JP2009296016A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子の画素レイアウトに関するものである。 The present invention relates to a pixel layout of a solid-state image sensor.
近年、携帯機器、モバイル機器などに装着されるカメラモジュールへのCMOSイメージセンサ(固体撮像素子)の適用が進んでいるが、センサの高解像度化、及び、モジュールの小型化の要求が非常に強い。モジュールの小型化のためには、センサの画素ピッチを縮小することが必要である。 In recent years, the application of CMOS image sensors (solid-state imaging devices) to camera modules mounted on portable devices, mobile devices, etc. has progressed, but there is a strong demand for higher sensor resolution and smaller modules. . In order to reduce the size of the module, it is necessary to reduce the pixel pitch of the sensor.
従来の固体撮像素子の画素レイアウトの例として、たとえば文献(Sunetra K. Mendis et al., "CMOS Active Pixel Image Sensors for Highly Integrated Imaging Systems", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32, no. 2, pp. 187-197 (1977))や特開平11−195776号公報に記載されたものがある。特開平11−195776号公報に記載された一般的な画素レイアウトでは、種々の条件を考慮している。光電変換部(フォトダイオード)の面積を大きくするために、それ以外の構成部材(転送スイッチ、フローティングディフュージョン部、リセットスイッチ、選択スイッチ、増幅部、出力部、電源など)はその周囲に高密度に配置される。画素の開口率を上げるために、コンタクトの数を少なくし、可能な限り同一の拡散領域になるようにする。フローティングディフュージョン部と増幅部との接続線を短くするため、1つのフォトダイオードの信号の出力は、同じ行の隣のフォトダイオードの側に設けられた増幅器と出力部を介して行う。1つのフォトダイオードのフローティングディフュージョン部と隣のフォトダイオードの増幅部との間がポリシリコン相とアルミ層を用いて接続される。 As an example of a pixel layout of a conventional solid-state imaging device, for example, literature (Sunetra K. Mendis et al., “CMOS Active Pixel Image Sensors for Highly Integrated Imaging Systems”, IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32, no. 2, pp. 187-197 (1977)) and JP-A-11-195576. In the general pixel layout described in JP-A-11-195576, various conditions are taken into consideration. In order to increase the area of the photoelectric conversion unit (photodiode), other components (transfer switch, floating diffusion unit, reset switch, selection switch, amplification unit, output unit, power supply, etc.) are densely placed around them. Be placed. In order to increase the aperture ratio of the pixel, the number of contacts is reduced so that the same diffusion region is obtained as much as possible. In order to shorten the connection line between the floating diffusion section and the amplification section, the output of a signal from one photodiode is performed via an amplifier and an output section provided on the side of the adjacent photodiode in the same row. The floating diffusion part of one photodiode and the amplifying part of the adjacent photodiode are connected using a polysilicon phase and an aluminum layer.
画素ピッチをたとえば約4μm程度にする場合の最適レイアウト技術は従来は開示されていない。従来の画素レイアウト手法では、フォトダイオードの開口率を確保しながら画素ピッチを縮小することが困難であった。また、プロセスシュリンクに伴い、フォトダイオードからフローティングディフュージョン部への電荷転送を制御する電荷転送ゲートのゲート幅を大きく取ることがレイアウトの制約により困難となり、不完全転送によるノイズが発生しやすい。 Conventionally, an optimum layout technique when the pixel pitch is about 4 μm, for example, has not been disclosed. In the conventional pixel layout method, it is difficult to reduce the pixel pitch while ensuring the aperture ratio of the photodiode. In addition, with process shrinking, it becomes difficult to increase the gate width of the charge transfer gate that controls charge transfer from the photodiode to the floating diffusion portion due to layout restrictions, and noise due to incomplete transfer is likely to occur.
この発明の目的は、画素ピッチを縮小した固体撮像素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device with a reduced pixel pitch.
本発明に係る固体撮像素子は、複数の画素セルを行方向または列方向に並べた固体撮像素子であって、各画素セルは、光信号を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換部に蓄積された信号電荷を保持し電圧に変換して出力する転送トランジスタと、転送トランジスタにより転送された電荷を保持し電圧に変換して出力するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部の信号電位を増幅して外部に読み出すソースフォロアトランジスタと、信号電位を外部に読み出す画素を選択する選択トランジスタと、光電変換部をリセットするリセットトランジスタとを備える。ここで、ある1つの光電変換部につながり、リセットトランジスタ、ソースフォロアトランジスタ及びスイッチトランジスタを形成する拡散領域が、その光電変換部に隣接した光電変換部の近傍に形成され、また、上記の転送トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロアトランジスタ及び選択トランジスタが互いに並行に配置される。 A solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device in which a plurality of pixel cells are arranged in a row direction or a column direction. Each pixel cell includes a photoelectric conversion unit that converts an optical signal into an electric signal, and a photoelectric conversion unit. A transfer transistor that holds the signal charge accumulated in the transistor, converts it into a voltage and outputs it, a floating diffusion part that holds the charge transferred by the transfer transistor and converts it into a voltage, and outputs it, and amplifies the signal potential of the floating diffusion part A source follower transistor that reads out to the outside, a selection transistor that selects a pixel that reads the signal potential to the outside, and a reset transistor that resets the photoelectric conversion unit. Here, a diffusion region connected to a certain photoelectric conversion unit and forming a reset transistor, a source follower transistor, and a switch transistor is formed in the vicinity of the photoelectric conversion unit adjacent to the photoelectric conversion unit, and the transfer transistor described above The reset transistor, the source follower transistor, and the selection transistor are arranged in parallel to each other.
固体撮像素子のレイアウト構成により、画素ピッチを、ゲートのピッチの4倍程度まで小さくすることが可能になり、画素サイズの縮小が実現され、また、開口率が大きく確保できる。 With the layout configuration of the solid-state imaging device, the pixel pitch can be reduced to about four times the gate pitch, the pixel size can be reduced, and a large aperture ratio can be secured.
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図面において、同じ参照記号は同一または同等のものを示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference symbols denote the same or equivalent.
固体撮像素子は、複数の画素セルが行方向または列方向に配列された画素アレイを備える。図1は、固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)における1つの画素の回路を示す。各画素セルは、光信号を電気信号に変換する光電変換部(フォトダイオード)1と、光電変換部1に蓄積された信号電荷を保持し電圧に変換して出力する転送トランジスタ2と、転送された電荷を保持し電圧に変換して出力するフローティングディフュージョン部6と、フローティングディフュージョン部6の信号電位を増幅して外部に読み出すソースフォロアトランジスタ3と、信号電位を外部に読み出す画素を選択する選択トランジスタ5を備える。
The solid-state imaging device includes a pixel array in which a plurality of pixel cells are arranged in a row direction or a column direction. FIG. 1 shows a circuit of one pixel in a solid-state imaging device (CMOS image sensor). Each pixel cell is transferred with a photoelectric conversion unit (photodiode) 1 that converts an optical signal into an electric signal, and a
図1に示す画素において、一般的な画素の動作を説明する。画素の状態は、リセット、信号電荷の蓄積及び信号レベルの読み出しという3つの状態より成り立つ。 In the pixel shown in FIG. 1, the operation of a general pixel will be described. The pixel state consists of three states: reset, signal charge accumulation, and signal level readout.
まず、リセット状態においては、転送トランジスタ2およびリセットトランジスタ4を同時にオンし、選択トランジスタ5はオフである。この動作により、光電変換部1の電位は、リセット電源兼ソースフォロア電源線9より供給されるリセット電位にリセットされる。
First, in the reset state, the
次に、蓄積状態について説明する。蓄積状態においては、転送トランジスタ2は必ずオフの状態に保たれ、光電変換部1に入射した光が光電変換して発生する電子により、光電変換部1の電位は入射光に応じて下がっていく
Next, the accumulation state will be described. In the accumulation state, the
最後に、読み出し状態について説明する。読み出しは、フローティングディフュージョン部6のリセット、リセットレベルの読み出し、信号電荷の転送、信号レベルの読み出しの4つの動作よりなる。フローティングディフュージョン部6のリセットにおいては、トランジスタ2はオフした状態でリセットトランジスタ4をオンすることにより、フローティングディフュージョン部の電位を、リセット電源兼ソースフォロア電源9より供給されるリセット電位にリセットする。次に、リセットレベルの読み出し動作においては、選択トランジスタをオンして、フローティングディフュージョン部6のリセットレベルを、ソースフォロアトランジスタ6を通じて、読み出し線11から読み出し、画素アレイ外部のリセットレベル用メモリに電位を保持する。次に、リセットトランジスタ4をオフした状態で転送トランジスタ2をオンして、光電変換部1に保持された信号電荷をフローティングディフュージョン部6に転送する、信号電荷の転送を行う。この後、ソースフォロアトランジスタ3を通じて、信号レベルを読み出し線11から読み出し、画素アレイ外の信号レベル用メモリに保持する。そして、信号レベル用メモリとリセットレベル用メモリの差分を画素信号成分として外部に出力する。
Finally, the reading state will be described. Reading consists of four operations: resetting of the
実施の形態1.
以下に、画素ピッチをたとえば4μm程度に縮小したレイアウトを備える固体撮像素子を説明する。図2〜5は、図1に示した固体撮像回路を実現するための実施の形態1の固体撮像素子のレイアウト構造を示している。図2において、固体撮像素子の中の4つの隣り合う画素における各構成要素が示される。各画素は、光電変換部(フォトダイオード)1、転送トランジスタ2、ソースフォロアトランジスタ3、リセットトランジスタ4、選択トランジスタ5及びフローティングディフュージョン部6を形成する。図2に示すレイアウト構造において、ウェハにポリゲート、拡散領域及びコンタクトが形成されている。1つの光電変換部1につながり、リセットトランジスタ4、ソースフォロアトランジスタ3及び選択(スイッチ)トランジスタ5を形成する拡散領域が、1つの光電変換部1に隣接した別の光電変換部1の近傍に配置される。また、上記の転送トランジスタ2、リセットトランジスタ4、ソースフォロアトランジスタ3、選択トランジスタ5がすべて互いに並行に配置されている。すなわち、これらのトランジスタ2〜5のポリゲートは、ほぼ長方形の形状で形成されるが、その長手方向が平行である。さらに、フローティングディフュージョン部6の面積を小さくするために、光電変換部1の、図における上辺において、拡散領域を、転送トランジスタ2の下部より右斜め下方向に曲げて配置して、3種類のトランジスタ3〜5は隣の光電変換部1の下側に位置される。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, a solid-state imaging device having a layout in which the pixel pitch is reduced to, for example, about 4 μm will be described. 2 to 5 show the layout structure of the solid-state imaging device according to the first embodiment for realizing the solid-state imaging circuit shown in FIG. In FIG. 2, each component in four adjacent pixels in a solid-state image sensor is shown. Each pixel forms a photoelectric conversion unit (photodiode) 1, a
図3は、図2に示したポリゲート、拡散領域及びコンタクトの上に、絶縁層(図示しない)を介して形成される第1メタル層とコンタクトを示し、図4は、さらにその上に絶縁層(図示しない)を介して形成される第2メタル層と第1ビアホールを示し、図5はさらにその上に絶縁層(図示しない)を介して形成される第3メタル層と第2ビアホールを示す。第1、第2、第3のメタル層は、転送制御線7、読み出し制御線8、リセット制御線10、リセット電源兼ソースフォロア電源線9及び読み出し線11を形成する。図に示すようにメタル配線及びコンタクト、ビアホールを形成することにより、各信号線を、複数の画素セルを行方向または列方向に並べた画素アレイの外部に取り出すことが可能になる。
FIG. 3 shows a first metal layer and a contact formed on the polygate, the diffusion region and the contact shown in FIG. 2 via an insulating layer (not shown), and FIG. 4 further shows an insulating layer thereon. 5 shows a second metal layer and a first via hole formed through (not shown), and FIG. 5 further shows a third metal layer and a second via hole formed thereover via an insulating layer (not shown). . The first, second, and third metal layers form a
このレイアウト構成では、図2に示すように、ある1つの光電変換部1につながり、リセットトランジスタ4、ソースフォロアトランジスタ3及び選択トランジスタ5を形成する拡散領域が、その光電変換部に隣接した光電変換部の近傍に形成される。さらに、4種類のトランジスタ2,4,3,5におけるポリゲートなどのほぼ長方形の領域がすべて並行に配置されている。このレイアウト構成により、画素ピッチを、ゲートのピッチの4倍程度まで小さくすることが可能になり、画素サイズの縮小が実現され、また、開口率が大きく確保できる。
In this layout configuration, as shown in FIG. 2, a diffusion region connected to a certain photoelectric conversion unit 1 and forming a
このレイアウトにおける画素サイズの縮小について説明すると、図6に示すように、この固体撮像素子では、画素ピッチ縮小の限界値は、ポリゲート間に許容されている最小間隔をSmin、トランジスタを形成するゲート長の最小値をLminとすると、
4*Smin+4*Lmin
となる。一方、特開平11−195776号公報の図11に記載された従来の画素レイアウト構成においては、ポリゲート間に許容されている最小間隔をSmin、トランジスタを形成するゲート長の最小値をLmin、ゲート幅の最小値をWmin、拡散領域からのゲート拡張長の最小値をWEXTminとすると、画素ピッチ縮小の限界値は、
4*Smin+3*Lmin+Wmin+2*WEXTmin
となる。第1の実施の形態のレイアウト構成と従来例との差を求めると、画素ピッチ縮小の限界値は、
Wmin+2*WEXTmin−Lmin
となる。一般的なCMOS微細化プロセスにおいては、
Wmin+2*WEXTmin>>Lmin
が成り立つので、上述の差(Wmin+2*WEXTmin)だけ画素ピッチ縮小が実現される。
The reduction in pixel size in this layout will be described. As shown in FIG. 6, in this solid-state imaging device, the limit value of pixel pitch reduction is the minimum interval allowed between poly gates, S min , and the gate forming the transistor. If the minimum length is L min ,
4 * S min + 4 * L min
It becomes. On the other hand, in the conventional pixel layout configuration described in FIG. 11 of Japanese Patent Laid-Open No. 11-195576, the minimum interval allowed between the poly gates is S min , the minimum gate length for forming the transistor is L min , When the minimum value of the gate width is W min and the minimum value of the gate extension length from the diffusion region is WEXT min , the limit value of the pixel pitch reduction is
4 * S min + 3 * L min + W min + 2 * WEXT min
It becomes. When the difference between the layout configuration of the first embodiment and the conventional example is obtained, the limit value of pixel pitch reduction is
W min + 2 * WEXT min -L min
It becomes. In general CMOS miniaturization process,
W min + 2 * WEXT min >> L min
Therefore, pixel pitch reduction is realized by the above-described difference (W min + 2 * W EXT min ).
また、図2〜図5に示す画素レイアウトにおいては、光電変換部1の開口形状がほぼ正方形となる。したがって、水平方向と垂直方向の解像度が同じになる効果もある。また、感度向上のためのマイクロレンズの形成が容易になるという効果もある。 Moreover, in the pixel layout shown in FIGS. 2-5, the opening shape of the photoelectric conversion part 1 becomes substantially square. Therefore, there is also an effect that the resolution in the horizontal direction is the same as that in the vertical direction. In addition, there is an effect that it is easy to form a microlens for improving sensitivity.
実施の形態2.
フローティングディフュージョン部では、信号電荷が電圧に変換されるが、変換の際、フローティングディフュージョンの寄生容量が小さいほど、単位信号電荷量に対する電圧変化量が大きく、センサの感度が高くなる。このため、一般にフローティングディフュージョン部の容量は小さくなるように設計する。しかし、画素ピッチが縮小するに従ってトランジスタのゲート幅が小さくなり、トランジスタの周辺効果が大きくなり、実効的なチャネル幅が小さくなる傾向がある。従って、フローティングディフュージョン部の容量が小さくできても、電荷転送効率が悪いと転送残りによるノイズが発生し、結果としてセンサのS/N比を低下させる可能性がある。
In the floating diffusion portion, the signal charge is converted into a voltage. At the time of conversion, the smaller the parasitic capacitance of the floating diffusion, the larger the amount of voltage change with respect to the unit signal charge amount, and the higher the sensitivity of the sensor. For this reason, in general, the capacity of the floating diffusion portion is designed to be small. However, as the pixel pitch decreases, the gate width of the transistor decreases, the peripheral effect of the transistor increases, and the effective channel width tends to decrease. Therefore, even if the capacity of the floating diffusion portion can be reduced, noise due to transfer residue may occur if the charge transfer efficiency is low, and as a result, the S / N ratio of the sensor may be reduced.
図7は、実施の形態2の固体撮像素子のレイアウト構造を示す。実施の形態1の固体撮像素子においては、フローティングディフュージョン部6の面積を小さくするために、光電変換部1の、図2における上辺において、転送トランジスタ2の下部より右斜め方向に拡散領域を曲げていた。これに対し、実施の形態2の固体撮像素子のレイアウト構造においては、転送トランジスタ2のゲート幅を、光電変換部1を形成している拡散領域の幅と同程度(実質的に同じ)にすることにより、転送トランジスタ2のゲート幅を大きく確保する。すなわち、光電変換部1の拡散領域の幅を縮めることなくフローティングディフュージョン部6への転送ゲートを設ける。これにより、転送トランジスタの幅を大きくするレイアウトが可能であり、完全電荷転送が容易になる。
FIG. 7 shows a layout structure of the solid-state imaging device of the second embodiment. In the solid-state imaging device of the first embodiment, in order to reduce the area of the floating
転送トランジスタ2は、オン時には、光電変換部1に蓄積された信号電荷を完全にフローティングディフュージョン部6に転送し、また、オフ時には、光電変換部1とフローティングディフュージョン部6を完全にカットする機能が要求される。信号電荷の転送が不完全になると、残余電荷がノイズ要因となり、S/N比の低下の原因となる。完全電荷転送を実現するための転送トランジスタにおいては、通常のトランジスタと比較して、デバイス構造が複雑になり、プロセス難易性が高い。しかし、実施の形態2では、先に説明したように、転送トランジスタ2のゲート幅を広く取る。これにより、エッジ効果が緩和され、電荷転送に対する間口が広くなり、プロセスが縮小すると特に実現が難しい完全電荷転送を実現することが容易となる。
The
実施の形態3.
図8は、図1に示す固体撮像素子の回路構成を実現する実施の形態1のレイアウト(図2)で、A−A’方向に切ったときの断面を示す。撮像の際は、光電変換部(フォトダイオード)1のリセット動作において、転送トランジスタ2とリセットトランジスタ4をオン状態にして光電変換部1の電荷をフローティングディフュージョン部6側に引き抜き、光電変換部1を完全空乏化(電荷が存在しない状態)する。その後、転送トランジスタ2とリセットトランジスタ4をオフ状態にして、光電変換部1をフロート状態として入射光を光電変換して電荷を蓄積する。一定の蓄積時間が経過した後、光電変換部1に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン部6に転送し、その電位変化を読み出すことにより画像信号を得る。
FIG. 8 is a layout (FIG. 2) of the first embodiment that realizes the circuit configuration of the solid-state imaging device shown in FIG. 1, and shows a cross section when cut in the AA ′ direction. At the time of imaging, in the reset operation of the photoelectric conversion unit (photodiode) 1, the
入射光量が強く、光電変換部で電荷を蓄積する蓄積期間中に光電変換部1が飽和した場合、蓄積電荷が光電変換部1を乗り越えて、隣接する画素の光電変換部1に溢れ出す(図8参照)。実施の形態1の画素レイアウトでは、光電変換部1の両隣に常にフローティングディフュージョン部6が配置される。光電変換部1とフローティングディフュージョン部6とが隣り合う構成となるため、飽和した余剰電荷をフローティングディフュージョン部6で吸収することにより、フローティングディフュージョン部6を横方向のオーバーフロードレインとして機能させることが可能となる。光電変換部1を溢れた電荷がフローティングディフュージョン部6で吸収されるので、ブルーミングと呼ばれる画像のみによる画質の劣化が起きにくくなる効果がある。
When the amount of incident light is strong and the photoelectric conversion unit 1 is saturated during the accumulation period in which charges are accumulated in the photoelectric conversion unit, the accumulated charge passes over the photoelectric conversion unit 1 and overflows to the photoelectric conversion unit 1 of the adjacent pixel (FIG. 8). In the pixel layout of the first embodiment, the floating
ただし、フローティングディフュージョン部6の容量も有限であるため、入射光量が十分強い場合、フローティングディフュージョン部6自身もオーバーフローすることになる。そこで、光電変換部1のリセットの後にリセットトランジスタ4をオフ状態にした後に、光電変換部1で信号電荷を蓄積する。この光電変換部1で信号電荷を蓄積する期間において、オフ状態のリセットトランジスタ4を再びオン状態としてフローティングディフュージョン部6のリセット電源に一定電圧に保つことにより、余剰電荷を電源側に掃き出すことができる。このため、入射光量にかかわらず、光電変換部1から溢れた電荷を逃がす横型オーバーフロードレインとして機能させることができる。すなわち、光電変換部1で信号電荷を蓄積する期間において、リセットトランジスタ4をオン状態にすることでフローティングディフュージョン部6を一定電圧に保つことにより、光電変換部から溢れた電荷を逃がすオーバーフロードレインとして動作させる。フローティングディフュージョン部6を一定電位に固定することでオーバーフロードレインの効果を向上できる。
However, since the capacity of the floating
図9に、画素の動作ポテンシャルを、リセットトランジスタ4、転送トランジスタ2及び選択トランジスタ5について示す。図9に示すように、フローティングディフュージョン部6は常にリセット電源に固定されており、光電変換部1から余剰電荷が発生した場合、電荷は電源側に掃き出される。図10は、そのタイミング図である。
FIG. 9 shows the operation potential of the pixel for the
実施の形態4.
固体撮像素子において、光電変換部で光電変換され、蓄積期間中に蓄積された信号電荷を、転送トランジスタを通してフローティングディフュージョン部ヘ転送する電荷転送を行う。完全電荷転送を実現するために、転送トランジスタと光電変換部との間に転送チャネルを形成する。この転送チャネルを形成するために、光電変換部1を形成するためのイオン注入工程を、注入イオンを一定の角度で注入することが提案されていた。この方法では、転送トランジスタのゲートに対して垂直方向からイオン注入を行う。イオン注入の際に、フォトレジストで注入領域を制限するが、一定角度でイオン注入を行うため、フォトレジストの厚みによりイオン注入されない領域が発生する。
In the solid-state imaging device, charge transfer is performed in which signal charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit and accumulated during the accumulation period are transferred to the floating diffusion unit through the transfer transistor. In order to realize complete charge transfer, a transfer channel is formed between the transfer transistor and the photoelectric conversion unit. In order to form this transfer channel, it has been proposed that an ion implantation process for forming the photoelectric conversion unit 1 is performed by implanting implanted ions at a certain angle. In this method, ion implantation is performed from a direction perpendicular to the gate of the transfer transistor. At the time of ion implantation, the implantation region is limited by a photoresist. However, since ion implantation is performed at a constant angle, a region where ions are not implanted is generated depending on the thickness of the photoresist.
これに対し、実施の形態4の画像撮像素子の製造方法では、不純物を一定の注入角度を有したイオン注入法を用いるが、光電変換部1に一定の角度で注入される注入イオンを遮蔽するゲート配線などの構造物を光電変換部1の周辺に形成しない。すなわち、この実施の形態における固体撮像素子の製造方法では、光電変換部1の形成のために、不純物を一定の注入角度を有したイオン注入法によりイオンを、光電変換部を形成するべき領域に注入するとき、光電変換部1に一定の角度で注入される注入イオンを遮蔽するゲート配線などの構造物を光電変換部1の周辺に形成しない。このレイアウト構成により、光電変換部1の開口面積を大きく確保する。 On the other hand, in the method of manufacturing the image pickup element of the fourth embodiment, an ion implantation method having a constant implantation angle for impurities is used, but the implanted ions implanted into the photoelectric conversion unit 1 at a certain angle are shielded. A structure such as a gate wiring is not formed around the photoelectric conversion unit 1. That is, in the method for manufacturing a solid-state imaging device in this embodiment, in order to form the photoelectric conversion unit 1, ions are implanted into the region where the photoelectric conversion unit is to be formed by ion implantation with a certain implantation angle. When implanting, a structure such as a gate wiring that shields implanted ions implanted into the photoelectric conversion unit 1 at a certain angle is not formed around the photoelectric conversion unit 1. With this layout configuration, a large opening area of the photoelectric conversion unit 1 is secured.
たとえば、図11の上側に示す製造工程では、半導体ウェハ20に光電変換部(フォトダイオード)1のための領域とフローティングディフュージョン部6のための領域とを設け、次に、その上に絶縁層を形成する。次に、電気伝導層を形成し、フォトレジストを形成してマスクを作成し、光電変換部1のための領域とフローティングディフュージョン部6のための領域の間に転送トランジスタ2のゲートを形成する。次に、さらに、光電変換部1の領域にイオン注入をするため、光電変換部1のための領域以外においてフォトレジスト100を設け、次に、光電変換部1のための領域に不純物イオンを一定角度で注入する。図11の上部に示すレイアウト構造では、光電変換部1の周辺には、イオン注入方向にゲート配線などの構造物を設けていない。このため、不純物を一定の注入角度を有したイオン注入法により形成する場合、光電変換部1の領域へのイオン注入を遮蔽するものはフォトレジスト100のみである。図において「注入ブロック」と記載された部分が、フォトレジスト100により遮蔽(ブロック)されてイオンが注入できなかった部分である。このレイアウト構成によると、光電変換部1の開口面積を大きく確保でき、その感度向上と飽和電荷量拡大に有効である。
For example, in the manufacturing process shown in the upper side of FIG. 11, a region for the photoelectric conversion portion (photodiode) 1 and a region for the floating
一方、図11の下部に示す比較例のレイアウト構成では、不純物イオンを一定の注入角度で注入する場合、イオン注入方向にマスク材以外の障害物が存在するので、イオン注入の一部がゲート上のフォトレジストによりブロックされる。このため、注入イオンが光電変換部1のための領域の一部に注入されず、実効的な光電変換部1の面積を低減させる。これは、感度の低下などを引き起こす要因となる。これに対し、実施の形態4のレイアウト構造では、光電変換部1に一定の角度で注入される注入イオンを遮蔽するゲート配線などの構造物を光電変換部1の周辺に形成しないので、光電変換部1の有効面積を広く取ることができる。 On the other hand, in the layout configuration of the comparative example shown in the lower part of FIG. 11, when impurity ions are implanted at a constant implantation angle, there are obstacles other than the mask material in the ion implantation direction. Blocked by the photoresist. For this reason, the implanted ions are not implanted into a part of the region for the photoelectric conversion unit 1, and the effective area of the photoelectric conversion unit 1 is reduced. This is a factor that causes a decrease in sensitivity. On the other hand, in the layout structure of the fourth embodiment, a structure such as a gate wiring that shields implanted ions implanted into the photoelectric conversion unit 1 at a certain angle is not formed around the photoelectric conversion unit 1. The effective area of the part 1 can be widened.
1 光電変換部、 2 転送トランジスタ、 3 ソースフォロアトランジスタ、 4 リセットトランジスタ、 5 選択トランジスタ、 6 フローティングディフュージョン部、 7 転送制御線、 8 読み出し制御線、 9 電源線、 10 リセット制御線、 11 読み出し線。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photoelectric conversion part, 2 Transfer transistor, 3 Source follower transistor, 4 Reset transistor, 5 Selection transistor, 6 Floating diffusion part, 7 Transfer control line, 8 Read-out control line, 9 Power supply line, 10 Reset control line, 11 Read-out line
Claims (4)
各画素セルは、光信号を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換部に蓄積された信号電荷を保持し電圧に変換して出力する転送トランジスタと、転送トランジスタにより転送された電荷を保持し電圧に変換して出力するフローティングディフュージョン部と、フローティングディフュージョン部の信号電位を増幅して外部に読み出すソースフォロアトランジスタと、信号電位を外部に読み出す画素を選択する選択トランジスタと、光電変換部をリセットするリセットトランジスタとを備え、
ある1つの光電変換部につながり、リセットトランジスタ、ソースフォロアトランジスタ及びスイッチトランジスタを形成する拡散領域が、その光電変換部に隣接した光電変換部の近傍に形成され、
上記の転送トランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロアトランジスタ及び選択トランジスタが互いに並行に配置される
ことを特徴とする固体撮像素子。 A solid-state imaging device in which a plurality of pixel cells are arranged in a row direction or a column direction,
Each pixel cell holds a photoelectric conversion unit that converts an optical signal into an electrical signal, a transfer transistor that holds the signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit, converts it into a voltage, and outputs it, and holds the charge transferred by the transfer transistor Resets the floating diffusion section that converts the voltage into a voltage, the source follower transistor that amplifies the signal potential of the floating diffusion section and reads it out, the selection transistor that selects the pixel from which the signal potential is read out, and the photoelectric conversion section And a reset transistor
A diffusion region connected to a certain photoelectric conversion unit and forming a reset transistor, a source follower transistor, and a switch transistor is formed in the vicinity of the photoelectric conversion unit adjacent to the photoelectric conversion unit,
A solid-state imaging device, wherein the transfer transistor, the reset transistor, the source follower transistor, and the selection transistor are arranged in parallel to each other.
フローティングディフュージョン部を1つの光電変換部とそれに隣接する光電変換部との間に配置することを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device, wherein a floating diffusion part is disposed between one photoelectric conversion part and a photoelectric conversion part adjacent thereto.
転送トランジスタのゲート幅を、光電変換部を形成している拡散領域の幅と実質的に同じにすることを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
A solid-state imaging device, wherein a gate width of a transfer transistor is substantially the same as a width of a diffusion region forming a photoelectric conversion portion.
光電変換部で電荷を蓄積する期間において、光電変換部のリセットの後にリセットトランジスタをオフ状態にした後に再びオン状態として、フローティングディフュージョン部のリセット電源に固定することを特徴とする固体撮像素子の動作方法。 In the solid-state image sensor according to any one of claims 1 to 3,
Operation of the solid-state imaging device characterized by fixing the reset transistor to the reset power supply of the floating diffusion unit after turning off the reset transistor after resetting the photoelectric conversion unit and then turning it on again during the period of charge accumulation in the photoelectric conversion unit Method.
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