JP2008004692A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
【課題】全画素同時の電子シャッタ動作を行うことができる固体撮像装置において、半導体領域の深い所で発生した電荷が電荷格納部に入るのを低減してノイズを低減する。
【解決手段】N型基板21上に、P型ウエル22が配置される。画素は、フォトダイオード1から転送される電荷を蓄積するN型の電荷格納部3と、フローティングディフュージョン4の電荷量に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、フォトダイオード1から電荷格納部3に電荷を転送する第1の転送ゲート部11と、電荷格納部3からフローティングディフュージョン4に電荷を転送する第2の転送部5とを備える。P型ウエル22よりも不純物濃度が高濃度であるP型の層30が、電荷格納部3の少なくとも一部の下に、P型ウエル22の一部を介して設けられる。
【選択図】図3In a solid-state imaging device capable of performing an electronic shutter operation simultaneously for all pixels, it is possible to reduce noise by reducing a charge generated in a deep portion of a semiconductor region from entering a charge storage portion.
A P-type well is disposed on an N-type substrate. The pixel includes an N-type charge storage unit 3 that accumulates charges transferred from the photodiode 1, an amplification transistor that outputs a signal corresponding to the charge amount of the floating diffusion 4, and a charge from the photodiode 1 to the charge storage unit 3. The first transfer gate unit 11 for transferring the charge and the second transfer unit 5 for transferring the charge from the charge storage unit 3 to the floating diffusion 4 are provided. A P-type layer 30 having an impurity concentration higher than that of the P-type well 22 is provided below at least a part of the charge storage unit 3 via a part of the P-type well 22.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、被写体像を撮像する固体撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device that captures a subject image.
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラなどが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型や増幅型の固体撮像装置が使用されている。増幅型の固体撮像装置では、受光画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷を、画素に設けられた増幅部に導き、増幅部で増幅した信号を画素から出力する。そして、増幅型の固体撮像装置では、このような画素がマトリクス状に複数配置されている。増幅型の固体撮像装置には、例えば、増幅部に接合型電界効果トランジスタ(JFET)を用いた固体撮像装置(下記特許文献1,2)や、増幅部にMOSトランジスタを用いた固体撮像装置(下記特許文献3)などがある。
In recent years, video cameras, electronic still cameras, and the like have been widely used. For these cameras, CCD type or amplification type solid-state imaging devices are used. In an amplification type solid-state imaging device, signal charges generated and accumulated in a photoelectric conversion unit of a light receiving pixel are guided to an amplification unit provided in the pixel, and a signal amplified by the amplification unit is output from the pixel. In an amplification type solid-state imaging device, a plurality of such pixels are arranged in a matrix. The amplification type solid-state imaging device includes, for example, a solid-state imaging device using a junction field effect transistor (JFET) in an amplification unit (
従来から、増幅型の固体撮像装置において、電子シャッタ動作を行ったときの各画素の露光蓄積時間が行毎にずれてしまうこと(いわゆるローリングシャッタ)に起因する画像の歪みを防止するため、各画素の露光時間が一定となる全画素同時の電子シャッタ動作を実現する構成が提案されている(下記特許文献1〜3)。
Conventionally, in an amplification type solid-state imaging device, in order to prevent image distortion caused by the exposure accumulation time of each pixel being shifted for each row when performing an electronic shutter operation (so-called rolling shutter), There has been proposed a configuration that realizes an electronic shutter operation simultaneously for all pixels in which the exposure time of pixels is constant (
特許文献1〜3に開示されている従来の固体撮像装置では、各画素は、光電変換部及び増幅部と、それらの間において一時的に電荷を蓄積する電荷格納部(蓄積部)とを有している。そして、このような従来の固体撮像装置では、全画素を同時に露光した後、各光電変換部にて生成された信号電荷を全画素同時に各電荷格納部に転送して一旦蓄積しておき、この信号電荷を所定の読出しタイミングで順次画素信号に変換するようにしている。
しかしながら、前述した従来技術では、半導体領域の比較的深い所でかつ電荷格納部に比較的近い所で発生した電荷のうちの一部の電荷が、光電変換部の電荷蓄積層に入らずに、信号電荷を一時的に蓄積している電荷格納部に入ってしまい、ノイズ電荷になってしまうという問題があった。発生した電荷のうち電荷格納部に入ってノイズ電荷となる割合は極低いが、全画素同時の電子シャッター動作を行う上では大きな問題となる。つまり、電子シャッター速度に対して、電荷格納部で信号電荷が蓄えられている時間が圧倒的に長いため、前記ノイズ電荷が大きな問題となるのである。 However, in the above-described conventional technology, some of the charges generated in a relatively deep part of the semiconductor region and relatively close to the charge storage part do not enter the charge storage layer of the photoelectric conversion part, There has been a problem that the signal charge enters the charge storage section that temporarily accumulates the signal charge, resulting in noise charge. The ratio of the generated charges that enter the charge storage section and become noise charges is extremely low, but this is a serious problem when performing electronic shutter operation simultaneously for all pixels. In other words, the noise charge becomes a big problem because the time for storing the signal charge in the charge storage unit is overwhelmingly long with respect to the electronic shutter speed.
例えば、フレームレートが1/60secの場合を考える。この場合、最大1/60secの間、電荷格納部に電荷を蓄積することになる。これに対して、シャッター速度を1/1000secとした場合には、光電変換部の電荷蓄積層で信号電荷を蓄積した時間に比べて、最大約17倍の時間、電荷格納部で、光電変換部から転送されてきた信号電荷を保持しなければならない。発生した電荷のうち前記ノイズ電荷となる割合が極低くても、約17倍の時間を経ると、前記ノイズ電荷の量がかなり多くなり、信号電荷に対する前記ノイズ電荷の割合はかなり大きくなってしまう。したがって、前記ノイズ電荷が大きな問題となるのである。 For example, consider a case where the frame rate is 1/60 sec. In this case, charges are accumulated in the charge storage portion for a maximum of 1/60 sec. On the other hand, when the shutter speed is 1/1000 sec, the charge storage unit has a maximum of about 17 times as long as the signal charge is stored in the charge storage layer of the photoelectric conversion unit. The signal charge transferred from the must be retained. Even if the ratio of the generated noise charge to the noise charge is extremely low, the amount of the noise charge is considerably increased after about 17 times, and the ratio of the noise charge to the signal charge is considerably increased. . Therefore, the noise charge becomes a big problem.
また、信号電荷が電荷格納部に蓄えられている時間は、読み出しラインによって異なるため、最初に読み出されるラインと最後に読み出されるラインとでは、ノイズ電荷の量が異なることに起因して、出力電圧に差が生じてしまうという問題もある。 In addition, since the time during which the signal charge is stored in the charge storage unit differs depending on the readout line, the output voltage is caused by the difference in the amount of noise charge between the first read line and the last read line. There is also a problem that a difference occurs.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、画素が電荷格納部を保有することで全画素同時の電子シャッタ動作を行うことができる固体撮像装置において、半導体領域の深い所で発生した電荷が電荷格納部に入るのを低減してノイズを低減することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is generated in a deep portion of a semiconductor region in a solid-state imaging device capable of performing an electronic shutter operation simultaneously for all pixels by having a charge storage portion. It is an object of the present invention to provide a solid-state imaging device that can reduce noise by reducing the amount of charged charges entering the charge storage portion.
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様による固体撮像装置は、第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に配置された第2導電型の第2の半導体層と、複数の画素であって、各々の画素が、前記第2の半導体層に配置され光電変換された電荷を蓄積する前記第1導電型の電荷蓄積部を有する光電変換部、前記光電変換部から転送される電荷を蓄積する電荷格納部、所定部位の電荷量に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷格納部に電荷を転送する第1の転送ゲート部、及び、前記電荷格納部から前記所定部位に電荷を転送する第2の転送ゲート部を有する複数の画素と、を備えた固体撮像装置であって、前記複数の画素のうちの少なくとも1つの画素において、前記電荷格納部の少なくとも一部の下に前記第2の半導体層の一部を介して設けられ前記第2の半導体層よりも不純物濃度が高濃度である前記第2導電型の層を備えたものである。 In order to solve the above problems, a solid-state imaging device according to a first aspect of the present invention includes a first semiconductor layer of a first conductivity type and a second conductivity type of a second semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer. Two semiconductor layers and a plurality of pixels, wherein each pixel is disposed in the second semiconductor layer and has the first conductivity type charge accumulation unit for accumulating photoelectrically converted charges, A charge storage unit that accumulates charges transferred from the photoelectric conversion unit, an amplification unit that outputs a signal corresponding to a charge amount of a predetermined portion, and a first transfer gate that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the charge storage unit And a plurality of pixels having a second transfer gate unit that transfers charges from the charge storage unit to the predetermined part, wherein at least one of the plurality of pixels In the pixel, at least a part of the charge storage portion Those having a layer of said second conductivity type impurity concentration is higher concentration than said second semiconductor layer is provided through a portion of the under second semiconductor layer.
本発明の第2の態様による固体撮像装置は、第1導電型の第1の半導体層と、複数の画素であって、各々の画素が、前記第1の半導体層に配置され光電変換された電荷を蓄積する第2導電型の電荷蓄積部を有する光電変換部、前記光電変換部から転送される電荷を蓄積する電荷格納部、所定部位の電荷量に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷格納部に電荷を転送する第1の転送ゲート部、及び、前記電荷格納部から前記所定部位に電荷を転送する第2の転送ゲート部を有する複数の画素と、を備えた固体撮像装置であって、前記複数の画素のうちの少なくとも1つの画素において、前記電荷格納部の少なくとも一部の下に前記第1の半導体層の一部を介して設けられ電荷排出部をなすかあるいは電荷排出部に電気的に接続された前記第2導電型の層を備えたものである。 The solid-state imaging device according to the second aspect of the present invention includes a first semiconductor layer of a first conductivity type and a plurality of pixels, each pixel being disposed in the first semiconductor layer and subjected to photoelectric conversion. A photoelectric conversion unit having a charge accumulation unit of a second conductivity type for accumulating charges, a charge storage unit for accumulating charges transferred from the photoelectric conversion unit, an amplification unit for outputting a signal corresponding to the charge amount of a predetermined part, A plurality of pixels having a first transfer gate portion that transfers charges from the photoelectric conversion portion to the charge storage portion, and a second transfer gate portion that transfers charges from the charge storage portion to the predetermined portion. A solid-state imaging device, wherein at least one of the plurality of pixels includes a charge discharging unit provided via at least a part of the first semiconductor layer under at least a part of the charge storage unit. Either electrically or electrically Those having a layer of connection to said second conductivity type.
本発明の第3の態様による固体撮像装置は、第1導電型の第1の半導体層と、複数の画素であって、各々の画素が、前記第1の半導体層に配置され光電変換された電荷を蓄積する第2導電型の電荷蓄積部を有する光電変換部、前記光電変換部から転送される電荷を蓄積する電荷格納部、所定部位の電荷量に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷格納部に電荷を転送する第1の転送ゲート部、及び、前記電荷格納部から前記所定部位に電荷を転送する第2の転送ゲート部を有する複数の画素と、を備えた固体撮像装置であって、前記複数の画素のうちの少なくとも1つの画素において、前記電荷格納部の少なくとも一部の下に前記第1の半導体層の一部を介して設けられ前記電荷蓄積部に電気的に接続された前記第2導電型の層を備えたものである。 A solid-state imaging device according to a third aspect of the present invention includes a first conductive type first semiconductor layer and a plurality of pixels, each pixel being disposed in the first semiconductor layer and subjected to photoelectric conversion. A photoelectric conversion unit having a charge accumulation unit of a second conductivity type for accumulating charges, a charge storage unit for accumulating charges transferred from the photoelectric conversion unit, an amplification unit for outputting a signal corresponding to the charge amount of a predetermined part, A plurality of pixels having a first transfer gate portion that transfers charges from the photoelectric conversion portion to the charge storage portion, and a second transfer gate portion that transfers charges from the charge storage portion to the predetermined portion. In the solid-state imaging device, in at least one of the plurality of pixels, the charge storage unit is provided via at least a part of the first semiconductor layer below at least a part of the charge storage unit. The second conductivity electrically connected to Those having a layer.
本発明によれば、画素が電荷格納部を保有することで全画素同時の電子シャッタ動作を行うことができる固体撮像装置において、半導体領域の深い所で発生した電荷が電荷格納部に入るのを低減してノイズを低減することができる固体撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, in a solid-state imaging device capable of performing an electronic shutter operation simultaneously for all pixels by having a charge storage unit in a pixel, the charge generated in a deep region of the semiconductor region enters the charge storage unit. It is possible to provide a solid-state imaging device that can reduce noise by reducing the noise.
以下、本発明による固体撮像装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態] [First Embodiment]
図1は、本発明の第1の実施の形態による固体撮像装置の概略構成を示す電気回路図である。 FIG. 1 is an electric circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
図1では、本実施の形態による固体撮像装置は、2次元マトリクス状に配置した2列×2行=4個の画素10を有するものとして示している。その画素数は、特に限定されるものではないが、実際には、例えば、各行や各列には、数十から数千の画素が配置され、画素数を多くして解像度を高める。なお、本発明は、2次元イメージセンサのみならず、1次元イメージセンサにも適用可能である。
In FIG. 1, the solid-state imaging device according to the present embodiment is illustrated as having 2 columns × 2 rows = 4
各画素10は、図1に示すように、入射光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部としてのフォトダイオード1と、フォトダイオード1から転送される電荷を蓄積する電荷格納部3と、所定部位としてのフローティングディフュージョン(FD)4と、所定部位(本実施の形態では、FD4)の電荷量に応じた信号を出力する増幅部としてのMOSトランジスタ(増幅用トランジスタ)7と、FD4の電荷を排出するリセットゲート部6と、フォトダイオード1から電荷格納部3に電荷を転送する第1の転送ゲート部11と、第1の転送ゲート部11を構成するゲート電極及び電荷格納部3用のゲート電極の両ゲート電極として機能する電極2と、電荷格納部3からFD4に電荷を転送する第2の転送ゲート部5と、フォトダイオード1で生成された電荷であって画像形成に寄与しない不要電荷をフォトダイオード1から排出させる不要電荷排出ゲート部としてのMOSトランジスタ(不要電荷排出用トランジスタ)8と、MOSトランジスタからなる垂直選択スイッチ9と、を備えている。
As shown in FIG. 1, each
また、本実施の形態による固体撮像装置は、図1に示すように、複数の画素10からなる撮像部の他に、撮像部の外側に設けられた駆動制御部と、CDS(Correlated Double Sampling;相関2重サンプリング)回路51とを備えている。前記駆動制御部は、水平走査回路52、垂直走査回路53、MOSトランジスタからなる水平選択スイッチ54、出力バッファアンプ55などを備えている。
Further, as shown in FIG. 1, the solid-state imaging device according to the present embodiment has a drive control unit provided outside the imaging unit, a CDS (Correlated Double Sampling; (Correlated double sampling)
図1に示すように、全画素10の不要電荷排出用トランジスタ8のゲート電極は、共通に接続されており、垂直走査回路53から駆動パルスφPDRSTを受ける。全画素10の電極2(第1の転送ゲート部11のゲート電極及び電荷格納部3用のゲート電極を兼ねる電極)は、共通に接続されており、垂直走査回路53から駆動パルスφSTGを受ける。
As shown in FIG. 1, the gate electrodes of the unnecessary
図1に示すように、垂直選択スイッチ9の一端は、列毎に垂直信号線50に接続され、更には列毎に設けられたCDS回路51に接続されている。CDS回路51により処理された信号は、水平選択スイッチ54を介して出力バッファ55に入力され、出力端子Voutから撮像信号として図示しない外部回路に供給される。水平選択スイッチ54は、水平走査回路52によって制御される。
As shown in FIG. 1, one end of the
図1に示すように、第2の転送ゲート部5のゲート電極は、行毎に接続されており、行毎に垂直走査回路53から駆動パルスφTX(1),φTX(2)をそれぞれ受ける。垂直選択スイッチ9のゲート電極は、行毎に接続されており、行毎に垂直走査回路53から駆動パルスφSEL(1),φSEL(2)をそれぞれ受ける。リセットゲート部6のゲート電極は、行毎に接続されており、行毎に垂直走査回路53から駆動パルスφRST(1),φRST(2)をそれぞれ受ける。
As shown in FIG. 1, the gate electrode of the second
次に、本実施の形態による固体撮像装置の動作について、図2を参照して説明する。図2は、本実施の形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。なお、図2では、各駆動パルスがハイのときに、対応するトランジスタがオンするものとしている。 Next, the operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the solid-state imaging device according to this embodiment. In FIG. 2, it is assumed that the corresponding transistor is turned on when each drive pulse is high.
まず、φPDRSTをハイにして全画素10の不要電荷排出用トランジスタ8を同時にオンし、全画素10のフォトダイオード1に貯まっている電荷を電源VDDに捨てる。
First, φPDRST is set to high to turn on the unnecessary
次に、φPDRSTをローにして全画素10の不要電荷排出用トランジスタ8を同時にオフし、全画素10のフォトダイオード1における電荷の蓄積を始める。この時、電荷格納部3に貯まっていた電荷は前の読出し時に順次読み出されて電荷格納部3は空になっているとしているが、別途電荷格納部3をリセットするタイミングを設けてもよい。
Next, φPDRST is set to low to turn off unnecessary
次いで、φPDRSTをローにしてから所定の蓄積時間を経過する前にφSTGをハイにして全画素10の第1の転送ゲート部11を同時にオンして、フォトダイオード1に貯まっている電荷を電荷格納部3に転送し、φSTGをローにして全画素10の第1の転送ゲート部11をオフにする。図2に示すように、φPDRSTをローにしてからφSTGを再度ローにするまでの時間が、蓄積露光時間(電子シャッタの時間)となる。なお、φSTGをハイにしてフォトダイオード1から第1の転送ゲート部2へ電荷を転送する際には、φSTGの電位は、フォトダイオード1からの電荷を完全転送できる電位にする。
Next, before the predetermined accumulation time has elapsed since φPDRST was set to low, φSTG was set to high to turn on the
次に、φPDRSTをハイにして全画素10の不要電荷排出用トランジスタ8をオンしてフォトダイオード1をリセットする。これにより、電荷格納部3に貯まっている電荷を読み出す間にフォトダイオード1に貯まりフォトダイオード1の最大蓄積電荷を超えた時に電荷が電荷格納部3へ溢れてしまうのを、防ぐ。あるいは、次の電荷の蓄積に備えてフォトダイオード1を電源VDDにリセットする。電荷格納部3に電荷を蓄積している間は、φSTGの電位として、電荷格納部3の表面に反転層を形成するような電位を加えてもよく、これにより蓄積中の暗電流の発生を防ぐことができるようになっている。
Next, φPDRST is set to high to turn on the unnecessary
その後、φSEL(1)をハイにして1行目の垂直選択スイッチ9をオンし、1行目の画素10を選択する。この選択状態において、φRST(1)をハイにしてリセットゲート部6をオンすることで、増幅用トランジスタ7のゲート電極に接続されているFD4のリセットを行う。このときの増幅用トランジスタ7からのリセット時出力は、垂直信号線50を介してCDS回路51に保存される。次に、φRST(1)をローにして、リセットゲート部6をオフする。次いで、φTX(1)をハイにして1行目の画素10の第2の転送ゲート部5をオンし、1行目の画素10の電荷格納部3にある電荷をFD4へ転送させる。このとき、φTX(1)の電位は、電荷格納部3からFD4へ電荷を完全転送できる電位にする。FD4の電荷量に応じた増幅された電位が、垂直出力線50を通してCDS回路51に送られる。CDS回路51では、先ほど保存したリセット時出力との差を1行目の画素10の画素信号として出力する。そして、これらの1行目の画素10の画素信号は、水平走査回路52により水平選択スイッチ54を順次オンすることで、出力バッファアンプ55を経て出力端子Voutからシリアルに出力される。
Thereafter, φSEL (1) is set high to turn on the
その後、φSEL(1)をローにした後に、φSEL(2)をハイにして2行目の垂直選択スイッチ9をオンし、2行目の画素10を選択する。この選択状態において、図2に示すように、駆動パルスφTX(2),φRST(2)の状態を、φSEL(1)をハイにした状態における駆動パルスφTX(1),φRST(1)の状態と同様の状態とする。これにより、2行目の画素10に関して、先に説明した1行目の画素10と同様の読み出し動作が行われる。
Thereafter, φSEL (1) is set to low, then φSEL (2) is set to high, and the
以上の説明からわかるように、全画素同時の電子シャッタ動作が実現される。 As can be seen from the above description, an electronic shutter operation simultaneously for all pixels is realized.
ここで、本実施の形態による固体撮像装置の画素の断面構造について、図3を参照して説明する。図3は画素を模式的に示す概略断面図である。図3には、P型ウエル22の深い所でかつ電荷格納部3に比較的近い所で発生した電荷qの様子も模式的に示している。
Here, a cross-sectional structure of a pixel of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing a pixel. FIG. 3 also schematically shows the state of the charge q generated at a location deep in the P-
図3に示すように、1つの半導体層を構成しているN型のシリコン基板21の表面側領域に、例えばボロンを注入して熱拡散させることで半導体層としてのP型ウエル22が形成されている。このようにシリコン基板21の表面側領域自体をP型ウエル22にする代わりに、例えば、シリコン基板21上に成長させたエピタキシャル層によってP型層22を構成してもよい。
As shown in FIG. 3, a P-type well 22 as a semiconductor layer is formed by injecting, for example, boron into a surface side region of an N-
図3に示すように、フォトダイオード1は、P型ウエル22に形成された電荷蓄積部(光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部)としてのN型層23と、N型層23の表面側に形成されたP型の空乏化防止層24とを有し、埋め込みフォトダイオードとして構成されている。ここでは、埋め込みフォトダイオードを示したが、空乏化防止層24を有していないフォトダイオードを用いてもよい。
As shown in FIG. 3, the
電荷格納部3は、図3に示すように、P型ウエル22に形成されたN型層(N+)で構成されている。電荷格納部3上には、ポリシリコンからなる電極2の、電荷格納部3用のゲート電極に相当する部分2aが形成されており、電荷格納部3は、事実上、ゲートを持つMOSダイオードとして構成されている。
As shown in FIG. 3, the
電極2は、図3に示すように、前記部分2aの他に、電荷格納部3とフォトダイオード1との間の上に形成された部分2bを有している。第1の転送ゲート部11は、電極2の部分2bをゲートとするとともに電荷格納部3及びフォトダイオード1のN型層23をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして、構成されている。
As shown in FIG. 3, the
また、P型ウエル22には、図3に示すように、N型層(N+)からなるFD4が、形成されている。電荷格納部3とFD4との間の上にポリシリコンからなるゲート電極5aが形成され、第2の転送ゲート部5は、ゲート電極5aをゲートとするとともに電荷格納部3及びFD4をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして、構成されている。
Further, as shown in FIG. 3, the P-
また、P型ウエル22には、図3に示すように、N型層(N+)25が形成されている。図面には示していないが、N型層25は、電源VDDに接続されており、電荷排出領域となっている。FD4とN型層25との間の上にポリシリコンからなるゲート電極6aが形成され、リセットゲート部6は、ゲート電極6aをゲートとするとともにFD4及びN型層25をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして、構成されている。
Further, as shown in FIG. 3, an N-type layer (N + ) 25 is formed in the P-
さらに、P型ウエル22には、図3に示すように、N型層(N+)26が形成されている。図面には示していないが、N型層26は、電源VDDに接続されており、電荷排出領域となっている。フォトダイオード1のN型層23とN型層26との間の上にポリシリコンからなるゲート電極8aが形成され、不要電荷排出用トランジスタ8は、ゲート電極8aをゲートとするとともにフォトダイオード1のN型層23とN型層26をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして、構成されている。
Further, as shown in FIG. 3, an N-type layer (N + ) 26 is formed in the P-
図3には現れていないが、増幅用トランジスタ7及び垂直選択スイッチ9も、第2の転送ゲート部5やリセットゲート部6や不要電荷排出用トランジスタ8と同様に、MOSトランジスタとして構成されている。
Although not appearing in FIG. 3, the
なお、図3において、27は薄い絶縁膜、28は層間絶縁膜、29は配線を兼ねる遮光層である。層間絶縁膜28中にも配線層が配置されるが、図3ではその図示は省略している。また、図3では、周知のマイクロレンズやカラーフィルタ等の図示も省略している。
In FIG. 3,
そして、本実施の形態では、図3に示すように、各画素において、P型ウエル22の内部には、N型の電荷格納部3の下にP型ウエル22の一部を介してP型(ウエル22と同じ導電型)の層30が配置されている。P型層30の深さ(P型ウエル22の上面からP型層30の不純物濃度が最大となるところまでの距離)は、例えば、0.5μm〜2μmとされる。本実施の形態では、N型の電荷格納部3の全体の下にP型層30が形成されているが、N型の電荷格納部3の一部のみの下にP型層30を形成してもよい。P型層30は、フォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23の下には形成されていない。本実施の形態では、P型層30は、FD4やN型層25の下など、電荷蓄積部としてのN型層23の下を除く大部分の領域に形成されているが、これに限定されるものではない。P型層30の不純物濃度は、P型ウエル22の不純物濃度よりも高くされ、例えば、1×1018/cm3とされる。P型層30の不純物濃度は、P型ウエル22の不純物濃度よりも1桁以上高いことが好ましいが、これに限定されず、P型ウエル22の不純物濃度よりも高ければよい。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, in each pixel, the P-
次に、図2を参照して説明した動作時の電荷Qの転送の様子について、図4を参照して説明する。図4は、各状態における図3中のA−A’線に沿ったポテンシャル図である。 Next, how the charge Q is transferred during the operation described with reference to FIG. 2 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a potential diagram along the line A-A ′ in FIG. 3 in each state.
図4(a)は、図2中の蓄積露光期間においてφSTGがハイになる前の状態を示している。この状態では、フォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23に電荷Qが蓄積される。
FIG. 4A shows a state before φSTG goes high in the accumulated exposure period in FIG. In this state, charge Q is accumulated in the N-
図4(b)は、図2中の蓄積露光期間の終了直前(φSTGがハイからローになる直前で、かつ、φPDRSTがローからハイになる直前)の状態を示している。この状態は、第1の転送ゲート部11がオンにされて、フォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23に蓄積されていた電荷Qが、電荷格納部3に転送された状態となっている。
FIG. 4B shows a state immediately before the end of the accumulation exposure period in FIG. 2 (just before φSTG changes from high to low and immediately before φPDRST changes from low to high). In this state, the first
図4(c)は、図2中の蓄積露光期間の終了後に、当該画素行のφTX(例えば、第1画素行の場合はφTX(1))がハイになる前の状態を示している。この状態では、φSTGがローにされて第1の転送ゲート部11がオフにされることで、電荷格納部3に電荷Qが保持され続ける一方、φPDRSTがハイにされて不要電荷排出用トランジスタ8がオンにされて、蓄積露光期間の終了後にフォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23に入る不要電荷(図示せず)が電荷排出領域26へ排出される。これによって、電荷蓄積部としてのN型層23から不要電荷が電荷格納部3へオーバーフローすることはない。
FIG. 4C shows a state before φTX of the pixel row (for example, φTX (1) in the case of the first pixel row) becomes high after the accumulation exposure period in FIG. 2 ends. In this state, φSTG is set to low and the first
図4(d)は、当該画素行のφTX(例えば、第1画素行の場合はφTX(1))がハイにされた状態を示している。この状態は、第2の転送ゲート部5がオンにされて、電荷格納部3に蓄積されていた電荷QがFD4に転送された状態である。
FIG. 4D shows a state in which φTX of the pixel row (for example, φTX (1) in the case of the first pixel row) is set to high. In this state, the second
次に、高濃度のP型層30の作用について、図3及び図5を参照して説明する。図5は、図4(c)と同じ状態(電荷格納部3に信号電荷Qが保持されている状態)における図3中のB−B’線に沿ったポテンシャル図である。
Next, the operation of the high concentration P-
入射光によって、P型ウエル22の比較的深い所においても電荷が発生する。このような電荷のうち電荷格納部3に比較的近い所で発生した電荷qを、図3中に模式的に示している。
Charges are generated by the incident light even at a relatively deep location in the P-
このような電荷qの一部は、フォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23に入る。図4(c)に示すように電荷格納部3に信号電荷Qが蓄積されている状態では、電荷qのうち電荷蓄積部としてのN型層23に入った電荷は、電荷排出領域26へ排出されるため、信号電荷Qを蓄積している電荷格納部3内に入ることがなく、ノイズ電荷とならない。
A part of such charge q enters the N-
本実施の形態では、図5に示すように、高濃度のP型層30によって、P型ウエル22にポテンシャルの勾配ができるようになる。この勾配によって、前記電荷qのうち電荷蓄積部としてのN型層23に入らないとともにP型層30より深い所で発生した電荷は、図3及び図5に示すように、電荷格納部3へ入らずに、N型のシリコン基板21へドリフトしてN型のシリコン基板21に吸収され、ノイズ電荷とならない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, a high-concentration P-
したがって、本実施の形態によれば、P型ウエル22の深い所で発生した電荷qが、信号電荷Qを一時的に蓄積している電荷格納部3に入るのを、低減することができ、これによりノイズを低減することができる。
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to reduce the charge q generated deep in the P-type well 22 from entering the
ここで、本実施の形態と比較される比較例による固体撮像装置について、図6及び図7を参照して説明する。 Here, a solid-state imaging device according to a comparative example compared with the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図6は、この比較例による固体撮像装置の画素を模式的に示す概略断面図であり、図3に対応している。図7は、電荷格納部3に信号電荷Qが保持されている状態における図6中のC−C’に沿ったポテンシャル図であり、図5に対応している。図6及び図7において、図3及び図5中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view schematically showing a pixel of the solid-state imaging device according to this comparative example, and corresponds to FIG. FIG. 7 is a potential diagram along C-C ′ in FIG. 6 in a state where the signal charge Q is held in the
この比較例が本実施の形態と異なる所は、P型ウエル22には高濃度のP型層30が設けられていない点のみである。この比較例は、前述した従来技術に相当している。
This comparative example is different from the present embodiment only in that the P-
この比較例では、本実施の形態と異なり高濃度のP型層30が形成されていないので、P型ウエル22の比較的深い所でかつ電荷格納部3に比較的近い所で発生した電荷qのうち、フォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23に入らない電荷は、信号電荷Qを蓄積している電荷格納部3内に入ってしまい、ノイズ電荷となってしまう。
In this comparative example, unlike the present embodiment, the high-concentration P-
これに対し、本実施の形態では、高濃度のP型層30が形成されているので、このような電荷は、図3及び図5に示すように、電荷格納部3へ入らずに、N型のシリコン基板21へドリフトしてN型のシリコン基板21に吸収され、ノイズ電荷とならないのである。
On the other hand, in the present embodiment, since the high-concentration P-
[第2の実施の形態] [Second Embodiment]
図8は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像装置の画素を模式的に示す概略断面図であり、図3に対応している。図9は、電荷格納部3に信号電荷Qが保持されている状態における図8中のD−D’に沿ったポテンシャル図であり、図5に対応している。図8及び図9において、図3及び図5中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view schematically showing a pixel of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. FIG. 9 is a potential diagram along D-D ′ in FIG. 8 in a state where the signal charge Q is held in the
本実施の形態による固体撮像装置が前記第1の実施の形態による固体撮像装置と異なる所は、高濃度のP型層30の代わりに、N型(ウエル22とは逆導電型)の層40がP型ウエル22に配置されている点のみである。N型層40は、N型の電荷格納部3の下にP型ウエル22の一部を介して配置されている。N型層40は、リセットゲート部6のドレインを構成するN型の電荷排出領域25に接続されている。N型層40は、電荷排出領域25に接続する代わりに、不要電荷排出用トランジスタ8のドレインを構成する電荷排出領域26に接続してもよい。また、N型層40を、電荷排出領域25,26などの他の電荷排出領域を介することなく、直接的に電源VDDに接続して、N型層40自身を電荷排出領域としてもよい。
The solid-state imaging device according to the present embodiment differs from the solid-state imaging device according to the first embodiment in that an N-type layer 40 (opposite conductivity type to the well 22) is used instead of the high-concentration P-
N型層40の深さ(P型ウエル22の上面からN型層40の不純物濃度が最大となるところまでの距離)は、例えば、0.5μm〜2μmとされる。本実施の形態では、N型の電荷格納部3の全体の下にN型層40が形成されているが、N型の電荷格納部3の一部のみの下にN型層40を形成してもよい。N型層40は、フォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23の下には形成されていない。本実施の形態では、N型層40は、FD4やN型層25の下など、電荷蓄積部としてのN型層23の下を除く大部分の領域に形成されているが、これに限定されるものではない。N型層40の不純物濃度は、N型で例えば1×1017/cm3であるが、N型層40の領域においてP型ウエル22がN型に反転していればその濃度はいずれでも良い。
The depth of the N-type layer 40 (the distance from the upper surface of the P-type well 22 to the place where the impurity concentration of the N-
次に、N型層40の作用について、図8及び図9を参照して説明する。
Next, the operation of the N-
なお、第1の実施の形態に関して図2及び図4を参照して説明した動作説明は、本実施の形態においてもそのまま適合し、図9は図4(c)と同じ状態を示している。 Note that the description of the operation described with reference to FIGS. 2 and 4 with respect to the first embodiment also applies to this embodiment as it is, and FIG. 9 shows the same state as FIG.
本実施の形態では、N型層40が形成されているので、P型ウエル22の比較的深い所でかつ電荷格納部3に比較的近い所で発生した電荷qのうち、フォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23に入らないとともにN型層40より深い所で発生した電荷は、図8及び図9に示すように、電荷格納部3へ入らずに、N型層40に吸い込まれ、N型層40によって積極的に集められる。N型層40に吸い込まれた電荷は、電荷排出領域25を介して電源VDDに捨てられる。
In the present embodiment, since the N-
したがって、本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様に、P型ウエル22の深い所で発生した電荷qが、信号電荷Qを一時的に蓄積している電荷格納部3に入るのを、低減することができ、これによりノイズを低減することができる。
Therefore, also in the present embodiment, as in the first embodiment, the charge q generated in the deep portion of the P-
[第3の実施の形態] [Third Embodiment]
図10は、本発明の第3の実施の形態による固体撮像装置の画素を模式的に示す概略断面図であり、図3に対応している。図10において、図3中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view schematically showing a pixel of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 10, elements that are the same as or correspond to those in FIG. 3 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
本実施の形態による固体撮像装置が前記第1の実施の形態による固体撮像装置と異なる所は、以下に説明する点のみである。 The solid-state imaging device according to the present embodiment is different from the solid-state imaging device according to the first embodiment only in the points described below.
本実施の形態では、高濃度のP型層30の代わりに、N型(ウエル22とは逆導電型)の層50がP型ウエル22に配置されている。N型層50は、N型の電荷格納部3の下にP型ウエル22の一部を介して配置されている。N型層50は、前記第2の実施の形態を示す図8中のN型層40と異なり、電荷排出領域25に接続されるのではなく、フォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23に接続されている。
In this embodiment, instead of the high-concentration P-
N型層50の深さ(P型ウエル22の上面からN型層50の不純物濃度が最大となるところまでの距離)は、例えば、0.5μm〜2μmとされる。本実施の形態では、N型の電荷格納部3の全体の下にN型層50が形成されているが、N型の電荷格納部3の一部のみの下にN型層50を形成してもよい。本実施の形態では、N型層50は、フォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23の全体の下にも形成されているが、これに限定されない。本実施の形態では、N型層50は、FD4やN型層25の下など、電荷蓄積部としてのN型層23の下を含む大部分の領域に形成されているが、これに限定されるものではない。N型層50の不純物濃度は、N型で例えば1×1017/cm3であるが、N型層50の領域においてP型ウエル22がN型に反転していればその濃度はいずれでも良い。
The depth of the N-type layer 50 (the distance from the upper surface of the P-type well 22 to the place where the impurity concentration of the N-
次に、N型層50の作用について、図10を参照して説明する。
Next, the operation of the N-
本実施の形態では、N型層50が形成されているので、P型ウエル22の比較的深い所で発生しN型層50より深い所で発生した電荷は、電荷格納部3に比較的近い所で発生した電荷qも含めて、図10に示すように、電荷格納部3へ入らずに、N型層50に吸い込まれ、N型層50によって積極的に集められる。信号電荷Qが電荷格納部3に一時的に蓄積されている状態(後述する図11(c)参照。)では、不要電荷排出用トランジスタ8がオンにされているので、N型層50によって集められた電荷qは、電荷排出領域26を介して電源VDDに捨てられる。
In the present embodiment, since the N-
したがって、本実施の形態によっても、前記第1及び第2の実施の形態と同様に、P型ウエル22の深い所で発生した電荷qが、信号電荷Qを一時的に蓄積している電荷格納部3に入るのを、低減することができ、これによりノイズを低減することができる。
Therefore, also in the present embodiment, as in the first and second embodiments, the charge q generated in the deep portion of the P-type well 22 stores the signal charge Q temporarily. Entering the
また、本実施の形態では、図2中の露光蓄積期間においては、前記第2の実施の形態に比べて、より多くの電荷を信号電荷としてフォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23へ取り込むことができ、光の利用効率を向上することができるという利点も得ることができる。すなわち、前記第2の実施の形態では、図8から理解できるように、露光蓄積期間中においても、P型ウエル22の比較的深い所でかつ電荷格納部3に比較的近い所で発生した電荷qの一部は、電荷排出領域25に接続されたN型層40に吸い込まれ、電荷排出領域25を介して電源VDDに捨てられてしまう。これに対し、本実施の形態では、このような電荷も、フォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23に接続されたN型層50へ吸い込まれ、電荷蓄積部としてのN型層23に取り込まれるので、信号電荷として利用することができるのである。
Further, in the present embodiment, during the exposure accumulation period in FIG. 2, the N-
なお、第1の実施の形態に関して図2を参照して説明した動作説明は、本実施の形態においてもそのまま適合する。 Note that the description of the operation described with reference to FIG. 2 regarding the first embodiment also applies to this embodiment as it is.
さらに、本実施の形態では、図10から理解できるように、図2中の露光蓄積期間において、信号電荷をフォトダイオード1の電荷蓄積部としてのN型層23のみならずN型層50にも蓄積することができる。すなわち、フォトダイオード1の取り扱い電荷量を増大することができる。言い換えると、電荷蓄積部としてのN型層23の取り扱い電荷量を下げても、全体として十分な取り扱い電荷量を維持できる。電荷蓄積部としてのN型層23の取り扱い電荷量を下げると、電荷の読み残しが発生し難くなる。よって、本実施の形態によれば、十分な取り扱い電荷量を維持しながら、電荷の読み残しを発生し難くすることができるという利点が得られる。
Furthermore, in this embodiment, as can be understood from FIG. 10, in the exposure accumulation period in FIG. 2, the signal charge is applied not only to the N-
以下に、この点について、図11を参照して説明する。図11は、各状態における図10中のE−E’線に沿ったポテンシャル図であり、図4に対応している。図11(a)〜(d)は図4(a)〜(d)とそれぞれ同じ状態を示しているので、その重複する説明は省略する。 This point will be described below with reference to FIG. FIG. 11 is a potential diagram along line E-E ′ in FIG. 10 in each state, and corresponds to FIG. 4. FIGS. 11A to 11D show the same state as FIGS. 4A to 4D, respectively, and therefore redundant description thereof is omitted.
取り扱い電荷量は、ポテンシャル井戸の深さとその面積で決まる。本実施の形態では、電荷蓄積部としてのN型層23のみならずN型層50にも信号電荷を蓄えることができるため、図11(a)に示すように図4(a)に比べて電荷蓄積部としてのN型層23のポテンシャル井戸の深さを浅くしても、全体として、前記第1の実施の形態の場合と同じ取り扱い電荷量を維持できる。
The amount of charge handled is determined by the depth and area of the potential well. In the present embodiment, since signal charges can be stored not only in the N-
本実施の形態では、図11(a)に示すように電荷蓄積部としてのN型層23のポテンシャル井戸が浅く設定されているので、図11(b)に示すように、電荷格納部3へ信号電荷を転送する際の、電極2の部分2b下のポテンシャル段差Δが、図4(b)の場合に比べて大きくなる。したがって、本実施の形態によれば、信号電荷Qの電荷格納部3への転送が、前記第1の実施の形態に比べて、より容易になる。これによって、本実施の形態によれば、電荷の読み残しが発生し難くなるのである。
In the present embodiment, as shown in FIG. 11A, the potential well of the N-
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
例えば、前記各実施の形態において、前述した各部の導電型は逆導電型にしてもよい。 For example, in each of the embodiments, the conductivity type of each part described above may be a reverse conductivity type.
また、本発明は、特許文献1,2に開示されているような増幅部に接合型電界効果トランジスタを用いた固体撮像装置にも、適用することができる。
The present invention can also be applied to a solid-state imaging device using a junction field effect transistor in an amplifying unit as disclosed in
1 フォトダイオード
3 電荷格納部
4 フローティングディフュージョン
5 第2の転送ゲート部
7 増幅用トランジスタ
11 第1の転送ゲート部
21 N型シリコン基板
22 P型ウエル
23 電荷蓄積部としてのN型層
30 P型層
40,50 N型層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記第1の半導体層の上に配置された第2導電型の第2の半導体層と、
複数の画素であって、各々の画素が、前記第2の半導体層に配置され光電変換された電荷を蓄積する前記第1導電型の電荷蓄積部を有する光電変換部、前記光電変換部から転送される電荷を蓄積する電荷格納部、所定部位の電荷量に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷格納部に電荷を転送する第1の転送ゲート部、及び、前記電荷格納部から前記所定部位に電荷を転送する第2の転送ゲート部を有する複数の画素と、
を備えた固体撮像装置であって、
前記複数の画素のうちの少なくとも1つの画素において、前記電荷格納部の少なくとも一部の下に前記第2の半導体層の一部を介して設けられ前記第2の半導体層よりも不純物濃度が高濃度である前記第2導電型の層を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A second semiconductor layer of a second conductivity type disposed on the first semiconductor layer;
A plurality of pixels, each of which is arranged in the second semiconductor layer and has a charge storage unit of the first conductivity type that stores the photoelectrically converted charge, and is transferred from the photoelectric conversion unit A charge storage unit for storing the generated charge, an amplifying unit for outputting a signal corresponding to a charge amount of a predetermined part, a first transfer gate unit for transferring the charge from the photoelectric conversion unit to the charge storage unit, and the charge A plurality of pixels having a second transfer gate portion for transferring charge from the storage portion to the predetermined portion;
A solid-state imaging device comprising:
In at least one of the plurality of pixels, the impurity concentration is higher than that of the second semiconductor layer, which is provided below at least a portion of the charge storage portion via a portion of the second semiconductor layer. A solid-state imaging device comprising the second conductivity type layer having a concentration.
複数の画素であって、各々の画素が、前記第1の半導体層に配置され光電変換された電荷を蓄積する第2導電型の電荷蓄積部を有する光電変換部、前記光電変換部から転送される電荷を蓄積する電荷格納部、所定部位の電荷量に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷格納部に電荷を転送する第1の転送ゲート部、及び、前記電荷格納部から前記所定部位に電荷を転送する第2の転送ゲート部を有する複数の画素と、
を備えた固体撮像装置であって、
前記複数の画素のうちの少なくとも1つの画素において、前記電荷格納部の少なくとも一部の下に前記第1の半導体層の一部を介して設けられ電荷排出部をなすかあるいは電荷排出部に電気的に接続された前記第2導電型の層を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A plurality of pixels, each of which is transferred from the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion unit having a second conductivity type charge storage unit that is arranged in the first semiconductor layer and stores the photoelectrically converted charge; A charge storage unit that accumulates charges, an amplification unit that outputs a signal corresponding to the amount of charge at a predetermined site, a first transfer gate unit that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the charge storage unit, and the charge storage A plurality of pixels having a second transfer gate portion for transferring charges from the portion to the predetermined portion;
A solid-state imaging device comprising:
In at least one pixel of the plurality of pixels, the charge discharging unit is provided below at least a part of the charge storage unit via a part of the first semiconductor layer, or is electrically connected to the charge discharging unit. A solid-state imaging device comprising: the second conductivity type layers connected in an electrically connected manner.
複数の画素であって、各々の画素が、前記第1の半導体層に配置され光電変換された電荷を蓄積する第2導電型の電荷蓄積部を有する光電変換部、前記光電変換部から転送される電荷を蓄積する電荷格納部、所定部位の電荷量に応じた信号を出力する増幅部、前記光電変換部から前記電荷格納部に電荷を転送する第1の転送ゲート部、及び、前記電荷格納部から前記所定部位に電荷を転送する第2の転送ゲート部を有する複数の画素と、
を備えた固体撮像装置であって、
前記複数の画素のうちの少なくとも1つの画素において、前記電荷格納部の少なくとも一部の下に前記第1の半導体層の一部を介して設けられ前記電荷蓄積部に電気的に接続された前記第2導電型の層を備えたことを特徴とする固体撮像装置。 A first semiconductor layer of a first conductivity type;
A plurality of pixels, each of which is transferred from the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion unit having a second conductivity type charge storage unit that is arranged in the first semiconductor layer and stores the photoelectrically converted charge; A charge storage unit that accumulates charges, an amplification unit that outputs a signal corresponding to the amount of charge at a predetermined site, a first transfer gate unit that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the charge storage unit, and the charge storage A plurality of pixels having a second transfer gate portion for transferring charges from the portion to the predetermined portion;
A solid-state imaging device comprising:
In at least one of the plurality of pixels, the charge storage unit is provided below at least a part of the charge storage unit via a part of the first semiconductor layer and is electrically connected to the charge storage unit. A solid-state imaging device comprising a second conductivity type layer.
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