JP2010087379A - Color imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、カラー撮像装置に係り、特に、画素部に増幅回路を有するカラー撮像可能な増幅型固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a color imaging apparatus, and more particularly to an amplification type solid-state imaging apparatus capable of color imaging having an amplifier circuit in a pixel portion.
一般に、増幅型固体撮像装置としては、増幅機能を持たせた画素部とその画素部の周辺に配置された走査回路とを有し、その走査回路により画素部から画素データを読み出すものが普及している。 In general, as an amplification type solid-state imaging device, a device having a pixel portion having an amplification function and a scanning circuit arranged around the pixel portion, and reading out pixel data from the pixel portion by the scanning circuit is widely used. ing.
近赤外光での感度を確保し、画素間のクロストークを低減する方法として、高抵抗基板上にイメ−ジセンサを形成する案が提示されている(特許文献1及び非特許文献1参照。)。特許文献1は高比抵抗エピ層上にCCDイメージセンサを形成したものであるが、非特許文献2は図22に示すように、高比抵抗のp− −エピ層312上にCMOSイメージセンサを形成したものである。 As a method of ensuring sensitivity in near infrared light and reducing crosstalk between pixels, proposals for forming an image sensor on a high resistance substrate have been proposed (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). ). In Patent Document 1, a CCD image sensor is formed on a high-resistivity epilayer. In Non-Patent Document 2, a CMOS image sensor is formed on a p -- epi layer 312 having a high resistivity as shown in FIG. Formed.
図22では、不純物密度が1×1018cm-3以上の高不純物密度のp+基板111上に、不純物密度が1×1012cm-3程度の極低不純物密度のp− −エピ層(以下において極低不純物密度のp− −エピ層を「πエピ層」と呼ぶ。)312を厚さg=20μm程度となるように形成して、πエピ層312とn型表面埋込領域113とで埋込みフォトダイオードを構成している。そして、1画素領域内に1個の転送トランジスタと3トランジスタ増幅回路117をそれぞれ配置して4トランジスタ型の画素を構成している。図22に示すように、n型表面埋込領域113の上にはp+ピニング層114が形成され、転送ゲート電極115を介して埋込みフォトダイオードから電荷検出用浮遊拡散領域116に電荷が転送され、増幅回路117で増幅される。増幅回路117を構成する3つのトランジスタのそれぞれは、p+ウェル118上に設けられたソース領域152及びドレイン領域153と、ソース領域152及びドレイン領域153の間のチャネルの上部に設けられたゲート電極151とで形成される。この構造により、πエピ層312に対して埋込みフォトダイオードを構成するn型表面埋込領域113に1V程度の逆バイアス電位が印加されれば、原理的には埋込フォトダイオードの下側はp+基板111近くまで空乏化し、光の侵入深さが10μmを超える赤外光に対しても、発生した電荷は空乏層内の上下方向の電界によりフォトダイオードまで導かれて有効な感度となると共に、横方向への広がりが抑えられて画素間のクロストークも少ないであろうと、予測される。
しかしながら、赤外感度を高めたイメージセンサには、カラー撮像と両立しない課題が存在する。イメージセンサを1個用いてカラー撮像を行う単板式カラー撮像装置では、図23に示すように通常、各画素の上にカラーフィルタ401R,401G,401Bを形成し、色情報を得る。特に赤(R),緑(G),青(B)の3原色カラーフィルタ401R,401G,401Bを用いる例が多く、それらの分光特性は一般に図24のようになる。これより明らかなように、全てのカラーフィルタ401R,401G,401B共に波長800nm以上の赤外光を透過してしまう。このため光源の赤外光成分は各色情報に余分の信号となって混色となり、彩度の低下をもたらす。それぞれのカラーフィルタ401R,401G,401Bが各色成分のみを透過するためには、赤外光をカットする赤外カットフィルタ(IRC)と組み合わせることが必須であり、一般には図24に示すように、波長650nm以上を通さないIRCが用いられる。しかしながら、このようなIRCを用いたカラー撮像システムでは、たとえイメージセンサ自体は赤外感度が高くても、赤外撮像をすることができない。 However, image sensors with increased infrared sensitivity have problems that are incompatible with color imaging. In a single-plate color imaging apparatus that performs color imaging using one image sensor, color filters 401R, 401G, and 401B are usually formed on each pixel to obtain color information as shown in FIG. In particular, there are many examples using three primary color filters 401R, 401G, 401B of red (R), green (G), and blue (B), and their spectral characteristics are generally as shown in FIG. As is clear from this, all the color filters 401R, 401G, and 401B transmit infrared light having a wavelength of 800 nm or more. For this reason, the infrared light component of the light source becomes an extra signal in each color information and is mixed, resulting in a decrease in saturation. In order for each of the color filters 401R, 401G, and 401B to transmit only the respective color components, it is essential to combine with an infrared cut filter (IRC) that cuts infrared light. Generally, as shown in FIG. An IRC that does not pass a wavelength of 650 nm or more is used. However, in such a color imaging system using IRC, even if the image sensor itself has high infrared sensitivity, infrared imaging cannot be performed.
このため、図25に示すように、撮像素子61と結像レンズ62の間に着脱装置64を備えたIRC63を挿入する方法が考えられる。即ち、カラー撮像時には撮像素子61前面にIRC63を挿入し、赤外撮像時には撮像素子61の前面からIRC63を外すことにより、カラー撮像、赤外撮像共に良好な分光特性を得ることができる。ここで、IRC63の位置は結像レンズ62の前面であってもよい。しかしながら、この方法は撮像システムに駆動装置を備えた機構系を必要とし、撮像システムのコスト、サイズ、信頼性等に負担を与えることになる。 For this reason, as shown in FIG. 25, a method of inserting an IRC 63 provided with an attaching / detaching device 64 between the image sensor 61 and the imaging lens 62 is conceivable. That is, by inserting the IRC 63 in front of the image sensor 61 during color imaging and removing the IRC 63 from the front surface of the image sensor 61 during infrared imaging, good spectral characteristics can be obtained for both color imaging and infrared imaging. Here, the position of the IRC 63 may be the front surface of the imaging lens 62. However, this method requires a mechanism system including a driving device in the imaging system, and places a burden on the cost, size, reliability, and the like of the imaging system.
そこで、本発明は、クロストークを低減すると共にIRCを用いることなく、カラー撮像が可能なカラー撮像装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a color imaging apparatus that can reduce color crosstalk and can perform color imaging without using IRC.
上記目的を達成するために、本発明の態様は、隣接する複数の画素の上に、それぞれ波長特性の異なるカラーフィルタを配列したカラー撮像装置であって、複数の画素のそれぞれが、(イ)第1導電型で、不純物密度1×1013cm-3以上且つ1×1015cm-3以下の半導体からなる基板と、(ロ)この基板の上に設けられ、第2導電型で不純物密度1×1014cm-3以下且つ1×1011cm-3以上、厚さ10μm以上且つ50μm以下の半導体層からなる電荷生成層と、(ハ)電荷生成層の上部の一部に電荷生成層と光電変換素子を構成するように埋め込まれた第1導電型の半導体領域からなる表面埋込領域と、(ニ)複数の画素間を電気的に分離する画素間分離領域として機能するように、電荷生成層の上部の他の一部に表面埋込領域の下面よりも深い位置まで埋め込まれ、平面パターン上表面埋込領域を囲む、第2導電型で不純物密度1×1015cm-3以上且つ1×1018cm-3以下の転送チャネル形成ウェル及び増幅回路形成ウェルと、(ホ)転送チャネル形成ウェルの上部の一部に埋め込まれた第1導電型の半導体領域からなり、光電変換素子から信号電荷が転送される電荷検出領域と、(ヘ)増幅回路形成ウェルの上部の一部を用いて構成され、電荷検出領域の電位を増幅して読み出す増幅回路とを備えることを要旨とする。そして、電荷生成層は複数の画素の共通層であり、基板に第1の電位及びこの第1の電位より高電位の第2の電位を印加することにより、それぞれの画素において、電荷生成層の内部に生じるポテンシャルバリアの位置を基板側から表面埋込領域側に移動させることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to an aspect of the present invention, there is provided a color imaging device in which color filters having different wavelength characteristics are arranged on a plurality of adjacent pixels, and each of the plurality of pixels includes: A substrate made of a semiconductor of the first conductivity type and having an impurity density of 1 × 10 13 cm −3 or more and 1 × 10 15 cm −3 or less; and (b) an impurity density of the second conductivity type provided on the substrate. A charge generation layer made of a semiconductor layer having a thickness of 1 × 10 14 cm −3 or less and 1 × 10 11 cm −3 or more and a thickness of 10 μm or more and 50 μm or less, and (c) a charge generation layer over a part of the charge generation layer So as to function as a surface buried region composed of a first conductivity type semiconductor region buried so as to constitute a photoelectric conversion element, and (d) an inter-pixel separation region for electrically separating a plurality of pixels. Other part of the top of the charge generation layer below the surface buried region Transfer channel formation well and amplification with a second conductivity type and an impurity density of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less, embedded to a position deeper than the surface and surrounding the surface buried region on the planar pattern A circuit formation well, (e) a charge detection region made up of a first conductivity type semiconductor region embedded in a part of the transfer channel formation well, and (f) amplification. The gist of the invention is to include an amplifier circuit that is configured by using a part of the upper part of the circuit formation well and amplifies and reads out the potential of the charge detection region. The charge generation layer is a common layer of a plurality of pixels. By applying a first potential and a second potential higher than the first potential to the substrate, the charge generation layer of each pixel The position of the potential barrier generated inside is moved from the substrate side to the surface buried region side.
本発明の態様によれば、光学的有効深さに対応する、電荷生成層内に形成されるポテンシャルの山の位置が、赤外撮像時には深く形成されて高い赤外感度と低いクロストークが確保されると共に、カラー撮像時にはポテンシャルの山が浅く形成されて低い赤外感度となり、赤外感度に起因するカラーフィルタ間の混色が赤外光を制御する光学フィルタを用いることなく防止され、色再現性が高められる。 According to the aspect of the present invention, the position of the potential peak formed in the charge generation layer corresponding to the optically effective depth is formed deep during infrared imaging to ensure high infrared sensitivity and low crosstalk. At the same time, the color peaks are formed with a shallow potential peak, resulting in low infrared sensitivity, and color mixing between color filters due to infrared sensitivity is prevented without using an optical filter that controls infrared light, and color reproduction is achieved. Sexuality is enhanced.
本発明によれば、クロストークを低減すると共にIRCを用いることなく、カラー撮像が可能なカラー撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a color imaging apparatus capable of performing color imaging without reducing crosstalk and using IRC.
次に、図面を参照して、本発明の第1〜第3の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
又、以下に示す第1〜第3の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。 The first to third embodiments shown below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is The material, shape, structure, arrangement, etc. are not specified below. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope described in the claims.
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係るカラー撮像装置(2次元カラーイメージセンサ)は、図1に示すように、画素アレイ部1と周辺回路部(2,3,4,5)とを同一の半導体チップ上に集積化した増幅型固体撮像装置である。画素アレイ部1には、2次元マトリクス状に赤色(R)画素Xij-1,緑色(G)画素Xij,青色(B)画素Xij+1(i=1〜m;j=1〜n:mは任意の正の整数、nは3の倍数となる正の整数である。)が周期的に配列されている。図3に示すように、R画素Xij-1には赤色(R)カラーフィルタ31Rが、G画素Xij上には緑色(G)カラーフィルタ31Rが,B画素Xij+1には青色(B)カラーフィルタ31Rが備えられている。尚、図3の断面図の表示に好都合である点を考慮して、図1ではR,G,Bの順に行方向に周期的にR,G,Bカラーフィルタが配列された3色ストライプ方式のカラーフィルタアレイを例示したが、これに限定されるものではなく、図18に示すようなベイヤー方式の他、図19〜図21に示すような種々のカラーフィルタアレイが採用可能である。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the color imaging device (two-dimensional color image sensor) according to the first embodiment of the present invention has the same pixel array unit 1 and peripheral circuit units (2, 3, 4, 5). This is an amplification type solid-state imaging device integrated on a semiconductor chip. The pixel array unit 1 includes a red (R) pixel X ij−1 , a green (G) pixel X ij , and a blue (B) pixel X ij + 1 (i = 1 to m; j = 1 to 2) in a two-dimensional matrix. n: m is an arbitrary positive integer, and n is a positive integer that is a multiple of 3.) are periodically arranged. As shown in FIG. 3, the R pixel X ij-1 red (R) color filter 31R, the on G pixel X ij is green (G) color filter 31R, the B pixel X ij + 1 blue ( B) A color filter 31R is provided. In consideration of the convenience of displaying the cross-sectional view of FIG. 3, in FIG. 1, a three-color stripe system in which R, G, B color filters are periodically arranged in the row direction in the order of R, G, B. However, the present invention is not limited to this, and various color filter arrays as shown in FIGS. 19 to 21 can be adopted in addition to the Bayer method as shown in FIG.
そして、この画素アレイ部1の左辺部にはタイミング発生回路4を介して垂直シフトレジスタ(垂直走査回路)3が、下辺部には水平シフトレジスタ(水平走査回路)2が設けられ、画素アレイ部1の右辺部の下辺側にはバイアス発生回路7が設けられている。図1では、i行j列の画素Xijにのみ、その内部構造を例示しているが、それぞれの画素X11〜X1m;X21〜X2m;……;Xi1〜Xim;……;Xn1〜Xnmは、i行j列の画素Xijと同様に、検出回路D11〜D1m;D21〜D2m;……;Di1〜Dim;……;Dn1〜Dnm及び増幅回路(電圧読み出し用バッファアンプ)A11〜A1m;A21〜A2m;……;Ai1〜Aim;……;An1〜Anmを備えて増幅型固体撮像装置の画素を構成している。検出回路Dij(i=1〜m;j=1〜n:m,nはそれぞれ整数である。)は、図3に示すように、半導体(シリコン)からなる基板11の上部に設けられた光電変換素子(埋込フォトダイオード)PDij、及び電荷転送部(転送ゲート電極)15を備える。 A vertical shift register (vertical scanning circuit) 3 is provided on the left side of the pixel array unit 1 via a timing generation circuit 4, and a horizontal shift register (horizontal scanning circuit) 2 is provided on the lower side. A bias generation circuit 7 is provided on the lower side of the right side of 1. In FIG. 1, the internal structure is illustrated only for the pixel X ij in the i row and the j column, but each pixel X 11 to X 1m ; X 21 to X 2m ;..; X i1 to X im ; ...; X n1 ~X nm, similar to the pixel X ij of row i and column j, the detection circuit D 11 ~D 1m; D 21 ~D 2m; ......; D i1 ~D im; ......; D n1 ~ D nm and the amplifier (voltage read-out buffer amplifier) a 11 ~A 1m; a 21 ~A 2m; of a n1 amplification type solid-state imaging device includes a ~A nm; ......; a i1 ~A im; ...... Constitutes a pixel. As shown in FIG. 3, the detection circuit D ij (i = 1 to m; j = 1 to n: m and n are integers) is provided on the upper part of the substrate 11 made of semiconductor (silicon). A photoelectric conversion element (embedded photodiode) PD ij and a charge transfer unit (transfer gate electrode) 15 are provided.
タイミング発生回路4及びタイミング発生回路4により駆動される垂直シフトレジスタ(垂直走査回路)3、並びに水平シフトレジスタ(水平走査回路)2によって画素アレイ部1内の画素Xijが順次走査され、画素信号の読み出しや電子シャッタ動作が実行される。即ち、本発明の第1の実施の形態に係るカラー撮像装置では、画素アレイ部1を各画素行X11〜X1m;X21〜X2m;……;Xi1〜Xim;……;Xn1〜Xnm単位で垂直方向に走査することにより、各画素行X11〜X1m;X21〜X2m;……;Xi1〜Xim;……;Xn1〜Xnmの画素信号を各画素列X11〜Xn1;X12〜Xn2;……;X1j〜Xnj;……;X1m〜Xnm毎に設けられた垂直信号線によって画素信号を読み出す増幅型固体撮像装置の構成となっている。 The pixel X ij in the pixel array section 1 is sequentially scanned by the timing generation circuit 4, the vertical shift register (vertical scanning circuit) 3 driven by the timing generation circuit 4, and the horizontal shift register (horizontal scanning circuit) 2, and the pixel signal Reading and electronic shutter operation are executed. That is, in the color imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention, the pixel array unit 1 is arranged in the pixel rows X 11 to X 1m ; X 21 to X 2m ;..; X i1 to X im ; by scanning in the vertical direction in X n1 to X nm units, each pixel row X 11 ~X 1m; X 21 ~X 2m; ......; X i1 ~X im; ......; X n1 ~X nm pixel signal each pixel column X 11 ~X n1; X 12 ~X n2; ......; X 1j ~X nj; ......; X 1m ~X amplification type solid-state image pickup for reading out the pixel signal by the vertical signal lines provided for each nm It is the configuration of the device.
各画素X11〜X1m;X21〜X2m;……;Xi1〜Xim;……;Xn1〜Xnmからの信号読み出しについては、概ね通常のCMOSイメージセンサと同様であり、画素アレイ部1の下段(出力側)には、複数のカラム処理回路Q1,Q2,……,Qj,……,Qmを、それぞれ画素列X11〜Xn1;X12〜Xn2;……;X1j〜Xnj;……;X1m〜Xnmに対応して配置して、信号処理部5を構成している。画素アレイ部1から垂直信号線によって読み出された画素列X11〜Xn1の画素信号は、この信号処理部5のカラム処理回路Q1に順次入力され、画素固有ノイズの除去処理が施される。同様に、画素列X12〜Xn2の画素信号は、この信号処理部5のカラム処理回路Q2に順次入力され、画素固有ノイズの除去処理が施され、……、画素列X1j〜Xnjの画素信号は、この信号処理部5のカラム処理回路Qjに順次入力され、画素固有ノイズの除去処理が施される。又、画素列X1m〜Xnmの画素信号は、この信号処理部5のカラム処理回路Qmに順次入力され、画素固有ノイズの除去処理が施される。即ち、画素アレイ部1の各単位画素Xijには、それを構成するMOSトランジスタ等による固有の特性誤差が含まれているため、各単位画素Xijから読み出した画素信号でそのまま映像信号を構成すると、各画素Xij間での特性のバラツキが映像信号に影響し、画像中にノイズとして現れる。 Signal readout from each pixel X 11 to X 1m ; X 21 to X 2m ; ......; X i1 to X im ; ......; X n1 to X nm is generally the same as that of a normal CMOS image sensor. in the lower part of the array 1 (output side), a plurality of column processing circuit Q 1, Q 2, ......, Q j, ......, a Q m, respectively pixel column X 11 ~X n1; X 12 ~X n2 ; X 1j to X nj ; ......; arranged corresponding to X 1m to X nm to constitute the signal processing unit 5. The pixel signals of the pixel columns X 11 to X n1 read out from the pixel array unit 1 by the vertical signal lines are sequentially input to the column processing circuit Q 1 of the signal processing unit 5 and subjected to the pixel specific noise removal processing. The Similarly, the pixel signals of the pixel columns X 12 to X n2 are sequentially input to the column processing circuit Q 2 of the signal processing unit 5 and subjected to a process for removing pixel specific noise,..., And the pixel columns X 1j to X pixel signals nj, the signal processing unit is sequentially input to the column processing circuit Q j of 5, removal processing of the pixel-specific noise is performed. Further, the pixel signals of the pixel column X 1 m to X nm, the signal processing unit is sequentially input to the column processing circuit Q m of 5, removal processing of the pixel-specific noise is performed. That is, since each unit pixel X ij of the pixel array unit 1 includes a characteristic error inherent to the MOS transistor or the like constituting the unit pixel X ij , a video signal is formed as it is from the pixel signal read from each unit pixel X ij. Then, the characteristic variation between the pixels X ij affects the video signal and appears as noise in the image.
図1に示したように、画素アレイ部1のj列目の垂直信号線Bjには、共通の負荷となる定電流トランジスタTLNjが接続され,例えばi行j列目の増幅回路Aijと,定電流トランジスタTLNjとによって,ソースフォロワ回路が形成され、ソースフォロワ回路の出力Voutjがカラム処理回路Qjに読み出される。図示を省略しているが、他の列の垂直信号線B1,B2,……,Bj-1,Bj+1,……,Bmにも同様に、共通の負荷となる定電流トランジスタTLN1,TLN2,……,TLNj-1,TLNj+1,……,TLNmがそれぞれ接続されてソースフォロワ回路が形成され、ソースフォロワ回路の出力Vout1,Vout2,……,Voutj-1,Voutj+1,……,Voutmが、それぞれカラム処理回路Q1,Q2,……,Qj-1,Qj+1,……,Qmに読み出される。垂直信号線Bjを経由して、増幅回路Aijの画素選択用のスイッチングトランジスタTSij(図5参照。)のゲート電極にi行の垂直選択信号Siをハイレベル(Si=“1”)にする信号を印加してスイッチングトランジスタTSijを導通させ、且つ、定電流トランジスタTLNjのゲート電極に、バイアス発生回路7から一定電圧Vbを印加することにより、信号読み出しトランジスタ(増幅トランジスタ)TAij(図5参照。)で増幅された電荷検出領域16に蓄積された電荷をソースフォロワ回路の出力Voutjとして画素アレイ部1の外に読み出す。図示を省略しているが、信号処理部5の出力はホワイトバランス回路、彩度調整回路、ゲインコントロール回路、及びγ−補正回路等を経てカラー表示される。 As shown in FIG. 1, a constant current transistor T LNj serving as a common load is connected to the j-th column vertical signal line B j of the pixel array unit 1, for example, an amplifying circuit A ij in the i-th row and j-th column. And the constant current transistor T LNj form a source follower circuit, and the output V outj of the source follower circuit is read out to the column processing circuit Q j . Although not shown, the vertical signal line of another row B 1, B 2, ......, B j-1, B j + 1, ......, similarly to B m, the common load constant Current transistors T LN1 , T LN2 ,..., T LNj−1 , T LNj + 1 ,..., T LNm are connected to form a source follower circuit, and outputs V out1 , V out2 ,. ..., V outj-1, V outj + 1, ......, V outm are each column processing circuit Q 1, Q 2, ......, Q j-1, Q j + 1, ......, read the Q m . Via a vertical signal line B j, the vertical selection signal S i to the high level of the i-th row to the gate electrode of the switching transistor TS ij for pixel selection of the amplifier circuit A ij (see FIG. 5.) (S i = " 1 )) Is applied to make the switching transistor TS ij conductive, and a constant voltage Vb is applied from the bias generation circuit 7 to the gate electrode of the constant current transistor T LNj , whereby a signal read transistor (amplification transistor) The charges accumulated in the charge detection region 16 amplified by TA ij (see FIG. 5) are read out of the pixel array unit 1 as the output V outj of the source follower circuit. Although not shown, the output of the signal processing unit 5 is displayed in color through a white balance circuit, a saturation adjustment circuit, a gain control circuit, a γ-correction circuit, and the like.
図2は、図1に示したR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1,……,R画素Xi+1j-1,G画素Xi+1j,B画素Xi+1j+1,……の周期的配列の一部を拡大して示す。即ち、R画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1の周期的配列のユニットは、それぞれ、赤色(R)フォトダイオードPDij-1,緑色(G)フォトダイオードPDij,青色(B)フォトダイオードPDij+1、及びフォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1のそれぞれに隣接して配置された第2導電型(p型)の増幅回路形成ウェル18R,18G,18B及び第2導電型(p型)の転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bを、平面的な位置関係として備える。増幅回路形成ウェル18R,18G,18B,…は、それぞれ、行方向に隣接するフォトダイオードPDij-2(図示省略。)とフォトダイオードPDij-1の間の領域、フォトダイオードPDij-1とフォトダイオードPDijの間の領域、フォトダイオードPDijとフォトダイオードPDij+1の間の領域、フォトダイオードPDij+1とフォトダイオードPDij+2(図示省略。)の間の領域において素子分離領域をなし、同様に列方向に隣接するフォトダイオードPDij-1とフォトダイオードPDi+1j-1の間の領域、フォトダイオードPDijとフォトダイオードPDi+1jの間の領域、フォトダイオードPDij+1とフォトダイオードPDi+1j+1の間の領域において素子分離領域をなしている。転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度は、1×1015cm-3以上、1×1018cm-3以下程度であり、増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度は、3×1015cm-3以上、4×1018cm-3以下程度である。転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度は、増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度よりも低めに設定可能であるが、場合によっては、転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度と増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度とを等しくしてもよい。 2 shows the R pixel X ij−1 , G pixel X ij , B pixel X ij + 1 ,..., R pixel X i + 1j−1 , G pixel X i + 1j , B pixel X shown in FIG. A part of the periodic arrangement of i + 1j + 1,. That is, the units of the periodic arrangement of the R pixel X ij−1 , the G pixel X ij , and the B pixel X ij + 1 are respectively a red (R) photodiode PD ij−1 and a green (G) photodiode PD ij , The blue (B) photodiode PD ij + 1 and the second conductivity type (p-type) amplification circuit forming well 18R disposed adjacent to each of the photodiodes PD ij−1 , PD ij , PD ij + 1 . 18G, 18B and second conductivity type (p-type) transfer channel formation wells 19R, 19G, 19B are provided in a planar positional relationship. The amplification circuit formation wells 18R, 18G, 18B,... Are respectively regions between photodiodes PD ij-2 (not shown) and photodiodes PD ij-1 adjacent to each other in the row direction, and photodiodes PD ij−1 . Element isolation is performed in a region between the photodiodes PD ij , a region between the photodiodes PD ij and the photodiodes PD ij + 1 , and a region between the photodiodes PD ij + 1 and the photodiodes PD ij + 2 (not shown). Similarly, a region between photodiodes PD ij-1 and photodiodes PD i + 1j-1 adjacent in the column direction, a region between photodiodes PD ij and photodiodes PD i + 1j , photodiode PD An element isolation region is formed in a region between ij + 1 and the photodiode PD i + 1j + 1 . The transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B have an impurity density of about 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less, and the amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B have an impurity density of 3 × 10 15 cm −3 or more and 4 × 10 18 cm −3 or less. The impurity density of the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B can be set lower than the impurity density of the amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B. In some cases, the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B The impurity density may be equal to the impurity density of the amplifier circuit formation wells 18R, 18G, and 18B.
図3は、図2のIII−III方向から見た断面図に相当し、第1の実施の形態の増幅型固体撮像装置の画素アレイ部1を構成するR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1の周期的配列の1ユニット分の断面構造を示す。図3に示すように、不純物密度が1×1013cm-3以上、1×1015cm-3以下の第1導電型(n型)のシリコン基板(以下において、単に「基板」という。)11上に、不純物密度が1×1014cm-3以下、1×1011cm-3以上の極低不純物密度の第2導電型(π型)のエピ層からなる電荷生成層12を厚さaが10μm以上、50μm以下となるように形成し、第1の実施の形態に係るカラー撮像装置のRGBの周期的配列の1ユニットをなすR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1のそれぞれが構成されている。 FIG. 3 corresponds to a cross-sectional view seen from the III-III direction of FIG. 2, and R pixel X ij-1 and G pixel X constituting the pixel array unit 1 of the amplification type solid-state imaging device of the first embodiment. A cross-sectional structure of one unit of a periodic arrangement of ij and B pixel X ij + 1 is shown. As shown in FIG. 3, a silicon substrate of the first conductivity type (n-type) having an impurity density of 1 × 10 13 cm −3 or more and 1 × 10 15 cm −3 or less (hereinafter simply referred to as “substrate”). on 11, the impurity density of 1 × 10 14 cm -3 or less, 1 × 10 11 cm -3 or more very low impurity concentration second conductivity type having a thickness of the charge generation layer 12 made of the epitaxial layer ([pi type) R pixel X ij-1 , G pixel X ij , B pixel which is formed so that a is 10 μm or more and 50 μm or less and forms one unit of the RGB periodic array of the color imaging apparatus according to the first embodiment Each of X ij + 1 is configured.
R画素Xij-1においては、第2導電型(p型)の極低不純物密度の電荷生成層12をアノード領域、第1導電型(n型)の表面埋込領域13Rをカソード領域として、埋込フォトダイオード(以下において「フォトダイオード」と略記する。)PDij-1を構成し、1画素領域内に1個の転送トランジスタと3トランジスタ増幅回路Aij-1をそれぞれ配置した4トランジスタ型のR画素Xij-1が構成されている(図5参照。)。G画素Xijにおいては、第2導電型の極低不純物密度の電荷生成層12をアノード領域、第1導電型の表面埋込領域13Gをカソード領域として、フォトダイオードPDijを構成し、1画素領域内に1個の転送トランジスタと3トランジスタ増幅回路Aijをそれぞれ配置した4トランジスタ型のG画素Xijが構成されている。B画素Xij+1においては、第2導電型の極低不純物密度の電荷生成層12をアノード領域、第1導電型の表面埋込領域13Bをカソード領域として、フォトダイオードPDij+1を構成し、1画素領域内に1個の転送トランジスタと3トランジスタ増幅回路Aij+1をそれぞれ配置した4トランジスタ型のB画素Xij+1が構成されている。そして、RフォトダイオードPDij-1,の上には赤色(R)カラーフィルタ31Rが、GフォトダイオードPDijの上には緑色(G)カラーフィルタ31Rが,BフォトダイオードPDij+1の上には青色(B)カラーフィルタ31Rが設けられている。 In the R pixel X ij-1 , the second conductivity type (p-type) ultra-low impurity density charge generation layer 12 is used as an anode region, and the first conductivity type (n-type) surface buried region 13R is used as a cathode region. Embedded photodiode (hereinafter abbreviated as “photodiode”) PD ij-1, which is a four-transistor type in which one transfer transistor and three-transistor amplification circuit A ij-1 are arranged in one pixel region, respectively. R pixel X ij-1 is configured (see FIG. 5). In the G pixel X ij , a photodiode PD ij is configured with the second conductivity type ultra-low impurity density charge generation layer 12 as an anode region and the first conductivity type surface buried region 13G as a cathode region. A four-transistor type G pixel X ij in which one transfer transistor and a three-transistor amplifier circuit A ij are arranged in the region is configured. In the B pixel X ij + 1 , the photodiode PD ij + 1 is configured using the second conductivity type ultra-low impurity density charge generation layer 12 as an anode region and the first conductivity type surface buried region 13B as a cathode region. In addition, a 4-transistor type B pixel X ij + 1 in which one transfer transistor and a three-transistor amplification circuit A ij + 1 are arranged in one pixel region is configured. Then, R photodiode PD ij-1, on top of the red (R) color filter 31R is, green (G) color filter 31R is formed on the G photodiode PD ij is on the B photodiode PD ij + 1 Is provided with a blue (B) color filter 31R.
図3に示すように、フォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1のそれぞれの第1導電型(n型)の表面埋込領域13R,13G,13Bの上には第2導電型(p+型)のピニング層14R,14G,14Bが形成されている。ピニング層14R,14G,14Bは、ダーク時の表面でのキャリアの生成を抑制する層であると共に、表面電位を接地電位に固定(ピニング)する層であり、後述する基板電位の変動に対して安定した表面電位を確保する。 As shown in FIG. 3, the second conductivity type is formed on the first conductivity type (n-type) surface buried regions 13R, 13G, and 13B of the photodiodes PD ij−1 , PD ij , and PD ij + 1. (P + -type) pinning layers 14R, 14G, and 14B are formed. The pinning layers 14R, 14G, and 14B are layers that suppress the generation of carriers on the surface in the dark, and are layers that fix (pinning) the surface potential to the ground potential. Ensure stable surface potential.
R画素Xij-1においては、転送ゲート電極15Rを介してRフォトダイオードPDij-1から電荷検出領域16Rに電荷が転送され、増幅回路Aij-1で増幅される。G画素Xijにおいては、転送ゲート電極15Gを介してGフォトダイオードPDijから電荷検出領域16Gに電荷が転送され、増幅回路Aijで増幅され、B画素Xij+1においては、転送ゲート電極15Bを介してBフォトダイオードPDij+1から電荷検出領域16Bに電荷が転送され、増幅回路Aij+1で増幅される。 In the R pixel X ij−1 , charges are transferred from the R photodiode PD ij−1 to the charge detection region 16R via the transfer gate electrode 15R, and are amplified by the amplifier circuit A ij−1 . In the G pixel X ij , charges are transferred from the G photodiode PD ij to the charge detection region 16G via the transfer gate electrode 15G, amplified by the amplifier circuit A ij , and in the B pixel X ij + 1 , the transfer gate electrode Charge is transferred from the B photodiode PD ij + 1 to the charge detection region 16B via 15B, and is amplified by the amplifier circuit A ij + 1 .
R画素Xij-1の増幅回路Aij-1を構成する3つのトランジスタのそれぞれは、高不純物密度の第2導電型(p+型)のウェル(増幅回路形成ウェル)18R上に配置され、例えば、第1導電型(n+型)のソース領域52R及び第1導電型のドレイン領域53Rと、ソース領域52R及びドレイン領域53Rの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極51Rとで、リセットトランジスタTRij-1を構成することが可能である(図5参照。)。同様に、G画素Xijの増幅回路Aij-1を構成する3つのトランジスタのそれぞれは、高不純物密度の第2導電型の増幅回路形成ウェル18G上に配置され、例えば、第1導電型のソース領域52G及び第1導電型のドレイン領域53Gと、ソース領域52G及びドレイン領域53Gの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極51Gとで、リセットトランジスタTRijを構成することが可能であり、B画素Xij+1の増幅回路Aij-1を構成する3つのトランジスタのそれぞれは、高不純物密度の第2導電型の増幅回路形成ウェル18B上に配置され、例えば、第1導電型のソース領域52B及び第1導電型のドレイン領域53Bと、ソース領域52B及びドレイン領域53Bの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極51Bとで、リセットトランジスタTRij+1を構成することが可能である。増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bは、それぞれ、n型の表面埋込領域13R,13G,13Bより深い。 Each of the three transistors constituting the amplifier circuit A ij-1 of the R pixel X ij-1 is disposed on a second conductivity type (p + type) well (amplifier circuit formation well) 18R having a high impurity density. For example, the source region 52R of the first conductivity type (n + type), the drain region 53R of the first conductivity type, and the gate electrode 51R provided on the channel between the source region 52R and the drain region 53R are reset. The transistor TR ij-1 can be configured (see FIG. 5). Similarly, each of the three transistors constituting the amplification circuit A ij-1 of the G pixel X ij is disposed on the second conductivity type amplification circuit formation well 18G having a high impurity density. For example, the first conductivity type The reset transistor TR ij can be configured by the source region 52G and the drain region 53G of the first conductivity type, and the gate electrode 51G provided on the channel between the source region 52G and the drain region 53G. Each of the three transistors constituting the amplifier circuit A ij-1 of the B pixel X ij + 1 is disposed on the second impurity type well-conducting circuit forming well 18B having a high impurity density. The region 52B and the drain region 53B of the first conductivity type and the gate electrode 51B provided above the channel between the source region 52B and the drain region 53B It is possible to configure the phototransistor TR ij + 1. The amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B are deeper than the n-type surface buried regions 13R, 13G, and 13B, respectively.
第1の実施の形態に係るカラー撮像装置のR画素Xij-1は、更に電荷検出領域16R及び転送ゲート電極15Rの下側で、表面埋込領域13Rと増幅回路形成ウェル18Rの間となる領域に、不純物密度1×1015cm-3以上、1×1018cm-3以下で深さが増幅回路形成ウェル18Rと等しい、第2導電型(p型)の転送チャネル形成ウェル19Rを設けている。又、G画素Xijは、電荷検出領域16G及び転送ゲート電極15Gの下側で、表面埋込領域13Gと増幅回路形成ウェル18Gの間となる領域に、不純物密度1×1015cm-3以上、1×1018cm-3以下で深さが増幅回路形成ウェル18Gと等しい、第2導電型(p型)の転送チャネル形成ウェル19Gを形成し、B画素Xij+1は、電荷検出領域16B及び転送ゲート電極15Bの下側で、表面埋込領域13Bと増幅回路形成ウェル18Bの間となる領域に、不純物密度1×1015cm-3以上、1×1018cm-3以下で深さが増幅回路形成ウェル18Bと等しい、第2導電型(p型)の転送チャネル形成ウェル19Bを形成している。即ち、転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bは、それぞれ、第1導電型の表面埋込領域13R,13G,13Bより深い。又、増幅回路形成ウェル18R,18G,18B及び転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bのそれぞれは、p+型のトップコンタクト領域20R,20G,20Bを介して接地電位が与えられる。上述したように、転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度は、増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度よりも低めに設定可能であるが、転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度と増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度とを等しくした場合は、転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの接合深さと増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの接合深さとが等しい場合は、転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bと増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bとは一体の領域になる。 The R pixel X ij-1 of the color imaging device according to the first embodiment is further below the charge detection region 16R and the transfer gate electrode 15R and between the surface buried region 13R and the amplifier circuit formation well 18R. A second conductivity type (p-type) transfer channel forming well 19R having an impurity density of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less and a depth equal to that of the amplifier circuit forming well 18R is provided in the region. ing. The G pixel X ij has an impurity density of 1 × 10 15 cm −3 or more in a region between the surface buried region 13G and the amplifier circuit formation well 18G below the charge detection region 16G and the transfer gate electrode 15G. A second conductivity type (p-type) transfer channel formation well 19G having a depth equal to or less than 1 × 10 18 cm −3 and a depth equal to that of the amplification circuit formation well 18G is formed, and the B pixel X ij + 1 has a charge detection region In the region between the surface buried region 13B and the amplifier circuit formation well 18B below 16B and the transfer gate electrode 15B, the impurity density is 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less. The second conductivity type (p-type) transfer channel formation well 19B is formed, the length of which is the same as the amplification circuit formation well 18B. That is, the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B are deeper than the first conductivity type surface buried regions 13R, 13G, and 13B, respectively. The amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B and the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B are each given a ground potential through the p + type top contact regions 20R, 20G, and 20B. As described above, the impurity density of the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B can be set lower than the impurity density of the amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B, but the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B. When the impurity density of each of the amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B is made equal, the junction depth of the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B and the junction depth of the amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B are the same. If they are equal, the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B and the amplifier circuit formation wells 18R, 18G, and 18B become an integral region.
それぞれのピニング層14R,14G,14B上、更にはピニング層14R,14G,14Bと電荷検出領域16R,16G,16Bとの間の転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bのそれぞれの上には絶縁膜(図示省略。)が形成され、同様に、それぞれの増幅回路形成ウェル18R,18G,18B上にも絶縁膜(図示省略。)が形成されている。転送ゲート電極15Rは、ピニング層14Rと電荷検出領域16Rとの間の絶縁膜上に設けられ、ゲート電極51Rはソース領域52Rとドレイン領域53Rの間の絶縁膜上に設けられている。転送ゲート電極15Gは、ピニング層14Gと電荷検出領域16Gとの間の絶縁膜上に設けられ、ゲート電極51Gはソース領域52Gとドレイン領域53Gの間の絶縁膜上に設けら、転送ゲート電極15Bは、ピニング層14Bと電荷検出領域16Bとの間の絶縁膜上に設けられ、ゲート電極51Bはソース領域52Bとドレイン領域53Bの間の絶縁膜上に設けられている。絶縁膜としては、シリコン酸化膜(SiO2膜)が好適であるが、シリコン酸化膜(SiO2膜)以外の種々の絶縁膜を用いた絶縁ゲート型トランジスタ(MISトランジスタ)の絶縁ゲート構造をなしてもよい。例えば、シリコン酸化膜(SiO2膜)/シリコン窒化膜(Si3N4膜)/シリコン酸化膜(SiO2膜)の3層積層膜からなるONO膜でもよい。更には、ストロンチウム(Sr)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、イットリウム(Y)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、ビスマス(Bi)のいずれか一つの元素を少なくとも含む酸化物、又はこれらの元素を含むシリコン窒化物等が絶縁膜として使用可能である。図3において、基板11には、基板電位を低電位VLと高電位VHで切り替える基板電位切り替え手段が設けられており、その目的と効果については図6で説明する。 An insulating film is formed on each of the pinning layers 14R, 14G, 14B, and further on each of transfer channel forming wells 19R, 19G, 19B between the pinning layers 14R, 14G, 14B and the charge detection regions 16R, 16G, 16B. (Not shown) is formed, and similarly, insulating films (not shown) are also formed on the respective amplification circuit forming wells 18R, 18G, 18B. The transfer gate electrode 15R is provided on the insulating film between the pinning layer 14R and the charge detection region 16R, and the gate electrode 51R is provided on the insulating film between the source region 52R and the drain region 53R. The transfer gate electrode 15G is provided on the insulating film between the pinning layer 14G and the charge detection region 16G, the gate electrode 51G is provided on the insulating film between the source region 52G and the drain region 53G, and the transfer gate electrode 15B. Is provided on the insulating film between the pinning layer 14B and the charge detection region 16B, and the gate electrode 51B is provided on the insulating film between the source region 52B and the drain region 53B. The insulating film is preferably a silicon oxide film (SiO 2 film), but has an insulated gate structure of an insulated gate transistor (MIS transistor) using various insulating films other than the silicon oxide film (SiO 2 film). May be. For example, an ONO film composed of a three-layered film of silicon oxide film (SiO 2 film) / silicon nitride film (Si 3 N 4 film) / silicon oxide film (SiO 2 film) may be used. Furthermore, at least one element of strontium (Sr), aluminum (Al), magnesium (Mg), yttrium (Y), hafnium (Hf), zirconium (Zr), tantalum (Ta), and bismuth (Bi) is contained. Oxides containing or silicon nitride containing these elements can be used as the insulating film. In FIG. 3, the substrate 11 is provided with substrate potential switching means for switching the substrate potential between the low potential VL and the high potential VH, and its purpose and effect will be described with reference to FIG.
図4は、図2のIV−IV方向から見た断面図に相当し、第1の実施の形態の増幅型固体撮像装置の画素アレイ部1を構成するG画素Xij1の構造を示す。図4に示すように、不純物密度が1×1013cm-3以上、1×1015cm-3以下の第1導電型(n型)の基板11上に、不純物密度が1×1014cm-3以下、1×1011cm-3以上の極低不純物密度の第2導電型(π型)のエピ層からなる電荷生成層12を厚さが10μm以上、50μm以下となるように形成し、G画素Xijが構成されている。即ち、極低不純物密度の電荷生成層12をアノード領域、第1導電型(n型)の表面埋込領域13をカソード領域として、フォトダイオードPDijを構成している。GフォトダイオードPDijの上にはGカラーフィルタ31Rが設けられているが、図示を省略している。図4に示すように、GフォトダイオードPDijの第1導電型の表面埋込領域13Gの上には第2導電型(p+型)のピニング層14Gが形成されている。そして、GフォトダイオードPDijを囲むように、表面埋込領域13Gより深い、不純物密度1×1015cm-3以上、1×1018cm-3以下の第2導電型(p+型)の増幅回路形成ウェル18Gが配置されている。図示を省略しているが、IV−IV方向に平行な方向から見たR画素Xij-1及びB画素Xij+1の構造も実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。 4 corresponds to a cross-sectional view seen from the IV-IV direction of FIG. 2 and shows the structure of the G pixel X ij1 constituting the pixel array unit 1 of the amplification type solid-state imaging device of the first embodiment. As shown in FIG. 4, the impurity density is 1 × 10 14 cm on the first conductivity type (n-type) substrate 11 having an impurity density of 1 × 10 13 cm −3 or more and 1 × 10 15 cm −3 or less. −3 or less, and the charge generation layer 12 made of the second conductivity type (π-type) epi layer having an extremely low impurity density of 1 × 10 11 cm −3 or more is formed to have a thickness of 10 μm or more and 50 μm or less. , G pixel X ij is configured. That is, the photodiode PD ij is configured with the charge generation layer 12 having an extremely low impurity density as the anode region and the first conductivity type (n-type) surface buried region 13 as the cathode region. A G color filter 31R is provided on the G photodiode PD ij , but is not shown. As shown in FIG. 4, a second conductivity type ( p.sup. + Type) pinning layer 14G is formed on the first conductivity type surface buried region 13G of the G photodiode PD ij . Then, a second conductivity type (p + type) having an impurity density of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less deeper than the surface buried region 13G so as to surround the G photodiode PD ij . An amplification circuit forming well 18G is arranged. Although illustration is omitted, since the structures of the R pixel X ij-1 and B pixel X ij + 1 viewed from the direction parallel to the IV-IV direction are substantially the same, the redundant description is omitted.
図5は、増幅回路形成ウェル18Gに配置される増幅回路Aijの例を示す。図5に示すように、電荷検出領域16Gにはコンタクトプラグ(図示省略)を介して、表面配線により、増幅回路Aijを構成する信号読み出しトランジスタ(増幅トランジスタ)TAijのゲート電極と、リセットトランジスタTRijのソース電極が接続されている。リセットトランジスタTRijのドレイン電極及び信号読み出しトランジスタ(増幅トランジスタ)TAijのドレイン電極は、それぞれ電源VDDに接続され、信号読み出しトランジスタ(増幅トランジスタ)TAijのソース電極は画素選択用のスイッチングトランジスタTSijのドレイン電極に接続されている。リセットトランジスタTRijのリセットゲート電極に対し、リセット信号Riをハイ(H)レベル(Ri=“1”)にして、電荷検出領域16Gに蓄積された電荷をそれぞれ吐き出し、電荷検出領域16Gをリセットする。画素選択用のスイッチングトランジスタTSijのソース電極は、j列の垂直信号線Bjに接続され、ゲート電極にはi行の水平ラインの垂直選択信号Siがタイミング発生回路4に駆動されて垂直シフトレジスタ(垂直走査回路)3から与えられる。例えば、G画素Xijの増幅回路Aijとして、図2に示す増幅回路形成ウェル18G上に設けられた第1導電型のソース領域52G及び第1導電型のドレイン領域53Gと、ソース領域52G及びドレイン領域53Gの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極51GとがリセットトランジスタTRijを構成するとすれば、増幅回路形成ウェル18G上に設けられた第1導電型のドレイン領域54G及び第1導電型のソース・ドレイン共有領域56Gと、ドレイン領域54G及びソース・ドレイン共有領域56Gの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極55Gで信号読み出しトランジスタ(増幅トランジスタ)TAijが、第1導電型のソース・ドレイン共有領域56G及び第1導電型のソース領域58Gと、ソース・ドレイン共有領域56Gびソース領域58Gの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極57GとでスイッチングトランジスタTSijが構成される。但し、増幅回路Aijのレイアウトは種々のトポロジーが可能であり、上記に限定されるものではない。回路トポロジーにも依存するが、例えば、n+型のドレイン領域53Gと隣接するn+領域54Gが共通の電源配線VDDに接続される回路構成であれば、ドレイン領域53Gと隣接するn+領域54Gとを連続した一体の領域として構成してもよい。 FIG. 5 shows an example of the amplifier circuit A ij arranged in the amplifier circuit formation well 18G. As shown in FIG. 5, the charge detection region 16G has a gate electrode of a signal readout transistor (amplification transistor) TA ij constituting the amplification circuit A ij and a reset transistor by a surface wiring via a contact plug (not shown). The TR ij source electrode is connected. The drain electrode of the reset transistor TR ij and the drain electrode of the signal readout transistor (amplification transistor) TA ij are connected to the power supply V DD respectively, and the source electrode of the signal readout transistor (amplification transistor) TA ij is the switching transistor TS for pixel selection. It is connected to the drain electrode of ij . The reset signal R i is set to the high (H) level (R i = “1”) to the reset gate electrode of the reset transistor TR ij , and the charges accumulated in the charge detection region 16G are discharged, respectively. Reset. The source electrode of the pixel selection switching transistor TS ij is connected to the vertical signal line B j of j columns, and the vertical selection signal S i of the i-th horizontal line is driven to the gate electrode by the timing generation circuit 4 to be vertical. It is given from the shift register (vertical scanning circuit) 3. For example, as the amplifier circuit A ij of the G pixel X ij , the first conductivity type source region 52G and the first conductivity type drain region 53G provided on the amplifier circuit formation well 18G shown in FIG. if a gate electrode 51G provided on the upper portion of the channel between the drain region 53G constitute a reset transistor TR ij, drain region 54G and the first conductive of a first conductivity type provided on the amplifier circuit forming well 18G The signal read transistor (amplification transistor) TA ij is of the first conductivity type by the gate electrode 55G provided on the channel between the source / drain shared region 56G and the channel between the drain region 54G and the source / drain shared region 56G. The source / drain shared region 56G, the first conductivity type source region 58G, and the source / drain shared region Switching transistor TS ij is composed of a gate electrode 57G provided on the upper portion of the channel between the regions 56G beauty source region 58G. However, the layout of the amplifier circuit A ij can have various topologies, and is not limited to the above. Depending on the circuit topology, for example, if the circuit configuration is such that the n + region 54G adjacent to the n + type drain region 53G is connected to the common power supply wiring V DD , the n + region adjacent to the drain region 53G. 54G may be configured as a continuous integrated region.
回路表示を省略しているが、増幅回路Aij-1及びAij+1の回路構成も実質的に同様であり、R画素Xij-1の増幅回路Aij-1として、図2において、増幅回路形成ウェル18R上に設けられた第1導電型のソース領域52R及び第1導電型のドレイン領域53Rと、ソース領域52R及びドレイン領域53Rの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極51RとがリセットトランジスタTRij-1を構成するとすれば、増幅回路形成ウェル18R上に設けられた第1導電型のドレイン領域54R及び第1導電型のソース・ドレイン共有領域56Rと、ドレイン領域54R及びソース・ドレイン共有領域56Rの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極55Rで信号読み出しトランジスタ(増幅トランジスタ)TAij-1が、第1導電型のソース・ドレイン共有領域56R及び第1導電型のソース領域58Rと、ソース・ドレイン共有領域56Rびソース領域58Rの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極57RとでスイッチングトランジスタTSij-1が構成される。同様に、B画素Xij+1の増幅回路Aij+1として、図2に示す増幅回路形成ウェル18B上に設けられた第1導電型のソース領域52B及び第1導電型のドレイン領域53Bと、ソース領域52B及びドレイン領域53Bの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極51BとがリセットトランジスタTRij+1を構成するとすれば、増幅回路形成ウェル18B上に設けられた第1導電型のドレイン領域54B及び第1導電型のソース・ドレイン共有領域56Bと、ドレイン領域54B及びソース・ドレイン共有領域56Bの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極55Bで信号読み出しトランジスタ(増幅トランジスタ)TAij+1が、第1導電型のソース・ドレイン共有領域56B及び第1導電型のソース領域58Bと、ソース・ドレイン共有領域56Bびソース領域58Bの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極57BとでスイッチングトランジスタTSij+1が構成される。 Although the circuit display is omitted, the circuit configurations of the amplifier circuits A ij-1 and A ij + 1 are substantially the same, and the amplifier circuit A ij-1 of the R pixel X ij-1 is shown in FIG. A first conductivity type source region 52R and a first conductivity type drain region 53R provided on the amplifier circuit formation well 18R, and a gate electrode 51R provided on the channel between the source region 52R and the drain region 53R; Is configured as the reset transistor TR ij-1 , the first conductivity type drain region 54R and the first conductivity type source / drain shared region 56R, the drain region 54R and the source provided on the amplification circuit formation well 18R. drain shared area upper portion provided gate electrode 55R in signal readout transistor channel between the 56R (amplification transistor) TA ij-1 is of a first conductivity type source Scan-drain shared region 56R and the source region of the first conductivity type 58R, source and drain shared area 56R beauty switching transistor TS ij-1 in the gate electrode 57R provided in the upper portion of the channel between the source region 58R is configured Is done. Similarly, as the amplifier circuit A ij + 1 of the B pixel X ij + 1 , a first conductivity type source region 52B and a first conductivity type drain region 53B provided on the amplifier circuit formation well 18B shown in FIG. If the gate electrode 51B provided above the channel between the source region 52B and the drain region 53B constitutes the reset transistor TR ij + 1 , the first conductivity type provided on the amplifier circuit formation well 18B is assumed. The signal readout transistor (amplification transistor) TA ij is formed by the drain region 54B and the source / drain shared region 56B of the first conductivity type, and the gate electrode 55B provided on the channel between the drain region 54B and the source / drain shared region 56B. +1 is the source / drain shared region 56B of the first conductivity type and the source region 58B of the first conductivity type, and the source / drain The switching transistor TS ij + 1 is configured by the gate electrode 57B provided on the upper part of the channel between the common region 56B and the source region 58B.
図3に示す第1の実施の形態に係るカラー撮像装置のR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1においては、電荷生成層12全体を極低不純物密度化して真性半導体に近い状態にしているので、第1導電型の表面埋込領域13R,13G,13Bと第2導電型の電荷生成層12の界面から基板11に向かう空乏層の伸びは、非常に深い。つまり、R画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1のそれぞれのフォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1をなす電荷生成層12の不純物密度が、1×1013cm-3以下の真性半導体に近い状態であれば、空乏層端の深さが15μm以上となるので、電荷生成層12の大部分が空乏化する。したがって、図7に示すように、シリコン中に10μm以上侵入する波長800nm以上の近赤外光においても、十分な感度を維持することが可能となる。 In the R pixel X ij−1 , G pixel X ij , and B pixel X ij + 1 of the color imaging device according to the first embodiment shown in FIG. Since the state is close to that of a semiconductor, the depletion layer extends from the interface between the first conductivity type surface buried regions 13R, 13G, and 13B and the second conductivity type charge generation layer 12 toward the substrate 11 very deeply. That is, the impurity density of the charge generation layer 12 forming the photodiodes PD ij−1 , PD ij , PD ij + 1 of the R pixel X ij−1 , G pixel X ij , and B pixel X ij + 1 is 1 ×. In a state close to an intrinsic semiconductor of 10 13 cm −3 or less, the depth of the depletion layer end is 15 μm or more, so that most of the charge generation layer 12 is depleted. Therefore, as shown in FIG. 7, sufficient sensitivity can be maintained even with near-infrared light having a wavelength of 800 nm or more that penetrates 10 μm or more into silicon.
このように、第1の実施の形態に係るカラー撮像装置においては、真性半導体に近い電荷生成層12を採用して、フォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1領域の空乏層を深く形成し、高い赤外感度と低いクロストークを確保した上で、基板11の電位を第1の電位(低電位)VL、及び第1の電位より高電位の第2の電位(高電位)VHに切り換える基板電位切り換え手段を備えている。基板電位切り換えには、トランジスタ等の種々の半導体スイッチが採用可能であるが、機械的なスイッチを用いても構わない。 As described above, in the color imaging device according to the first embodiment, the charge generation layer 12 close to an intrinsic semiconductor is adopted, and depletion layers in the photodiodes PD ij−1 , PD ij , and PD ij + 1 regions are formed. The substrate 11 is formed deeply, ensuring high infrared sensitivity and low crosstalk, and the potential of the substrate 11 is set to the first potential (low potential) VL and the second potential (high potential) higher than the first potential. Substrate potential switching means for switching to VH is provided. Various semiconductor switches such as transistors can be used for switching the substrate potential, but mechanical switches may be used.
基板電位切り換え手段を備えることにより、図6に示すように、赤外撮像時には基板11の電位を第1の電位(低電位)VLとすることにより空乏層内のポテンシャルの山の位置を深く形成するように制御し、カラー撮像時には基板11の電位を第1の電位より高電位の第2の電位(高電位)VHとして、空乏層内のポテンシャルの山の位置を浅く形成するように制御する。 By providing the substrate potential switching means, as shown in FIG. 6, the potential of the substrate 11 is set to the first potential (low potential) VL at the time of infrared imaging, thereby forming a deep potential peak position in the depletion layer. In color imaging, the potential of the substrate 11 is set to a second potential (high potential) VH that is higher than the first potential, so that the position of the potential peak in the depletion layer is shallow. .
図6において、d1はフォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1のピニング層14R,14G,14Bの厚み、d2は表面埋込領域13R,13G,13Bの厚み、d3は極低不純物密度の電荷生成層12の厚み、d4は基板11の厚みを表す(図3参照。)。赤外撮像時においては、基板11の電位を低電位である第1の電位VLとすることにより、極低不純物密度の電荷生成層12内に形成されるポテンシャルの山の位置22は表面からd6となる(図3参照。)。例えばd6=10μm以上とすれば、図7より明らかなように、波長800nm〜900nmの近赤外線に対して十分大きな感度を確保できる。 In FIG. 6, d1 is the thickness of the pinning layers 14R, 14G, 14B of the photodiodes PD ij-1 , PD ij , PD ij + 1 , d2 is the thickness of the surface buried regions 13R, 13G, 13B, and d3 is an extremely low impurity. The thickness d4 of the charge generation layer 12 having a density represents the thickness of the substrate 11 (see FIG. 3). At the time of infrared imaging, by setting the potential of the substrate 11 to the first potential VL which is a low potential, the position 22 of the potential peak formed in the charge generation layer 12 having an extremely low impurity density is d6 from the surface. (See FIG. 3). For example, if d6 = 10 μm or more, as is apparent from FIG. 7, sufficiently large sensitivity can be secured for near infrared rays having a wavelength of 800 nm to 900 nm.
一方、カラー撮像時においては、基板11の電位を高電位である第2の電位VHとすることにより、極低不純物密度の電荷生成層12内に形成されるポテンシャルの山の位置23は表面からd5となる(図3参照。例えばd5=2μm以下とすれば、図7より明らかなように、波長800nm〜900nmの近赤外線に対して十分小さな感度に抑圧できる。 On the other hand, at the time of color imaging, by setting the potential of the substrate 11 to the second potential VH, which is a high potential, the position 23 of the potential peak formed in the charge generation layer 12 with an extremely low impurity density is from the surface. d5 (see FIG. 3. For example, if d5 = 2 μm or less, as is clear from FIG. 7, the sensitivity can be suppressed to a sufficiently small sensitivity with respect to near-infrared wavelengths of 800 nm to 900 nm.
基板11の電位が第1の電位VLのとき、基板11の側から表面埋込領域13R,13G,13Bへの電子注入を防止するためには、基板11から表面側へ電子が注入するのを防止するためのポテンシャルバリアVB2の高さは、0.5V以上確保するのが望ましい。電荷生成層12内に形成される、電子の注入を防止するためポテンシャルの山の高さは、第1の電位VLの値、基板11の不純物密度、電荷生成層12の不純物密度とその厚さd3、ピニング層14R,14G,14Bの不純物密度とその厚さd1,表面埋込領域13R,13G,13Bの不純物密度とその厚さd2,増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度とその厚さd7,転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度とその厚さd7、及び平面的なレイアウトに依存する。このため、基板11の電位に印加する第1の電位VLが接地電位では、基板11の側から表面側への電子注入を防止するポテンシャルバリアの高さが不十分であれば、第1の電位VL値を少し(0.5V以下)上げてポテンシャルバリアの高さを確保すればよい。 When the potential of the substrate 11 is the first potential VL, in order to prevent electron injection from the substrate 11 side to the surface buried regions 13R, 13G, 13B, electrons are injected from the substrate 11 to the surface side. The height of the potential barrier VB2 for preventing it is desirable to ensure 0.5V or more. The height of the potential peak formed in the charge generation layer 12 to prevent the injection of electrons is the value of the first potential VL, the impurity density of the substrate 11, the impurity density of the charge generation layer 12 and its thickness. d3, the impurity density of the pinning layers 14R, 14G, and 14B, the thickness d1, the impurity density of the surface buried regions 13R, 13G, and 13B, the thickness d2, the impurity density of the amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B, and the thickness thereof It depends on the thickness d7, the impurity density of the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B, the thickness d7, and the planar layout. Therefore, when the first potential VL applied to the potential of the substrate 11 is the ground potential, the first potential VL is sufficient if the height of the potential barrier for preventing electron injection from the substrate 11 side to the surface side is insufficient. What is necessary is just to raise the VL value a little (0.5V or less) and to secure the height of the potential barrier.
基板11の電位が第2の電位VHの場合には、図6に示すように、表面埋込領域13R,13G,13Bの電位VA1,VA3より基板11の電位が高くなる。ここでVA1は表面埋込領域に電荷が蓄積していない空の場合、VA3は十分に蓄積した場合の電位を表す。したがって、フォトダイオードをなす表面埋込領域13R,13G,13Bから基板11への電子流出を防止するため、ポテンシャルバリアの高さVB1,VB3は0.5V以上確保するのが望ましい。基板11の電位を第2の電位VHとした場合のポテンシャルバリアの高さVB1,VB3は、第2の電位VHの値、基板11の不純物密度、電荷生成層12の不純物密度とその厚さd3、ピニング層14R,14G,14Bの不純物密度とその厚さd1,表面埋込領域13R,13G,13Bの不純物密度とその厚さd2,増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度とその厚さd7,転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度とその厚さd7、及び平面的なレイアウトに依存する。 When the potential of the substrate 11 is the second potential VH, as shown in FIG. 6, the potential of the substrate 11 is higher than the potentials VA1 and VA3 of the surface buried regions 13R, 13G, and 13B. Here, VA1 represents a potential when charge is not accumulated in the surface buried region, and VA3 represents a potential when the charge is sufficiently accumulated. Therefore, in order to prevent electrons from flowing out from the surface buried regions 13R, 13G, and 13B forming the photodiode to the substrate 11, it is desirable to secure the potential barrier heights VB1 and VB3 to 0.5 V or more. The potential barrier heights VB1 and VB3 when the potential of the substrate 11 is the second potential VH are the values of the second potential VH, the impurity density of the substrate 11, the impurity density of the charge generation layer 12, and its thickness d3. The impurity density and thickness d1 of the pinning layers 14R, 14G and 14B, the impurity density and thickness d2 of the surface buried regions 13R, 13G and 13B, and the impurity density and thickness of the amplification circuit forming wells 18R, 18G and 18B It depends on the impurity density and thickness d7 of the transfer channel formation wells 19R, 19G and 19B, and the planar layout.
平面的なレイアウトとしては、図3に示す増幅回路形成ウェル18Bと転送チャネル形成ウェル19Rとの間隔w1,増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gとの間隔w1,増幅回路形成ウェル18Gと転送チャネル形成ウェル19Bとの間隔w1,及び図4に示す増幅回路形成ウェル18Gと増幅回路形成ウェル18Gとの間隔l1が重要となる(図示を省略しているが、図3と同様な方向の断面における。増幅回路形成ウェル18Rと増幅回路形成ウェル18Rとの間隔l1及び増幅回路形成ウェル18Bと増幅回路形成ウェル18Bとの間隔l1も重要なことは勿論である。)。 The planar layout, spacing w 1 of the amplifier circuit forming well 18B shown in FIG. 3 and the transfer channel formation well 19R, interval w 1 between the amplifier circuit forming well 18R and the transfer channel formation well 19G, the amplifier circuit forming well 18G And the distance w 1 between the transfer channel formation well 19B and the distance l 1 between the amplification circuit formation well 18G and the amplification circuit formation well 18G shown in FIG. 4 are important (not shown, but similar to FIG. 3) Of course, the interval l 1 between the amplification circuit formation well 18R and the amplification circuit formation well 18R and the interval l 1 between the amplification circuit formation well 18B and the amplification circuit formation well 18B are also important.
例えば、後述する第2の実施の形態の図14に示すように、増幅回路形成ウェル18G及び転送チャネル形成ウェル19Gがないn−π−nフック構造の1次元モデルでは、基板11の電位を第2の電位(高電位)VH=5.1Vとしたときでも、電荷生成層12内に形成されるポテンシャルバリアのバリア高さは0.025V程度であり、ポテンシャルバリアが、ほとんど形成されないことが分かる。 For example, as shown in FIG. 14 of the second embodiment to be described later, in the one-dimensional model of the n-π-n hook structure without the amplifier circuit formation well 18G and the transfer channel formation well 19G, the potential of the substrate 11 is Even when the potential of 2 (high potential) VH = 5.1V, the barrier height of the potential barrier formed in the charge generation layer 12 is about 0.025V, and it is understood that the potential barrier is hardly formed. .
第1の実施の形態に係るカラー撮像装置における電荷生成層12内に形成されるポテンシャルバリアは、バイポーラモードの静電誘導トランジスタ(BSIT)のチャネルに形成されるポテンシャルバリアに類似している。即ち、G画素Xijに着目して説明すれば、n型の表面埋込領域13GがBSITのソース領域、π型の電荷生成層12がBSITのチャネル領域、n型の基板11がBSITのドレイン領域、増幅回路形成ウェル18G及び転送チャネル形成ウェル19Gがチャネルの両側を挟むBSITのゲート領域に対応する。BSITでは、ソース領域からドレイン領域に向かうn−π−nフック構造のポテンシャル分布に対し、チャネルの両側を挟むp+ゲート領域による静電誘導効果で、n−π−nフック構造に鞍部点としてのポテンシャルバリアが形成される。このためには、鞍部点の電位が、図6の上方向にp+ゲート領域による静電誘導効果で持ち上げられる十字型モデルの成立するようなp+ゲート領域とp+ゲート領域との間隔が必要になる(電子通信学会論文誌’80/8、第J63−C巻、第8号、p529−536等参照。)。鞍部点の電位を持ち上げる静電誘導効果は、増幅回路形成ウェル18G及び転送チャネル形成ウェル19Gが接地電位であれば、π型の電荷生成層12とp型の増幅回路形成ウェル18G及び転送チャネル形成ウェル19Gとがなすπ−p接合の拡散電位(ビルトインポテンシャル)に依存する。p+ゲート領域とp+ゲート領域との間隔が狭くなればなるほどチャネルの電位がp+ゲート領域の電位に近づいて高くなるように、行方向に沿った増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gとの間隔w1,及び列方向に沿った増幅回路形成ウェル18Gと増幅回路形成ウェル18Gとの間隔l1が狭いほど、電荷生成層12内に形成されるポテンシャルバリアが高くなる。行方向のウェル間隔w1及び列方向のウェル間隔l1が、電荷生成層12における電子のデバイ長の2倍以上になってくると、増幅回路形成ウェル18R及び転送チャネル形成ウェル19Gによる静電誘導効果が、電子によりスクリーニングされるようになってくるので好ましくない。 The potential barrier formed in the charge generation layer 12 in the color imaging device according to the first embodiment is similar to the potential barrier formed in the channel of the bipolar mode electrostatic induction transistor (BSI). In other words, when focusing on the G pixel X ij , the n-type surface buried region 13G is the BSIT source region, the π-type charge generation layer 12 is the BSIT channel region, and the n-type substrate 11 is the BSIT drain. The region, the amplification circuit formation well 18G, and the transfer channel formation well 19G correspond to the gate region of the BSIT that sandwiches both sides of the channel. In BSIT, the potential distribution of the n-π-n hook structure from the source region to the drain region is caused by the electrostatic induction effect by the p + gate region sandwiching both sides of the channel. The potential barrier is formed. To this end, the potential of the saddle point, the distance between the p + gate region and the p + gate regions, such as the establishment of cross models lifted by electrostatic induction effect of the p + gate region upward in FIG. 6 (Refer to IEICE Transactions '80 / 8, Vol. J63-C, No. 8, p529-536 etc.). The electrostatic induction effect of raising the potential of the buttocks point is that if the amplification circuit formation well 18G and the transfer channel formation well 19G are at ground potential, the π-type charge generation layer 12, the p-type amplification circuit formation well 18G and the transfer channel formation are formed. It depends on the diffusion potential (built-in potential) of the π-p junction formed by the well 19G. p + as the potential of the gate region and the p + spacing The smaller channel with the gate region is increased approaching the potential of the p + gate regions, the amplifier circuit forming well 18R and the transfer channel formed well along the row direction The smaller the distance w 1 from 19G and the distance l 1 between the amplifier circuit forming well 18G and the amplifier circuit forming well 18G along the column direction, the higher the potential barrier formed in the charge generation layer 12. When the well interval w 1 in the row direction and the well interval l 1 in the column direction become more than twice the Debye length of electrons in the charge generation layer 12, electrostatic capacitance is generated by the amplification circuit formation well 18 R and the transfer channel formation well 19 G. The inductive effect is undesirable because it is screened by electrons.
十字型モデルにおける静電誘導効果で鞍部点の電位が有効に持ち上げられるためには、表面埋込領域13Gを囲む増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gの接合深さが表面埋込領域13Gの接合深さより深いことが有効であることは、増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gが生じるポテンシャルの効果を考えれば容易に理解できる。例えば、表面埋込領域13Gの接合深さが0.2〜0.3μm程度であれば、増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gの接合深さは、表面埋込領域13Gの接合深さの2〜5倍程度が有効である。増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gの接合深さが表面埋込領域13Gの接合深さの2倍未満になってくると、増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gの及ぼす静電誘導効果が鞍部点に到達しにくくなるので好ましくない。十字型モデルを考慮すると、行方向に沿った増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gとの間隔w1,及び列方向に沿った増幅回路形成ウェル18Gと増幅回路形成ウェル18Gとの間隔l1は、増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gの接合深さ程度であるのが好ましいが、画素の感度特性等とのトレードオフ条件で、増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gとの間隔w1,及び列方向に沿った増幅回路形成ウェル18Gと増幅回路形成ウェル18Gとの間隔l1の最適値を決めればよい。概ね、表面埋込領域13Gの接合深さが0.2〜0.3μm程度であれば、行方向に沿った増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gとの間隔w1,及び列方向に沿った増幅回路形成ウェル18Gと増幅回路形成ウェル18Gとの間隔l1は4μm以下とするのが好ましい。 In order for the potential of the buttock point to be effectively raised by the electrostatic induction effect in the cross-shaped model, the junction depth of the amplification circuit forming well 18R and the transfer channel forming well 19G surrounding the surface buried region 13G is determined by the surface buried region 13G. It can be easily understood that the depth deeper than the junction depth is effective considering the potential effect generated by the amplification circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G. For example, if the junction depth of the surface buried region 13G is about 0.2 to 0.3 μm, the junction depth between the amplifier circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G is the junction depth of the surface buried region 13G. About 2 to 5 times as effective. When the junction depth between the amplification circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G becomes less than twice the junction depth of the surface buried region 13G, the electrostatic effect exerted by the amplification circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G Since the induction effect is difficult to reach the buttocks, it is not preferable. Considering the cruciform model, the distance w 1 between the amplification circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G along the row direction, and the distance l between the amplification circuit formation well 18G and the amplification circuit formation well 18G along the column direction. 1 is preferably about the junction depth between the amplification circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G. However, the amplifier circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G spacing w 1, and may be determined the optimum value of the distance l 1 between the amplifier circuit forming well 18G along the column direction and the amplification circuit forming well 18G. In general, if the junction depth of the surface buried region 13G is about 0.2 to 0.3 μm, the distance w 1 between the amplifier circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G along the row direction and the column direction. The interval l 1 between the amplification circuit formation well 18G and the amplification circuit formation well 18G along the line is preferably 4 μm or less.
又、十字型モデルにおける電気力線のバランスを考慮すれば、行方向に沿った増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gとの間隔w1,及び列方向に沿った増幅回路形成ウェル18Gと増幅回路形成ウェル18Gとの間隔l1は、増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gの接合深さの3倍〜6倍以下の寸法に選ぶのが好ましい。行方向に沿った増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gとの間隔w1,及び列方向に沿った増幅回路形成ウェル18Gと増幅回路形成ウェル18Gとの間隔l1が、増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gの接合深さに比し、広くなりすぎると、鞍部点の電位を有効に持ち上げるのが困難になる。 In consideration of the balance of the lines of electric force in the cross model, the distance w 1 between the amplification circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G along the row direction and the amplification circuit formation well 18G along the column direction The distance l 1 between the amplification circuit formation well 18G is preferably selected to be 3 to 6 times the junction depth of the amplification circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G. The interval w 1 between the amplification circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19G along the row direction and the interval l 1 between the amplification circuit formation well 18G and the amplification circuit formation well 18G along the column direction are the amplification circuit formation well. If it becomes too large compared to the junction depth of 18R and transfer channel formation well 19G, it will be difficult to effectively raise the potential at the heel point.
π型の電荷生成層12とp型の増幅回路形成ウェル18G及び転送チャネル形成ウェル19Gとがなすπ−p接合の拡散電位(ビルトインポテンシャル)を考慮すると、増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gの占める平面パターン上での面積が、
表面埋込領域13Gの占める平面パターン上での面積より相対的に大きい方が望ましいが、現実には画素の感度特性等とのトレードオフ条件で、画素面積に対する表面埋込領域13Gの占める面積の割合、即ちフィルファクターが決められるが例えば、30%程度に選べばよい。
In consideration of the diffusion potential (built-in potential) of the π-p junction formed by the π-type charge generation layer 12, the p-type amplifier circuit formation well 18G, and the transfer channel formation well 19G, the amplifier circuit formation well 18R and the transfer channel formation well The area on the plane pattern occupied by 19G is
Although it is desirable that the area is relatively larger than the area on the planar pattern occupied by the surface buried region 13G, the area occupied by the surface buried region 13G with respect to the pixel area is actually a trade-off condition with the sensitivity characteristics of the pixel. The ratio, that is, the fill factor is determined, but for example, it may be selected at about 30%.
既に述べたように、転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度は、増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度よりも低めに設定可能であるが、電荷生成層12内に形成されるポテンシャルバリアのバリアの高さを高くする目的では、転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度と増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度とを等しく、且つ共に2×1017cm-3以上、4×1018cm-3以下程度の高めの値に設定するのが好ましい。 As described above, the impurity density of the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B can be set lower than the impurity density of the amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B, but is formed in the charge generation layer 12. In order to increase the height of the potential barrier, the impurity density of the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B is equal to the impurity density of the amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B, and both are 2 × 10 17 cm. It is preferable to set a higher value of about −3 to 4 × 10 18 cm −3 .
図6に示すように、電荷生成層12内に、表面埋込領域13R,13G,13Bから基板11への電子流出を防止するバリアの高さVB1,VB3のポテンシャルの山を形成することにより、基板11の電位の変化により蓄積動作を維持したまま、赤外撮像時とカラー撮像時の有効深さを可変とすることが可能となる。 As shown in FIG. 6, by forming in the charge generation layer 12 potential peaks of barrier heights VB1 and VB3 that prevent electrons from flowing out from the surface buried regions 13R, 13G, and 13B to the substrate 11, It is possible to change the effective depth during infrared imaging and color imaging while maintaining the accumulation operation by changing the potential of the substrate 11.
本発明におけるブルーミング抑圧は図8に示すように、転送トランジスタを用いる。図8(a)は、G画素Xijに着目し、G画素XijのGフォトダイオードPDijから転送トランジスタの転送ゲート電極15Gを経由して電荷検出領域16Gに向かう電荷転送方向に沿った断面図であり、図8(b)は、同じ場所におけるポテンシャル分布である。ここで、転送トランジスタのオフポテンシャルΦTX(off)、及びリセットトランジスタのオフポテンシャルΦRT(off)を共に正にすることにより、転送トランジスタがオフ状態でGフォトダイオードPDijの電荷蓄積が行われる際、GフォトダイオードPDijが飽和に到達すると、過剰な電荷は転送トランジスタ及びリセットトランジスタのチャネルを介して、電位Vddのドレイン領域53Gへ排出されるため、ブルーミングが防止される。尚、リセットトランジスタのゲート電極51GをGフォトダイオードPDijの電荷蓄積が行われる間オンとすれば、リセットトランジスタのオフポテンシャルΦRT(off)は必ずしも正である必要はない。R画素Xij-1及びB画素Xij+1についても、G画素Xijと実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。 The blooming suppression in the present invention uses a transfer transistor as shown in FIG. 8 (a) it is focused on G pixel X ij, along the charge transfer direction to the charge detection region 16G via the transfer gate electrode 15G of the transfer transistor from the G photodiode PD ij of G pixel X ij sectional FIG. 8B shows a potential distribution at the same place. Here, by making both the off potential Φ TX (off) of the transfer transistor and the off potential Φ RT (off) of the reset transistor positive, the charge accumulation of the G photodiode PD ij is performed while the transfer transistor is in the off state. On the other hand, when the G photodiode PD ij reaches saturation, excess charge is discharged to the drain region 53G of the potential Vdd through the channel of the transfer transistor and the reset transistor, so that blooming is prevented. Note that if the gate electrode 51G of the reset transistor is turned on while the charge accumulation of the G photodiode PD ij is performed, the off-potential Φ RT (off) of the reset transistor does not necessarily have to be positive. Since the R pixel X ij-1 and the B pixel X ij + 1 are substantially the same as the G pixel X ij , the redundant description is omitted.
図9は、本発明において基板11の電位を変化させた場合の分光特性の違いを示した図である。まず基板11の電位を低電位(第1の電位)VL、典型的には接地電圧とし、極低不純物密度の電荷生成層12内に形成されるポテンシャルの山の位置を表面から深く、例えば16μmとすれば、そのときの分光特性は「IRモード」で示す曲線となる。他方、基板11の電位を高電位(第2の電位)VH、典型的には電源電圧とし、極低不純物密度の電荷生成層12内に形成されるポテンシャルの山の位置を表面から浅く、例えば1μmとすれば、そのときの分光特性は「カラーモード」で示す曲線となる。図9の縦軸は、「IRモード」、「カラーモード」が共に、ピーク値が1になるよう規格化(正規化)している。規格化前の応答では、「IRモード」のピーク値は「カラーモード」のピーク値の約2倍となる。 FIG. 9 is a diagram showing the difference in spectral characteristics when the potential of the substrate 11 is changed in the present invention. First, the potential of the substrate 11 is set to a low potential (first potential) VL, typically a ground voltage, and the position of the potential peak formed in the charge generation layer 12 having an extremely low impurity density is deep from the surface, for example, 16 μm. Then, the spectral characteristic at that time is a curve indicated by “IR mode”. On the other hand, the potential of the substrate 11 is set to a high potential (second potential) VH, typically a power supply voltage, and the position of the potential peak formed in the charge generation layer 12 having an extremely low impurity density is shallow from the surface. If the thickness is 1 μm, the spectral characteristic at that time becomes a curve indicated by “color mode”. The vertical axis in FIG. 9 is normalized (normalized) so that the peak value is 1 for both “IR mode” and “color mode”. In the response before normalization, the peak value of “IR mode” is about twice the peak value of “color mode”.
R,G,B各カラーフィルタ31R,31G,31Bを図24に示すような分光特性とすると、カラー撮像時には、「カラーモード」曲線との積としてR,G,Bで表わされるような特性となって、混色の少ない良好なカラー信号を得ることができる。他方、赤外撮像時には、R,G,B各カラーフィルタ31R,31G,31Bの平均出力は、「IRモード」曲線との積としてIRで表わされるような特性となって、高い赤外感度を確保することができる。尚、図9では、カラーフィルタ31R,31G,31Bは図18に示すようなベイヤー配列を想定し、平均出力は(2G+R+B)/4としている。図18に示すベイヤー配列では、総画素数Nに対して、緑の解像度はN/2、赤及び青の解像度はN/4になるからである。 When the R, G, B color filters 31R, 31G, 31B have spectral characteristics as shown in FIG. 24, the characteristics represented by R, G, B as products with the “color mode” curve during color imaging are as follows. Thus, a good color signal with little color mixture can be obtained. On the other hand, at the time of infrared imaging, the average output of each of the R, G, B color filters 31R, 31G, 31B has a characteristic represented by IR as a product with the “IR mode” curve, and has high infrared sensitivity. Can be secured. In FIG. 9, the color filters 31R, 31G, and 31B assume a Bayer array as shown in FIG. 18, and the average output is (2G + R + B) / 4. In the Bayer array shown in FIG. 18, the resolution of green is N / 2 and the resolution of red and blue is N / 4 with respect to the total number N of pixels.
図9の場合、カラー撮像時の各色信号、R,G,Bにはまだ若干の赤外成分が残っている。これをより完全に抑圧するには、図10に示したように、カラー撮像時の各色信号から赤外撮像時の同じ色信号に特定比率kを乗じた値を減算すればよい。図10の例では、規格化後の応答に対してk=0.15である。これにより、800nm以上の赤外成分をほぼゼロとすることができ、カラー撮像時の赤外成分をより完全に除去することが可能となる。これにより色再現性を一層高められる。 In the case of FIG. 9, some infrared components still remain in each color signal, R, G, and B at the time of color imaging. In order to suppress this more completely, as shown in FIG. 10, a value obtained by multiplying the same color signal during infrared imaging by a specific ratio k may be subtracted from each color signal during color imaging. In the example of FIG. 10, k = 0.15 with respect to the response after normalization. Thereby, the infrared component of 800 nm or more can be made almost zero, and the infrared component at the time of color imaging can be more completely removed. Thereby, the color reproducibility can be further enhanced.
第1の実施の形態に係るカラー撮像装置の説明においては、カラー撮像と赤外撮像の両立を図ることを目的としているが、第1の実施の形態に係るカラー撮像装置はこれに限定されるものではなく、カラー撮像のみを目的とする場合にも適用可能である。即ち、従来のカラー撮像においては、図24において説明したように、IRCが不可欠であったが、第1の実施の形態に係るカラー撮像装置によれば、図9ないし図10で述べた手法の内、カラー撮像部分を利用することにより、IRC無しで良好なカラー撮像が可能となる。 The description of the color imaging device according to the first embodiment is aimed at achieving both color imaging and infrared imaging, but the color imaging device according to the first embodiment is limited to this. However, the present invention can be applied to a case where only color imaging is intended. That is, in the conventional color imaging, as described with reference to FIG. 24, IRC is indispensable. However, according to the color imaging device according to the first embodiment, the method described in FIGS. Among these, by using the color imaging portion, it is possible to perform good color imaging without IRC.
尚、従来のn基板を用いた技術として、例えば特開平09-331058号公報に示されるように、低不純物密度のn基板の上に低不純物密度p層を形成し、p層内にCCD(電荷結合素子)を形成した例があるが、n基板には15V程度の逆バイアス電位を印加して、p層内の光電変換素子で発生した過剰な電荷をn基板側へ排出する縦型オーバーフロードレイン構造であり、第1の実施の形態に係るカラー撮像装置における赤外感度を可変とするための構造とは異なる技術である。 As a conventional technique using an n substrate, a low impurity density p layer is formed on a low impurity density n substrate as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-331058, and a CCD ( There is an example in which a charge-coupled device is formed, but a vertical overflow that applies a reverse bias potential of about 15 V to the n substrate and discharges excessive charges generated in the photoelectric conversion element in the p layer to the n substrate side. The drain structure is a technique different from the structure for making the infrared sensitivity variable in the color imaging device according to the first embodiment.
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係るカラー撮像装置(2次元カラーイメージセンサ)の半導体チップ上でのレイアウトの概略は、図1に示した第1の実施の形態に係るカラー撮像装置と同様であるので、重複した説明を省略する。但し、図1では3色ストライプ方式のカラーフィルタアレイを例示したが、これに限定されるものではなく、図18〜図21に示すような種々のカラーフィルタアレイが採用可能である。
(Second Embodiment)
The outline of the layout on the semiconductor chip of the color imaging device (two-dimensional color image sensor) according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the color imaging device according to the first embodiment shown in FIG. Therefore, a duplicate description is omitted. However, although a three-color stripe type color filter array is illustrated in FIG. 1, the present invention is not limited to this, and various color filter arrays as shown in FIGS. 18 to 21 can be employed.
図11は、図1に示したR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1,……,R画素Xi+1j-1,G画素Xi+1j,B画素Xi+1j+1,……の周期的配列の一部を拡大して示す。即ち、R画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1の周期的配列のユニットは、それぞれ、RフォトダイオードPDij-1,GフォトダイオードPDij,BフォトダイオードPDij+1、及びフォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1のそれぞれに隣接して配置された第2導電型(p型)の増幅回路形成ウェル18R,18G,18B及び第2導電型(p型)の転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bを、平面的な位置関係として備える。増幅回路形成ウェル18R,18G,18B,…は、それぞれ、行方向に隣接するフォトダイオードPDij-2(図示省略。)とフォトダイオードPDij-1の間の領域、フォトダイオードPDij-1とフォトダイオードPDijの間の領域、フォトダイオードPDijとフォトダイオードPDij+1の間の領域、フォトダイオードPDij+1とフォトダイオードPDij+2(図示省略。)の間の領域において素子分離領域をなし、同様に列方向に隣接するフォトダイオードPDij-1とフォトダイオードPDi+1j-1の間の領域、フォトダイオードPDijとフォトダイオードPDi+1jの間の領域、フォトダイオードPDij+1とフォトダイオードPDi+1j+1の間の領域において素子分離領域をなしている。増幅回路形成ウェル18R,18G,18B及び転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bは、不純物密度1×1015cm-3以上、1×1018cm-3以下の半導体領域である。 11 shows the R pixel X ij−1 , G pixel X ij , B pixel X ij + 1 ,..., R pixel X i + 1j−1 , G pixel X i + 1j , B pixel X shown in FIG. A part of the periodic arrangement of i + 1j + 1,. That is, R pixels X ij−1 , G pixels X ij , and B pixels X ij + 1 are periodically arranged in units of R photodiode PD ij−1 , G photodiode PD ij , and B photodiode PD ij +, respectively. 1 , and second conductivity type wells 18R, 18G, 18B and second conductivity type (p type) amplifier circuit forming wells 18R, 18G, 18B arranged adjacent to the photodiodes PD ij-1 , PD ij , PD ij + 1 , respectively. p-type) transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B are provided as a planar positional relationship. The amplification circuit formation wells 18R, 18G, 18B,... Are respectively regions between photodiodes PD ij-2 (not shown) and photodiodes PD ij-1 adjacent to each other in the row direction, and photodiodes PD ij−1 . Element isolation is performed in a region between the photodiodes PD ij , a region between the photodiodes PD ij and the photodiodes PD ij + 1 , and a region between the photodiodes PD ij + 1 and the photodiodes PD ij + 2 (not shown). Similarly, a region between photodiodes PD ij-1 and photodiodes PD i + 1j-1 adjacent in the column direction, a region between photodiodes PD ij and photodiodes PD i + 1j , photodiode PD An element isolation region is formed in a region between ij + 1 and the photodiode PD i + 1j + 1 . The amplifier circuit formation wells 18R, 18G, and 18B and the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B are semiconductor regions having an impurity density of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less.
図12は、図11のXII−XII方向から見た断面図に相当し、第2の実施の形態の増幅型固体撮像装置の画素アレイ部1を構成するR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1の周期的配列の1ユニット分の断面構造を示す。図12に示すように、不純物密度が1×1013cm-3以上、1×1015cm-3以下の第1導電型(n型)のシリコンからなる基板11上に、不純物密度が1×1014cm-3以下、1×1011cm-3以上の真性半導体に近い第2導電型(π型)のエピ層からなる電荷生成層12を厚さaが10μm以上、50μm以下となるように形成し、第2の実施の形態に係るカラー撮像装置のRGBの周期的配列の1ユニットをなすR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1のそれぞれが構成されている。 FIG. 12 corresponds to a cross-sectional view as viewed from the XII-XII direction of FIG. 11, and the R pixel X ij-1 and G pixel X constituting the pixel array unit 1 of the amplification type solid-state imaging device of the second embodiment. A cross-sectional structure of one unit of a periodic arrangement of ij and B pixel X ij + 1 is shown. As shown in FIG. 12, an impurity density of 1 × 10 13 cm −3 or more and 1 × 10 15 cm −3 or less of a first conductivity type (n-type) silicon substrate 11 is used. The charge generation layer 12 made of a second conductivity type (π-type) epitaxial layer close to an intrinsic semiconductor of 10 14 cm −3 or less and 1 × 10 11 cm −3 or more is formed so that the thickness a becomes 10 μm or more and 50 μm or less. The R pixel X ij−1 , G pixel X ij , and B pixel X ij + 1 are configured to form one unit of the RGB periodic array of the color imaging apparatus according to the second embodiment. Yes.
R画素Xij-1においては、第2導電型(p型)の真性半導体に近い電荷生成層12をアノード領域、第1導電型(n型)の表面埋込領域13Rをカソード領域として、フォトダイオードPDij-1を構成し、1画素領域内に1個の転送トランジスタと3トランジスタ増幅回路Aij-1をそれぞれ配置した4トランジスタ型のR画素Xij-1が構成されている(図5参照。)。G画素Xijにおいては、電荷生成層12をアノード領域、第1導電型の表面埋込領域13Gをカソード領域として、フォトダイオードPDijを構成し、1画素領域内に1個の転送トランジスタと3トランジスタ増幅回路Aijをそれぞれ配置した4トランジスタ型のG画素Xijが構成されている。B画素Xij+1においては、電荷生成層12をアノード領域、第1導電型の表面埋込領域13Bをカソード領域として、フォトダイオードPDij+1を構成し、1画素領域内に1個の転送トランジスタと3トランジスタ増幅回路Aij+1をそれぞれ配置した4トランジスタ型のB画素Xij+1が構成されている。そして、RフォトダイオードPDij-1,の上にはRカラーフィルタ31Rが、GフォトダイオードPDijの上にはGカラーフィルタ31Rが,BフォトダイオードPDij+1の上にはBカラーフィルタ31Rが設けられている。 In the R pixel X ij−1 , the charge generation layer 12 close to the second conductivity type (p-type) intrinsic semiconductor is used as an anode region, and the first conductivity type (n-type) surface buried region 13R is used as a cathode region. A 4-transistor type R pixel X ij-1 is configured, which includes a diode PD ij-1 and in which one transfer transistor and a three-transistor amplifier circuit A ij-1 are arranged in one pixel region (FIG. 5). reference.). In the G pixel X ij , a photodiode PD ij is configured with the charge generation layer 12 as an anode region and the first conductivity type surface buried region 13G as a cathode region, and one transfer transistor and 3 A 4-transistor type G pixel X ij in which the transistor amplification circuits A ij are respectively arranged is configured. In the B pixel X ij + 1 , a photodiode PD ij + 1 is configured with the charge generation layer 12 as an anode region and the first conductivity type surface buried region 13B as a cathode region, and one pixel region includes one photodiode PD ij + 1 . A four-transistor type B pixel X ij + 1 in which a transfer transistor and a three-transistor amplification circuit A ij + 1 are respectively arranged is configured. Then, R photodiode PD ij-1, the R color filter 31R is formed on the, G color filters 31R on top of G photodiode PD ij is, B photodiode PD ij + 1 of B color filter 31R is formed on Is provided.
図12に示すように、フォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1のそれぞれの表面埋込領域13R,13G,13Bの上には第2導電型(p+型)のピニング層14R,14G,14Bが形成されている。ピニング層14R,14G,14Bは、ダーク時の表面でのキャリアの生成を抑制する層であると共に、表面電位を接地電位に固定(ピニング)する層であり、後述する基板電位の変動に対して安定した表面電位を確保する。 As shown in FIG. 12, on the surface buried regions 13R, 13G, and 13B of the photodiodes PD ij−1 , PD ij , and PD ij + 1 , the second conductivity type (p + type) pinning layer 14R is formed. , 14G, 14B are formed. The pinning layers 14R, 14G, and 14B are layers that suppress the generation of carriers on the surface in the dark, and are layers that fix (pinning) the surface potential to the ground potential. Ensure stable surface potential.
R画素Xij-1においては、転送ゲート電極15Rを介してRフォトダイオードPDij-1から電荷検出領域16Rに電荷が転送され、増幅回路Aij-1で増幅される。G画素Xijにおいては、転送ゲート電極15Gを介してGフォトダイオードPDijから電荷検出領域16Gに電荷が転送され、増幅回路Aijで増幅され、B画素Xij+1においては、転送ゲート電極15Bを介してBフォトダイオードPDij+1から電荷検出領域16Bに電荷が転送され、増幅回路Aij+1で増幅される。 In the R pixel X ij−1 , charges are transferred from the R photodiode PD ij−1 to the charge detection region 16R via the transfer gate electrode 15R, and are amplified by the amplifier circuit A ij−1 . In the G pixel X ij , charges are transferred from the G photodiode PD ij to the charge detection region 16G via the transfer gate electrode 15G, amplified by the amplifier circuit A ij , and in the B pixel X ij + 1 , the transfer gate electrode Charge is transferred from the B photodiode PD ij + 1 to the charge detection region 16B via 15B, and is amplified by the amplifier circuit A ij + 1 .
第1の実施の形態に係るカラー撮像装置とは異なり、図11及び図12に示す第2の実施の形態に係るカラー撮像装置では、図2及び図3に示した電荷検出領域16Rとソース領域52Rとが一体化した電荷検出領域16Rをなし、電荷検出領域16RがR画素Xij-1のリセットトランジスタTRij-1のソース領域を構成し、転送チャネル形成ウェル19Rと増幅回路形成ウェル18Rとの境界が、平面パターン上電荷検出領域16Rの内部に位置している。同様に、図2及び図3に示した電荷検出領域16Gとソース領域52Gとが一体化した電荷検出領域16Gをなし、電荷検出領域16GがG画素XijのリセットトランジスタTRijのソース領域を構成し、図2及び図3に示した電荷検出領域16Bとソース領域52Bとが一体化した電荷検出領域16Bをなし、電荷検出領域16BがB画素Xij+1のリセットトランジスタTRij+1のソース領域を構成している。そして、転送チャネル形成ウェル19Gと増幅回路形成ウェル18Gとの境界が、平面パターン上電荷検出領域16Gの内部に位置し、転送チャネル形成ウェル19Bと増幅回路形成ウェル18Bとの境界が、平面パターン上電荷検出領域16Bの内部に位置している。 Unlike the color imaging device according to the first embodiment, in the color imaging device according to the second embodiment shown in FIGS. 11 and 12, the charge detection region 16R and the source region shown in FIGS. 52R forms an integrated charge detection region 16R, the charge detection region 16R constitutes the source region of the reset transistor TR ij-1 of the R pixel X ij-1 , the transfer channel formation well 19R, the amplification circuit formation well 18R, Is located inside the charge detection region 16R on the planar pattern. Similarly, the charge detection region 16G and the source region 52G shown in FIGS. 2 and 3 form an integrated charge detection region 16G, and the charge detection region 16G constitutes the source region of the reset transistor TR ij of the G pixel X ij. 2 and 3, the charge detection region 16B and the source region 52B are integrated to form a charge detection region 16B, and the charge detection region 16B is the source of the reset transistor TR ij + 1 of the B pixel X ij + 1. It constitutes an area. The boundary between the transfer channel formation well 19G and the amplification circuit formation well 18G is located inside the charge detection region 16G on the plane pattern, and the boundary between the transfer channel formation well 19B and the amplification circuit formation well 18B is on the plane pattern. It is located inside the charge detection region 16B.
このため、R画素Xij-1の増幅回路Aij-1では、第1導電型(n+型)の電荷検出領域16R及び第1導電型のドレイン領域53Rと、電荷検出領域16R及びドレイン領域53Rの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極51Rとで、リセットトランジスタTRij-1を構成している(図5参照。)。同様に、G画素Xijの増幅回路Aij-1では、第1導電型の電荷検出領域16G及び第1導電型のドレイン領域53Gと、電荷検出領域16G及びドレイン領域53Gの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極51Gとで、リセットトランジスタTRijを構成し、B画素Xij+1の増幅回路Aij-1では、第1導電型の電荷検出領域16B及び第1導電型のドレイン領域53Bと、電荷検出領域16B及びドレイン領域53Bの間のチャネルの上部に設けられたゲート電極51Bとで、リセットトランジスタTRij+1を構成している。 Therefore, in the amplifier circuit A ij-1 of the R pixel X ij-1 , the first conductivity type (n + type) charge detection region 16R, the first conductivity type drain region 53R, the charge detection region 16R, and the drain region A reset transistor TR ij-1 is configured by the gate electrode 51R provided on the upper part of the channel between 53R (see FIG. 5). Similarly, in the amplifier circuit A ij-1 of the G pixel X ij , the first conductivity type charge detection region 16G and the first conductivity type drain region 53G, and the upper part of the channel between the charge detection region 16G and the drain region 53G And the gate electrode 51G provided in the first pixel constitute a reset transistor TR ij, and in the amplifier circuit A ij-1 of the B pixel X ij + 1 , the first conductivity type charge detection region 16B and the first conductivity type drain region 53B and the gate electrode 51B provided above the channel between the charge detection region 16B and the drain region 53B constitute a reset transistor TR ij + 1 .
増幅回路形成ウェル18R,18G,18B及び転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bが、それぞれ、表面埋込領域13R,13G,13Bより深いのは、第1の実施の形態に係るカラー撮像装置と同様であるが、第2の実施の形態に係るカラー撮像装置では、増幅回路形成ウェル18R及び転送チャネル形成ウェル19Rのそれぞれのボトム部分に第1導電型(n型)のブロック層21Rを設け、増幅回路形成ウェル18R及び転送チャネル形成ウェル19Rから電荷生成層12への正孔(キャリア)の拡散流入をブロックし、増幅回路形成ウェル18G及び転送チャネル形成ウェル19Gのそれぞれのボトム部分に第1導電型(n型)のブロック層21Gを設け、増幅回路形成ウェル18G及び転送チャネル形成ウェル19Gから電荷生成層12への正孔(キャリア)の拡散流入をブロックし、増幅回路形成ウェル18B及び転送チャネル形成ウェル19Bのそれぞれのボトム部分に第1導電型(n型)のブロック層21Bを設け、増幅回路形成ウェル18B及び転送チャネル形成ウェル19Bから電荷生成層12への正孔(キャリア)の拡散流入をブロックしている。 The amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B and the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B are deeper than the surface buried regions 13R, 13G, and 13B, respectively, as in the color imaging device according to the first embodiment. However, in the color imaging device according to the second embodiment, the first conductivity type (n-type) block layer 21R is provided at the bottom of each of the amplification circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19R to amplify. The diffusion and inflow of holes (carriers) from the circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19R to the charge generation layer 12 is blocked, and the first conductivity type is formed in the bottom portions of the amplification circuit formation well 18G and the transfer channel formation well 19G. An (n-type) block layer 21G is provided, and an amplification circuit formation well 18G and a transfer channel formation well 19G In addition, the diffusion flow of holes (carriers) into the charge generation layer 12 is blocked, and a first conductivity type (n-type) block layer 21B is provided at the bottom of each of the amplification circuit formation well 18B and the transfer channel formation well 19B. The diffusion flow of holes (carriers) from the amplification circuit formation well 18B and the transfer channel formation well 19B to the charge generation layer 12 is blocked.
図13は、図11のXIII−XIII方向から見た断面図に相当し、第2の実施の形態の増幅型固体撮像装置の画素アレイ部1を構成するG画素Xij1の構造を示す。図13に示すように、不純物密度が1×1013cm-3以上、1×1015cm-3以下の第1導電型(n型)の基板11上に、不純物密度が1×1014cm-3以下、1×1011cm-3以上の真性半導体に近い第2導電型(π型)のエピ層からなる電荷生成層12を厚さが10μm以上、50μm以下となるように形成し、G画素Xijが構成されている。即ち、真性半導体に近い電荷生成層12をアノード領域、表面埋込領域13をカソード領域として、フォトダイオードPDijを構成している。図12から分かるように、GフォトダイオードPDijの上にはGカラーフィルタ31Rが設けられているが、図13ではその図示を省略している。図13に示すように、GフォトダイオードPDijの第1導電型の表面埋込領域13Gの上には第2導電型(p+型)のピニング層14Gが形成されている。そして、GフォトダイオードPDijを囲むように、表面埋込領域13Gより深い、不純物密度1×1015cm-3以上、1×1018cm-3以下の第2導電型(p+型)の増幅回路形成ウェル18Gが配置されている。図示を省略しているが、XIII−XIII方向に平行な方向から見たR画素Xij-1及びB画素Xij+1の構造も実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。 FIG. 13 corresponds to a cross-sectional view seen from the XIII-XIII direction of FIG. 11 and shows the structure of the G pixel X ij1 constituting the pixel array unit 1 of the amplification type solid-state imaging device of the second embodiment. As shown in FIG. 13, the impurity density is 1 × 10 14 cm on the first conductivity type (n-type) substrate 11 having an impurity density of 1 × 10 13 cm −3 or more and 1 × 10 15 cm −3 or less. -3 or less, a charge generation layer 12 made of an epi layer of the second conductivity type (π type) close to an intrinsic semiconductor of 1 × 10 11 cm −3 or more is formed to have a thickness of 10 μm or more and 50 μm or less, A G pixel X ij is configured. That is, the photodiode PD ij is configured with the charge generation layer 12 close to an intrinsic semiconductor as the anode region and the surface buried region 13 as the cathode region. As can be seen from FIG. 12, the G color filter 31R is provided on the G photodiode PD ij , but the illustration thereof is omitted in FIG. As shown in FIG. 13, a second conductivity type ( p.sup. + Type) pinning layer 14G is formed on the first conductivity type surface buried region 13G of the G photodiode PD ij . Then, a second conductivity type (p + type) having an impurity density of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less deeper than the surface buried region 13G so as to surround the G photodiode PD ij . An amplification circuit forming well 18G is arranged. Although not shown, the structures of the R pixel X ij-1 and the B pixel X ij + 1 viewed from the direction parallel to the XIII-XIII direction are substantially the same, and thus a duplicate description is omitted.
図11〜13に示す第2の実施の形態に係るカラー撮像装置のR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1においては、電荷生成層12全体を極低不純物密度化して真性半導体に近い状態にしているので、第1導電型の表面埋込領域13R,13G,13Bと第2導電型の電荷生成層12の界面から基板11に向かう空乏層の伸びは、非常に深い。つまり、R画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1のそれぞれのフォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1をなす電荷生成層12の不純物密度が、1×1013cm-3以下の真性半導体に近い状態であれば、空乏層端の深さが15μm以上となるので、電荷生成層12の大部分が空乏化する。したがって、図7に示すように、シリコン中に10μm以上侵入する波長800nm以上の近赤外光においても、十分な感度を維持することが可能となる。 In the R pixel X ij−1 , G pixel X ij , and B pixel X ij + 1 of the color imaging device according to the second embodiment shown in FIGS. 11 to 13, the charge generation layer 12 as a whole has a very low impurity density. Therefore, the depletion layer extends from the interface between the first conductivity type surface buried regions 13R, 13G, and 13B and the second conductivity type charge generation layer 12 toward the substrate 11 very much. deep. That is, the impurity density of the charge generation layer 12 forming the photodiodes PD ij−1 , PD ij , PD ij + 1 of the R pixel X ij−1 , G pixel X ij , and B pixel X ij + 1 is 1 ×. In a state close to an intrinsic semiconductor of 10 13 cm −3 or less, the depth of the depletion layer end is 15 μm or more, so that most of the charge generation layer 12 is depleted. Therefore, as shown in FIG. 7, sufficient sensitivity can be maintained even with near-infrared light having a wavelength of 800 nm or more that penetrates 10 μm or more into silicon.
このように、第2の実施の形態に係るカラー撮像装置は、第1の実施の形態に係るカラー撮像装置と同様に、真性半導体に近い電荷生成層12を採用して、フォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1領域の空乏層を深く形成し、高い赤外感度と低いクロストークを確保した上で、基板11の電位を第1の電位(低電位)VL、及び第1の電位より高電位の第2の電位(高電位)VHに切り換える基板電位切り換え手段を備えている。基板電位の切り換えには、トランジスタ等の種々の半導体スイッチが採用可能であるが、機械的なスイッチを用いても構わない。 As described above, the color imaging device according to the second embodiment employs the charge generation layer 12 close to an intrinsic semiconductor, as in the color imaging device according to the first embodiment, so that the photodiode PD ij− 1 , PD ij , and PD ij + 1 regions are formed deeply to ensure high infrared sensitivity and low crosstalk, and the potential of the substrate 11 is set to the first potential (low potential) VL and the first Substrate potential switching means for switching to a second potential (high potential) VH that is higher than the first potential. Various semiconductor switches such as transistors can be used for switching the substrate potential, but mechanical switches may be used.
第2の実施の形態に係るカラー撮像装置では、増幅回路形成ウェル18R及び転送チャネル形成ウェル19Rのそれぞれのボトム部分にブロック層21Rが、増幅回路形成ウェル18G及び転送チャネル形成ウェル19Gのそれぞれのボトム部分にブロック層21Gが、増幅回路形成ウェル18B及び転送チャネル形成ウェル19Bのそれぞれのボトム部分にブロック層21Bが設けられているので、図6に示したポテンシャルバリアの高さVB1,VB3は少し減少するが、基板電位切り換え手段を備えることにより、図6に示したのと同様に、赤外撮像時には基板11の電位を第1の電位(低電位)VLとすることにより空乏層内のポテンシャルの山の位置を深く形成するように制御し、カラー撮像時には基板11の電位を第1の電位より高電位の第2の電位(高電位)VHとして、空乏層内のポテンシャルの山の位置を浅く形成するように制御することができる。 In the color imaging device according to the second embodiment, the block layer 21R is provided at the bottom of each of the amplification circuit formation well 18R and the transfer channel formation well 19R, and the bottom of each of the amplification circuit formation well 18G and the transfer channel formation well 19G. Since the block layer 21G is provided in the part and the block layer 21B is provided in the bottom part of each of the amplifier circuit formation well 18B and the transfer channel formation well 19B, the potential barrier heights VB1 and VB3 shown in FIG. However, by providing the substrate potential switching means, the potential in the depletion layer can be reduced by setting the potential of the substrate 11 to the first potential (low potential) VL during infrared imaging, as shown in FIG. The position of the mountain is controlled to be deeply formed, and the potential of the substrate 11 is set to the first potential during color imaging. As a second potential (high electric potential) VH of high potential, it can be controlled to shallow the position of the potential hill in the depletion layer.
基板11の電位を第1の電位(低電位)VLとしたときの、電荷生成層12内に形成される、電子の注入を防止するためポテンシャルの山の高さは、第1の電位VLの値と基板11の不純物密度及び電荷生成層12の不純物密度とその厚さd3、ピニング層14R,14G,14Bの不純物密度とその厚さd1,表面埋込領域13R,13G,13Bの不純物密度とその厚さd2,増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度とその厚さd7,転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度とその厚さd7、ブロック層21R,21G,21Bの不純物密度とその厚さd8、及び平面的なレイアウトに依存する。 When the potential of the substrate 11 is the first potential (low potential) VL, the height of the potential peak formed in the charge generation layer 12 to prevent the injection of electrons is equal to the first potential VL. Values, the impurity density of the substrate 11, the impurity density of the charge generation layer 12, its thickness d3, the impurity density of the pinning layers 14R, 14G, 14B, its thickness d1, and the impurity density of the surface buried regions 13R, 13G, 13B The thickness d2, the impurity density of the amplification circuit formation wells 18R, 18G, and 18B and the thickness d7, the impurity density of the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B and the thickness d7, and the impurities of the block layers 21R, 21G, and 21B It depends on the density and its thickness d8 and the planar layout.
又、基板11の電位を第2の電位(高電位)VHとしたときの、ポテンシャルバリアの高さVB1,VB3は、第2の電位(高電位)VHの値と、基板11の不純物密度及び電荷生成層12の不純物密度とその厚さd3、ピニング層14R,14G,14Bの不純物密度とその厚さd1,表面埋込領域13R,13G,13Bの不純物密度とその厚さd2,増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度とその厚さd7,転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度とその厚さd7、ブロック層21R,21G,21Bの不純物密度とその厚さd8、及び平面的なレイアウトに依存する。平面的なレイアウトとしては、図12に示す増幅回路形成ウェル18Bと転送チャネル形成ウェル19Rとの間隔w1,増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gとの間隔w1,増幅回路形成ウェル18Gと転送チャネル形成ウェル19Bとの間隔w1,及び図12に示す増幅回路形成ウェル18Gと増幅回路形成ウェル18Gとの間隔l1が重要となる(図示を省略しているが、図12と同様な方向の断面における。増幅回路形成ウェル18Rと増幅回路形成ウェル18Rとの間隔l1及び増幅回路形成ウェル18Bと増幅回路形成ウェル18Bとの間隔l1も重要なことは勿論である。)。ウェル間隔w1及びウェル間隔l1は、電荷生成層12における電子のデバイ長の2倍以内の距離にして、増幅回路形成ウェル18R,18G,18B及び転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bによる静電的なポテンシャルの効果が、電子によりスクリーニングされないようにすればよい。 Further, when the potential of the substrate 11 is the second potential (high potential) VH, the potential barrier heights VB1 and VB3 are the values of the second potential (high potential) VH, the impurity density of the substrate 11, and Impurity density of charge generation layer 12 and its thickness d3, impurity density of pinning layers 14R, 14G and 14B, its thickness d1, impurity density of surface buried regions 13R, 13G and 13B and its thickness d2, formation of amplifier circuit Impurity density and thickness d7 of wells 18R, 18G and 18B, impurity density and thickness d7 of transfer channel forming wells 19R, 19G and 19B, impurity density and thickness d8 of block layers 21R, 21G and 21B, and Depends on the planar layout. The planar layout, spacing w 1 of the amplifier circuit forming well 18B shown in FIG. 12 and the transfer channel formation well 19R, interval w 1 between the amplifier circuit forming well 18R and the transfer channel formation well 19G, the amplifier circuit forming well 18G And the interval w 1 between the transfer channel formation well 19B and the interval l 1 between the amplification circuit formation well 18G and the amplification circuit formation well 18G shown in FIG. 12 are important (not shown, but similar to FIG. 12) Of course, the interval l 1 between the amplification circuit formation well 18R and the amplification circuit formation well 18R and the interval l 1 between the amplification circuit formation well 18B and the amplification circuit formation well 18B are also important. The well interval w 1 and the well interval l 1 are set to a distance within twice the Debye length of electrons in the charge generation layer 12, and the static electricity generated by the amplification circuit formation wells 18 R, 18 G, 18 B and the transfer channel formation wells 19 R, 19 G, 19 B The effect of electrical potential may be prevented from being screened by electrons.
例えば、基板11の不純物密度2×1014cm-3、ピニング層14Gの不純物密度1×1019cm-3、その厚さd1=0.2μm;表面埋込領域13Gの不純物密度5×1016cm-3、その厚さd2=0.3μm;電荷生成層12の不純物密度を1×1013cm-3、その厚さd3=22μmにして、増幅回路形成ウェル18G及び転送チャネル形成ウェル19Gがないp+−n−π−n構造の1次元モデルでは、図14に示すように、基板11の電位を第2の電位(高電位)VH=5.1Vとしたとき、電荷生成層12内に形成されるポテンシャルバリアVB1,VB3のバリア高さは0.025V程度であり、ポテンシャルバリアVB1,VB3が、ほとんど形成されないことが分かる。 For example, the impurity density of the substrate 11 is 2 × 10 14 cm −3 , the impurity density of the pinning layer 14G is 1 × 10 19 cm −3 , the thickness d1 = 0.2 μm; the impurity density of the surface buried region 13G is 5 × 10 16 cm −3 , its thickness d2 = 0.3 μm; the charge generation layer 12 has an impurity density of 1 × 10 13 cm −3 and its thickness d3 = 22 μm, and the amplification circuit formation well 18G and the transfer channel formation well 19G In a one-dimensional model having no p + -n-π-n structure, when the potential of the substrate 11 is set to the second potential (high potential) VH = 5.1 V, as shown in FIG. The barrier heights of the potential barriers VB1 and VB3 formed in (1) are about 0.025 V, and it can be seen that the potential barriers VB1 and VB3 are hardly formed.
一方、図15に示すように、基板11の不純物密度2×1014cm-3、ピニング層14Gの不純物密度1×1019cm-3、その厚さd1=0.2μm;表面埋込領域13Gの不純物密度5×1016cm-3、その厚さd2=0.3μm;電荷生成層12の不純物密度を1×1013cm-3、その厚さd3=20μmにし、表面埋込領域13Gと電荷生成層12及の間に、不純物密度4×1015cm-3、厚さd9=0.5μmのp層10Gを挿入したp+−n−p−π−n構造の1次元モデルでは、p層10Gに、バリア高さが0.83V程度のポテンシャルバリアが形成される。 On the other hand, as shown in FIG. 15, the impurity density of the substrate 11 is 2 × 10 14 cm −3 , the impurity density of the pinning layer 14G is 1 × 10 19 cm −3 , its thickness d1 = 0.2 μm; The impurity density of the charge generation layer 12 is set to 1 × 10 13 cm −3 and the thickness d3 = 20 μm, and the surface buried region 13G is formed to have an impurity density of 5 × 10 16 cm −3 and a thickness d2 = 0.3 μm. In a one-dimensional model of a p + -np-π-n structure in which a p layer 10G having an impurity density of 4 × 10 15 cm −3 and a thickness d9 = 0.5 μm is inserted between the charge generation layers 12 and A potential barrier having a barrier height of about 0.83 V is formed in the p layer 10G.
これに対し、例えば、基板11の不純物密度2×1014cm-3、ピニング層14Gの不純物密度1×1018cm-3、その厚さd1=0.1μm;表面埋込領域13Gの不純物密度3×1017cm-3、その厚さd2=0.2μm;増幅回路形成ウェル18Gの不純物密度3×1017cm-3、その厚さd7=0.9μm;転送チャネル形成ウェル19Gの不純物密度3×1017cm-3、その厚さd7=0.9μm;ブロック層21Gの不純物密度1×1016cm-3、その厚さd8=0.4μm;行方向のウェル間隔w1=2.8μm;列方向のウェル間隔l1=3.8μmの条件の下で、電荷生成層12の厚さd3=25μmにして、その不純物密度を1×1013cm-3,5×1012cm-3,1×1012cm-3と変えた場合には、図6に示したのと同様に、いずれも電荷生成層12内に0.5V以上のバリア高さのポテンシャルバリアが形成されることが、シミュレーションにより確認できている。 On the other hand, for example, the impurity density of the substrate 11 is 2 × 10 14 cm −3 , the impurity density of the pinning layer 14G is 1 × 10 18 cm −3 , the thickness d1 = 0.1 μm; the impurity density of the surface buried region 13G 3 × 10 17 cm −3 , its thickness d2 = 0.2 μm; Impurity density of the amplification circuit forming well 18G 3 × 10 17 cm −3 , its thickness d7 = 0.9 μm; Impurity density of the transfer channel forming well 19G 3 × 10 17 cm −3 , its thickness d7 = 0.9 μm; impurity density 1 × 10 16 cm −3 of the block layer 21G, its thickness d8 = 0.4 μm; well spacing w 1 in the row direction = 2. 8 μm; Under the condition of well spacing l 1 = 3.8 μm in the column direction, the thickness d3 of the charge generation layer 12 is set to 25 μm, and the impurity density is 1 × 10 13 cm −3 , 5 × 10 12 cm −. 3, 1 in the case of changing a × 10 12 cm -3 is that shown in FIG. 6 Similarly, any more than 0.5V in the charge generating layer 12 of the barrier height of the potential barrier that is formed, has been confirmed by simulation.
このように、第2の実施の形態に係るカラー撮像装置においては、電荷生成層12内に、表面埋込領域13R,13G,13Bから基板11への電子流出を防止するバリアの高さVB1,VB3のポテンシャルの山を形成することにより、基板11の電位の変化により蓄積動作を維持したまま、赤外撮像時とカラー撮像時の有効深さを可変とすることが可能となる。 As described above, in the color imaging device according to the second embodiment, the barrier height VB1, which prevents electrons from flowing out from the surface buried regions 13R, 13G, 13B to the substrate 11 in the charge generation layer 12, is provided. By forming the peak of the potential of VB3, it becomes possible to change the effective depth during infrared imaging and color imaging while maintaining the accumulation operation by changing the potential of the substrate 11.
第2の実施の形態に係るカラー撮像装置の説明においては、カラー撮像と赤外撮像の両立を図ることを目的としているが、第2の実施の形態に係るカラー撮像装置はこれに限定されるものではなく、カラー撮像のみを目的とする場合にも適用可能である。即ち、従来のカラー撮像においては、図24において説明したように、IRCが不可欠であったが、第2の実施の形態に係るカラー撮像装置によれば、図9ないし図10で述べた手法の内、カラー撮像部分を利用することにより、IRC無しで良好なカラー撮像が可能となる。他は、第1の実施の形態に係るカラー撮像装置と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。 The description of the color imaging device according to the second embodiment is intended to achieve both color imaging and infrared imaging, but the color imaging device according to the second embodiment is limited to this. However, the present invention can be applied to a case where only color imaging is intended. That is, in the conventional color imaging, as described with reference to FIG. 24, IRC is indispensable. However, according to the color imaging apparatus according to the second embodiment, the method described in FIGS. Among these, by using the color imaging portion, it is possible to perform good color imaging without IRC. Others are substantially the same as those of the color imaging apparatus according to the first embodiment, and a duplicate description is omitted.
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係るカラー撮像装置(2次元カラーイメージセンサ)の半導体チップ上でのレイアウトの概略は、図1に示した第1の実施の形態に係るカラー撮像装置と同様であるので、重複した説明を省略する。但し、図1では3色ストライプ方式のカラーフィルタアレイを例示したが、これに限定されるものではなく、図18〜図21に示すような種々のカラーフィルタアレイが採用可能である。
(Third embodiment)
The outline of the layout on the semiconductor chip of the color imaging device (two-dimensional color image sensor) according to the third embodiment of the present invention is the same as that of the color imaging device according to the first embodiment shown in FIG. Therefore, a duplicate description is omitted. However, although a three-color stripe type color filter array is illustrated in FIG. 1, the present invention is not limited to this, and various color filter arrays as shown in FIGS. 18 to 21 can be employed.
図16は、図1に示したR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1,……,R画素Xi+1j-1,G画素Xi+1j,B画素Xi+1j+1,……の周期的配列の一部を拡大して示す。即ち、R画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1の周期的配列のユニットは、それぞれ、RフォトダイオードPDij-1,GフォトダイオードPDij,BフォトダイオードPDij+1、及びフォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1のそれぞれに隣接して配置された第2導電型(p型)の増幅回路形成ウェル18R,18G,18B及び第2導電型(p型)の転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bを、平面的な位置関係として備える。増幅回路形成ウェル18R,18G,18B,…は、それぞれ、行方向に隣接するフォトダイオードPDij-2(図示省略。)とフォトダイオードPDij-1の間の領域、フォトダイオードPDij-1とフォトダイオードPDijの間の領域、フォトダイオードPDijとフォトダイオードPDij+1の間の領域、フォトダイオードPDij+1とフォトダイオードPDij+2(図示省略。)の間の領域において素子分離領域をなし、同様に列方向に隣接するフォトダイオードPDij-1とフォトダイオードPDi+1j-1の間の領域、フォトダイオードPDijとフォトダイオードPDi+1jの間の領域、フォトダイオードPDij+1とフォトダイオードPDi+1j+1の間の領域において素子分離領域をなしている。増幅回路形成ウェル18R,18G,18B及び転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bは、不純物密度1×1015cm-3以上、1×1018cm-3以下の半導体領域である。 16 shows the R pixel X ij−1 , G pixel X ij , B pixel X ij + 1 ,..., R pixel X i + 1j−1 , G pixel X i + 1j , B pixel X shown in FIG. A part of the periodic arrangement of i + 1j + 1,. That is, R pixels X ij−1 , G pixels X ij , and B pixels X ij + 1 are periodically arranged in units of R photodiode PD ij−1 , G photodiode PD ij , and B photodiode PD ij +, respectively. 1 , and second conductivity type wells 18R, 18G, 18B and second conductivity type (p type) amplifier circuit forming wells 18R, 18G, 18B arranged adjacent to the photodiodes PD ij-1 , PD ij , PD ij + 1 , respectively. p-type) transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B are provided as a planar positional relationship. The amplification circuit formation wells 18R, 18G, 18B,... Are respectively regions between photodiodes PD ij-2 (not shown) and photodiodes PD ij-1 adjacent to each other in the row direction, and photodiodes PD ij−1 . Element isolation is performed in a region between the photodiodes PD ij , a region between the photodiodes PD ij and the photodiodes PD ij + 1 , and a region between the photodiodes PD ij + 1 and the photodiodes PD ij + 2 (not shown). Similarly, a region between photodiodes PD ij-1 and photodiodes PD i + 1j-1 adjacent in the column direction, a region between photodiodes PD ij and photodiodes PD i + 1j , photodiode PD An element isolation region is formed in a region between ij + 1 and the photodiode PD i + 1j + 1 . The amplifier circuit formation wells 18R, 18G, and 18B and the transfer channel formation wells 19R, 19G, and 19B are semiconductor regions having an impurity density of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less.
図11に示した第2の実施の形態に係るカラー撮像装置では、それぞれのフォトダイオードPDi,j-1,PDi,j,PDi,j+1,……,PDi+1,j-1,PDi+1,j,PDi+1,j+1,……を構成する第1導電型の表面埋込領域13R,13G,13Bとその周囲の増幅回路形成ウェル18R,18G,18B及び転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bは接しているが、図16にかくれ線(破線)でn領域の輪郭を示したように、表面埋込領域13R,13G,13Bの周りにわずかにギャップが存在し、この部分に相当するシリコンの表面はp+型のピニング層14R,14G,14Bのみが存在する。ギャップ部が小さければ、電荷生成層12への正孔拡散は少なく抑えられる。 In the color imaging device according to the second embodiment shown in FIG. 11, each photodiode PD i, j−1 , PD i, j , PD i, j + 1 ,..., PD i + 1, j −1 , PD i + 1, j , PD i + 1, j + 1 ,..., First conductivity type surface buried regions 13R, 13G, 13B and their surrounding amplification circuit forming wells 18R, 18G, 18B and the transfer channel forming wells 19R, 19G, and 19B are in contact with each other, but slightly around the surface buried regions 13R, 13G, and 13B as shown in FIG. A gap exists, and only the p + type pinning layers 14R, 14G, and 14B exist on the silicon surface corresponding to this portion. If the gap is small, hole diffusion into the charge generation layer 12 can be suppressed to a small extent.
図17は、図16のXVII−XVII方向から見た断面図に相当し、第3の実施の形態の増幅型固体撮像装置の画素アレイ部1を構成するR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1の周期的配列の1ユニット分の断面構造を示す。図17に示すように、不純物密度が1×1013cm-3以上、1×1015cm-3以下の第1導電型(n型)のシリコンからなる基板11上に、不純物密度が1×1014cm-3以下、1×1011cm-3以上の真性半導体に近い第2導電型(π型)のエピ層からなる電荷生成層12を厚さaが10μm以上、50μm以下となるように形成し、第3の実施の形態に係るカラー撮像装置のRGBの周期的配列の1ユニットをなすR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1のそれぞれが構成されている。R画素Xij-1においては、第2導電型(p型)の真性半導体に近い電荷生成層12をアノード領域、第1導電型(n型)の表面埋込領域13Rをカソード領域として、フォトダイオードPDij-1を構成し、1画素領域内に1個の転送トランジスタと3トランジスタ増幅回路Aij-1をそれぞれ配置した4トランジスタ型のR画素Xij-1が構成されている(図5参照。)。G画素Xijにおいては、電荷生成層12をアノード領域、第1導電型の表面埋込領域13Gをカソード領域として、フォトダイオードPDijを構成し、1画素領域内に1個の転送トランジスタと3トランジスタ増幅回路Aijをそれぞれ配置した4トランジスタ型のG画素Xijが構成されている。B画素Xij+1においては、電荷生成層12をアノード領域、第1導電型の表面埋込領域13Bをカソード領域として、フォトダイオードPDij+1を構成し、1画素領域内に1個の転送トランジスタと3トランジスタ増幅回路Aij+1をそれぞれ配置した4トランジスタ型のB画素Xij+1が構成されている。そして、RフォトダイオードPDij-1,の上にはRカラーフィルタ31Rが、GフォトダイオードPDijの上にはGカラーフィルタ31Rが,BフォトダイオードPDij+1の上にはBカラーフィルタ31Rが設けられている。 FIG. 17 corresponds to a cross-sectional view seen from the XVII-XVII direction of FIG. 16, and R pixel X ij-1 and G pixel X constituting the pixel array unit 1 of the amplification type solid-state imaging device of the third embodiment. A cross-sectional structure of one unit of a periodic arrangement of ij and B pixel X ij + 1 is shown. As shown in FIG. 17, an impurity density of 1 × 10 13 cm −3 or more and 1 × 10 15 cm −3 or less is formed on a substrate 11 made of silicon of the first conductivity type (n-type). The charge generation layer 12 made of a second conductivity type (π-type) epitaxial layer close to an intrinsic semiconductor of 10 14 cm −3 or less and 1 × 10 11 cm −3 or more is formed so that the thickness a becomes 10 μm or more and 50 μm or less. The R pixel X ij−1 , G pixel X ij , and B pixel X ij + 1 are configured to form one unit of the RGB periodic array of the color imaging apparatus according to the third embodiment. Yes. In the R pixel X ij−1 , the charge generation layer 12 close to the second conductivity type (p-type) intrinsic semiconductor is used as an anode region, and the first conductivity type (n-type) surface buried region 13R is used as a cathode region. A 4-transistor type R pixel X ij-1 is configured, which includes a diode PD ij-1 and in which one transfer transistor and a three-transistor amplifier circuit A ij-1 are arranged in one pixel region (FIG. 5). reference.). In the G pixel X ij , a photodiode PD ij is configured with the charge generation layer 12 as an anode region and the first conductivity type surface buried region 13G as a cathode region, and one transfer transistor and 3 A 4-transistor type G pixel X ij in which the transistor amplification circuits A ij are respectively arranged is configured. In the B pixel X ij + 1 , a photodiode PD ij + 1 is configured with the charge generation layer 12 as an anode region and the first conductivity type surface buried region 13B as a cathode region, and one pixel region includes one photodiode PD ij + 1 . A four-transistor type B pixel X ij + 1 in which a transfer transistor and a three-transistor amplification circuit A ij + 1 are respectively arranged is configured. Then, R photodiode PD ij-1, the R color filter 31R is formed on the, G color filters 31R on top of G photodiode PD ij is, B photodiode PD ij + 1 of B color filter 31R is formed on Is provided.
図17に示すように、フォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1のそれぞれの表面埋込領域13R,13G,13Bの上には第2導電型(p+型)のピニング層14R,14G,14Bが形成されている。ピニング層14R,14G,14Bは、ダーク時の表面でのキャリアの生成を抑制する層である。図16にかくれ線でn領域を示したように、表面埋込領域13R,13G,13Bは、ピニング層14R,14G,14Bのそれぞれの下方において、ピニング層14R,14G,14Bの下面の左側の一部が露出するように、ピニング層14R,14G,14Bの下面に接している。 As shown in FIG. 17, the second conductivity type ( p.sup. + Type) pinning layer 14R is formed on the surface buried regions 13R, 13G, and 13B of the photodiodes PD.sub.ij-1 , PD.sub.ij , and PD.sub.ij + 1. , 14G, 14B are formed. The pinning layers 14R, 14G, and 14B are layers that suppress the generation of carriers on the dark surface. As indicated by the hidden lines in FIG. 16, the surface buried regions 13R, 13G, and 13B are located on the left side of the lower surfaces of the pinning layers 14R, 14G, and 14B below the pinning layers 14R, 14G, and 14B, respectively. The pinning layers 14R, 14G, and 14B are in contact with the lower surfaces of the pinning layers 14R, 14G, and 14B so as to be partially exposed.
図16及び図17に示す第3の実施の形態に係るカラー撮像装置のR画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1においては、電荷生成層12全体を極低不純物密度化して真性半導体に近い状態にしているので、第1導電型の表面埋込領域13R,13G,13Bと第2導電型の電荷生成層12の界面から基板11に向かう空乏層の伸びは、非常に深い。つまり、R画素Xij-1,G画素Xij,B画素Xij+1のそれぞれのフォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1をなす電荷生成層12の不純物密度が、1×1013cm-3以下の真性半導体に近い状態であれば、空乏層端の深さが15μm以上となるので、電荷生成層12の大部分が空乏化する。したがって、図7に示すように、シリコン中に10μm以上侵入する波長800nm以上の近赤外光においても、十分な感度を維持することが可能となる。 In the R pixel X ij−1 , G pixel X ij , and B pixel X ij + 1 of the color imaging device according to the third embodiment shown in FIGS. 16 and 17, the entire charge generation layer 12 is made to have an extremely low impurity density. The depletion layer extends toward the substrate 11 from the interface between the first conductivity type surface buried regions 13R, 13G, and 13B and the second conductivity type charge generation layer 12 because it is in a state close to an intrinsic semiconductor. Deep. That is, the impurity density of the charge generation layer 12 forming the photodiodes PD ij−1 , PD ij , PD ij + 1 of the R pixel X ij−1 , G pixel X ij , and B pixel X ij + 1 is 1 ×. In a state close to an intrinsic semiconductor of 10 13 cm −3 or less, the depth of the depletion layer end is 15 μm or more, so that most of the charge generation layer 12 is depleted. Therefore, as shown in FIG. 7, sufficient sensitivity can be maintained even with near-infrared light having a wavelength of 800 nm or more that penetrates 10 μm or more into silicon.
このように、第3の実施の形態に係るカラー撮像装置は、第1及び第2の実施の形態に係るカラー撮像装置と同様に、真性半導体に近い電荷生成層12を採用して、フォトダイオードPDij-1,PDij,PDij+1領域の空乏層を深く形成し、高い赤外感度と低いクロストークを確保した上で、基板11の電位を第1の電位(低電位)VL、及び第1の電位より高電位の第2の電位(高電位)VHに切り換える基板電位切り換え手段を備えている。基板電位の切り換えには、トランジスタ等の種々の半導体スイッチが採用可能であるが、機械的なスイッチを用いても構わない。 As described above, the color imaging device according to the third embodiment employs the charge generation layer 12 close to an intrinsic semiconductor, as in the color imaging devices according to the first and second embodiments, and thus a photodiode. A depletion layer in the PD ij−1 , PD ij , and PD ij + 1 regions is formed deeply to ensure high infrared sensitivity and low crosstalk, and then the potential of the substrate 11 is changed to the first potential (low potential) VL, And substrate potential switching means for switching to a second potential (high potential) VH that is higher than the first potential. Various semiconductor switches such as transistors can be used for switching the substrate potential, but mechanical switches may be used.
第3の実施の形態に係るカラー撮像装置において、基板11の電位を第1の電位(低電位)VLとしたときの、電荷生成層12内に形成される、電子の注入を防止するためポテンシャルの山の高さは、第1の電位VLの値と基板11の不純物密度及び電荷生成層12の不純物密度とその厚さd3、ピニング層14R,14G,14Bの不純物密度とその厚さd1,表面埋込領域13R,13G,13Bの不純物密度とその厚さd2,増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度とその厚さd7,転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度とその厚さd7、及び平面的なレイアウトに依存する。 In the color imaging device according to the third embodiment, the potential for preventing the injection of electrons formed in the charge generation layer 12 when the potential of the substrate 11 is the first potential (low potential) VL. Of the first potential VL, the impurity density of the substrate 11, the impurity density of the charge generation layer 12 and its thickness d3, the impurity density of the pinning layers 14R, 14G and 14B and its thickness d1, Impurity density and thickness d2 of the surface buried regions 13R, 13G, and 13B, impurity density and thickness d7 of the amplifier circuit forming wells 18R, 18G, and 18B, impurity density of the transfer channel forming wells 19R, 19G, and 19B and the thickness thereof It depends on the thickness d7 and the planar layout.
又、基板11の電位を第2の電位(高電位)VHとしたときの、ポテンシャルバリアの高さVB1,VB3は、第2の電位(高電位)VHの値と、基板11の不純物密度及び電荷生成層12の不純物密度とその厚さd3、ピニング層14R,14G,14Bの不純物密度とその厚さd1,表面埋込領域13R,13G,13Bの不純物密度とその厚さd2,増幅回路形成ウェル18R,18G,18Bの不純物密度とその厚さd7,転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bの不純物密度とその厚さd7、及び平面的なレイアウトに依存する。平面的なレイアウトとしては、図17に示す増幅回路形成ウェル18Bと転送チャネル形成ウェル19Rとの間隔w1,増幅回路形成ウェル18Rと転送チャネル形成ウェル19Gとの間隔w1,増幅回路形成ウェル18Gと転送チャネル形成ウェル19Bとの間隔w1,及び図示を省略しているが、列方向に沿った、増幅回路形成ウェル18Gと増幅回路形成ウェル18Gとの間隔l1、増幅回路形成ウェル18Rと増幅回路形成ウェル18Rとの間隔l1及び増幅回路形成ウェル18Bと増幅回路形成ウェル18Bとの間隔l1が重要になる。行方向のウェル間隔w1及び列方向のウェル間隔l1は、電荷生成層12における電子のデバイ長の2倍以内の距離にして、増幅回路形成ウェル18R,18G,18B及び転送チャネル形成ウェル19R,19G,19Bによる静電的なポテンシャルの効果が、電子によりスクリーニングされないようにすればよいことは、第1及び第2の実施の形態に係るカラー撮像装置と同様である。 Further, when the potential of the substrate 11 is the second potential (high potential) VH, the potential barrier heights VB1 and VB3 are the values of the second potential (high potential) VH, the impurity density of the substrate 11, and Impurity density of charge generation layer 12 and its thickness d3, impurity density of pinning layers 14R, 14G and 14B, its thickness d1, impurity density of surface buried regions 13R, 13G and 13B and its thickness d2, formation of amplifier circuit It depends on the impurity density and thickness d7 of the wells 18R, 18G and 18B, the impurity density and thickness d7 of the transfer channel forming wells 19R, 19G and 19B, and the planar layout. The planar layout, spacing w 1 of the amplifier circuit forming well 18B and the transfer channel forming wells 19R shown in FIG. 17, the interval w 1 between the amplifier circuit forming well 18R and the transfer channel formation well 19G, the amplifier circuit forming well 18G Although not shown, the interval w 1 between the amplifying circuit forming well 18G and the amplifying circuit forming well 18R, the interval l 1 between the amplifying circuit forming well 18G and the amplifying circuit forming well 18G along the column direction is omitted. distance l 1 between the distance l 1 and the amplification circuit forming well 18B of the amplifier circuit forming well 18R and amplifier circuit forming well 18B is important. The well interval w 1 in the row direction and the well interval l 1 in the column direction are set to a distance within twice the Debye length of electrons in the charge generation layer 12, and the amplification circuit formation wells 18R, 18G, 18B and the transfer channel formation well 19R , 19G, 19B is the same as the color imaging device according to the first and second embodiments that the effect of the electrostatic potential should not be screened by electrons.
このように、第3の実施の形態に係るカラー撮像装置においては、電荷生成層12内に、表面埋込領域13R,13G,13Bから基板11への電子流出を防止するバリアの高さVB1,VB3のポテンシャルの山を形成することにより、基板11の電位の変化により蓄積動作を維持したまま、赤外撮像時とカラー撮像時の有効深さを可変とすることが可能となる。 As described above, in the color imaging device according to the third embodiment, the barrier height VB1, which prevents electrons from flowing out from the surface buried regions 13R, 13G, 13B to the substrate 11 in the charge generation layer 12. By forming the peak of the potential of VB3, it becomes possible to change the effective depth during infrared imaging and color imaging while maintaining the accumulation operation by changing the potential of the substrate 11.
第3の実施の形態に係るカラー撮像装置の説明においては、カラー撮像と赤外撮像の両立を図ることを目的としているが、第3の実施の形態に係るカラー撮像装置はこれに限定されるものではなく、カラー撮像のみを目的とする場合にも適用可能である。他は、第1及び第2の実施の形態に係るカラー撮像装置と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。 The description of the color imaging device according to the third embodiment is intended to achieve both color imaging and infrared imaging, but the color imaging device according to the third embodiment is limited to this. However, the present invention can be applied to a case where only color imaging is intended. Others are substantially the same as those of the color imaging apparatus according to the first and second embodiments, and thus redundant description is omitted.
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は第1〜第3の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the first to third embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
既に述べた第1〜第3の実施の形態の説明においては、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明したが、第2導電型をn型、第1導電型をp型としても、電気的な極性を反対にすれば同様な効果が得られることは容易に理解できるであろう(その場合、フォトダイオードPDij,PDij+1,…に着目すれば、n型の第1主電極領域がカソード領域となり、p型の第2主電極領域がアノード領域となることは説明の必要のないことであろう。)。 In the description of the first to third embodiments already described, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the second conductivity type is n-type and the first conductivity type is first-type. Even in the case of the p-type, it can be easily understood that the same effect can be obtained if the electrical polarity is reversed (in this case, if attention is paid to the photodiodes PD ij , PD ij + 1,. It will not be necessary to explain that the first main electrode region of the mold becomes the cathode region and the second main electrode region of the p type becomes the anode region.
又、図1では3色ストライプ方式のカラーフィルタアレイを例示したが、図18に示すようなベイヤー方式の市松状のカラーフィルタアレイや、図19に示すような市松状のカラーフィルタアレイでもよい。更には、図20に示すように、シアン(Cy)、マゼンタ(Mg)、イエロー(Ye)等の補色フィルタを用いたカラーフィルタアレイでもよく、図21に示すような白(W)画素を含むカラーフィルタアレイでも、本発明の技術的思想は適用可能であることは容易に理解できるであろう。 1 illustrates a three-color stripe type color filter array, but a Bayer type checkered color filter array as shown in FIG. 18 or a checkered color filter array as shown in FIG. 19 may be used. Further, as shown in FIG. 20, a color filter array using complementary color filters such as cyan (Cy), magenta (Mg), and yellow (Ye) may be used, and includes white (W) pixels as shown in FIG. It can be easily understood that the technical idea of the present invention can be applied to a color filter array.
更に、第1〜第3の実施の形態の説明においては半導体材料としてシリコンの場合を説明したが、ゲルマニウム(Ge)やガリウムヒ素(GaAs)等の他の半導体の場合であっても、半導体材料の比誘電率は真性半導体の不純物密度を考慮して適宜修正を加えれば、本発明の技術的思想は同様に適用可能である。 Furthermore, in the description of the first to third embodiments, the case of silicon as the semiconductor material has been described. However, even in the case of other semiconductors such as germanium (Ge) and gallium arsenide (GaAs), the semiconductor material The technical idea of the present invention can be similarly applied if the relative dielectric constant is appropriately modified in consideration of the impurity density of the intrinsic semiconductor.
更に、例えば、第1の実施の形態の説明においては、2次元固体撮像装置(エリアセンサ)について例示的に説明したが、図1に示した2次元マトリクスにおいて、j=m=1とした1次元固体撮像装置(ラインセンサ)の画素として複数の半導体受光素子を1次元に配列してもよいことは、上記開示の内容から、容易に理解できるはずである。 Further, for example, in the description of the first embodiment, the two-dimensional solid-state imaging device (area sensor) has been exemplarily described. However, in the two-dimensional matrix shown in FIG. It should be easily understood from the contents of the above disclosure that a plurality of semiconductor light receiving elements may be arranged one-dimensionally as pixels of a three-dimensional solid-state imaging device (line sensor).
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
Aij…増幅回路
Bj…垂直信号線
CSij…電荷蓄積ダイオード(電荷蓄積素子)
CTP…電荷ドリフト経路
Dij…検出回路
PDij…フォトダイオード(埋込フォトダイオード)
Qj…カラム処理回路
TRij…リセットトランジスタ
TSij…スイッチングトランジスタ
TRij…リセットトランジスタ
TLNj…定電流トランジスタ
1…画素アレイ部
4…タイミング発生回路
5…信号処理部
7…バイアス発生回路
10G…p層
11…基板
12…電荷生成層
13R,13G,13B…表面埋込領域
14R,14G,14B…ピニング層
15R,15G,15B…転送ゲート電極
16R,16G,16B…電荷検出領域
18R,18G,18B…増幅回路形成ウェル
19R,19G,19B…転送チャネル形成ウェル
20R,20G,20B…トップコンタクト領域
21R,21G,21B…ブロック層
31R,31G,31B…カラーフィルタ
51R,51G,51B…ゲート電極
52R,52G,52B…ソース領域
53R,53G,53B…ドレイン領域
54R,54G,54B……ドレイン領域
55R,55G,55B…ゲート電極
56R,56G,56B…ソース・ドレイン共有領域
57R,57G,57B…ゲート電極
58R,58G,58B…ソース領域
61…撮像素子
62…結像レンズ
63…IRC
64…着脱装置
111…基板
113…n型表面埋込領域
114…ピニング層
115…転送ゲート電極
116…電荷検出用浮遊拡散領域
117…トランジスタ増幅回路
118…ウェル
151…ゲート電極
152…ソース領域
153…ドレイン領域
312…πエピ層
401R,401G,401B…原色カラーフィルタ
A ij ... Amplifier circuit B j ... Vertical signal line CS ij ... Charge storage diode (charge storage element)
CTP ... Charge drift path D ij ... Detection circuit PD ij ... Photodiode (embedded photodiode)
Qj: column processing circuit TR ij ... reset transistor TS ij ... switching transistor TR ij ... reset transistor T LNj ... constant current transistor 1 ... pixel array section 4 ... timing generation circuit 5 ... signal processing section 7 ... bias generation circuit 10G ... p layer DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Substrate 12 ... Charge generation layer 13R, 13G, 13B ... Surface embedding region 14R, 14G, 14B ... Pinning layer 15R, 15G, 15B ... Transfer gate electrode 16R, 16G, 16B ... Charge detection region 18R, 18G, 18B ... Amplification circuit forming wells 19R, 19G, 19B ... Transfer channel forming wells 20R, 20G, 20B ... Top contact regions 21R, 21G, 21B ... Block layers 31R, 31G, 31B ... Color filters 51R, 51G, 51B ... Gate electrodes 52R, 52G , 52B ... Source regions 53R, 53G, 53B ... Drain regions 54R, 54G, 54B ... Drain regions 55R, 55G, 55B ... Gate electrodes 56R, 56G, 56B ... Source / drain shared regions 57R, 57G, 57B ... Gate electrodes 58R, 58G , 58B ... Source region 61 ... Image sensor 62 ... Imaging lens 63 ... IRC
64 ... Detachable device 111 ... Substrate 113 ... N-type surface buried region 114 ... Pinning layer 115 ... Transfer gate electrode 116 ... Charge detection floating diffusion region 117 ... Transistor amplifier circuit 118 ... Well 151 ... Gate electrode 152 ... Source region 153 ... Drain region 312... Π epi layer 401R, 401G, 401B... Primary color filter
Claims (8)
第1導電型で、不純物密度1×1013cm−3以上且つ1×1015cm−3以下の半導体からなる基板と、
該基板の上に設けられ、第2導電型で不純物密度1×1014cm−3以下且つ1×1011cm−3以上、厚さ10μm以上且つ50μm以下の半導体層からなる電荷生成層と、
前記電荷生成層の上部の一部に前記電荷生成層と光電変換素子を構成するように埋め込まれた第1導電型の半導体領域からなる表面埋込領域と、
前記複数の画素間を電気的に分離する画素間分離領域として機能するように、前記電荷生成層の上部の他の一部に前記表面埋込領域の下面よりも深い位置まで埋め込まれ、平面パターン上前記表面埋込領域を囲む、第2導電型で不純物密度1×1015cm-3以上且つ1×1018cm-3以下の転送チャネル形成ウェル及び増幅回路形成ウェルと、
前記転送チャネル形成ウェルの上部の一部に埋め込まれた第1導電型の半導体領域からなり、前記光電変換素子から信号電荷が転送される電荷検出領域と、
前記増幅回路形成ウェルの上部の一部を用いて構成され、前記電荷検出領域の電位を増幅して読み出す増幅回路
とを備え、前記電荷生成層は前記複数の画素の共通層であり、前記基板に第1の電位及び該第1の電位より高電位の第2の電位を印加することにより、それぞれの画素において、電荷生成層の内部に生じるポテンシャルバリアの位置を前記基板側から前記表面埋込領域側に移動させることを特徴とするカラー撮像装置。 A color imaging device in which color filters having different wavelength characteristics are arranged on a plurality of adjacent pixels, each of the plurality of pixels,
A substrate made of a semiconductor of the first conductivity type and having an impurity density of 1 × 10 13 cm −3 or more and 1 × 10 15 cm −3 or less;
A charge generation layer provided on the substrate and comprising a semiconductor layer of a second conductivity type and having an impurity density of 1 × 10 14 cm −3 or less and 1 × 10 11 cm −3 or more, and a thickness of 10 μm or more and 50 μm or less;
A surface buried region composed of a semiconductor region of a first conductivity type embedded in a part of an upper portion of the charge generation layer so as to constitute the photoelectric conversion element and the charge generation layer;
A planar pattern embedded in another part of the upper portion of the charge generation layer to a position deeper than the lower surface of the surface buried region so as to function as an inter-pixel separation region for electrically separating the plurality of pixels. A transfer channel forming well and an amplifier circuit forming well having a second conductivity type and an impurity density of 1 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less surrounding the surface buried region;
A charge detection region comprising a first conductivity type semiconductor region embedded in a part of an upper portion of the transfer channel formation well, wherein a signal charge is transferred from the photoelectric conversion element;
An amplification circuit configured to amplify and read out the potential of the charge detection region, the charge generation layer being a common layer of the plurality of pixels, and the substrate By applying a first electric potential and a second electric potential higher than the first electric potential to each pixel, the position of the potential barrier generated in the charge generation layer in each pixel is embedded in the surface from the substrate side. A color imaging apparatus, characterized by being moved to an area side.
前記転送チャネル形成ウェルの表面に設けられた絶縁膜と、
前記光電変換素子と前記電荷検出領域の間の前記絶縁膜上に設けられた転送ゲート電極
とを更に備え、
前記表面埋込領域、前記電荷検出領域及び前記転送ゲート電極により、前記転送チャネル形成ウェルの上部に設けられた転送チャネルを介して、前記表面埋込領域から前記電荷検出領域に信号電荷を転送する転送トランジスタが構成されることを特徴とする請求項1に記載のカラー撮像装置。 The pixel is
An insulating film provided on the surface of the transfer channel forming well;
A transfer gate electrode provided on the insulating film between the photoelectric conversion element and the charge detection region;
The surface buried region, the charge detection region, and the transfer gate electrode transfer signal charges from the surface buried region to the charge detection region via a transfer channel provided above the transfer channel formation well. The color imaging device according to claim 1, wherein a transfer transistor is configured.
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|---|---|---|---|---|
| CN102623469A (en) * | 2011-01-26 | 2012-08-01 | 美士美积体产品公司 | Light sensor having transparent substrate and through-substrate vias |
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2008
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