좋다.
1 : CMOS 이미지 센서
11 : 화소 어레이부
12 : 수직 구동부
13 : 수평 전송부
14 : 신호 처리부
31, 31a 내지 31e : 화소
41 : 신호 처리부
101 : 반도체 기판
102 : 포토 다이오드
102B : N형층
103 : 제1 전송 게이트
103A : 게이트 전극
104 : 전하 유지부
105 : 제2 전송 게이트
105A : 게이트 전극
106 : 제3 전송 게이트
106A : 게이트 전극
107 : FD
201 : 전하 전송부
202 : 전하 배출부
203 : 분리부
204 : DTI
211 : 전송 영역
212 : 제4 전송 게이트
212A : 게이트 전극
213 : 제5 전송 게이트
213A : 게이트 전극
214 : 전하 배출 게이트
214A : 게이트 전극
251 : 전하 전송부
252 : 리셋 게이트
252A : 게이트 전극
253 : 제2 전하 배출부
301 : 포토 다이오드
301A : N형층
302 : 제1 전송 게이트
302A : 게이트 전극
303 : 전하 유지부
600 : 전자 기기
603 : 촬상 소자
604 : 신호 처리부

Claims (12)

  1. 광전변환부와,
    전하 전송부와,
    상기 광전변환부에서 상기 전하 전송부에의 전하의 전송에 이용되는 제1의 전극과,
    전하 전압 변환부와,
    제1의 전하 배출부를 화소내에 구비하고,
    상기 전하 전송부는, 상기 전하 전압 변환부에의 제1의 전송 방향 및 상기 제1의 전하 배출부에의 제2의 전송 방향에 전하를 전송할 수 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전하 전송부는,
    상기 광전변환부의 전하를 축적하는 영역과 극성이 동일하고, 상기 제1의 전극을 이용하고 상기 광전변환부에서 전송된 전하가 유입하는 영역인 전송 채널 영역과,
    상기 전송 채널 영역의 전위의 제어에 이용되는 제2의 전극과,
    상기 전송 채널 영역에서 상기 제1의 전송 방향에의 전하의 전송에 이용되는 제3의 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1의 전송 방향에 있어서, 상기 전하 전송부와 상기 전하 전압 변환부와의 사이에 배치되고, 상기 제3의 전극을 이용하고 상기 전송 채널 영역에서 전송된 전하를 유지한 전하 유지부와,
    상기 전하 유지부에서 상기 전하 전압 변환부에의 전하의 전송에 이용된 제4의 전극을 상기 화소내에 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제3의 전극을 이용하고, 상기 전송 채널 영역에서 상기 전하 전압 변환부에 전하가 전송되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전하 전송부는,
    상기 전송 채널 영역에서 상기 제1의 전하 배출부에의 전하의 전송에 이용되는 제5의 전극을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1의 전하 배출부에 가변의 전압이 인가되고, 상기 제1의 전하 배출부에 인가된 전압에 의해, 상기 전송 채널 영역과 상기 제1의 전하 배출부와의 사이의 전위 장벽의 전위가 변동하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    제2의 전하 배출부와,
    상기 광전변환부에서 상기 제2의 전하 배출부에의 전하의 전송에 이용되는 제6의 전극을 상기 화소내에 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 광전변환부가 형성되어 있는 반도체 기판의 상기 제1의 전극이 마련되어 있는 면과 반대측의 면과 상기 전송 채널 영역과의 사이에 있어서, 상기 광전변환부와 상기 전하 전압 변환부와의 사이를 전기적으로 분리하는 분리부를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1의 전극과 상기 제2의 전극이 1개의 전극에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광전변환부가 형성되어 있는 반도체 기판의 상기 제1의 전극이 마련되어 있는 면인 회로면과, 상기 광전변환부와의 사이가 소정의 거리 이상 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1의 전극이, 상기 반도체 기판의 상기 회로면에 대해 수직한 방향에 있어서, 상기 광전변환부와 겹치는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  12. 촬상 소자와,
    상기 촬상 소자로부터 출력된 신호를 처리하는 신호 처리부를 구비하고,
    상기 촬상 소자는,
    광전변환부와,
    전하 전송부와,
    상기 광전변환부에서 상기 전하 전송부에의 전하의 전송에 이용되는 전극과,
    전하 전압 변환부와,
    전하 배출부를 화소내에 구비하고,
    상기 전하 전송부는, 상기 전하 전압 변환부에의 제1의 전송 방향 및 상기 전하 배출부에의 제2의 전송 방향에 전하를 전송할 수 있는 것을 특징으로 하는
    전자 기기.
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