JP2012164892A - Solid-state image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および電子機器に関し、特にグローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置および当該固体撮像装置を有するカメラに関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, a driving method of the solid-state imaging device, and an electronic apparatus, and more particularly to a solid-state imaging device having a global shutter function and a camera having the solid-state imaging device.
固体撮像装置は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサに代表されるX−Yアドレス方式の固体撮像装置と、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサに代表される電荷転送方式の固体撮像装置とに大別される。ここで、CMOSイメージセンサは、画素信号のランダムアクセスが可能であり、さらにCCDイメージセンサと比較して画素信号の読出しが高速で、低消費電力であるという特長を有している。 Solid-state imaging devices include XY address type solid-state imaging devices represented by CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors and charge transfer type solid-state imaging devices represented by CCD (Charge Coupled Device) image sensors. Broadly divided. Here, the CMOS image sensor is capable of random access of pixel signals, and further has a feature that pixel signals are read out at a higher speed and consumes less power than a CCD image sensor.
ところで、多くのCMOSイメージセンサは、光電変換部に蓄積された信号電荷を電荷電圧変換部へ転送し、得られた電圧を出力とする。電子シャッタ機能は電荷電圧変換部を周期的にリセットすることで実現される。CMOSイメージセンサの電子シャッタ機能のシャッタ方式は、2次元配列された多数の画素に対して画素行ごとに露光の開始および終了の設定を行う、いわゆるローリングシャッタ(フォーカルプレインシャッタとも呼ばれる)方式である。 By the way, many CMOS image sensors transfer the signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit to the charge voltage conversion unit, and use the obtained voltage as an output. The electronic shutter function is realized by periodically resetting the charge voltage conversion unit. The shutter system of the electronic shutter function of the CMOS image sensor is a so-called rolling shutter (also called a focal plane shutter) system in which the start and end of exposure are set for each pixel row for a large number of two-dimensionally arranged pixels. .
したがって、ローリングシャッタ方式のCMOSイメージセンサは、全画素に対して同一のタイミングで露光を行うグローバルシャッタ方式のCCDイメージセンサと異なり、画素行ごとに露光期間がずれる(異なる)。そして、露光期間が画素行ごとにずれると、移動している物体を撮影した場合、撮像画像に歪みが生じる。 Therefore, unlike a global shutter CCD image sensor that exposes all pixels at the same timing, a rolling shutter CMOS image sensor has a different (different) exposure period for each pixel row. If the exposure period shifts for each pixel row, the captured image is distorted when a moving object is captured.
グローバルシャッタ機能を実現するためにいくつかの手段があるが、例えば、図14の特許文献1Fig.2に示すように画素セル内に新たにグローバル蓄積容量(TSA)、グローバル転送ゲート(TX1A)およびオーバーフロー機能(オーバーフローゲートOA、オーバーフロードレインは電源のVDD兼用)を持たせる方法がある。簡単な動作方法は次のとおりである。フォトダイオード(PDA)に蓄積された電荷は配列された全画素で同時にグローバル転送ゲートをONしグローバル蓄積容量(TSA)に転送される。しかる後、グローバル蓄積容量の信号は列ごとに従来のCMOSセンサと同じ原理で順次読み出される。
There are several means for realizing the global shutter function. For example, as shown in FIG. 2 of
特許文献1記載の従来技術のものを実際にカメラに応用すると、グローバル蓄積容量TSAが若干ではあるが入射光に反応し感度を持っている。すると、フォトダイオードPDAで光電変換された信号はグローバルシャッタが機能するが、グローバル蓄積容量TSAで光電変換された電荷はローリングシャッタ的な動作により検出される。すなわち、フォトダイオードPDAで検出されたグローバルシャッタ動作の信号に、グローバル蓄積容量TSAで検出されたローリングシャッタ的な雑音が重畳することになる。このローリングシャッタ的な雑音は、主に、入射光の一部がグローバル検出容量TSAにまで入り込むことにより発生する。また、グローバル検出容量TSAに生ずる暗電流もローリングシャッタ的な雑音になる。
When the prior art described in
グローバル蓄積容量の感度がフォトダイオードの感度の1/100とすると、グローバルシャッタ信号の上にその1/100のローリングシャッタ的な雑音が重畳する。大きな雑音ではないように思われるが、グローバルシャッタの蓄積時間を短くしていると信号が少なくなるのでS/N比が劣化する。ローリングシャッタの蓄積時間は1フレームの信号を読み出す時間で決まる。その1フレームの時間の1/100のグローバルシャッタをかけると、グローバルシャッタの信号レベルとローリングシャッタ的な雑音レベルが同じになり、グローバルシャッタの効果がほとんどなくなるといっていい。グローバルシャッタはシャッタ時間が短いときに効果を発揮するので、グローバル蓄積容量感度起因のローリングシャッタ的雑音は大きな問題となる。グローバルシャッタのシャッタ時間が短くなる明るい動的被写体を撮像したときに問題となる。カメラを動かしながら明るい被写体を撮像した時にも問題となる。 If the sensitivity of the global storage capacity is 1/100 of the sensitivity of the photodiode, 1/100 rolling shutter noise is superimposed on the global shutter signal. Although it seems that it is not a large noise, if the storage time of the global shutter is shortened, the signal is reduced and the S / N ratio is deteriorated. The accumulation time of the rolling shutter is determined by the time for reading one frame signal. When a global shutter of 1/100 of the time of one frame is applied, the signal level of the global shutter and the noise level like a rolling shutter become the same, and it can be said that the effect of the global shutter is almost lost. Since the global shutter is effective when the shutter time is short, the rolling shutter noise caused by the global storage capacity sensitivity becomes a big problem. This becomes a problem when a bright dynamic subject whose shutter time of the global shutter is shortened is imaged. There is also a problem when a bright subject is imaged while moving the camera.
実際に必要なフォトダイオードとグローバル蓄積容量の光感度比は、デジタル一眼レフカメラ応用では10000000:1と言われている。インターライン型のCCDイメージセンサで、フォトダイオードとフォトダイオードに隣接する垂直転送CCDの光感度比は、放送用カメラ応用で約3000000:1であるので、それより約30倍厳しい値であり、フォトダイオードとグローバル蓄積容量を同じ半導体基板内部に形成する方法では実現が難しい。 The photosensitivity ratio between the actually required photodiode and the global storage capacity is said to be 10000000: 1 for digital single lens reflex camera applications. In the interline CCD image sensor, the photosensitivity ratio of the photo diode and the vertical transfer CCD adjacent to the photo diode is about 3000000: 1 for broadcasting camera applications. It is difficult to realize the method by forming the diode and the global storage capacitor in the same semiconductor substrate.
また、グローバル蓄積容量は、信号をセンサ外部に読み出すまでの長い時間電荷を蓄積するため、フォトダイオード並みの低暗電流構造が要求される。 In addition, since the global storage capacitor stores electric charge for a long time until a signal is read out of the sensor, a low dark current structure similar to a photodiode is required.
そこで、本発明は、ローリングシャッタ的雑音を低減した高性能なグローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置およびカメラを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a camera having a high-performance global shutter function with reduced rolling shutter noise.
上記の課題を解決するため本発明の一形態における固体撮像装置は、二次元状に配置された複数の単位画素セルを備え、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置であって、前記複数の単位画素セルのそれぞれは、半導体基板の上方に形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換膜と、前記光電変換膜の前記半導体基板側の面に形成された画素電極と、前記半導体基板上に形成され、グローバルシャッタによって前記光電変換膜から転送された信号電荷を蓄積するグローバル電荷蓄積拡散層とを備え、前記グローバルシャッタは前記複数の単位セルにおいて同時に光電変換膜から信号電荷を転送することであり、前記画素電極は、遮光性を有する金属で形成される。 In order to solve the above-described problem, a solid-state imaging device according to an aspect of the present invention is a solid-state imaging device including a plurality of unit pixel cells arranged two-dimensionally and having a global shutter function, and the plurality of unit pixels Each of the cells is formed above the semiconductor substrate, converts the incident light into a signal charge, a pixel electrode formed on the surface of the photoelectric conversion film on the semiconductor substrate side, and on the semiconductor substrate And a global charge accumulation diffusion layer that accumulates signal charges transferred from the photoelectric conversion film by a global shutter, and the global shutter simultaneously transfers signal charges from the photoelectric conversion film in the plurality of unit cells. In addition, the pixel electrode is formed of a light-shielding metal.
この構成によれば、光電変換膜で吸収しきれない光を画素電極で遮光するので、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射を低減することによりグローバル電荷蓄積拡散層の光感度を小さくすることができる。これにより、ローリングシャッタ的雑音を低減し、高性能なグローバルシャッタ機能を実現することができる。 According to this configuration, since light that cannot be absorbed by the photoelectric conversion film is shielded by the pixel electrode, the light sensitivity of the global charge storage diffusion layer can be reduced by reducing the incidence of light on the global charge storage diffusion layer. Can do. Thereby, rolling shutter noise can be reduced and a high-performance global shutter function can be realized.
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、隣接する画素電極の間隙の下方に当該間隙よりも大きい幅をもつ遮光性の金属層を備える構成としてもよい。 Here, the solid-state imaging device may further include a light-shielding metal layer having a width larger than the gap below the gap between adjacent pixel electrodes.
この構成によれば、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光を金属層により遮光するので、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射をさらに低減することができる。 According to this configuration, the light that cannot be absorbed by the photoelectric conversion film and is transmitted through the gap between the pixel electrodes is blocked by the metal layer, so that the incidence of light on the global charge storage diffusion layer can be further reduced. .
ここで、前記画素電極の面積は、前記グローバル電荷蓄積拡散層よりも大きく、前記画素電極は、前記グローバル電荷蓄積拡散層の上方を覆うようにしてもよい。 Here, the area of the pixel electrode may be larger than that of the global charge storage diffusion layer, and the pixel electrode may cover the global charge storage diffusion layer.
この構成によれば、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光等がグローバル電荷蓄積拡散層に入射しにくくする。 According to this configuration, light that cannot be absorbed by the photoelectric conversion film and transmitted through the gap between the pixel electrodes is made difficult to enter the global charge storage diffusion layer.
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記画素電極に接続されたコンタクトと、前記半導体基板に形成され、前記画素電極から前記コンタクトを介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層と、前記電荷積分拡散層からグローバル電荷蓄積拡散層に、グローバルシャッタ時に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極とを備え、前記グローバル転送ゲート電極は、グローバル電荷蓄積拡散層の領域を覆い、前記グローバル電荷蓄積拡散層の信号電荷が維持される信号蓄積期間では、グローバル転送ゲート電極6に負電圧が印加されるようにしてもよい。
Here, the solid-state imaging device further includes a contact connected to the pixel electrode, a charge integration diffusion layer that is formed on the semiconductor substrate and accumulates signal charges transferred from the pixel electrode through the contact, A global transfer gate electrode for transferring a signal charge during global shutter from the charge integration diffusion layer to the global charge storage diffusion layer, the global transfer gate electrode covering a region of the global charge storage diffusion layer, A negative voltage may be applied to the global
この構成によれば、グローバル転送ゲート電極に負電圧を印加することによって、グローバル電荷蓄積拡散層の界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が低減することができる。これにより、暗電流によるローリングシャッタ的雑音を低減することができる。 According to this configuration, by applying a negative voltage to the global transfer gate electrode, the dark current generated at the interface of the global charge storage diffusion layer is suppressed, and the dark current can be dramatically reduced. Thereby, rolling shutter noise due to dark current can be reduced.
ここで、前記グローバル転送ゲート電極は、ポリシリコン層と、前記ポリシリコン層上に形成された金属層とを含むようにしてもよい。 Here, the global transfer gate electrode may include a polysilicon layer and a metal layer formed on the polysilicon layer.
この構成によれば、グローバル転送ゲート電極が金属層を含み、かつグローバル電荷蓄積拡散層の領域を覆うので、さらにグローバル電荷蓄積拡散層に入射する光を低減することができる。 According to this configuration, since the global transfer gate electrode includes the metal layer and covers the region of the global charge storage diffusion layer, light incident on the global charge storage diffusion layer can be further reduced.
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記画素電極に接続されたコンタクトと、前記半導体基板に形成され、前記画素電極から前記コンタクトを介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層と、グローバルシャッタ時に、前記電荷積分拡散層からグローバル電荷蓄積拡散層に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極とを備え、前記グローバル転送ゲート電極は、電荷積分拡散層とグローバル電荷蓄積拡散層間の上方に形成され、前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層を備えるとしてもよい。 Here, the solid-state imaging device further includes a contact connected to the pixel electrode, a charge integration diffusion layer that is formed on the semiconductor substrate and accumulates signal charges transferred from the pixel electrode through the contact, A global transfer gate electrode for transferring a signal charge from the charge integration diffusion layer to the global charge storage diffusion layer at the time of the global shutter, the global transfer gate electrode between the charge integration diffusion layer and the global charge storage diffusion layer A diode barrier layer having a conductivity type opposite to that of the global charge storage diffusion layer may be provided on the semiconductor substrate surface side of the global charge storage diffusion layer.
この構成によれば、グローバル電荷蓄積拡散層の半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層を備えることによって、グローバル電荷蓄積拡散層の界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が低減することができる。これにより、暗電流によるローリングシャッタ的雑音を低減することができる。 According to this configuration, a dark current generated at the interface of the global charge storage diffusion layer is provided on the semiconductor substrate surface side of the global charge storage diffusion layer by providing a diode barrier layer having a conductivity type opposite to that of the global charge storage diffusion layer. Is suppressed and the dark current can be dramatically reduced. Thereby, rolling shutter noise due to dark current can be reduced.
ここで、前記電荷積分拡散層は、第1導電型であり、前記固体撮像装置は、さらに、前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第1導電型とは逆の第2導電型の界面バリア層と、前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極14と接続される第1導電型の電荷収集拡散層とを備えていてもよい。
Here, the charge integration diffusion layer is of a first conductivity type, and the solid-state imaging device is further opposite to the first conductivity type formed on the semiconductor substrate surface side of the charge integration diffusion layer. An interface barrier layer of a second conductivity type and a charge collection diffusion layer of a first conductivity type formed on the surface of the interface barrier layer and connected to the
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記コンタクトに接続された第1導電型の電荷収集拡散層と、前記半導体基板の表面で前記電荷収集拡散層に隣接する領域に形成され、信号電荷の転送経路となるチャネル拡散層と、前記半導体基板の表面で前記チャネル拡散層に隣接する領域に形成され、前記電荷収集拡散層からチャネル拡散層を介して転送された信号電荷を蓄積する第1導電型の電荷積分拡散層と、前記電荷収集拡散層の端部、前記チャネル拡散層、および、前記電荷積分拡散層の上方を覆うバリア電極とを備え、前記グローバル転送ゲート電極は、電荷積分拡散層の端部、および前記グローバル電荷蓄積拡散層の上方を覆い、前記光電変換膜の露光期間において、前記バリア電極に負電圧が印加されるとしてもよい。 Here, the solid-state imaging device is further formed in a region adjacent to the charge collection diffusion layer on the surface of the semiconductor substrate and a charge collection diffusion layer of the first conductivity type connected to the contact, A channel diffusion layer serving as a transfer path, and a first conductive layer that is formed in a region adjacent to the channel diffusion layer on the surface of the semiconductor substrate and accumulates signal charges transferred from the charge collection diffusion layer through the channel diffusion layer Type charge integration diffusion layer, an end portion of the charge collection diffusion layer, the channel diffusion layer, and a barrier electrode that covers the charge integration diffusion layer, and the global transfer gate electrode includes a charge integration diffusion layer And a negative voltage may be applied to the barrier electrode during the exposure period of the photoelectric conversion film.
ここで、前記グローバル電荷蓄積拡散層および前記電荷積分拡散層は一体の領域として形成され、前記グローバル転送ゲート電極および前記バリア電極は一体の電極として形成されていてもよい。 Here, the global charge accumulation diffusion layer and the charge integration diffusion layer may be formed as an integral region, and the global transfer gate electrode and the barrier electrode may be formed as an integral electrode.
ここで、前記電荷積分拡散層は、第1導電型であり、前記固体撮像装置は、さらに、前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第1導電型とは逆の第2導電型の界面バリア層と、前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極14と接続される第1導電型の電荷収集拡散層とを備える構成としてもよい。
Here, the charge integration diffusion layer is of a first conductivity type, and the solid-state imaging device is further opposite to the first conductivity type formed on the semiconductor substrate surface side of the charge integration diffusion layer. It may be configured to include a second conductivity type interface barrier layer and a first conductivity type charge collection diffusion layer formed on the surface of the interface barrier layer and connected to the
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記コンタクトに接続された第1導電型の電荷収集拡散層と、前記電荷収集拡散層から転送された信号電荷を蓄積する第1導電型の電荷積分拡散層と、前記電荷収集拡散層と前記電荷積分拡散層との間の上方に形成されたバリア電極と、前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に、前記電荷積分拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層とを備える構成としてもよい。 Here, the solid-state imaging device further includes a first conductivity type charge collection diffusion layer connected to the contact and a first conductivity type charge integration diffusion for accumulating signal charges transferred from the charge collection diffusion layer. Layer, a barrier electrode formed between the charge collection diffusion layer and the charge integration diffusion layer, and a conductivity opposite to the charge integration diffusion layer on the semiconductor substrate surface side of the charge integration diffusion layer. It is good also as a structure provided with a type | mold diode barrier layer.
ここで、前記グローバル電荷蓄積拡散層は、第1導電型であり、前記固体撮像装置は、さらに、前記画素電極に接続されたコンタクトと、前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第1導電型とは逆の第2導電型の界面バリア層と、前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極14と接続される第1導電型の電荷収集拡散層とを備える構成としてもよい。 Here, the global charge storage diffusion layer is of a first conductivity type, and the solid-state imaging device is further formed on the semiconductor substrate surface side of the global charge storage diffusion layer and a contact connected to the pixel electrode. An interface barrier layer of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, a charge collection diffusion layer of a first conductivity type formed on the surface of the interface barrier layer and connected to the contact electrode; It is good also as a structure provided with.
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、前記画素電極に接続されたコンタクトと、前記コンタクトに接続された第1導電型の電荷収集拡散層と、前記電荷収集拡散層と前記グローバル電荷蓄積拡散層との間の上方に形成されたバリア電極と、前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に、前記グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層とを備える構成としてもよい。 Here, the solid-state imaging device further includes a contact connected to the pixel electrode, a charge collection diffusion layer of a first conductivity type connected to the contact, the charge collection diffusion layer, and the global charge storage diffusion layer. And a barrier electrode formed on the semiconductor substrate surface side of the global charge storage diffusion layer and a diode barrier layer having a conductivity type opposite to that of the global charge storage diffusion layer. .
また、上記課題を解決する本発明の一形態におけるカメラは、上記の固体撮像装置を備える。 Moreover, the camera in one form of this invention which solves the said subject is provided with said solid-state imaging device.
本発明によれば、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射を低減することによりグローバル電荷蓄積拡散層の光感度を小さくすることができる。これにより、ローリングシャッタ的雑音を低減し、高性能なグローバルシャッタ機能を実現することができる。 According to the present invention, the light sensitivity of the global charge storage diffusion layer can be reduced by reducing the incidence of light on the global charge storage diffusion layer. Thereby, rolling shutter noise can be reduced and a high-performance global shutter function can be realized.
また、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光を金属層により遮光するので、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射をさらに低減することができる。 In addition, since light that cannot be absorbed by the photoelectric conversion film and transmitted through the gap between the pixel electrodes is shielded by the metal layer, the incidence of light on the global charge storage diffusion layer can be further reduced.
さらに、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光等がグローバル電荷蓄積拡散層に入射しにくくする。 Furthermore, light that cannot be absorbed by the photoelectric conversion film and transmitted through the gap between the pixel electrodes is made difficult to enter the global charge storage diffusion layer.
また、グローバル電荷蓄積拡散層の界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が低減することができる。これにより、暗電流によるローリングシャッタ的雑音を低減することができる。 Further, the dark current generated at the interface of the global charge storage diffusion layer is suppressed, and the dark current can be dramatically reduced. Thereby, rolling shutter noise due to dark current can be reduced.
(第1の実施形態)
図1に第1の実施形態の画素セルの断面図を示す。同図の固体撮像装置は、二次元状に配置された複数の単位画素セル23−1、23−2、23−3、23−4を備え、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置である。同図では便宜上4つの単位画素セルを示しているが、実際には多数存在する。また、4つの単位画素セル23−1、23−2、23−3、23−4を特に区別しない場合、単に単位画素セル23と記す。
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of a pixel cell according to the first embodiment. The solid-state imaging device shown in the figure is a solid-state imaging device having a plurality of unit pixel cells 23-1, 23-2, 23-3, and 23-4 arranged in a two-dimensional manner and having a global shutter function. In the drawing, four unit pixel cells are shown for convenience, but there are actually many unit pixel cells. Further, when the four unit pixel cells 23-1, 23-2, 23-3, and 23-4 are not particularly distinguished, they are simply referred to as a unit pixel cell 23.
単位画素セル23は、半導体基板1の上方に形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換膜16と、光電変換膜16の半導体基板1側の面に形成された画素電極15と、半導体基板1上に形成され、グローバルシャッタによって光電変換膜16から転送された信号電荷を蓄積するグローバル電荷蓄積拡散層7とを主に備える。グローバルシャッタは複数の単位セルにおいて同時に光電変換膜16から信号電荷を転送することをいう。
The unit pixel cell 23 is formed above the
具体的には、P型ウェル2をもったN型の半導体基板1上に、光電変換された信号電荷を積分蓄積するN型の電荷収集拡散層3、P型の界面バリア層4およびN型の電荷積分拡散層5、グローバル転送ゲート電極6により電荷積分拡散層5から転送された信号電荷を一時蓄積するN型のグローバル電荷蓄積拡散層7、グローバル電荷蓄積拡散層7の信号電荷を画素アンプトランジスタ8のゲート電極と電気接合した浮遊拡散層9に転送するライン転送ゲート電極10、浮遊拡散層9から信号電荷を画素アンプトランジスタ8の電源と接続した電源拡散層11に排出するリセットゲート電極12からなる画素回路の上部に、バッファ絶縁膜13を貫通し電荷収集拡散層3と電気的接触を持ったコンタクト電極14介して画素電極15を設け、その上部に光電変換膜16、透明電極17を形成している。
Specifically, on an N-
隣接画素の画素回路との間はSTI18(Shallow Trench Isolation)で分離されている。電荷積分拡散層5の下部にはオーバーフロー経路19が設けられ、電荷積分拡散層5の電荷はオーバーフロードレインとなる前記半導体基板1に排出できる。
The adjacent pixel circuits are separated by STI 18 (Shallow Trench Isolation). An
また、上記の画素電極15は、遮光性を有する金属で形成される。遮光性をもたせるために画素電極15の膜厚は、500nm程度以上であることが望ましい。あるいは、画素電極15と他の金属配線層との膜厚を合わせて実質的に500nm程度以上であることがのぞましい。これにより、光電変換膜で吸収しきれない光を画素電極で遮光するので、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射を低減することによりグローバル電荷蓄積拡散層の光感度を小さくすることができる。これにより、ローリングシャッタ的雑音を低減し、高性能なグローバルシャッタ機能を実現することができる。
The
さらに、隣接する画素電極25の間隙の下方に当該間隙よりも大きい幅をもつ遮光性の金属層21を備える。この構成によれば、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光を金属層により遮光するので、グローバル電荷蓄積拡散層への光の入射をさらに低減することができる。
Further, a light-shielding
また、画素電極15の面積は、グローバル電荷蓄積拡散層7よりも大きい。画素電極15は、グローバル電荷蓄積拡散層7の上方を覆うように形成されている。これによれば、光電変換膜で吸収しきれない光で画素電極同士の間隙を透過する光等がグローバル電荷蓄積拡散層に入射しにくくする。
The area of the
また、固体撮像装置は、さらに、画素電極15に接続されたコンタクト14と、半導体基板に形成され、画素電極15からコンタクト14を介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層5と、電荷積分拡散層5からグローバル電荷蓄積拡散層7に、グローバルシャッタ時に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極6とを備えている。ここで、グローバル転送ゲート電極6は、グローバル電荷蓄積拡散層7の領域を覆い、グローバル電荷蓄積拡散層7の信号電荷が維持される信号蓄積期間では、グローバル転送ゲート電極6に負電圧が印加される。グローバル転送ゲート電極に負電圧を印加することによって、グローバル電荷蓄積拡散層の界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が低減することができる。これにより、暗電流によるローリングシャッタ的雑音を低減することができる。
The solid-state imaging device further includes a
さらに、グローバル転送ゲート電極6は、ポリシリコン層と、前記ポリシリコン層上に形成された金属層とを含む構成になっている。この金属層は、例えば、Ti、Co、Ni等の少なくとも1つでよい。
Furthermore, the global
次に、動作原理を説明する。まず、半導体基板1に正の電圧パルスを印加し電荷積分拡散層5内部の電荷(電子)を完全に排出したのち元の電圧に戻す。このタイミングが電子シャッタを開いた状態で信号電荷の蓄積が開始される。図面の負電圧が印加された透明電極17の上部から入射した光は光電変換膜16で信号電荷(電子)に変換され、画素電極15、引き上げコンタクト電極14を通り電荷収集拡散層3に集められる。
Next, the principle of operation will be described. First, a positive voltage pulse is applied to the
この信号電荷(電子)により電荷収集拡散層3は負電圧になり順バイアスされるため界面バリア層4を通り電荷積分拡散層5に蓄積される。
Due to this signal charge (electrons), the charge
次にグローバル転送ゲート電極6に正のパルス電圧を印加し、電荷積分拡散層5の信号電荷をグローバル電荷蓄積拡散層7に転送する。このタイミングが電子シャッタを閉じた時刻である。一定期間信号電荷はグローバル電荷蓄積拡散層内にとどまるが、この期間強い入射光により電荷積分拡散層5をあふれた電荷がグローバル電荷蓄積拡散層7に漏れこまないように、オーバーフロー経路19は過剰の電荷を半導体基板1に排出する機能も持っている。この後、ライン転送ゲート電極10をONし浮遊拡散層9に信号電荷を転送し電圧変換し画素アンプトランジスタで画素外部に読み出される。読み出しの終わった信号電荷はリセットゲート電極12をONし排出される。
Next, a positive pulse voltage is applied to the global
光電変換膜16に入射した光はここで光電変換されるがすべての光は吸収できない。この光の一部がグローバル電荷蓄積拡散層7に到達すると、前述したローリングシャッタ雑音となる。この光を10000000分の1に遮光する必要がある。まず画素電極15に遮光性の高い金属を用いる。さらにその下部にもちられる画素回路の金属配線22をグローバル電荷蓄積拡散層7上部に配する。画素回路の金属配線層は2層以上の多層構造であるので、上部から見た平面図でグローバル電荷蓄積拡散層7を完全に覆うことも有効である。また、隣接する画素の画素電極20との間の隙間の下にも画素間光シールド電極21を設ける。これは画素回路の金属配線と兼用してもいい。グローバル転送ゲート電極6にサリサイド電極を用いることも有効である。画素電極15の材料としては、Al、Cu、Ti、TiN、Ag、Au等が考えられる。画素間光シールド電極21、金属配線22の材料としてはAl、Cu等が考えられる。光電変換膜としては、セレン、アモルファスシリコン、GaAs等化合物半導体、有機光導電膜等の半導体が考えられる。特になだれ増倍により増感機能のあるアバランシェ増倍型の光電変換膜が有効である。
The light incident on the
グローバル電荷蓄積拡散層7には信号読み出しにかかる長い時間信号電荷が蓄積される。この部分の暗電流を下げることが非常に重要である。ここでは信号蓄積期間においてグローバル転送ゲート電極6にグローバル電荷蓄積拡散層7の半導体界面に正孔が蓄積される状態になるように負電圧を印加することが有効である。図1のグローバル電荷蓄積拡散層7の領域中の破線は、上記の負電圧の印加により半導体基板1表面から正孔が蓄積された状態を示している。こうすることにより半導体界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が下がる。界面に正孔層ができやすくなるようにグローバル電荷蓄積拡散層7の上部にp型不純物を導入することも有効である。
The global charge
図2にセンサチップの構成例を示す。ここでは単位画素セル23−1,2,3,4が行列2x2で配置されている。図1と同じ部分は説明を割愛する。ライン転送トランジスタ24およびリセットトランジスタ25のゲート電極はそれぞれ図1のライン転送ゲート電極10およびリセットゲート電極12に対応する。画素アンプトランジスタ26は図1の画素アンプトランジスタ8と同じものであり、一つの列にある画素を選択する選択トランジスタ27を介して垂直信号線37の一端にある負荷トランジスタ38との組み合わせでソースフォロア回路を構成し、垂直信号線37の他端にあるカラム信号処理部39に信号は読み出される。ここで雑音抑圧やAD変換等の信号処理をした後、列選択部41により列選択トランジスタ40−1を介して出力部42に順次読み出される。
FIG. 2 shows a configuration example of the sensor chip. Here, the unit pixel cells 23-1, 2, 3, and 4 are arranged in a
行列2次元状に配列された画素を列ごとに駆動するライン転送トランジスタ24、リセットトランジスタ25および選択トランジスタ27をそれぞれ動作するライン転送制御線28−1、リセット制御線29−1および行選択制御線30−1は行選択部31に接続されている。
A line transfer control line 28-1, a reset control line 29-1, and a row selection control line for operating a
全画素を同時に駆動する半導体基板1およびグローバル転送ゲート電極6をそれぞれ動作する基板制御線33およびグローバル転送制御線34はグローバル制御部36に接続されている。透明電極17はここではDC動作するが、パルス動作することも考えられるので、透明電極制御線35もグローバル制御部36に接続する。センサチップ全体を制御するセンサ制御部43も搭載する。
The
全体の動作を図3のタイミングチャートで示す。透明電極制御線35には負のDC電圧が印加される。時刻t1で、基板制御線33に正のパルスを印加し、電荷積分拡散層5内部の電荷をすべて半導体基板1に排出する。ここが電子シャッタを開けるタイミングである。この時点ではまだ一つ前のフレームの信号を読み出しており、一部のグローバル電荷蓄積拡散層7にはまだ前のフレームの信号電荷が蓄積されている。t1以降は光電変換膜16で光電変換された信号電荷は上述したように電荷積分拡散層5に蓄積されていく。前フレームの信号がすべて読み終わってすべての画素のグローバル電荷蓄積拡散層7がカラになった後、時刻t2でグローバル転送制御線34にパルスを印加しすべての画素の電荷積分拡散層5の信号電荷をグローバル電荷蓄積拡散層7に転送する。ここが電子シャッタを閉じるタイミングである。t1とt2の間が感度のある電子シャッタ時間である。この電子シャッタ時間は全部の画素で同じであり、グローバルシャッタの動作をしている。上述したようにグローバル電荷蓄積拡散層7の暗電流を小さくするためにグローバル転送ゲート電極6に印加するパルスの低レベルは負電圧が望ましい。
The overall operation is shown in the timing chart of FIG. A negative DC voltage is applied to the transparent
ここから後の信号読み出し方法は従来のCMOSセンサの読み出し方法と同じである。簡単に説明すると、第1の行の行選択制御線30−1に選択パルスを印加し、第1行のみ読み出される状態にする。リセット制御線29−1にリセットパルスを印加し信号のない状態の雑音を読み出し、図2のカラム信号処理部39に蓄積する。ライン転送制御線28−1にライン転送パルスを印加し信号電荷を画素アンプトランジスタ26を通して信号をカラム信号処理部39に読み出し、すでに読み出している雑音との差分処理を行う。またAD変換を行うこともある。列選択トランジスタ40−1にパルスを印加し、単位画素セル23−1の信号を出力する。列選択トランジスタ40−2にパルスを印加し、単位画素セル23−2の信号を出力する。同様に第1列の信号も読み出す。
The subsequent signal readout method is the same as the conventional CMOS sensor readout method. Briefly, a selection pulse is applied to the row selection control line 30-1 of the first row so that only the first row is read out. A reset pulse is applied to the reset control line 29-1 to read out noise in the absence of a signal, and the noise is stored in the column
グローバル電荷蓄積拡散層7の信号を順次読み出しているときに、電子シャッタを開き次のフレームの信号蓄積を開始することができる。この動作は動画撮影に適している。もちろん静止画撮影にも応用できる。
When the signals of the global charge
(第2の実施形態)
図4に第2の実施形態を示す。第1の実施形態と異なるところはグローバル電荷蓄積部の構造である。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 4 shows a second embodiment. The difference from the first embodiment is the structure of the global charge storage unit. Hereinafter, description of the same points will be omitted, and different points will be mainly described.
図4の固体撮像装置では、グローバル電荷蓄積拡散層7の上部にp型の埋め込みダイオードバリア層44を設けて暗電流を抑圧している。そのためグローバル転送ゲート電極6はグローバル電荷蓄積拡散層7の上部には不要である。第1の実施形態ではグローバル転送ゲート電極6に印加するパルスの低レベルは負電圧が望ましかったが、第2の実施形態ではその必要はない。電荷積分拡散層5からグローバル電荷蓄積拡散層7への電荷転送を完全に行うためにはグローバル電荷蓄積拡散層7の電位が電荷積分拡散層5の電位よりも高い必要がある。
In the solid-state imaging device of FIG. 4, a dark current is suppressed by providing a p-type buried
図4の固体撮像装置は、画素電極15に接続されたコンタクト14と、半導体基板1に形成され、画素電極15からコンタクトを介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層5と、グローバルシャッタ時に、電荷積分拡散層5からグローバル電荷蓄積拡散層7に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極6とを備える。
The solid-state imaging device of FIG. 4 includes a
グローバル転送ゲート電極6は、電荷積分拡散層5とグローバル電荷蓄積拡散層7間の上方に形成される。グローバル電荷蓄積拡散層7の半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層7とは逆の導電型のダイオードバリア層44を備えている。
The global
また、固体撮像装置は、第1導電型(ここではN型)の電荷積分拡散層5の半導体基板表面側に形成された、第1導電型とは逆の第2導電型(ここではP型)の界面バリア層4と、界面バリア層4の表面に形成され、コンタクト電極14と接続される第1導電型の電荷収集拡散層3とを備える。
Further, the solid-state imaging device has a second conductivity type (here, P type) opposite to the first conductivity type, which is formed on the semiconductor substrate surface side of the charge
このような構成により、グローバル電荷蓄積拡散層の半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層を備えることによって、グローバル電荷蓄積拡散層の界面で発生する暗電流が抑圧され劇的に暗電流が低減することができる。これにより、暗電流によるローリングシャッタ的雑音を低減することができる。 With this configuration, a dark current generated at the interface of the global charge storage diffusion layer is provided on the semiconductor substrate surface side of the global charge storage diffusion layer by providing a diode barrier layer having a conductivity type opposite to that of the global charge storage diffusion layer. Is suppressed and the dark current can be dramatically reduced. Thereby, rolling shutter noise due to dark current can be reduced.
(第3の実施形態)
図5に第3の実施形態を示す。第2の実施形態の電荷収集拡散層3を界面バリア層4の外に出した構成である。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図5の固体撮像装置は、コンタクトに接続された第1導電型の電荷収集拡散層3と、電荷収集拡散層3から転送された信号電荷を蓄積する第1導電型の電荷積分拡散層5と、電荷収集拡散層3と電荷積分拡散層5との間の上方に形成されたバリア電極45と、電荷積分拡散層5の半導体基板表面側に、電荷積分拡散層5とは逆の導電型のダイオードバリア層4とを主に備える。
(Third embodiment)
FIG. 5 shows a third embodiment. In this configuration, the charge
これにより、隣接してバリア電極45を設け一定電圧を印加しその直下のP型ウェル2の上面界面にチャネルを作り電荷収集拡散層3に集められた電荷を電荷積分拡散層5に流れ込むようにする。第2に実施形態に比べ集積度は劣るが、界面バリア層4内部に電荷収集拡散層3を作る必要がなく製造工程は容易になる。
As a result, a
(第4の実施形態)
図6は第4の実施形態を示す。グローバル電荷蓄積拡散層7とその上部のグローバル転送ゲート電極からなるグローバル電荷蓄積部の構造は第1の実施形態と同じである。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 shows a fourth embodiment. The structure of the global charge storage portion including the global charge
図6の固体撮像装置は、コンタクトに接続された第1導電型の電荷収集拡散層3と、半導体基板の表面で電荷収集拡散層3に隣接する領域に形成され、信号電荷の転送経路となるチャネル拡散層46と、半導体基板の表面でチャネル拡散層46に隣接する領域に形成され、電荷収集拡散層3からチャネル拡散層46を介して転送された信号電荷を蓄積する第1導電型の電荷積分拡散層5と、電荷収集拡散層3の端部、チャネル拡散層46、および、電荷積分拡散層5の上方を覆うバリア電極45とを備える。
The solid-state imaging device of FIG. 6 is formed in a region adjacent to the charge
グローバル転送ゲート電極6は、電荷積分拡散層5の端部、およびグローバル電荷蓄積拡散層7の上方を覆っている。光電変換膜16の露光期間において、バリア電極45に負電圧が印加される。
The global
このように、界面バリア層4と同様に界面の暗電流を抑圧するために電荷積分拡散層5上部にバリア電極45を伸延し、電荷積分拡散層5上部の界面に正孔蓄積層ができるように一定の負電圧を印加する。負電圧を印加すると電荷収集拡散層3と電荷積分拡散層5の間のP型ウェル2の上面界面にチャネルができないので、チャネル形成用のチャネル拡散層46が必要となる。
In this manner, the
(第5の実施形態)
上述の実施形態では透明電極17に一定電圧を印加した例を示してきたが、以下では、透明電極17をパルス駆動することによってグローバルシャッタを実現する。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。
(Fifth embodiment)
In the above-described embodiment, an example in which a constant voltage is applied to the
図7は図1に示すX−Y方向の電位図を示す。負電圧が印加された透明電極17により光検出状態になった光電変換膜16に外部より入射した光は電子と正孔を発生する。正孔は透明電極に吸収される。電子は信号電荷として画素電極15、コンタクト電極を通り電荷収集拡散層3に集められる。電荷収集拡散層3は負電圧にバイアスされるので界面バリア層4との間が順バイアスとなり界面バリア層4を乗り越え電荷積分拡散層5に到達しここで蓄積される。
FIG. 7 shows a potential diagram in the XY direction shown in FIG. The light incident from the outside on the
透明電極17に正電圧を印加すると、電子が透明電極17側に流れる。正孔は電荷収集拡散層3側に流れるが界面バリア層との間が逆バイアスとなるため、電荷積分拡散層側には何も影響を及ぼさない。こうすることにより電子シャッタを閉じる効果があることがわかる。この状態で強い光が入射しても電荷積分拡散層には電荷は流れないのでオーバーフロードレインの効果も有していることがわかる。以上の説明により、透明電極17をパルス駆動することにより、電子シャッタを閉じる機能のために必要であったグローバル電荷蓄積拡散層7が不要となる。また、オーバーフロードレインの構造も不要となる。
When a positive voltage is applied to the
図8は第5の実施形態で、図6の第4の実施形態から、グローバル電荷蓄積拡散層7とグローバル転送ゲート電極6を省いたものである。あるいは、別の見方をすれば、グローバル電荷蓄積拡散層7および電荷積分拡散層5は一体の領域として形成され、グローバル転送ゲート電極6およびバリア電極45は一体の電極として形成されたものである。
FIG. 8 shows a fifth embodiment in which the global charge
またオーバーフロードレインの構造も不要なので、半導体基板47はP型基板でP型ウェル2は不要である。またオーバーフロー経路19も不要である。構造が非常に簡単になる。電荷積分拡散層5はグローバル電荷蓄積拡散層7と同様に高い遮光性が必要である。また暗電流も低く抑圧する必要がある。
Also, since the overflow drain structure is unnecessary, the
図9にセンサ構成を示す。図2でグローバル転送ゲート電極6に結線していたグローバル転送制御線34はバリア電極45に結線するが、一定電圧を印加するのでグローバル制御部36から制御する必要はない。基板制御線33も同様である。一方、後述するがライン転送トランジスタ24およびリセットトランジスタ25のゲート電極は全画素を同時に転送、リセットする必要があるので、ライン転送制御線28−1,28−2およびリセット制御線29−1,29−2はグローバル制御部36にも接続している。行選択部31に一部グローバル制御部36と同じ機能をもたせてもよい。
FIG. 9 shows the sensor configuration. Although the global
図10にタイミングチャートを示す。バリア電極45に結線しているグローバル転送制御線34には一定電圧を印加する。光感度のないハイレベル電圧を印加していた透明電極制御線35を光感度のあるローレベルを印加する。次に全部の列のリセット制御線29−1,29−2および全部の列のライン転送制御線28−1,28−2にパルスを印加し電荷積分拡散層5内部の電荷をすべて排出しカラの状態にし、時刻t3に再びローレベルにする。このタイミングが電子シャッタを開いた時刻である。次に時刻t4に透明電極制御線35を光感度のないハイレベルにする。このタイミングが電子シャッタを閉じたタイミングである。t3とt4の間のみ光感度がある。しかる後、電荷積分拡散層5内部に蓄積された信号電荷を順次読み出している。これ以降は図3の説明と同じであるので割愛する。
FIG. 10 shows a timing chart. A constant voltage is applied to the global
この動作が、図3の動作と大きく異なる点は、入射光を受け信号電荷を蓄積している間は信号の読み出しが行われないことである。この動画は静止画撮影には問題ないが、動画撮影では若干不利である。信号の読み期間の入射光の感度がないためである。信号蓄積、信号読み出しと繰り返せば動画も撮影可能ではある。しかし、グローバル電荷蓄積拡散層があるタイプのものに比べ構造、動作とも非常に簡単で低消費電力でコストダウンができる利点がある。 This operation differs greatly from the operation of FIG. 3 in that no signal is read while receiving incident light and accumulating signal charges. Although this moving image has no problem for still image shooting, it is slightly disadvantageous for moving image shooting. This is because there is no sensitivity of incident light during the signal reading period. Moving images can be taken by repeating signal accumulation and signal readout. However, compared to a type having a global charge storage diffusion layer, the structure and operation are very simple, and there is an advantage that the cost can be reduced with low power consumption.
(第6の実施形態)
第6の実施形態を図11に示す。図1および図4から電荷積分拡散層5と界面バリア層4とオーバーフロードレイン機能を省いたものである。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図11の固体撮像装置は、画素電極15に接続されたコンタクト14と、グローバル電荷蓄積拡散層7の半導体基板表面側に形成された、第1導電型とは逆の第2導電型の界面バリア層4と、界面バリア層4の表面に形成され、コンタクト電極14と接続される第1導電型の電荷収集拡散層3とを備える。この構成によっても、図10のように透明電極17をパルス駆動することによってグローバルシャッタを実現することができる。
(Sixth embodiment)
A sixth embodiment is shown in FIG. The charge
(第7の実施形態)
第7の実施形態を図12に示す。図5から電荷積分拡散層5とオーバーフロードレイン機能を省いたものである。以下、同じ点は説明を省略し、異なる点を中心に説明する。図11の固体撮像装置は、画素電極15に接続されたコンタクト14と、コンタクトに接続された第1導電型の電荷収集拡散層3と、電荷収集拡散層3とグローバル電荷蓄積拡散層7との間の上方に形成されたバリア電極45と、グローバル電荷蓄積拡散層7の半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層7とは逆の導電型のダイオードバリア層4とを備える。この構成によっても、図10のように透明電極17をパルス駆動することによってグローバルシャッタを実現することができる。
(Seventh embodiment)
A seventh embodiment is shown in FIG. The charge
図13に本発明の固体撮像装置を用いた撮像装置(カメラ)の構成例を示す。同図の撮像装置100は、レンズ101、シャッタ102、固体撮像装置103、DSP(Digital Signal Processor)104、表示素子105、メモリ106、制御部107、電源部108を備える。シャッタ102は、備えていなくてもよい。固体撮像装置103は、第1〜第7の実施形態の何れかで説明したものである。レンズ101を通して入射した光は固体撮像装置103で電気信号に変換されDSP104で画像処理されメモリに蓄積される。従来は制御部107からメカニカルなシャッタ102にシャッタの制御信号が出されていたが、本実施形態では電子シャッタ機能を持つ固体撮像装置103にシャッタ制御信号を与える。ほかに表示部105、電源部108を含んでカメラを構成する。
FIG. 13 shows a configuration example of an imaging apparatus (camera) using the solid-state imaging apparatus of the present invention. The
以上説明したように、本発明は、固体撮像装置およびカメラに適しており、例えば、MOS固体撮像装置、ディジタルスチルカメラ、ムービーカメラ、カメラ付き携帯電話機、監視カメラ等に適用できる。 As described above, the present invention is suitable for a solid-state imaging device and a camera, and can be applied to, for example, a MOS solid-state imaging device, a digital still camera, a movie camera, a mobile phone with a camera, a surveillance camera, and the like.
1 半導体基板
2 P型ウェル
3 電荷収集拡散層
4 界面バリア層
5 電荷積分拡散層
6 グローバル転送ゲート電極
7 グローバル電荷蓄積拡散層
8 画素アンプトランジスタ
9 浮遊拡散層
10 ライン転送ゲート電極
11 電源拡散層
12 リセットゲート電極
13 バッファ絶縁膜
14 コンタクト電極
15 画素電極
16 光電変換膜
17 透明電極
18 STI
19 オーバーフロー経路
20 隣接する画素の画素電極
21 画素間光シールド電極
22 金属配線
23-1,2,3,4 単位画素セル
24 ライン転送トランジスタ
25 リセットトランジスタ
26 画素アンプトランジスタ
27 選択トランジスタ
28-1,2 ライン転送制御線
29-1,2 リセット制御線
30-1,2 行選択制御線
31 行選択部
33 基板制御線
34 グローバル転送制御線
35 透明電極制御線
36 グローバル制御部
37 垂直信号線
38 負荷トランジスタ
39 カラム信号処理部
40-1,2 列選択トランジスタ
41 列選択部
42 出力部
43 センサ制御部
44 埋め込みダイオードバリア層
45 バリア電極
46 チャネル拡散層
47 半導体基板
DESCRIPTION OF
19
Claims (14)
前記複数の単位画素セルのそれぞれは、
半導体基板の上方に形成され、入射光を信号電荷に変換する光電変換膜と、
前記光電変換膜の前記半導体基板側の面に形成された画素電極と、
前記半導体基板上に形成され、グローバルシャッタによって前記光電変換膜から転送された信号電荷を蓄積するグローバル電荷蓄積拡散層と
を備え、
前記グローバルシャッタは前記複数の単位セルにおいて同時に光電変換膜から信号電荷を転送することであり、
前記画素電極は、遮光性を有する金属で形成される
固体撮像装置。 A solid-state imaging device having a plurality of unit pixel cells arranged two-dimensionally and having a global shutter function,
Each of the plurality of unit pixel cells is
A photoelectric conversion film that is formed above the semiconductor substrate and converts incident light into signal charges;
A pixel electrode formed on a surface of the photoelectric conversion film on the semiconductor substrate side;
A global charge storage diffusion layer that is formed on the semiconductor substrate and stores signal charges transferred from the photoelectric conversion film by a global shutter;
The global shutter is to simultaneously transfer signal charges from the photoelectric conversion film in the plurality of unit cells,
The pixel electrode is a solid-state imaging device formed of a light-shielding metal.
隣接する画素電極の間隙の下方に当該間隙よりも大きい幅をもつ遮光性の金属層を備える
請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device further includes:
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a light-shielding metal layer having a width larger than the gap below a gap between adjacent pixel electrodes.
前記画素電極は、前記グローバル電荷蓄積拡散層の上方を覆う
請求項1または2に記載の固体撮像装置。 The area of the pixel electrode is larger than the global charge storage diffusion layer,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pixel electrode covers an upper portion of the global charge storage diffusion layer.
前記画素電極に接続されたコンタクトと、
前記半導体基板に形成され、前記画素電極から前記コンタクトを介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層と、
前記電荷積分拡散層からグローバル電荷蓄積拡散層に、グローバルシャッタ時に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極と
を備え、
前記グローバル転送ゲート電極は、グローバル電荷蓄積拡散層の領域を覆い、
前記グローバル電荷蓄積拡散層の信号電荷が維持される信号蓄積期間では、グローバル転送ゲート電極6に負電圧が印加される
請求項1〜3の何れか1項に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device further includes:
A contact connected to the pixel electrode;
A charge integration diffusion layer that is formed in the semiconductor substrate and accumulates signal charges transferred from the pixel electrode via the contact;
A global transfer gate electrode for transferring a signal charge at the time of global shutter from the charge integration diffusion layer to the global charge storage diffusion layer;
The global transfer gate electrode covers a region of the global charge storage diffusion layer,
4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a negative voltage is applied to the global transfer gate electrode 6 in a signal accumulation period in which the signal charge of the global charge accumulation diffusion layer is maintained.
請求項4に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the global transfer gate electrode includes a polysilicon layer and a metal layer formed on the polysilicon layer.
前記画素電極に接続されたコンタクトと、
前記半導体基板に形成され、前記画素電極から前記コンタクトを介して転送される信号電荷を蓄積する電荷積分拡散層と、
グローバルシャッタ時に、前記電荷積分拡散層からグローバル電荷蓄積拡散層に信号電荷を転送するためのグローバル転送ゲート電極と
を備え、
前記グローバル転送ゲート電極は、電荷積分拡散層とグローバル電荷蓄積拡散層間の上方に形成され、
前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に、グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層を備える
請求項1〜3の何れか1項に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device further includes:
A contact connected to the pixel electrode;
A charge integration diffusion layer that is formed in the semiconductor substrate and accumulates signal charges transferred from the pixel electrode via the contact;
A global transfer gate electrode for transferring a signal charge from the charge integration diffusion layer to the global charge storage diffusion layer at the time of a global shutter;
The global transfer gate electrode is formed above the charge integration diffusion layer and the global charge storage diffusion layer,
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a diode barrier layer having a conductivity type opposite to that of the global charge storage diffusion layer on the semiconductor substrate surface side of the global charge storage diffusion layer.
前記固体撮像装置は、さらに、
前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第1導電型とは逆の第2導電型の界面バリア層と、
前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極14と接続される第1導電型の電荷収集拡散層と
を備える請求項4に記載の固体撮像装置。 The charge integration diffusion layer is of a first conductivity type;
The solid-state imaging device further includes:
An interface barrier layer of a second conductivity type opposite to the first conductivity type formed on the semiconductor substrate surface side of the charge integration diffusion layer;
The solid-state imaging device according to claim 4, further comprising: a first-conductivity-type charge collection / diffusion layer formed on a surface of the interface barrier layer and connected to the contact electrode 14.
前記コンタクトに接続された第1導電型の電荷収集拡散層と、
前記半導体基板の表面で前記電荷収集拡散層に隣接する領域に形成され、信号電荷の転送経路となるチャネル拡散層と、
前記半導体基板の表面で前記チャネル拡散層に隣接する領域に形成され、前記電荷収集拡散層からチャネル拡散層を介して転送された信号電荷を蓄積する第1導電型の電荷積分拡散層と、
前記電荷収集拡散層の端部、前記チャネル拡散層、および、前記電荷積分拡散層の上方を覆うバリア電極と
を備え、
前記グローバル転送ゲート電極は、電荷積分拡散層の端部、および前記グローバル電荷蓄積拡散層の上方を覆い、
前記光電変換膜の露光期間において、前記バリア電極に負電圧が印加される
請求項4に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device further includes:
A charge collection diffusion layer of a first conductivity type connected to the contact;
A channel diffusion layer formed in a region adjacent to the charge collection diffusion layer on the surface of the semiconductor substrate and serving as a signal charge transfer path;
A charge integration diffusion layer of a first conductivity type that is formed in a region adjacent to the channel diffusion layer on the surface of the semiconductor substrate and accumulates signal charges transferred from the charge collection diffusion layer through the channel diffusion layer;
An end portion of the charge collection diffusion layer, the channel diffusion layer, and a barrier electrode covering the charge integration diffusion layer; and
The global transfer gate electrode covers an end of the charge integration diffusion layer and the global charge storage diffusion layer,
The solid-state imaging device according to claim 4, wherein a negative voltage is applied to the barrier electrode during an exposure period of the photoelectric conversion film.
前記グローバル転送ゲート電極および前記バリア電極は一体の電極として形成される
請求項8に記載の固体撮像装置。 The global charge storage diffusion layer and the charge integration diffusion layer are formed as an integral region,
The solid-state imaging device according to claim 8, wherein the global transfer gate electrode and the barrier electrode are formed as an integrated electrode.
前記固体撮像装置は、さらに、
前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第1導電型とは逆の第2導電型の界面バリア層と、
前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極14と接続される第1導電型の電荷収集拡散層と
を備える請求項6に記載の固体撮像装置。 The charge integration diffusion layer is of a first conductivity type;
The solid-state imaging device further includes:
An interface barrier layer of a second conductivity type opposite to the first conductivity type formed on the semiconductor substrate surface side of the charge integration diffusion layer;
The solid-state imaging device according to claim 6, further comprising: a first-conductivity-type charge collection diffusion layer formed on a surface of the interface barrier layer and connected to the contact electrode 14.
前記コンタクトに接続された第1導電型の電荷収集拡散層と、
前記電荷収集拡散層から転送された信号電荷を蓄積する第1導電型の電荷積分拡散層と、
前記電荷収集拡散層と前記電荷積分拡散層との間の上方に形成されたバリア電極と、
前記電荷積分拡散層の前記半導体基板表面側に、前記電荷積分拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層と
を備える請求項6に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device further includes:
A charge collection diffusion layer of a first conductivity type connected to the contact;
A charge integration diffusion layer of a first conductivity type for accumulating signal charges transferred from the charge collection diffusion layer;
A barrier electrode formed between the charge collection diffusion layer and the charge integration diffusion layer;
The solid-state imaging device according to claim 6, further comprising a diode barrier layer having a conductivity type opposite to the charge integration diffusion layer on the semiconductor substrate surface side of the charge integration diffusion layer.
前記固体撮像装置は、さらに、
前記画素電極に接続されたコンタクトと、
前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に形成された、前記第1導電型とは逆の第2導電型の界面バリア層と、
前記界面バリア層の表面に形成され、前記コンタクト電極14と接続される第1導電型の電荷収集拡散層と
を備える請求項1に記載の固体撮像装置。 The global charge storage diffusion layer is of a first conductivity type,
The solid-state imaging device further includes:
A contact connected to the pixel electrode;
An interface barrier layer of a second conductivity type opposite to the first conductivity type formed on the semiconductor substrate surface side of the global charge storage diffusion layer;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a first-conductivity-type charge collection / diffusion layer formed on a surface of the interface barrier layer and connected to the contact electrode 14.
前記画素電極に接続されたコンタクトと、
前記コンタクトに接続された第1導電型の電荷収集拡散層と、
前記電荷収集拡散層と前記グローバル電荷蓄積拡散層との間の上方に形成されたバリア電極と、
前記グローバル電荷蓄積拡散層の前記半導体基板表面側に、前記グローバル電荷蓄積拡散層とは逆の導電型のダイオードバリア層と
を備える請求項1に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device further includes:
A contact connected to the pixel electrode;
A charge collection diffusion layer of a first conductivity type connected to the contact;
A barrier electrode formed between the charge collection diffusion layer and the global charge storage diffusion layer;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a diode barrier layer having a conductivity type opposite to the global charge storage diffusion layer on the semiconductor substrate surface side of the global charge storage diffusion layer.
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