JP4752926B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、固体撮像装置の駆動方法、電子機器 - Google Patents
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Description
従来、提案されてきたグローバルシャッタ機能を有するCMOS型固体撮像装置の構成例を以下に示す。
受光部は、基板表面側に形成されるものであり、受光した光に応じて信号電荷を生成する。蓄積容量部は、受光部に隣接する領域に形成され、基板に第1の電位が印加されたときに、受光部で生成された信号電荷が転送され、前記信号電荷を蓄積保持するものである。
暗電流抑制部は受光部及び蓄積容量部に形成されるものである。
電子シャッタ調整層は、基板内の受光部に対向する領域であって、蓄積容量部から所望のオフセット領域だけ離した領域に形成された層である。この電子シャッタ調整層は、基板に第2の電位が印加されたときに受光部で生成された信号電荷が基板の裏面側に掃き出されるように基板の電位分布を調整する層である。
1.第1の実施形態:固体撮像装置の例
1.1固体撮像装置全体の構成
1.2固体撮像装置の断面構成
1.3固体撮像装置の製造方法
1.4固体撮像装置の駆動方法
2.第2の実施形態:固体撮像装置の例
3.第3の実施形態:固体撮像装置の例(レイアウト例)
4.第4の実施形態:電子機器の例
[1.1 固体撮像装置全体の構成]
図1に、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す。
図1に示す固体撮像装置1は、シリコンからなる半導体基板11上に配列された複数の画素2から構成される撮像領域3と、垂直駆動回路4と、カラム信号処理回路5と、水平駆動回路6と、出力回路7と、制御回路8等を有して構成される。
図2に、本実施形態例の固体撮像装置1における1画素分の概略断面構成を示す。本実施形態例では、本発明における第1導電型をN型とし、第2導電型をP型として説明する。
図4,図5を用いて、以上の構成を有する固体撮像装置1の製造方法を説明する。図4,図5において、図2に対応する部分には、同一符号を付し重複説明を省略する。
また、本実施形態例では図示しないが、上述の工程に加えて、アンプトランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタとその配線、及び画素エリア外の駆動回路部、制御回路部、読み出し回路部等を形成する工程を含む。
次に、本実施形態例の固体撮像装置1の駆動方法について説明する。まず、本実施形態例の固体撮像装置1における実際の駆動に先立ち、受光部19及び蓄積容量部20における信号電荷の生成、蓄積の原理を、図3に示した電位図を用いて説明する。
受光期間時には、前述したように、基板電圧VsubがLowである場合、図6Aに示すように、受光部19に入射した光Lの光電変換によって生成された信号電荷が垂れ流し的に蓄積容量部20に蓄積保持される。これにより、固体撮像装置1の全画素において、同時刻の光の光電変換による信号電荷が、蓄積容量部20に蓄積保持される。
本実施形態例の固体撮像装置1では、受光部19及び蓄積容量部20には、HAD構造による暗電流抑制部18,23が形成されており、表面が常に正孔でみたされている。このため、基板を構成するシリコンや、ゲート絶縁膜29を構成する酸化膜界面から発生する暗電流を従来型のグローバルシャッタ機能付き固体撮像装置に比べ、抑制できる。
図7に、本発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の概略断面構成を示す。本実施形態例の固体撮像装置における全体構成は、図1と同様であるから省略する。また、図7において、図2に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
図8に、本発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置52の概略平面構成を示す。また、本実施形態例の固体撮像装置の全体構成は、図1と同様であり、また、画素の断面構成は、図2または、図7と同様である。本実施形態例では、画素のレイアウトの一例を示すものであり、図8において、図2,図7に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態例の固体撮像装置52においても、第1及び第2の実施形態における固体撮像装置1,51と同様の効果を得ることができる。
なお、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
図9に本発明の第4の実施形態に係る電子機器200の概略構成を示す。
本実施形態例の電子機器200は、上述した本発明の第1の実施形態における固体撮像装置1をカメラに用いた場合の実施形態を示す。
シャッタ装置211は、固体撮像装置1への光照射期間および遮光期間を制御する。
駆動回路212は、固体撮像装置1の転送動作およびシャッタ装置211のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。駆動回路212から供給される駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像装置1の信号転送を行なう。信号処理回路213は、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。シャッタ装置は強烈な入射光を撮像する用途やスミアを極小レベルに低減する必要がある用途で特に必要になるが、用途によっては必要としない。また本例はデジタルスチルカメラの例であるが、本構造の撮像素子は画面内同一時刻で受光するグローバルシャッタ機能を有する動画撮像装置としての利用も可能である。
2・・画素
3・・撮像領域
4・・垂直駆動回路
5・・カラム信号処理回路
6・・水平駆動回路
7・・出力回路
8・・制御回路
10・・水平信号線
12・・半導体基板
13・・半導体ウェル層
14・・電子シャッタ調整層
15a・・チャネルストップ領域
15b・・チャネルストップ領域
18・・第1の暗電流抑制部
19・・受光部
20・・蓄積容量部
23・・第2の暗電流抑制部
24・・オフセット領域
25・・FD部
26・・転送ゲート部
27・・チャネル領域
28・・転送ゲート電極
29・・ゲート絶縁膜
Claims (17)
- 基板と、
受光期間に前記基板に第1の電位を印加し、非受光期間に前記基板に第2の電位を印加する基板電圧電源と、
前記基板の表面側に形成され、受光した光に応じた信号電荷を生成する受光部と、前記受光部に隣接して形成され、前記基板に第1の電位が印加されたときに、前記受光部で生成された信号電荷が転送され、前記信号電荷を蓄積保持する蓄積容量部と、前記受光部と前記蓄積容量部に形成された暗電流抑制部と、前記基板内の前記受光部に対向する領域であって、前記蓄積容量部から所定のオフセット領域だけ離した領域に形成され、前記基板に第2の電位が印加されたときに前記受光部で生成された信号電荷が前記基板の裏面側に掃き出されるように基板の電位分布を調整する電子シャッタ調整層と、前記蓄積容量部に蓄積された信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、を含んで構成される複数の画素と、
を含む固体撮像装置。 - 前記基板は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第2導電型の半導体ウェル層から構成され、
前記受光部は、第2導電型からなる暗電流抑制部と第1導電型の不純物領域からなる接合面と前記第1導電型の不純物領域と前記第1導電型の不純物領域下部に形成された第2導電型の不純物領域との接合面を有して、前記半導体ウェル層に形成され、
前記蓄積容量部は、第1導電型の不純物領域と第2導電型の不純物領域との接合面を有して構成され、
前記電子シャッタ調整層は、前記半導体基板と前記半導体ウェル層との間に、第1導電型の不純物領域により形成される
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記蓄積容量部の静電ポテンシャルは、前記受光部の静電ポテンシャルよりも深く形成される
請求項2記載の固体撮像装置。 - 前記オフセット領域上部の、前記受光部と前記蓄積容量部の間の領域の静電ポテンシャルは、前記受光期間と前記非受光期間とで、略等しい値を維持する
請求項3記載の固体撮像装置。 - 前記蓄積容量部の光入射側上部に遮光膜を有し、前記遮光膜の端部は前記受光部側に張り出した張り出し部を有する
請求項4記載の固体撮像装置。 - 前記受光部と前記フローティングディフュージョン部との間に転送ゲート部を有し、
前記遮光膜は、さらに、前記転送ゲート部および前記フローティングディフュージョン部の光入射側上部にも形成される
請求項5記載の固体撮像装置。 - 前記受光部及び前記蓄積容量部の前記暗電流抑制部は、前記受光部及び前記蓄積容量部の光入射側表面に形成された第2導電型の不純物領域により構成される
請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記受光部の前記暗電流抑制部は、前記受光部の光入射側表面に形成された第2導電型の不純物領域により構成され、
前記蓄積容量部の前記暗電流抑制部は、前記蓄積容量部の光入射側上部に形成された暗電流抑制電極と、前記暗電流抑制電極に直流電圧を印加する直流電圧電源により構成される
請求項6記載の固体撮像装置。 - 前記暗電流抑制電極は、前記遮光膜と電気的に接続される
請求項8記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョン部は、隣接する複数の蓄積容量部に共有されており、前記フローティングディフュージョン部には、隣接する複数の蓄積容量部から順次信号電荷が転送される
請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記フローティングディフュージョン部に蓄積された信号電荷をリセットするリセットトランジスタと、前記フローティングディフュージョン部に転送された信号電荷を増幅する増幅トランジスタとを、さらに有して構成される
請求項1記載の固体撮像装置。 - 第1導電型の半導体基板を準備する工程、
前記半導体基板上に第2導電型の半導体ウェル層を形成する工程、
前記半導体ウェル層の表面側に、受光部、受光部に隣接する蓄積容量部、及び転送ゲート部を介して前記蓄積容量部に隣接するフローティングディフュージョン部を形成する工程、
前記半導体ウェル層を形成する前、又は後に、前記半導体基板と前記半導体ウェル層との間の、前記受光部に対向する領域であって、前記蓄積容量部から所望のオフセット距離だけ離した領域に第1導電型からなる電子シャッタ調整層を形成する工程、
前記蓄積容量部及び受光部上部の光入射側に暗電流抑制部を形成する工程、
を有する固体撮像装置の製造方法。 - 前記半導体ウェル層は、前記半導体基板上に形成された第2導電型のエピタキシャル成長層により構成される
請求項12記載の固体撮像装置の製造方法。 - 前記半導体ウェル層は、前記半導体基板上に第1導電型のエピタキシャル成長層を形成した後、前記エピタキシャル成長層の所望の領域に、第2導電型の不純物をイオン注入して形成される
請求項12記載の固体撮像装置の製造方法。 - 基板と、
受光期間に前記基板に第1の電位を印加し、非受光期間に前記基板に第2の電位を印加する基板電圧電源と、
前記基板の表面側に形成され、受光した光に応じた信号電荷を生成する受光部と、前記受光部に隣接して形成され、前記基板に第1の電位が印加されたときに、前記受光部で生成された信号電荷が転送され、前記信号電荷を蓄積保持する蓄積容量部と、前記受光部と前記蓄積容量部に形成された暗電流抑制部と、前記基板内の前記受光部に対向する領域であって、前記蓄積容量部から所定のオフセット領域だけ離した領域に形成され、前記基板に第2の電位が印加されたときに前記受光部で生成された信号電荷が前記基板の裏面側に掃き出されるように基板の電位分布を調整する電子シャッタ調整層と、前記蓄積容量部に蓄積された信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、を含んで構成される複数の画素と、を含んで構成される固体撮像装置の駆動方法であって、
前記基板電圧電源により、前記基板に第1の電位を印加することにより、全画素の受光部で生成された信号電荷の前記蓄積容量部への転送を開始し、
前記基板電圧電源により、前記基板に第2の電位を印加することにより、全画素の受光部で生成された信号電荷の前記蓄積容量部への転送を終了し、前記受光部で生成された信号電荷を前記基板側に掃き出すとともに、画素毎に、前記蓄積容量部に蓄積された信号電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する
固体撮像装置の駆動方法。 - 前記信号電荷の前記蓄積容量部への転送の開始及び終了は、全画素において同時刻になされる
請求項15記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 光学レンズと、
基板と、受光期間に前記基板に第1の電位を印加し、非受光期間に前記基板に第2の電位を印加する基板電圧電源と、前記基板の表面側に形成され、受光した光に応じた信号電荷を生成する受光部と、前記受光部に隣接して形成され、前記基板に第1の電位が印加されたときに、前記受光部で生成された信号電荷が転送され、前記信号電荷を蓄積保持する蓄積容量部と、前記受光部と前記蓄積容量部に形成された暗電流抑制部と、前記基板内の前記受光部に対向する領域であって、前記蓄積容量部から所定のオフセット領域だけ離した領域に形成され、前記基板に第2の電位が印加されたときに前記受光部で生成された信号電荷が前記基板の裏面側に掃き出されるように基板の電位分布を調整する電子シャッタ調整層と、前記蓄積容量部に蓄積された信号電荷が転送されるフローティングディフュージョン部と、を含んで構成され、前記光学レンズに集光された光が入射される固体撮像装置と
前記固体撮像装置から出力される出力信号を処理する信号処理回路と、
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