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JP6018396B2 - Backside-illuminated image sensor, driving device and imager including the same, and backside-illuminated image sensor driving method - Google Patents

Backside-illuminated image sensor, driving device and imager including the same, and backside-illuminated image sensor driving method Download PDF

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JP6018396B2 JP2012085346A JP2012085346A JP6018396B2 JP 6018396 B2 JP6018396 B2 JP 6018396B2 JP 2012085346 A JP2012085346 A JP 2012085346A JP 2012085346 A JP2012085346 A JP 2012085346A JP 6018396 B2 JP6018396 B2 JP 6018396B2
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Description

本発明は、例えば、高速度撮影に使用される裏面照射型撮像素子、それを備えた駆動装置及び撮像装置並びに裏面照射型撮像素子の駆動方法に関する。   The present invention relates to, for example, a back-illuminated image sensor used for high-speed imaging, a driving apparatus and an imaging apparatus including the back-illuminated image sensor, and a driving method of the back-illuminated image sensor.

高速度撮影に使用される高速撮像素子には、画素周辺記録型が適していることが一般に知られている。最高撮影速度が100万枚/秒の超高速度撮影が可能な斜行直線状のCCDメモリを持つ画素周辺記録型撮像素子が既に発明されている(特許文献1)。また、分割駆動と画素配線抵抗の低減を行った、最高撮影速度が200万枚/秒の画素周辺記録型撮像素子が既に発明されている(特許文献2)。   It is generally known that a pixel peripheral recording type is suitable for a high-speed imaging device used for high-speed imaging. A pixel peripheral recording type image pickup device having an oblique linear CCD memory capable of super high-speed shooting at a maximum shooting speed of 1 million images / second has already been invented (Patent Document 1). In addition, a pixel peripheral recording type image pickup device having a maximum shooting speed of 2 million frames / second and having divided driving and pixel wiring resistance reduction has already been invented (Patent Document 2).

高速度撮影では1フレームあたりの蓄積時間が短くなるので、高速撮影素子は同時に高感度であることも必要である。特許文献1及び2には表面照射型の画素周辺記録型撮像素子について記載されており、表面照射型では表面側にCCDメモリを配置する必要があり、この占有面積が大きいため、光電変換部の占有面積比は1画素の面積(50.4μm□)の約16%であった。また、表面照射型の画素周辺記録型撮像素子では、発生した信号電荷を200万枚/秒で読み出すため、面積が約50μm×10μmの光電変換部から信号電荷を高速に集め排出する必要がある。したがって、表面照射型の画素周辺記録型撮像素子では、光電変換部にはフォトダイオードではなく、フォトゲートを使用する必要がある。   Since the accumulation time per frame is shortened in high-speed shooting, the high-speed shooting element needs to have high sensitivity at the same time. Patent Documents 1 and 2 describe a front-illuminated pixel peripheral recording type imaging device. In the front-illuminated type, it is necessary to dispose a CCD memory on the surface side, and since this occupied area is large, The occupied area ratio was about 16% of the area of one pixel (50.4 μm □). Further, in the surface irradiation type pixel peripheral recording type image pickup device, since the generated signal charges are read out at 2 million sheets / second, it is necessary to collect and discharge the signal charges at high speed from the photoelectric conversion unit having an area of about 50 μm × 10 μm. . Therefore, in the surface irradiation type pixel peripheral recording type imaging device, it is necessary to use a photogate instead of a photodiode in the photoelectric conversion unit.

以下、従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子の構成について、図11〜図14を用いて具体的に説明する。   Hereinafter, the configuration of a conventional surface irradiation type pixel peripheral recording type imaging device will be described in detail with reference to FIGS.

図11は、従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子100の平面模式図である。光電変換部であるフォトゲート101は、画素毎の斜行直線状のCCDメモリ102に接続している。CCDメモリ102は、合流部103を経て1列共通の読み出し用のVCCD(垂直転送CCD)104に接続している。VCCD104は、全列共通のHCCD(水平転送CCD)105に接続している。VCCD104の出力側にはアンプ106が接続されている。   FIG. 11 is a schematic plan view of a conventional surface irradiation type pixel peripheral recording type image pickup device 100. A photogate 101 serving as a photoelectric conversion unit is connected to a CCD memory 102 having a slanted linear shape for each pixel. The CCD memory 102 is connected to a readout VCCD (vertical transfer CCD) 104 common to one column via a junction 103. The VCCD 104 is connected to an HCCD (horizontal transfer CCD) 105 common to all columns. An amplifier 106 is connected to the output side of the VCCD 104.

図12は、表面照射型の画素周辺記録型撮像素子100のフォトゲート電極からCCDメモリ電極に沿った断面模式図である。フォトゲート電極はG1とG2の2枚から構成される。CCDメモリ電極はM1からM4までの4相により構成される。   FIG. 12 is a schematic cross-sectional view along the CCD memory electrode from the photogate electrode of the front-illuminated pixel peripheral recording image sensor 100. The photogate electrode is composed of two sheets G1 and G2. The CCD memory electrode is composed of four phases M1 to M4.

図13は、表面照射型の画素周辺記録型撮像素子100のフォトゲート電極G1とG2及びCCDメモリ電極のうちM1とM2の駆動波形模式図である。図示のように、駆動電圧φG1、φG2、φM1、φM2は、ハイレベル(H)期間及びローレベル(L)期間を有するクロックである。   FIG. 13 is a drive waveform schematic diagram of the photogate electrodes G1 and G2 and the CCD memory electrode of the front-illuminated pixel peripheral recording type image pickup device 100 and M1 and M2. As illustrated, the drive voltages φG1, φG2, φM1, and φM2 are clocks having a high level (H) period and a low level (L) period.

駆動電圧φG1及びφG2は標準でハイレベル期間が1周期の1/2、ローレベル期間が1周期の1/2になっている。ハイレベル期間に露光してフォトゲート101で発生した信号電荷は、そのままフォトゲート101に蓄積する。フォトゲート101からCCDメモリ102に転送するときは、駆動電圧φG1及びφG2をハイレベルからローレベルにすることで、フォトゲート101内の信号電荷を高速に排出することができる。駆動電圧φG1及びφG2がローレベルの期間は、フォトゲート101で発生した信号電荷は基板に捨てられる。   The drive voltages φG1 and φG2 are typically ½ of one cycle in the high level period and ½ of one cycle in the low level period. The signal charge generated in the photogate 101 by exposure in the high level period is accumulated in the photogate 101 as it is. When transferring from the photogate 101 to the CCD memory 102, the signal charges in the photogate 101 can be discharged at high speed by changing the drive voltages φG1 and φG2 from the high level to the low level. During the period when the drive voltages φG1 and φG2 are at the low level, the signal charge generated in the photogate 101 is discarded to the substrate.

図14は、表面照射型の画素周辺記録型撮像素子100の断面電位模式図である。この図14は、図12におけるA1−A2断面の、図13における期間T1から期間T4までの駆動電圧φG1、φG2、φM1、φM2を印加した場合の断面電位模式図である。期間T1においてフォトゲート電極G1で発生した信号電荷はフォトゲート電極G2に集まる。期間T2においてフォトゲート電極G1で発生した信号電荷はフォトゲート電極G2を経てCCDメモリ電極M1に集まる。期間T3と期間T4においてフォトゲート電極G1及びG2はオフであり、発生した信号電荷は基板に捨てられ、CCDメモリ電極M1からM2に信号電荷が転送される。   FIG. 14 is a schematic cross-sectional potential diagram of the front side pixel peripheral recording type image pickup device 100. FIG. 14 is a schematic cross-sectional potential diagram of the A1-A2 cross section in FIG. 12 when the drive voltages φG1, φG2, φM1, and φM2 from the period T1 to the period T4 in FIG. 13 are applied. Signal charges generated in the photogate electrode G1 in the period T1 are collected in the photogate electrode G2. Signal charges generated in the photogate electrode G1 in the period T2 are collected in the CCD memory electrode M1 through the photogate electrode G2. In the period T3 and the period T4, the photogate electrodes G1 and G2 are off, the generated signal charge is discarded to the substrate, and the signal charge is transferred from the CCD memory electrode M1 to M2.

従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子100は、図13におけるハイレベル期間(期間T1及びT2)で発生した信号電荷だけが使用できるので、フォトゲートの時間開口率は標準で50%である。ここで、時間開口率とは、フォトゲートが露光される期間に対し、CCDメモリに転送することができる電荷をフォトゲートが発生する期間の割合をいう。   Since the conventional surface irradiation type pixel peripheral recording type imaging device 100 can use only the signal charges generated in the high level period (periods T1 and T2) in FIG. 13, the time aperture ratio of the photogate is 50% as a standard. is there. Here, the time aperture ratio is a ratio of a period during which the photogate generates charges that can be transferred to the CCD memory with respect to a period during which the photogate is exposed.

ところで、フォトゲートをオフにする動作において駆動波形がなまる現象が知られており、この現象を考慮してオンとオフの期間を設定すると、60枚/秒以上50万枚/秒未満においては、前述のように、時間開口率は50%(オン期間1/2、オフ期間1/2)であるが、50万枚/秒以上200万枚/秒以下ではオン期間1/4、オフ期間3/4にする必要がある(特許文献3)。   By the way, there is a known phenomenon that the drive waveform is distorted in the operation of turning off the photogate. If the on and off periods are set in consideration of this phenomenon, the operation is performed at 60 to less than 500,000 images / second. As described above, the time aperture ratio is 50% (on period ½, off period ½), but the on period ¼, off period at 500,000 sheets / second or more and 2,000,000 sheets / second or less. It is necessary to make it 3/4 (Patent Document 3).

フォトゲートのオフ期間に入射した光により発生した信号電荷は基板へと捨てられるため、オフ期間に発生した信号電荷は利用できない。具体的には、従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子では、撮影速度50万枚/秒以上で、空間開口率16%、時間開口率25%の場合、時空間開口率は4%であった。このため、従来の表面照射型のものは、200万枚/秒の超高速度撮影では、フォトゲートの面積を大きく設計していたにもかかわらず、感度が足りなくなるという課題があった。ここで、空間開口率とは、単位画素面積に対するフォトゲートの開口面積の割合をいう。時空間開口率とは、空間開口率と時間開口率との積をいう。   Since the signal charge generated by the light incident during the off period of the photogate is discarded to the substrate, the signal charge generated during the off period cannot be used. Specifically, in a conventional front-illuminated pixel peripheral recording type imaging device, when the imaging speed is 500,000 or more, the spatial aperture ratio is 16%, and the temporal aperture ratio is 25%, the spatiotemporal aperture ratio is 4%. Met. For this reason, the conventional surface irradiation type has a problem that the sensitivity becomes insufficient in the super-high-speed shooting at 2 million images / second even though the area of the photogate is designed to be large. Here, the spatial aperture ratio refers to the ratio of the photogate aperture area to the unit pixel area. The spatiotemporal aperture ratio refers to the product of the spatial aperture ratio and the temporal aperture ratio.

固体撮像素子の感度を高める手法として、一般的に裏面照射型撮像素子が知られている(特許文献4)。この裏面照射型撮像素子では、各画素の光電変換部が素子の裏面側に設けられ、AD変換器や信号蓄積部などが素子の表面側に設けられる。裏面照射型では光電変換部の空間開口率を100%まで高めることができる。   As a technique for increasing the sensitivity of a solid-state image sensor, a back-illuminated image sensor is generally known (Patent Document 4). In this backside illumination type image pickup device, a photoelectric conversion unit of each pixel is provided on the back side of the device, and an AD converter, a signal storage unit, and the like are provided on the front side of the device. In the back irradiation type, the spatial aperture ratio of the photoelectric conversion part can be increased to 100%.

超高速度撮影が可能な画素周辺記録型撮像素子の感度を高めるため、画素周辺記録型撮像素子を裏面照射型にする素子構造が研究されている。これまでに、周辺回路に信号電荷が混入することを防止する構造(特許文献5)、電荷収集層中の信号電荷の移動速度を向上する構造(特許文献6)、信号電荷を迅速かつ効率的に取り出すことができる構造の不純物濃度分布(特許文献7)などが発明されている。   In order to increase the sensitivity of a pixel peripheral recording type imaging device capable of performing ultra-high speed imaging, an element structure in which the pixel peripheral recording type imaging device is a back-illuminated type has been studied. So far, a structure for preventing signal charges from being mixed into peripheral circuits (Patent Document 5), a structure for improving the movement speed of signal charges in the charge collection layer (Patent Document 6), and rapid and efficient signal charges An impurity concentration distribution (Patent Document 7) having a structure that can be taken out is invented.

特開2001−345441号公報JP 2001-345441 A 特開2011−239278号公報JP 2011-239278 A 特開2011−250477号公報JP 2011-250477 A 特開平9−331052号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-331052 特開2004−235621号公報JP 2004-235621 A 特開2006−121058号公報JP 2006-121058 A 特開2010−283232号公報JP 2010-283232 A

しかしながら、従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子では、フォトゲートを使用しているため、図13及び図14を用いて説明したように時間開口率が標準で50%であり、感度が不十分であった。また、裏面照射型の画素周辺記録型撮像素子に関する特許文献5、6、7に記載のものは、空間開口率については考慮されているが、時間開口率については考慮されておらず、さらなる感度向上が望まれていた。   However, since the conventional surface-illuminated pixel peripheral recording type imaging device uses a photogate, the time aperture ratio is 50% as a standard as described with reference to FIGS. 13 and 14, and the sensitivity is high. It was insufficient. In addition, the devices described in Patent Documents 5, 6, and 7 relating to the backside-illuminated pixel peripheral recording type imaging element take into account the spatial aperture ratio but do not consider the temporal aperture ratio, and further sensitivity. Improvement was desired.

本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたものであり、従来のものよりも感度を向上させることができる裏面照射型撮像素子、それを備えた駆動装置及び撮像装置並びに裏面照射型撮像素子の駆動方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and a back-illuminated imaging element capable of improving sensitivity as compared with the conventional one, a drive device and an imaging apparatus including the same, and a back-illuminated imaging. It is an object to provide a method for driving an element.

本発明の裏面照射型撮像素子は、半導体基板の1つの面側に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素部を有し、前記半導体基板の他の面側から被写体光を入射する裏面照射型撮像素子であって、第1の直流電圧が印加され、前記他の面側に設けられた裏面電極と、前記第1の直流電圧よりも高い第2の直流電圧が印加され、前記被写体光を光電変換して生成した信号電荷を収集する信号電荷収集部と、第1のクロックが印加され、前記信号電荷収集部が収集した前記信号電荷を順次出力する信号電荷出力部と、互いに位相が異なる第及び第3のクロックがそれぞれ印加され、前記信号電荷出力部が出力する信号電荷を順次蓄積して出力側に転送する第1及び第2の信号電荷蓄積転送部と、を備え、前記第1、前記第2及び前記第3のクロックは、それぞれ、ハイレベル及びローレベルの電圧を有し、前記第1のクロックの前記ハイレベルは、前記第2のクロックの前記ハイレベルよりも低く前記第2の直流電圧よりも高い電圧であり、順次連続する第1期間、第2期間、第3期間及び第4期間を含む露光期間において、前記第1期間から第4期間までは前記第1及び前記第2の直流電圧が印加され、前記第1期間では、前記第1のクロックの前記ハイレベル、前記第2及び前記第3のクロックの前記ローレベルの電圧が印加され、前記第2期間では、前記第1及び前記第2のクロックの前記ハイレベル、前記第3のクロックの前記ローレベルの電圧が印加され、前記第3期間では、前記第1のクロックの前記ローレベル、前記第2及び前記第3のクロックの前記ハイレベルの電圧が印加され、前記第4期間では、前記第1及び前記第2のクロックの前記ローレベル、前記第3のクロックの前記ハイレベルの電圧が印加される構成を有している。 The backside illumination type imaging device of the present invention has a plurality of pixel portions arranged in a two-dimensional array on one surface side of a semiconductor substrate, and a back surface on which subject light is incident from the other surface side of the semiconductor substrate An irradiation type imaging device, wherein a first DC voltage is applied, a back electrode provided on the other surface side, and a second DC voltage higher than the first DC voltage are applied, and the subject a signal charge collection unit for collecting the generated signal charges of light photoelectrically converting the first clock is applied, and the signal charges output unit for outputting pre said signal charges relaxin No. charge collection unit collects sequentially, applied second and third clock phase that Do different from each other, respectively, and first and second signal charge storage transfer unit for transferring the signal charges by the signal charge output section outputs sequentially stored to the output side, wherein the first, the second and the third click Each has a high level voltage and a low level voltage, and the high level of the first clock is lower than the high level of the second clock and higher than the second DC voltage. In the exposure period including the first period, the second period, the third period, and the fourth period that are sequentially consecutive, the first and second DC voltages are applied from the first period to the fourth period. In the first period, the high level voltage of the first clock and the low level voltage of the second and third clocks are applied. In the second period, the first and second voltages are applied. The high level of the clock and the low level voltage of the third clock are applied, and the low level of the first clock, the high level of the second and third clocks are applied in the third period. of Pressure is applied, in the fourth period, and has a configuration in which said first and said second of said low level of the clock, the voltage of the high level of the third clock is applied.

この構成により、本発明の裏面照射型撮像素子は、第1の直流電圧が裏面電極に印加され、第1の直流電圧よりも高い第2の直流電圧が信号電荷収集部に印加され、第1のクロックが信号電荷出力部に印加されることにより100%の時間開口率が得られ、全期間において発生した信号電荷が利用できることとなる。したがって、本発明の裏面照射型撮像素子は、従来のものよりも感度を向上させることができる。   With this configuration, in the backside illumination type imaging device of the present invention, the first DC voltage is applied to the back electrode, the second DC voltage higher than the first DC voltage is applied to the signal charge collecting unit, Is applied to the signal charge output section, a 100% time aperture ratio is obtained, and the signal charge generated over the entire period can be used. Therefore, the backside illumination type imaging device of the present invention can improve the sensitivity as compared with the conventional one.

本発明の駆動装置は、裏面照射型撮像素子を駆動する駆動装置であって、前記第1の直流電圧を前記裏面電極に印加する第1の直流電圧印加手段と、前記第2の直流電圧を前記信号電荷収集部に印加する第2の直流電圧印加手段と、前記第1のクロックを前記信号電荷出力部に印加する第1のクロック印加手段と、前記第及び前記第3のクロックをそれぞれ前記第1及び前記第2の信号電荷蓄積転送部に印加する第2のクロック印加手段と、を備えた構成を有している。 The drive device of the present invention is a drive device for driving a back-illuminated imaging device, wherein the first DC voltage applying means for applying the first DC voltage to the back electrode, and the second DC voltage are applied. a second DC voltage applying means for applying to the signal charge collecting unit, a first clock means for applying said first clock to the signal charge output portion, a front Stories second and third clock And a second clock applying means for applying to the first and second signal charge storage / transfer sections.

この構成により、本発明の駆動装置は、裏面照射型撮像素子の時間開口率を100%とすることができ、全期間において発生した信号電荷が利用可能となる。したがって、本発明の駆動装置は、従来のものよりも感度を向上させることができる。   With this configuration, the drive device according to the present invention can set the time aperture ratio of the back-illuminated image sensor to 100%, and the signal charges generated over the entire period can be used. Therefore, the drive device of the present invention can improve the sensitivity as compared with the conventional one.

本発明の撮像装置は、裏面照射型撮像素子と、駆動装置と、前記裏面照射型撮像素子の複数の画素部からの信号を処理して映像信号を出力する信号処理回路と、を備えた構成を有している。   An image pickup apparatus according to the present invention includes a back-illuminated image sensor, a driving device, and a signal processing circuit that processes signals from a plurality of pixel units of the back-illuminated image sensor and outputs video signals. have.

この構成により、本発明の撮像装置は、時間開口率が100%の裏面照射型撮像素子を備えることにより、従来のものよりも感度を向上させることができる。   With this configuration, the imaging apparatus according to the present invention includes the back-illuminated imaging element having a time aperture ratio of 100%, so that the sensitivity can be improved as compared with the conventional one.

本発明の駆動方法は、半導体基板の1つの面側に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素部を有し、前記半導体基板の他の面側から被写体光を入射する裏面照射型撮像素子を駆動する駆動方法であって、前記裏面照射型撮像素子は、第1の直流電圧が印加され、前記他の面側に設けられた裏面電極と、前記第1の直流電圧よりも高い第2の直流電圧が印加され、前記被写体光を光電変換して生成した信号電荷を収集する信号電荷収集部と、第1のクロックが印加され、前記信号電荷収集部が収集した前記信号電荷を順次出力する信号電荷出力部と、互いに位相が異なる第及び第3のクロックがそれぞれ印加され、前記信号電荷出力部が出力する信号電荷を順次蓄積して出力側に転送する第1及び第2の信号電荷蓄積転送部と、を備え、前記第1、前記第2及び前記第3のクロックは、それぞれ、ハイレベル及びローレベルの電圧を有し、前記第1のクロックの前記ハイレベルは、前記第2のクロックの前記ハイレベルよりも低く前記第2の直流電圧よりも高い電圧であり、順次連続する第1期間、第2期間、第3期間及び第4期間を含む露光期間において、前記第1期間から第4期間までは前記第1及び前記第2の直流電圧を印加し、前記第1期間では、前記第1のクロックの前記ハイレベル、前記第2及び前記第3のクロックの前記ローレベルの電圧を印加し、前記第2期間では、前記第1及び前記第2のクロックの前記ハイレベル、前記第3のクロックの前記ローレベルの電圧を印加し、前記第3期間では、前記第1のクロックの前記ローレベル、前記第2及び前記第3のクロックの前記ハイレベルの電圧を印加し、前記第4期間では、前記第1及び前記第2のクロックの前記ローレベル、前記第3のクロックの前記ハイレベルの電圧を印加する構成を有している。 The driving method of the present invention has a plurality of pixel portions arranged in a two-dimensional array on one surface side of a semiconductor substrate, and backside illumination imaging in which subject light is incident from the other surface side of the semiconductor substrate A driving method for driving an element, wherein the back-illuminated imaging device is applied with a first DC voltage, and a back electrode provided on the other surface side and a first DC voltage higher than the first DC voltage. 2 DC voltage is applied, and the signal charge collecting unit for collecting the generated signal charges photoelectrically converts the object light, the first clock is applied, before the signal charge relaxin No. charge collection unit collects and sequentially output to the signal charge output portion, respectively applied second and third clock that phase Do different from each other, the first and transferred to the output side of the signal charges by the signal charge output section outputs sequentially accumulates and a second signal charge storage transfer unit comprises, The first, second, and third clocks have high and low level voltages, respectively, and the high level of the first clock is higher than the high level of the second clock. In the exposure period including a first period, a second period, a third period, and a fourth period, which are successively lower and higher than the second DC voltage, and from the first period to the fourth period, the first period to the fourth period. 1 and the second DC voltage are applied, and during the first period, the high level voltage of the first clock, the low level voltage of the second and third clocks are applied, and the second voltage is applied. In the period, the high level voltage of the first and second clocks and the low level voltage of the third clock are applied, and in the third period, the low level of the first clock and the second level of the first clock are applied. 2 and the third The voltage of the high level of the clock is applied, in the fourth period, has a configuration for applying the first and the second of said low level of the clock, the voltage of the high level of the third clock Yes.

この構成により、本発明の駆動方法は、裏面照射型撮像素子の時間開口率を100%とすることができ、全期間において発生した信号電荷が利用可能となる。したがって、本発明の駆動装置は、従来のものよりも感度を向上させることができる。   With this configuration, the driving method according to the present invention can set the time aperture ratio of the back-illuminated image sensor to 100%, and the signal charges generated over the entire period can be used. Therefore, the drive device of the present invention can improve the sensitivity as compared with the conventional one.

本発明は、従来のものよりも感度を向上させることができるという効果を有する裏面照射型撮像素子、それを備えた駆動装置及び撮像装置並びに裏面照射型撮像素子の駆動方法を提供することができるものである。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide a backside illuminating type imaging device having an effect that sensitivity can be improved as compared with the conventional one, a driving device and an imaging device including the same, and a driving method for the backside illuminating type imaging device. Is.

本発明の第1実施形態における駆動装置のブロック構成図である。It is a block block diagram of the drive device in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態における裏面照射型撮像素子の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the backside illumination type image sensor in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態における駆動装置が出力する駆動電圧波形の模式図である。It is a schematic diagram of the drive voltage waveform which the drive device in 1st Embodiment of this invention outputs. 本発明の第1実施形態における裏面照射型撮像素子の断面電位模式図である。It is a cross-sectional potential schematic diagram of the backside illumination type image sensor in the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態における駆動装置の駆動電圧の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the drive voltage of the drive device in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態における裏面照射型撮像素子において、ほぼ1画素の表面近傍の2次元電位分布を表示した図である。In the backside illumination type image sensor according to the first embodiment of the present invention, a two-dimensional potential distribution in the vicinity of the surface of almost one pixel is displayed. 本発明の第1実施形態における裏面照射型撮像素子において、信号電荷の移動を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the movement of a signal charge in the backside illumination type image pick-up element in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態における裏面照射型撮像素子と、従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子とにおいて、像面照度とCCD出力電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an image surface illumination intensity and CCD output voltage in the back surface irradiation type imaging device in 1st Embodiment of this invention, and the conventional surface irradiation type pixel periphery recording type imaging device. 従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子の出力画像(左)と、第1実施形態における裏面照射型撮像素子の出力画像(右)とを示す図である。It is a figure which shows the output image (left) of the conventional surface irradiation type pixel periphery recording type imaging device, and the output image (right) of the backside irradiation type imaging device in 1st Embodiment. 本発明の第2実施形態における撮像装置のブロック構成図である。It is a block block diagram of the imaging device in 2nd Embodiment of this invention. 従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子の平面模式図である。It is a plane schematic diagram of a conventional surface irradiation type pixel peripheral recording type imaging device. 従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of a conventional surface irradiation type pixel peripheral recording type imaging device. 従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子の駆動波形模式図である。It is a drive waveform schematic diagram of a conventional surface irradiation type pixel peripheral recording type imaging device. 従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子の断面電位模式図である。It is a cross-sectional potential schematic diagram of a conventional surface irradiation type pixel peripheral recording type imaging device.

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、本実施形態における駆動装置10の構成と、裏面照射型撮像素子20の表面側の構成と、を模式的に示した図であって、駆動装置10は裏面照射型撮像素子20を駆動するものである。この裏面照射型撮像素子20は、以下に説明するように、裏面照射型の画素周辺記録型撮像素子である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the driving device 10 and the configuration of the front surface side of the backside illumination type imaging device 20 in the present embodiment. The driving device 10 includes the backside illumination type imaging device 20. To drive. As will be described below, the back-illuminated image sensor 20 is a back-illuminated pixel peripheral recording image sensor.

駆動装置10は、裏面照射型撮像素子20に対して、駆動電圧φBSを印加する裏面電極電圧印加部11、駆動電圧φG1を印加するゲート電極電圧印加部12、駆動電圧φG2を印加するゲート電極電圧印加部13、駆動電圧φMを印加する蓄積転送電圧印加部14、駆動電圧φVを印加する垂直転送電圧印加部15、駆動電圧φHを印加する水平転送電圧印加部16を備えている。   The driving device 10 includes a back electrode voltage applying unit 11 that applies a driving voltage φBS, a gate electrode voltage applying unit 12 that applies a driving voltage φG1, and a gate electrode voltage that applies a driving voltage φG2 to the backside illuminating image sensor 20. The application unit 13 includes an accumulation transfer voltage application unit 14 that applies the drive voltage φM, a vertical transfer voltage application unit 15 that applies the drive voltage φV, and a horizontal transfer voltage application unit 16 that applies the drive voltage φH.

ここで、裏面電極電圧印加部11及びゲート電極電圧印加部12は、それぞれ、本発明に係る第1及び第2の直流電圧印加手段を構成する。また、ゲート電極電圧印加部13及び蓄積転送電圧印加部14は、それぞれ、本発明に係る第1及び第2のクロック印加手段を構成する。   Here, the back surface electrode voltage application unit 11 and the gate electrode voltage application unit 12 constitute first and second DC voltage application units according to the present invention, respectively. The gate electrode voltage application unit 13 and the accumulated transfer voltage application unit 14 constitute first and second clock application units according to the present invention, respectively.

裏面照射型撮像素子20は、電荷収集ゲート21及び22、アンチブルーミングゲート23、ドレイン24、合流部25、上書きゲート26、CCDメモリ27、VCCD28、HCCD29、アンプ30を備えている。図中に点線で示した、画素幅×画素長の領域が1画素の領域である。   The back-illuminated imaging device 20 includes charge collection gates 21 and 22, an anti-blooming gate 23, a drain 24, a merging unit 25, an overwrite gate 26, a CCD memory 27, a VCCD 28, an HCCD 29, and an amplifier 30. An area of pixel width × pixel length indicated by a dotted line in the drawing is an area of one pixel.

図1は、裏面照射型撮像素子20の表面側の構成を示しているので、裏面側にある光電変換部は図示していないが、光電変換部で発生した信号電荷は、表面側の電荷収集ゲート21に集まり、電荷収集ゲート22に送られる。電荷収集ゲート22の出口は分岐しており、アンチブルーミングゲート23を経て画素毎のドレイン24に繋がる経路と、画素毎の斜行直線状のCCDメモリ27に繋がる経路とに分かれる。   FIG. 1 shows the configuration of the front surface side of the backside illuminating type imaging device 20, so the photoelectric conversion unit on the back side is not shown, but the signal charge generated in the photoelectric conversion unit is the charge collection on the front side. They gather at the gate 21 and are sent to the charge collection gate 22. The exit of the charge collection gate 22 is branched, and is divided into a path connected to the drain 24 for each pixel through the anti-blooming gate 23 and a path connected to the oblique linear CCD memory 27 for each pixel.

CCDメモリ27は、合流部25を経て1列共通の読み出し用のVCCD(垂直転送CCD)28に接続されている。合流部25は、上書きゲート26を経てドレイン24に接続されている。VCCD28は、全列共通のHCCD(水平転送CCD)29に接続されている。HCCD29は、信号電荷を増幅して外部信号として出力するアンプ30に接続されている。   The CCD memory 27 is connected to a readout VCCD (vertical transfer CCD) 28 common to one column via the junction 25. The junction 25 is connected to the drain 24 via the overwrite gate 26. The VCCD 28 is connected to an HCCD (horizontal transfer CCD) 29 common to all columns. The HCCD 29 is connected to an amplifier 30 that amplifies the signal charge and outputs it as an external signal.

前述の電荷収集ゲート21及び22は、それぞれ、本発明に係る信号電荷収集部及び信号電荷出力部を構成する。また、CCDメモリ27は、本発明に係る信号電荷蓄積転送部を構成する。   The aforementioned charge collection gates 21 and 22 constitute a signal charge collection unit and a signal charge output unit according to the present invention, respectively. The CCD memory 27 constitutes a signal charge accumulation / transfer unit according to the present invention.

図2は、裏面照射型撮像素子20の電荷収集ゲート21からCCDメモリ27に沿った断面模式図である。ここで、図1に示した電荷収集ゲート21のゲート電極をG1、電荷収集ゲート22のゲート電極をG2、裏面電極をBSで示している。電荷収集ゲート電極G1はゲート電極電圧印加部12からの駆動電圧φG1を入力し、電荷収集ゲート電極G2はゲート電極電圧印加部13からの駆動電圧φG2を入力するようになっている。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view along the CCD memory 27 from the charge collection gate 21 of the back-illuminated image sensor 20. Here, the gate electrode of the charge collection gate 21 shown in FIG. 1 is indicated by G1, the gate electrode of the charge collection gate 22 is indicated by G2, and the back electrode is indicated by BS. The charge collection gate electrode G1 receives the drive voltage φG1 from the gate electrode voltage application unit 12, and the charge collection gate electrode G2 receives the drive voltage φG2 from the gate electrode voltage application unit 13.

また、CCDメモリ27のうち、電荷収集ゲート電極G2に接続された1個目から4個目までをCCDメモリ電極M1〜M4で示し、その他の図示を省略している。このCCDメモリ27は、蓄積転送電圧印加部14が出力する、互いに位相が異なる4相クロックの駆動電圧φM(φM1〜4)によって駆動されるようになっている。例えば、CCDメモリ電極M1、M2、M3及びM4には、それぞれ、駆動電圧φM1、φM2、φM3及びφM4が印加される。この4相クロックのφM1〜4が印加されることにより、CCDメモリ27は、電荷収集ゲート22が出力する信号電荷を順次蓄積してVCCD28に順次転送するようになっている。   In the CCD memory 27, the first to fourth terminals connected to the charge collection gate electrode G2 are indicated by CCD memory electrodes M1 to M4, and other illustrations are omitted. The CCD memory 27 is driven by a drive voltage φM (φM1 to 4) of a four-phase clock output from the accumulated transfer voltage applying unit 14 and having different phases. For example, drive voltages φM1, φM2, φM3, and φM4 are applied to the CCD memory electrodes M1, M2, M3, and M4, respectively. By applying the four-phase clocks φM1 to φM4, the CCD memory 27 sequentially accumulates signal charges output from the charge collection gate 22 and sequentially transfers them to the VCCD 28.

裏面照射型撮像素子20は、複数の画素部(図1参照)が二次元アレイ状に配列形成される面側である半導体基板の表面41、光を入射する裏面42を有する。ここで、表面41は本発明に係る1つの面を構成し、裏面42は本発明に係る他の面を構成する。   The backside illumination type image pickup device 20 has a front surface 41 of a semiconductor substrate that is a surface side on which a plurality of pixel portions (see FIG. 1) are arranged in a two-dimensional array, and a back surface 42 on which light is incident. Here, the front surface 41 constitutes one surface according to the present invention, and the back surface 42 constitutes another surface according to the present invention.

また、裏面照射型撮像素子20は、半導体基板の裏面42側から、p半導体層51(裏面電極BS)、p半導体層52(光電変換部)及びn半導体層53(電荷収集層)が順次形成された構成を有する。これら各層は、エピタキシャル成長法によって形成されたものである。なお、p半導体層51は、本発明に係る裏面電極を構成する。 Further, the back side illumination type image pickup device 20 has p + semiconductor layer 51 (back surface electrode BS), p semiconductor layer 52 (photoelectric conversion unit) and n semiconductor layer 53 (charge collecting layer) from the back surface 42 side of the semiconductor substrate. Are sequentially formed. Each of these layers is formed by an epitaxial growth method. Note that the p + semiconductor layer 51 constitutes a back electrode according to the present invention.

さらに、裏面照射型撮像素子20は、n半導体層53の上面に順次形成されたp半導体層のpウエル54、n半導体層55(メモリ)、酸化膜56、配線層57を備えている。 Further, the back-illuminated image pickup device 20 includes a p - semiconductor layer p-well 54, an n + semiconductor layer 55 (memory), an oxide film 56, and a wiring layer 57 sequentially formed on the upper surface of the n semiconductor layer 53. Yes.

以上説明した裏面照射型撮像素子20の製造方法としては、例えば、前述の特許文献7に記載されており、公知であるので説明を省略する。   The method for manufacturing the backside illuminating type image pickup device 20 described above is described in, for example, the above-mentioned Patent Document 7, and is well known, and thus the description thereof is omitted.

次に、駆動装置10が印加する駆動電圧の波形について、図3を用いて説明する。   Next, the waveform of the drive voltage applied by the drive device 10 will be described with reference to FIG.

図3に示した駆動電圧波形の模式図において、裏面照射型撮像素子20の裏面電極BSの駆動電圧をφBS、電荷収集ゲート21の駆動電圧をφG1、電荷収集ゲート22の駆動電圧をφG2、CCDメモリ電極のうちCCDメモリ電極M1、M2の駆動電圧をφM1、φM2としている。   In the schematic diagram of the drive voltage waveform shown in FIG. 3, the drive voltage of the back electrode BS of the back-illuminated imaging device 20 is φBS, the drive voltage of the charge collection gate 21 is φG1, the drive voltage of the charge collection gate 22 is φG2, and the CCD Of the memory electrodes, the drive voltages of the CCD memory electrodes M1 and M2 are φM1 and φM2.

駆動装置10は、駆動電圧φBSとして予め定められた電圧振幅の直流電圧(第1の直流電圧)を裏面電極BSに印加し、駆動電圧φG1として駆動電圧φBSよりも高い直流電圧(第2の直流電圧)を電荷収集ゲート電極G1に印加する。その結果、裏面電極BSと電荷収集ゲート電極G1との間に直流のバイアスが加わって空乏層が広がった状態となり、光電変換部であるp半導体層52で発生した信号電荷は電荷収集ゲート電極G1に高速に集まる。電荷収集ゲート電極G2、CCDメモリ電極M1及びM2が駆動電圧として入力するクロックは、ハイレベル期間が1周期の1/2、ローレベル期間が1周期の1/2になっており、1/4周期ずつ位相が互いに異なっている。この駆動電圧により、電荷収集ゲート21に収集された信号電荷が、電荷収集ゲート22及びCCDメモリ27を経由してVCCD28に順次転送される。 The drive device 10 applies a DC voltage (first DC voltage) having a predetermined voltage amplitude as the drive voltage φBS to the back electrode BS, and a DC voltage (second DC) higher than the drive voltage φBS as the drive voltage φG1. Voltage) is applied to the charge collection gate electrode G1. As a result, a DC bias is applied between the back surface electrode BS and the charge collection gate electrode G1, and the depletion layer is expanded, and the signal charge generated in the p semiconductor layer 52 which is the photoelectric conversion unit is the charge collection gate electrode. Gather in G1 at high speed. The clock input to the charge collection gate electrode G2 and the CCD memory electrodes M1 and M2 as drive voltages has a high level period of ½ of one cycle and a low level period of ½ of one cycle. The phases are different from each other. With this drive voltage, the signal charges collected by the charge collection gate 21 are sequentially transferred to the VCCD 28 via the charge collection gate 22 and the CCD memory 27.

図4は、裏面照射型撮像素子20の断面電位模式図であって、図2に示したB1−B2断面の、図3における期間T1からT4までの駆動電圧φBS、φG1、φG2、φM1、φM2を印加した場合の断面電位模式図である。   4 is a schematic diagram of a cross-sectional potential of the back-illuminated image sensor 20, and shows driving voltages φBS, φG1, φG2, φM1, and φM2 from the period T1 to T4 in FIG. 3 in the B1-B2 cross section shown in FIG. It is a cross-sectional potential schematic diagram when is applied.

期間T1においてp半導体層52で発生した信号電荷は、電荷収集ゲート電極G1を経て電荷収集ゲート電極G2に集まる。期間T2においてp半導体層52で発生した信号電荷は、電荷収集ゲート電極G1、G2を経てCCDメモリ電極M1に集まる。期間T3及び期間T4においてp半導体層52で発生した信号電荷は、電荷収集ゲート電極G1に集まり、CCDメモリ電極M1からCCDメモリ電極M2に信号電荷が転送される。したがって、裏面照射型撮像素子20は、全期間において発生した信号電荷が利用できるので、光電変換部の時間開口率は100%である。 The signal charges generated in the p semiconductor layer 52 in the period T1 are collected on the charge collection gate electrode G2 via the charge collection gate electrode G1. The signal charges generated in the p semiconductor layer 52 in the period T2 are collected on the CCD memory electrode M1 through the charge collection gate electrodes G1 and G2. The signal charges generated in the p semiconductor layer 52 in the periods T3 and T4 are collected in the charge collecting gate electrode G1, and the signal charges are transferred from the CCD memory electrode M1 to the CCD memory electrode M2. Therefore, since the back-illuminated imaging element 20 can use signal charges generated during the entire period, the time aperture ratio of the photoelectric conversion unit is 100%.

図5は、駆動電圧φBS、φG1、φG2、φM1、φM2についての一例を示した図である。すなわち、駆動電圧φBSは−5Vの直流電圧、駆動電圧φG1は4Vの直流電圧である。駆動電圧φG2は、VL(ローレベル)=−3V、VH(ハイレベル)=8Vでデューティ比が50%のクロックである。駆動電圧φM1及びφM2は、VL=−3V、VH=12Vでデューティ比が50%のクロックである。駆動電圧φM1の位相は、駆動電圧φG2よりも1/4周期遅れ、駆動電圧φM2の位相は、駆動電圧φM1よりも1/4周期遅れている。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the drive voltages φBS, φG1, φG2, φM1, and φM2. That is, the drive voltage φBS is a −5V DC voltage, and the drive voltage φG1 is a 4V DC voltage. The drive voltage φG2 is a clock with VL (low level) = − 3 V, VH (high level) = 8 V, and a duty ratio of 50%. The drive voltages φM1 and φM2 are clocks with VL = −3V, VH = 12V and a duty ratio of 50%. The phase of the drive voltage φM1 is delayed by a quarter cycle from the drive voltage φG2, and the phase of the drive voltage φM2 is delayed by a quarter cycle from the drive voltage φM1.

なお、図5では、駆動電圧φBSとして負の直流電圧、駆動電圧φG1として正の直流電圧を例示したが、本発明はこれに限定されず、駆動電圧φBS<駆動電圧φG1の関係を有すればよく、例えば両者がともに正の直流電圧であってもよい。また、図5には示していないが、駆動電圧φM3及びφM4は、駆動電圧φM1及びφM2と同一の駆動電圧であり、駆動電圧φM3の位相は駆動電圧φM2よりも1/4周期遅れ、駆動電圧φM4の位相は駆動電圧φM3よりも1/4周期遅れている。   In FIG. 5, a negative DC voltage is exemplified as the driving voltage φBS and a positive DC voltage is exemplified as the driving voltage φG1, but the present invention is not limited to this, and the driving voltage φBS <the driving voltage φG1 is satisfied. For example, both may be positive DC voltages. Although not shown in FIG. 5, the drive voltages φM3 and φM4 are the same drive voltages as the drive voltages φM1 and φM2, and the phase of the drive voltage φM3 is delayed by a quarter cycle from the drive voltage φM2, and the drive voltage The phase of φM4 is delayed by a quarter cycle from the drive voltage φM3.

次に、裏面照射型撮像素子20の画素部の3次元電荷転送シミュレーションを行った結果について、図6を用いて説明する。   Next, the result of performing a three-dimensional charge transfer simulation of the pixel portion of the backside illumination type image pickup device 20 will be described with reference to FIG.

図6は、ほぼ1画素の3次元電位分布を計算した結果から、ほぼ1画素の表面近傍の2次元電位分布を表示した図である。1画素の大きさは46.8μm□である。図中の白丸が信号電荷の発生位置を示し、黒丸が信号電荷の移動先を示している。信号電荷の発生位置としては、図示のように6とおりとした。信号電荷の発生は厚さ29.5μmの位置で、信号電荷の移動先は厚さ0μmの位置であった。移動時間はいずれも10ナノ秒以下であった。   FIG. 6 is a diagram showing a two-dimensional potential distribution in the vicinity of the surface of one pixel, based on the result of calculating the three-dimensional potential distribution of one pixel. The size of one pixel is 46.8 μm □. In the figure, white circles indicate signal charge generation positions, and black circles indicate signal charge destinations. There are six signal charge generation positions as shown in the figure. The signal charge was generated at a position of 29.5 μm thickness, and the signal charge was moved to a position of 0 μm thickness. The travel time was 10 nanoseconds or less.

この3次元電荷転送シミュレーション結果によれば、裏面照射型撮像素子20は、図6に示したような画素部の平面構造において、1画素の大きさが46.8μm□と大きくても、裏面側で発生した信号電荷を高速に電荷収集ゲート電極G1に集めることができる。裏面照射型撮像素子20の断面図で模式的に表すと、信号電荷は図7に示すように移動する。すなわち、裏面42から入射した光は、p半導体層52で光電変換されて信号電荷となり、発生した信号電荷は、図示のような経路を通って電荷収集ゲート電極G1下に高速に集まる。 According to the result of the three-dimensional charge transfer simulation, the back side illumination type imaging device 20 has a back surface side even if the size of one pixel is as large as 46.8 μm □ in the planar structure of the pixel portion as shown in FIG. The signal charges generated in step 1 can be collected on the charge collecting gate electrode G1 at high speed. When schematically represented by a cross-sectional view of the back-illuminated image sensor 20, the signal charge moves as shown in FIG. That is, light incident from the back surface 42 is photoelectrically converted by the p semiconductor layer 52 to become signal charges, and the generated signal charges are collected at high speed under the charge collection gate electrode G1 through a path as shown.

図8に、従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子と、本実施形態における裏面照射型撮像素子20とにおいて、像面照度とCCD出力電圧の関係を示す。同一CCD出力電圧を得られる像面照度は、従来の表面照射型のものに比べ、裏面照射型撮像素子20は13分の1である。すなわち、裏面照射型撮像素子20の感度向上は従来の表面照射型のものに対して13倍である。   FIG. 8 shows the relationship between the image plane illuminance and the CCD output voltage in the conventional front-illuminated pixel peripheral recording image sensor and the back-illuminated image sensor 20 in the present embodiment. The image plane illuminance that can obtain the same CCD output voltage is 1/13 of that of the conventional back-illuminated image sensor 20 compared to the conventional front-illuminated type. That is, the sensitivity improvement of the back-illuminated image sensor 20 is 13 times that of the conventional front-illuminated type.

図9に、同一撮像条件における従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子の出力画像(左)と、本実施形態における裏面照射型撮像素子20の出力画像(右)とを示す。従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子の出力映像は、空間開口率16%、時間開口率50%のものである。裏面照射型撮像素子20の出力映像は、空間開口率100%、時間開口率100%のものである。   FIG. 9 shows an output image (left) of a conventional front-illuminated pixel peripheral recording image sensor under the same imaging condition and an output image (right) of the back-illuminated image sensor 20 in the present embodiment. The output image of the conventional surface irradiation type pixel peripheral recording type imaging device has a spatial aperture ratio of 16% and a temporal aperture ratio of 50%. The output image of the back-illuminated image sensor 20 has a spatial aperture ratio of 100% and a temporal aperture ratio of 100%.

前述のように、駆動装置10によって駆動される裏面照射型撮像素子20は、空間開口率及び時間開口率が、従来の表面照射型のものよりも向上しているが、これらのみでは前述の13倍の感度向上にはならないので、空間開口率及び時間開口率の向上に加えて、光の利用率も向上していると言える。すなわち、駆動装置10によって駆動される裏面照射型撮像素子20は、空間開口率、時間開口率、光の利用率の3項目を合わせた感度向上が、従来の表面照射型の画素周辺記録型撮像素子の13倍であり、従来よりも明るい映像になっていることが視認できる。   As described above, the back-illuminated image sensor 20 driven by the driving device 10 has a spatial aperture ratio and a temporal aperture ratio that are higher than those of the conventional front-illuminated type. Since the sensitivity is not doubled, it can be said that in addition to the improvement of the spatial aperture ratio and the temporal aperture ratio, the utilization factor of light is also improved. That is, the back-illuminated imaging element 20 driven by the driving device 10 is improved in sensitivity by combining the three items of the spatial aperture ratio, the temporal aperture ratio, and the light utilization ratio. It is 13 times as large as the element, and it can be visually recognized that the image is brighter than before.

以上のように、本実施形態における駆動装置10は、第1の直流電圧の駆動電圧φG1を電荷収集ゲート電極G1に印加するゲート電極電圧印加部12と、第1の直流電圧よりも低い第2の直流電圧の駆動電圧φBSを裏面電極BSに印加する裏面電極電圧印加部11と、第1のクロックの駆動電圧φG2を電荷収集ゲート電極G2に印加するゲート電極電圧印加部13と、互いに位相が異なる複数相の第2のクロックの駆動電圧φMを印加する蓄積転送電圧印加部14と、を備える構成としたので、裏面照射型撮像素子20における空間開口率、時間開口率、光の利用率の3項目を合わせた感度の向上を図ることができる。   As described above, the driving device 10 according to the present embodiment includes the gate electrode voltage application unit 12 that applies the drive voltage φG1 of the first DC voltage to the charge collection gate electrode G1, and the second voltage lower than the first DC voltage. The back electrode voltage application unit 11 that applies the DC drive voltage φBS to the back electrode BS and the gate electrode voltage application unit 13 that applies the first clock drive voltage φG2 to the charge collection gate electrode G2 are mutually in phase. The storage transfer voltage application unit 14 that applies the driving voltage φM of the second clocks of different multiple phases is provided. Therefore, the spatial aperture ratio, the temporal aperture ratio, and the light utilization ratio of the back side illumination type image pickup device 20 The sensitivity can be improved by combining the three items.

(第2実施形態)
図10に示すように、本実施形態における撮像装置60は、図1に示した駆動装置10及び裏面照射型撮像素子20、被写体光を入射して集光するレンズ61、アナログ信号の処理を行うアナログ信号処理部62、アナログ信号をデジタル信号に変換(以下「AD変換」という。)するAD変換部63、デジタルの信号の処理を行うデジタル信号処理部64、映像信号を記憶する映像信号メモリ65、映像信号を出力する映像信号出力部66、映像を表示する表示部67を備えている。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 10, the imaging device 60 in the present embodiment performs processing of the driving device 10 and the back-illuminated imaging device 20 shown in FIG. 1, a lens 61 that collects and collects subject light, and analog signals. An analog signal processing unit 62, an AD conversion unit 63 that converts an analog signal into a digital signal (hereinafter referred to as “AD conversion”), a digital signal processing unit 64 that processes a digital signal, and a video signal memory 65 that stores a video signal A video signal output unit 66 for outputting a video signal, and a display unit 67 for displaying a video.

なお、駆動装置10及び裏面照射型撮像素子20の構成については、第1実施形態で説明したので省略する。また、アナログ信号処理部62及びデジタル信号処理部64は、本発明に係る信号処理回路を構成する。また、撮像装置60は、図示を省略したが、CPU、ROM、RAM等を備えた制御部を有し、この制御部がROMに記憶されたプログラムに基づいて装置全体の制御を行うようになっている。   Note that the configurations of the driving device 10 and the back-illuminated image sensor 20 have been described in the first embodiment, and will be omitted. In addition, the analog signal processing unit 62 and the digital signal processing unit 64 constitute a signal processing circuit according to the present invention. Although not shown, the imaging device 60 includes a control unit including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and the control unit controls the entire device based on a program stored in the ROM. ing.

駆動装置10は、第1実施形態で説明したように、ゲート電極電圧印加部12は、第1の直流電圧の駆動電圧φG1を電荷収集ゲート電極G1に印加し、裏面電極電圧印加部11は、第1の直流電圧よりも低い第2の直流電圧の駆動電圧φBSを裏面電極BSに印加し、ゲート電極電圧印加部13は、第1のクロックの駆動電圧φG2を電荷収集ゲート電極G2に印加し、蓄積転送電圧印加部14は、互いに位相が異なる4相の第2のクロックの駆動電圧φMを印加することにより、裏面照射型撮像素子20を駆動する。その結果、レンズ61を通過して電荷収集ゲート21に入射した光信号の信号電荷は、順次、CCDメモリ27に蓄積される。   As described in the first embodiment, the gate electrode voltage application unit 12 applies the first DC voltage drive voltage φG1 to the charge collection gate electrode G1, and the back electrode voltage application unit 11 A drive voltage φBS of a second DC voltage lower than the first DC voltage is applied to the back electrode BS, and the gate electrode voltage application unit 13 applies the drive voltage φG2 of the first clock to the charge collection gate electrode G2. The accumulation transfer voltage application unit 14 drives the backside illumination type imaging device 20 by applying the drive voltage φM of the four-phase second clock having different phases. As a result, the signal charge of the optical signal that has passed through the lens 61 and entered the charge collection gate 21 is sequentially accumulated in the CCD memory 27.

その後、駆動装置10は、CCDメモリ27に蓄積された信号電荷の読み出しの駆動を行う。すなわち、駆動装置10は、読出用クロックの駆動電圧φMをCCDメモリ27に印加し、駆動電圧φVをVCCD28に印加し、駆動電圧φHをHCCD29に印加する。その結果、CCDメモリ27に蓄積された信号電荷がアンプ30経由でアナログ信号処理部62に出力される。   Thereafter, the driving device 10 drives to read out the signal charges accumulated in the CCD memory 27. That is, the driving device 10 applies the driving voltage φM of the readout clock to the CCD memory 27, applies the driving voltage φV to the VCCD 28, and applies the driving voltage φH to the HCCD 29. As a result, the signal charge accumulated in the CCD memory 27 is output to the analog signal processing unit 62 via the amplifier 30.

アナログ信号処理部62は、裏面照射型撮像素子20から出力されるアナログ信号に対して自動利得調整や相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行って、AD変換部63に出力する。   The analog signal processing unit 62 performs analog signal processing such as automatic gain adjustment and correlated double sampling processing on the analog signal output from the back-illuminated imaging device 20 and outputs the analog signal to the AD conversion unit 63.

AD変換部63は、アナログ信号処理部62が印加するアナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号処理部64に出力する。   The AD conversion unit 63 converts the analog signal applied by the analog signal processing unit 62 into a digital signal and outputs the digital signal to the digital signal processing unit 64.

デジタル信号処理部64は、AD変換部63から得られる映像信号に対し、撮影時のフレームに対応させた並べ替えや、補間処理及びホワイトバランス補正、RGB/YC変換処理等のデジタル信号処理を行って、映像信号メモリ65に出力する。   The digital signal processing unit 64 performs digital signal processing such as rearrangement corresponding to frames at the time of shooting, interpolation processing, white balance correction, RGB / YC conversion processing, and the like on the video signal obtained from the AD conversion unit 63. To the video signal memory 65.

映像信号メモリ65は、デジタル信号処理部64からのデジタル値の映像信号を入力して記憶する。この映像信号メモリ65は、例えば数千フレーム程度の映像信号を保存することができる。   The video signal memory 65 receives and stores a digital video signal from the digital signal processing unit 64. The video signal memory 65 can store a video signal of about several thousand frames, for example.

映像信号出力部66は、映像信号メモリ65からの映像信号を例えばHD−SDI(High Definition - Serial Digital Interface)の規格の映像信号に変換し、表示部67及び外部装置(図示省略)に所定レートで出力する。例えば、通常のテレビレートの場合、映像信号出力部66は30フレーム/秒で映像信号を出力する。   The video signal output unit 66 converts the video signal from the video signal memory 65 into, for example, an HD-SDI (High Definition-Serial Digital Interface) standard video signal, and sends it to the display unit 67 and an external device (not shown) at a predetermined rate. To output. For example, in the case of a normal television rate, the video signal output unit 66 outputs a video signal at 30 frames / second.

表示部67は、例えば液晶ディスプレイで構成され、映像信号出力部66が出力する映像信号に基づいた映像を表示する。   The display unit 67 is configured by a liquid crystal display, for example, and displays an image based on the video signal output from the video signal output unit 66.

以上のように、本実施形態における撮像装置60は、駆動装置10を備えたことにより、裏面照射型撮像素子20における空間開口率、時間開口率、光の利用率の3項目を合わせた感度の向上を図ることができる。   As described above, the imaging device 60 according to the present embodiment includes the driving device 10, so that the sensitivity of the three items of the spatial aperture ratio, the temporal aperture ratio, and the light utilization rate in the backside illumination type image sensor 20 is combined. Improvements can be made.

以上のように、本発明に係る裏面照射型撮像素子、それを備えた駆動装置及び撮像装置並びに裏面照射型撮像素子の駆動方法は、従来のものよりも感度を向上させることができるという効果を有し、高速度撮影に使用される裏面照射型撮像素子、それを備えた駆動装置及び撮像装置並びに裏面照射型撮像素子の駆動方法として有用である。   As described above, the back-illuminated image sensor according to the present invention, the driving apparatus and the imaging device including the back-illuminated image sensor, and the driving method of the back-illuminated image sensor can improve the sensitivity compared to the conventional one. And a back-illuminated image pickup device used for high-speed imaging, a driving device and an image pickup apparatus including the same, and a driving method of the back-illuminated image pickup device.

10 駆動装置
11 裏面電極電圧印加部(第1の直流電圧印加手段)
12 ゲート電極電圧印加部(第2の直流電圧印加手段)
13 ゲート電極電圧印加部(第1のクロック印加手段)
14 蓄積転送電圧印加部(第2のクロック印加手段)
15 垂直転送電圧印加部
16 水平転送電圧印加部
20 裏面照射型撮像素子
21 電荷収集ゲート(信号電荷収集部)
22 電荷収集ゲート(信号電荷出力部)
27 CCDメモリ(信号電荷蓄積転送部)
41 表面(1つの面)
42 裏面(他の面)
51 p半導体層(裏面電極)
52 p半導体層
53 n半導体層
54 pウエル
55 n半導体層
56 酸化膜
57 配線層
60 撮像装置
61 レンズ
62 アナログ信号処理部(信号処理回路)
63 AD変換部
64 デジタル信号処理部(信号処理回路)
65 映像信号メモリ
66 映像信号出力部
67 表示部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Drive apparatus 11 Back surface electrode voltage application part (1st DC voltage application means)
12 Gate electrode voltage application section (second DC voltage application means)
13 Gate electrode voltage application section (first clock application means)
14 Accumulation transfer voltage application unit (second clock application means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Vertical transfer voltage application part 16 Horizontal transfer voltage application part 20 Back surface irradiation type image pick-up element 21 Charge collection gate (signal charge collection part)
22 Charge collection gate (signal charge output part)
27 CCD memory (signal charge storage and transfer unit)
41 Surface (one surface)
42 Back side (other side)
51 p + semiconductor layer (back electrode)
52 p - semiconductor layer 53 n - semiconductor layer 54 p-well 55 n + semiconductor layer 56 oxide film 57 wiring layer 60 imaging device 61 lens 62 analog signal processing unit (signal processing circuit)
63 AD converter 64 Digital signal processor (signal processing circuit)
65 Video signal memory 66 Video signal output unit 67 Display unit

Claims (4)

半導体基板の1つの面側に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素部を有し、前記半導体基板の他の面側から被写体光を入射する裏面照射型撮像素子であって、
第1の直流電圧が印加され、前記他の面側に設けられた裏面電極と、
前記第1の直流電圧よりも高い第2の直流電圧が印加され、前記被写体光を光電変換して生成した信号電荷を収集する信号電荷収集部と、
第1のクロックが印加され、前記信号電荷収集部が収集した前記信号電荷を順次出力する信号電荷出力部と、
互いに位相が異なる第及び第3のクロックがそれぞれ印加され、前記信号電荷出力部が出力する信号電荷を順次蓄積して出力側に転送する第1及び第2の信号電荷蓄積転送部と、
を備え
前記第1、前記第2及び前記第3のクロックは、それぞれ、ハイレベル及びローレベルの電圧を有し、
前記第1のクロックの前記ハイレベルは、前記第2のクロックの前記ハイレベルよりも低く前記第2の直流電圧よりも高い電圧であり、
順次連続する第1期間、第2期間、第3期間及び第4期間を含む露光期間において、
前記第1期間から第4期間までは前記第1及び前記第2の直流電圧が印加され、
前記第1期間では、前記第1のクロックの前記ハイレベル、前記第2及び前記第3のクロックの前記ローレベルの電圧が印加され、
前記第2期間では、前記第1及び前記第2のクロックの前記ハイレベル、前記第3のクロックの前記ローレベルの電圧が印加され、
前記第3期間では、前記第1のクロックの前記ローレベル、前記第2及び前記第3のクロックの前記ハイレベルの電圧が印加され、
前記第4期間では、前記第1及び前記第2のクロックの前記ローレベル、前記第3のクロックの前記ハイレベルの電圧が印加される
ことを特徴とする裏面照射型撮像素子。
A backside-illuminated imaging device that has a plurality of pixel portions arranged in a two-dimensional array on one surface side of a semiconductor substrate, and injects subject light from the other surface side of the semiconductor substrate,
A back electrode provided on the other surface side to which the first DC voltage is applied;
A signal charge collecting unit that collects signal charges generated by photoelectrically converting the subject light to which a second DC voltage higher than the first DC voltage is applied;
Is applied first clock, and a signal charge output unit for sequentially outputting before the signal charges relaxin No. charge collection unit collects,
Applied second and third clock phase that Do different from each other, respectively, and first and second signal charge storage transfer unit for transferring the signal charges by the signal charge output section outputs sequentially stored to the output side,
Equipped with a,
The first, second, and third clocks have high and low level voltages, respectively.
The high level of the first clock is lower than the high level of the second clock and higher than the second DC voltage;
In an exposure period including a first period, a second period, a third period, and a fourth period that are sequentially consecutive,
From the first period to the fourth period, the first and second DC voltages are applied,
In the first period, the high level voltage of the first clock, the low level voltage of the second and third clocks are applied,
In the second period, the high level voltage of the first and second clocks and the low level voltage of the third clock are applied,
In the third period, the low level voltage of the first clock, the high level voltage of the second and third clocks are applied,
In the fourth period, the low-level voltage of the first and second clocks and the high-level voltage of the third clock are applied .
請求項1に記載の裏面照射型撮像素子を駆動する駆動装置であって、
前記第1の直流電圧を前記裏面電極に印加する第1の直流電圧印加手段と、
前記第2の直流電圧を前記信号電荷収集部に印加する第2の直流電圧印加手段と、
前記第1のクロックを前記信号電荷出力部に印加する第1のクロック印加手段と、
記第及び前記第3のクロックをそれぞれ前記第1及び前記第2の信号電荷蓄積転送部に印加する第2のクロック印加手段と、
を備えたことを特徴とする駆動装置。
A drive device for driving the backside illuminated image sensor according to claim 1,
First DC voltage applying means for applying the first DC voltage to the back electrode;
Second DC voltage applying means for applying the second DC voltage to the signal charge collecting unit;
First clock applying means for applying the first clock to the signal charge output unit;
A second clock means for applying pre-Symbol second and the third clock to each said first and said second signal charge storage transfer unit,
A drive device comprising:
請求項1に記載の裏面照射型撮像素子と、
請求項2に記載の駆動装置と、
前記裏面照射型撮像素子の複数の画素部からの信号を処理して映像信号を出力する信号処理回路と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。
A back-illuminated imaging device according to claim 1;
A drive device according to claim 2;
A signal processing circuit that processes a signal from a plurality of pixel portions of the back-side illuminated image sensor and outputs a video signal;
An imaging apparatus comprising:
半導体基板の1つの面側に二次元アレイ状に配列形成された複数の画素部を有し、前記半導体基板の他の面側から被写体光を入射する裏面照射型撮像素子を駆動する駆動方法であって、
前記裏面照射型撮像素子は、
第1の直流電圧が印加され、前記他の面側に設けられた裏面電極と、
前記第1の直流電圧よりも高い第2の直流電圧が印加され、前記被写体光を光電変換して生成した信号電荷を収集する信号電荷収集部と、
第1のクロックが印加され、前記信号電荷収集部が収集した前記信号電荷を順次出力する信号電荷出力部と、
互いに位相が異なる第及び第3のクロックがそれぞれ印加され、前記信号電荷出力部が出力する信号電荷を順次蓄積して出力側に転送する第1及び第2の信号電荷蓄積転送部と、
を備え、
前記第1、前記第2及び前記第3のクロックは、それぞれ、ハイレベル及びローレベルの電圧を有し、
前記第1のクロックの前記ハイレベルは、前記第2のクロックの前記ハイレベルよりも低く前記第2の直流電圧よりも高い電圧であり、
順次連続する第1期間、第2期間、第3期間及び第4期間を含む露光期間において、
前記第1期間から第4期間までは前記第1及び前記第2の直流電圧を印加し、
前記第1期間では、前記第1のクロックの前記ハイレベル、前記第2及び前記第3のクロックの前記ローレベルの電圧を印加し、
前記第2期間では、前記第1及び前記第2のクロックの前記ハイレベル、前記第3のクロックの前記ローレベルの電圧を印加し、
前記第3期間では、前記第1のクロックの前記ローレベル、前記第2及び前記第3のクロックの前記ハイレベルの電圧を印加し、
前記第4期間では、前記第1及び前記第2のクロックの前記ローレベル、前記第3のクロックの前記ハイレベルの電圧を印加する
ことを特徴とする駆動方法。
A driving method for driving a back-illuminated imaging device that has a plurality of pixel portions arranged in a two-dimensional array on one surface side of a semiconductor substrate and injects subject light from the other surface side of the semiconductor substrate. There,
The back-illuminated image sensor is
A back electrode provided on the other surface side to which the first DC voltage is applied;
A signal charge collecting unit that collects signal charges generated by photoelectrically converting the subject light to which a second DC voltage higher than the first DC voltage is applied;
Is applied first clock, and a signal charge output unit for sequentially outputting before the signal charges relaxin No. charge collection unit collects,
Applied second and third clock phase that Do different from each other, respectively, and first and second signal charge storage transfer unit for transferring the signal charges by the signal charge output section outputs sequentially stored to the output side,
With
The first, second, and third clocks have high and low level voltages, respectively.
The high level of the first clock is lower than the high level of the second clock and higher than the second DC voltage;
In an exposure period including a first period, a second period, a third period, and a fourth period that are sequentially consecutive,
From the first period to the fourth period, the first and second DC voltages are applied,
In the first period, the high level voltage of the first clock, the low level voltage of the second and third clocks are applied,
In the second period, the high level voltage of the first and second clocks and the low level voltage of the third clock are applied,
In the third period, the low level of the first clock, the high level voltage of the second and third clocks are applied,
In the fourth period, the low level voltages of the first and second clocks and the high level voltage of the third clock are applied .
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