JP6113711B2 - 撮像素子および電子機器 - Google Patents
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Description
1.第1の実施の形態(撮像制御:転送ゲート電極の仕事関数を利用して埋め込みチャネル型の転送トランジスタを構成する例)
2.第2の実施の形態(撮像制御:不純物プロファイルの調整で埋め込みチャネル型の転送トランジスタを構成する例)
3.第3の実施の形態(撮像制御:1光子検出の例)
[撮像素子の構成例]
図1は、本技術の第1の実施の形態の撮像素子100の基本構成例の一例を示す概念図である。
図2は、本技術の第1の実施の形態の画素310の回路構成の一例を示す模式図である。
図3は、本技術の第1の実施の形態の画素310のレイアウトの一例を模式的に示す図である。
図4は、本技術の第1の実施の形態の画素310の転送トランジスタ312の断面構成を模式的に示す図である。
図5は、本技術の第1の実施の形態における転送トランジスタ312の転送ゲート電極541の深さ方向(図4のA−B線で示す位置)のポテンシャルプロファイルを模式的に示す図である。
図6は、本技術の第1の実施の形態におけるn型拡散層542の横方向(図4のC−D線における位置)のポテンシャルプロファイルを模式的に示す図である。
図7は、本技術の第1の実施の形態の撮像素子100に備えられる画素310における電子の転送経路と、他の撮像素子に備えられる画素における電子の転送経路とを模式的に示す図である。
本技術の第1の実施の形態では、転送ゲート電極をp+型のシリコンの層で形成し、転送ゲート電極の仕事関数を利用して埋め込みチャネルを形成する例について説明した。しかしながら、埋め込みチャネルの形成はこれに限定されるものではなく、基板における不純物プロファイルの調整のみで埋め込みチャネルを形成することもできる。
図8は、本技術の第2の実施の形態の画素の転送トランジスタの断面構成を模式的に示す図である。
図9は、本技術の第2の実施の形態における転送ゲート電極611の深さ方向(図8のA−B線で示す位置)のポテンシャルプロファイルを模式的に示す図である。
本技術の第1および第2の実施の形態では、微弱光により発生した電子を、界面準位の影響を受けずにフローティングディフュージョンに転送する例について説明した。なお、多値の蓄積信号を検出する場合には、画素に蓄積可能な電子の数に基づいて露光時間などの撮像条件を決定することにより、微弱光を適切に検出することができる。しかしながら、蓄積可能な電子の数は、蓄積領域の製造工程における僅かなバラつきにより、画素ごとに異なる可能性がある。すなわち、本技術の第1および第2の実施の形態を適用した撮像素子を、蓄積信号が多値である微弱光の検出装置のために製造する場合には、蓄積領域における蓄積可能電子数のバラつきなどにより歩留まりが悪くなる可能性も考えられる。
図10は、本技術の第3の実施の形態の1光子を検出するための判定回路(1光子検出用判定回路700)の機能構成例の一例および1光子検出用判定回路700の動作例の一例を示す概念図である。
図11は、本技術の第3の実施の形態において、単位露光期間に各画素に入射する光子の平均数とカウント確率との関係を示すグラフである。
単位画素に入射する光子が0個(k=0)の確率:0.8105
単位画素に入射する光子が1個(k=1)の確率:0.1702
単位画素に入射する光子が2個(k=2)の確率:0.0179
単位画素に入射する光子が3個(k=3)の確率:0.0013
・・・(これ以下は、値が非常に小さい(0.00007以下)ので省略)
(1) 埋め込みチャネル型MOSトランジスタにより構成される転送トランジスタを備え、オン状態の前記転送トランジスタによりフォトダイオードからフローティングディフュージョンに転送された電荷に基づいて画素信号を出力する画素と、
前記出力された画素信号をデジタル値に変換し、当該変換されたデジタル値を閾値と比較して、当該画素信号を生成した画素への光子の入射の有無をバイナリ判定する判定部と
を具備する撮像素子。
(2) 前記フォトダイオードは、第1導電型の不純物拡散層により構成される電荷蓄積領域を備え、
前記フローティングディフュージョンは、前記第1導電型の不純物拡散層により構成され、
前記転送トランジスタは、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンとの間のチャネルとなるチャネル領域を備え、前記チャネル領域は、1×1015atoms/cm3以上の濃度の前記第1導電型の不純物拡散層により構成される
前記(1)に記載の撮像素子。
(3) 前記チャネル領域は、前記転送トランジスタのゲート電極が形成される側の基板表面から0.2μm以内の深さにおいて不純物のピークが形成される前記(2)に記載の撮像素子。
(4) 前記チャネル領域は、前記転送トランジスタのオフ状態の際には、前記電荷蓄積領域から前記不純物拡散層に余剰電荷を排出するためのオーバーフロードレインとして機能する前記(2)に記載の撮像素子。
(5) 前記転送トランジスタは、当該転送トランジスタのゲート電極と当該ゲート電極が面する基板との仕事関数差により当該ゲート電極が面する基板の表面におけるポテンシャルを浅くする方向に変調させることにより、当該ゲート電極が面する基板の表面から当該基板の内部側に離れた位置に前記チャネルが形成される前記(2)に記載の撮像素子。
(6) 前記転送トランジスタは、当該転送トランジスタのゲート電極が形成される側の基板表面から0.2μm以内の深さにおいて不純物のピークが形成されるとともに、当該不純物のピークと前記ゲート電極との間に第2導電型の不純物拡散層が形成される前記(2)に記載の撮像素子。
(7) 埋め込みチャネル型MOSトランジスタにより構成される転送トランジスタを備え、オン状態の前記転送トランジスタによりフォトダイオードからフローティングディフュージョンに転送された電荷に基づいて画素信号を出力する画素と、
前記出力された画素信号をデジタル値に変換し、当該変換されたデジタル値を複数の閾値と比較して、当該画素信号を生成した画素へ入射した光子の個数を判定する判定部と
を具備する撮像素子。
(8) 埋め込みチャネル型MOSトランジスタにより構成される転送トランジスタを備え、オン状態の前記転送トランジスタによりフォトダイオードからフローティングディフュージョンに転送された電荷に基づいて画素信号を出力する画素と、
前記出力された画素信号をデジタル値に変換し、当該変換されたデジタル値を閾値と比較して、当該画素信号を生成した画素への光子の入射の有無をバイナリ判定する判定部と
を具備する電子機器。
112 第1垂直駆動回路
114 レジスタ
115 第2垂直駆動回路
118 出力回路
300 画素アレイ部
310 画素
311 フォトダイオード
312 転送トランジスタ
313 リセットトランジスタ
314 アンプトランジスタ
511 基板
512 pウェル
521 蓄積領域
522 p型拡散層
531 浮遊拡散領域
541 転送ゲート電極
542 n型拡散層
551 絶縁膜
552 素子分離領域
Claims (8)
- 埋め込みチャネル型MOSトランジスタにより構成される転送トランジスタを備え、オン状態の前記転送トランジスタによりフォトダイオードからフローティングディフュージョンに転送された電荷に基づいて画素信号を出力する画素と、
前記出力された画素信号をデジタル値に変換し、当該変換されたデジタル値を閾値と比較して、当該画素信号を生成した画素への光子の入射の有無をバイナリ判定する判定部と
を具備する撮像素子。 - 前記フォトダイオードは、第1導電型の不純物拡散層により構成される電荷蓄積領域を備え、
前記フローティングディフュージョンは、前記第1導電型の不純物拡散層により構成され、
前記転送トランジスタは、前記フォトダイオードと前記フローティングディフュージョンとの間のチャネルとなるチャネル領域を備え、前記チャネル領域は、1×1015atoms/cm3以上の濃度の前記第1導電型の不純物拡散層により構成される
請求項1記載の撮像素子。 - 前記チャネル領域は、前記転送トランジスタのゲート電極が形成される側の基板表面から0.2μm以内の深さにおいて不純物のピークが形成される請求項2記載の撮像素子。
- 前記チャネル領域は、前記転送トランジスタのオフ状態の際には、前記電荷蓄積領域から前記不純物拡散層に余剰電荷を排出するためのオーバーフロードレインとして機能する請求項2記載の撮像素子。
- 前記転送トランジスタは、当該転送トランジスタのゲート電極と当該ゲート電極が面する基板との仕事関数差により当該ゲート電極が面する基板の表面におけるポテンシャルを浅くする方向に変調させることにより、当該ゲート電極が面する基板の表面から当該基板の内部側に離れた位置に前記チャネルが形成される請求項2記載の撮像素子。
- 前記転送トランジスタは、当該転送トランジスタのゲート電極が形成される側の基板表面から0.2μm以内の深さにおいて不純物のピークが形成されるとともに、当該不純物のピークと前記ゲート電極との間に第2導電型の不純物拡散層が形成される請求項2記載の撮像素子。
- 埋め込みチャネル型MOSトランジスタにより構成される転送トランジスタを備え、オン状態の前記転送トランジスタによりフォトダイオードからフローティングディフュージョンに転送された電荷に基づいて画素信号を出力する画素と、
前記出力された画素信号をデジタル値に変換し、当該変換されたデジタル値を複数の閾値と比較して、当該画素信号を生成した画素へ入射した光子の個数を判定する判定部と
を具備する撮像素子。 - 埋め込みチャネル型MOSトランジスタにより構成される転送トランジスタを備え、オン状態の前記転送トランジスタによりフォトダイオードからフローティングディフュージョンに転送された電荷に基づいて画素信号を出力する画素と、
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を具備する電子機器。
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