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JP4915127B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

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JP4915127B2
JP4915127B2 JP2006108090A JP2006108090A JP4915127B2 JP 4915127 B2 JP4915127 B2 JP 4915127B2 JP 2006108090 A JP2006108090 A JP 2006108090A JP 2006108090 A JP2006108090 A JP 2006108090A JP 4915127 B2 JP4915127 B2 JP 4915127B2
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

本発明は、固体撮像装置、特に、光電変換素子により生成された電荷を画素信号に変換する変換部を画素内に含む固体撮像装置、例えばCMOSイメージセンサ等に関する。ここで、CMOSイメージセンサとは、CMOSプロセスを応用して、又は部分的に使用して作製されたイメージセンサである。   The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly to a solid-state imaging device including a conversion unit that converts a charge generated by a photoelectric conversion element into a pixel signal in a pixel, such as a CMOS image sensor. Here, the CMOS image sensor is an image sensor manufactured by applying or partially using a CMOS process.

CMOSイメージセンサは、光電変換素子と複数のMOSトランジスタからなる画素が複数、2次元アレイ状に配列され、光電変換素子により生成された電荷を画素信号に変換して読み出す固体撮像装置である。近年、このCMOSイメージセンサは、携帯電話用のカメラ、デジタルスチルカメラあるいはデジタルビデオカメラ等の撮像素子として注目されている。   The CMOS image sensor is a solid-state imaging device in which a plurality of pixels each including a photoelectric conversion element and a plurality of MOS transistors are arranged in a two-dimensional array, and charges generated by the photoelectric conversion element are converted into pixel signals and read. In recent years, this CMOS image sensor has attracted attention as an imaging device such as a camera for a mobile phone, a digital still camera, or a digital video camera.

図8に、一般的なCMOSイメージセンサの一例を示す。このCMOSイメージセンサ1は、例えばフォトダイオードからなる1つの光電変換素子2と複数のMOSトランジスタからなる画素(単位セル)3を複数個、2次元アレイ状に配列してなる撮像領域4と、周辺回路とから構成される。   FIG. 8 shows an example of a general CMOS image sensor. The CMOS image sensor 1 includes, for example, an imaging region 4 in which a plurality of pixels (unit cells) 3 each including a photoelectric conversion element 2 including a photodiode and a plurality of MOS transistors are arranged in a two-dimensional array, and a peripheral area. Circuit.

光電変換素子2では光を受けて光電変換により生成された信号電荷が蓄積される。複数のMOSトランジスタは、この例では転送用トランジスタ6と、リセット用トランジスタ7と、増幅用トランジスタ8と、選択用トランジスタ9の4つのトランジスタで構成される。転送用トランジスタ6は、光電変換素子2に蓄積された信号電荷をフローティング・ディフージョン(FD)、したがって増幅用トランジスタ8のゲートに転送するためのトランジスタである。リセット用トランジスタ7は、増幅用トランジスタ8のゲ−ト電位をリセットするためのトランジスタである。増幅用トランジスタ8は、信号電荷を増幅するためのトランジスタである。選択用トランジスタ9は、出力画素を選択するためのトランジスタである。   The photoelectric conversion element 2 accumulates signal charges generated by photoelectric conversion upon receiving light. In this example, the plurality of MOS transistors are composed of four transistors: a transfer transistor 6, a reset transistor 7, an amplification transistor 8, and a selection transistor 9. The transfer transistor 6 is a transistor for transferring the signal charge accumulated in the photoelectric conversion element 2 to the floating diffusion (FD), and thus to the gate of the amplifying transistor 8. The resetting transistor 7 is a transistor for resetting the gate potential of the amplifying transistor 8. The amplifying transistor 8 is a transistor for amplifying the signal charge. The selection transistor 9 is a transistor for selecting an output pixel.

画素3においては、転送用トランジスタ6のソースが光電変換素子2に接続され、そのドレインがリセット用トランジスタ7のソースに接続される。転送用トランジスタ6のゲートには、そのゲート電位を制御するための転送信号配線11が接続される。リセット用トランジスタ7は、そのドレインが電源電位供給線10に接続され、そのゲートがゲート電位を制御するためのリセット信号配線12に接続される。増幅用トランジスタ8は、そのドレインが電源電位供給線10に接続され、そのソースが選択用トランジスタ9のドレインに接続され、そのゲートが転送用トランジスタ6とリセット用トランジスタ7間のフローティング・ディフージョン(FD)に接続される。選択用トランジスタ9は、そのソースが画素出力線14に接続され、そのゲートがゲート電位を制御するための選択信号線13に接続される。   In the pixel 3, the source of the transfer transistor 6 is connected to the photoelectric conversion element 2, and the drain thereof is connected to the source of the reset transistor 7. A transfer signal line 11 for controlling the gate potential is connected to the gate of the transfer transistor 6. The reset transistor 7 has a drain connected to the power supply potential supply line 10 and a gate connected to a reset signal line 12 for controlling the gate potential. The amplifying transistor 8 has its drain connected to the power supply potential supply line 10, its source connected to the drain of the selection transistor 9, and its gate connected to the floating diffusion (transfer transistor 6 and resetting transistor 7). FD). The selection transistor 9 has a source connected to the pixel output line 14 and a gate connected to a selection signal line 13 for controlling the gate potential.

画素出力線14には定電流を供給するためのトランジスタ16が接続され、選択された増幅用トランジスタ8に定電流を供給し、増幅用トランジスタ8をソースフォロアとして動作させ、増幅用トランジスタ8のゲート電位と、ある一定の電圧差をもつ電位が画素出力線14に表れるようになされる。トランジスタ16のゲートには、トランジスタ16がある一定の電流を供給するような飽和領域動作をするよう、一定の電位を供給するための定電位供給線17が接続される。   A transistor 16 for supplying a constant current is connected to the pixel output line 14, a constant current is supplied to the selected amplifying transistor 8, the amplifying transistor 8 is operated as a source follower, and the gate of the amplifying transistor 8 is A potential and a potential having a certain voltage difference appear on the pixel output line 14. A constant potential supply line 17 for supplying a constant potential is connected to the gate of the transistor 16 so as to perform a saturation region operation so that the transistor 16 supplies a certain current.

一方、周辺回路として、垂直選択手段21、列選択手段22及びCDS(相関二重サンプリング)回路23が配置される。さらに、画素3の各行毎に、出力端が転送信号線11に接続された行選択用AND素子25、出力端がリッセト信号線12に接続された行選択用AND素子26、及び出力端が選択信号線13に接続された行選択用AND素子27がそれぞれ配置される。   On the other hand, a vertical selection unit 21, a column selection unit 22, and a CDS (correlated double sampling) circuit 23 are arranged as peripheral circuits. Further, for each row of the pixels 3, the row selection AND element 25 whose output end is connected to the transfer signal line 11, the row selection AND element 26 whose output end is connected to the reset signal line 12, and the output end are selected. Row selection AND elements 27 connected to the signal lines 13 are respectively arranged.

各行の行選択用AND素子25の一方に入力端には、転送信号配線11に転送パルスを供給するためのパルス端子28が接続され、他方の入力端には、垂直選択手段21からの出力が接続される。各行の行選択用AND素子の一方の入力端には、リセット信号配線12にリセットパルスを供給するためのパルス端子29が接続され、他方の入力端には垂直選択手段21からの出力が接続される。各行の行選択用AND素子27の一方の入力端には、選択信号配線13に選択パルスを供給するためのパルス端子30が接続され、他方の入力端には、垂直選択手段21からの出力が接続される。   A pulse terminal 28 for supplying a transfer pulse to the transfer signal wiring 11 is connected to one of the row selection AND elements 25 of each row, and an output from the vertical selection means 21 is connected to the other input end. Connected. A pulse terminal 29 for supplying a reset pulse to the reset signal wiring 12 is connected to one input end of the row selection AND element of each row, and an output from the vertical selection means 21 is connected to the other input end. The A pulse terminal 30 for supplying a selection pulse to the selection signal line 13 is connected to one input terminal of the row selection AND element 27 of each row, and an output from the vertical selection means 21 is connected to the other input terminal. Connected.

このような構成により、垂直選択手段21によって選択された行の各信号配線にのみ、各制御パルスが供給される。各画素3からの読み出し動作は、図10に示す駆動信号を加えて次のようにして行われる。   With such a configuration, each control pulse is supplied only to each signal wiring in the row selected by the vertical selection means 21. The readout operation from each pixel 3 is performed as follows by adding the drive signal shown in FIG.

図9の転送信号(パルス)S1は転送信号配線11に供給され、リセット信号(パルス)S2はリセット信号配線12に供給され、選択信号(パルス)S3は選択信号配線13に供給される。   The transfer signal (pulse) S1 in FIG. 9 is supplied to the transfer signal wiring 11, the reset signal (pulse) S2 is supplied to the reset signal wiring 12, and the selection signal (pulse) S3 is supplied to the selection signal wiring 13.

先ず、選択パルスS3及びリセットパルスS2を供給して、読み出しを行う行の選択用トランジスタ9と、リセット用ランジスタ7を導通状態にして、増幅用トランジスタ8のゲート(いわゆるフローティング・ディフージョンFD)の電位をリセットする。リセット用トランジスタ7を非導通にした後、各画素3のリセットレベルに対応した電圧を後段のCDS回路23に読み出しておく。次に、転送パルスS3を供給して転送用トランジスタ6を導通状態にし、光電変換素子2に蓄積された電荷をフローティング・ディフージョン(FD)、したがって増幅用トランジスタ8のゲートに転送する。転送終了後、転送用トランジスタ6を非導通状態にした後、蓄積されていた電荷量に応じた信号レベルの電圧を後段の回路23に読み出す。   First, the selection pulse S3 and the reset pulse S2 are supplied to make the selection transistor 9 and the reset transistor 7 in the row to be read out conductive, and the gate of the amplification transistor 8 (so-called floating diffusion FD). Reset the potential. After the reset transistor 7 is turned off, a voltage corresponding to the reset level of each pixel 3 is read out to the CDS circuit 23 in the subsequent stage. Next, the transfer pulse S3 is supplied to make the transfer transistor 6 conductive, and the charge accumulated in the photoelectric conversion element 2 is transferred to the floating diffusion (FD), and hence to the gate of the amplification transistor 8. After the transfer is completed, the transfer transistor 6 is turned off, and the voltage of the signal level corresponding to the accumulated charge amount is read out to the subsequent circuit 23.

CDS回路23では、先に読み出しておいたリセットレベルと信号レベルとの差を取り、画素毎の増幅用トランジスタの閾値電圧Vthのばらつき等により発生する固定的なパターンノイズを相殺する。CDS回路23に蓄積された信号は列選択手段22によって選択されると、水平信号線24を通ってAGC(自動利得制御)等の後段の回路へ読み出されて処理される。   The CDS circuit 23 takes the difference between the reset level read out earlier and the signal level, and cancels fixed pattern noise generated due to variations in the threshold voltage Vth of the amplifying transistor for each pixel. When the signal stored in the CDS circuit 23 is selected by the column selection means 22, it is read through a horizontal signal line 24 to a subsequent circuit such as AGC (automatic gain control) and processed.

以上の様に、CMOSイメージセンサでは、1画素中には光電変換素子2の他に、光電変換素子2に蓄積された電荷を読み出すための複数のトランジスタ、そして各トランジスタを制御するための制御信号配線が必要とされる。そのため、単純な構造を持つCCDイメージセンサに比べて画素の縮小化が困難であった。これまで、図10に示すような、駆動方法を変えることにより、選択トランジスタをなくし、画素構成を単純化するような画素(特許文献1参照)や、図11に示すような、複数の光電変換素子からの読み出しに1つの増幅トランジスタを使用するようにした画素が提案されている。   As described above, in the CMOS image sensor, in addition to the photoelectric conversion element 2 in one pixel, a plurality of transistors for reading out charges accumulated in the photoelectric conversion element 2, and a control signal for controlling each transistor Wiring is required. Therefore, it is difficult to reduce the pixels as compared with a CCD image sensor having a simple structure. Up to now, by changing the driving method as shown in FIG. 10, the selection transistor is eliminated and the pixel configuration is simplified (see Patent Document 1), or a plurality of photoelectric conversions as shown in FIG. A pixel in which one amplification transistor is used for reading from the element has been proposed.

図9の画素33は、1つの光電変換素子(フォトダイオード)2と、転送用トランジスタ6、リセット用トランジスタ7及び増幅用トランジスタ8の3つのMOSトランジスタとから構成される。転送用トランジスタ6は、そのソースが光電変換素子2に接続され、そのドレインがリセット用トランジスタ7のソースに接続されると共に、増幅用トランジスタ8のゲートに接続される。転送用トランジスタ6のゲートは転送信号配線11が接続される。リセット用トランジスタ7は、そのドレインが増幅用トランジスタ8のドレインに接続する電源供給線と共通化した選択信号配線34に接続され、そのゲートが画素出力線14に接続される。増幅用トランジスタ8のソースが画素出力線14に接続される。   The pixel 33 in FIG. 9 includes one photoelectric conversion element (photodiode) 2 and three MOS transistors, that is, a transfer transistor 6, a reset transistor 7, and an amplification transistor 8. The transfer transistor 6 has a source connected to the photoelectric conversion element 2, a drain connected to the source of the reset transistor 7, and a gate of the amplification transistor 8. A transfer signal line 11 is connected to the gate of the transfer transistor 6. The reset transistor 7 has a drain connected to a selection signal line 34 shared with a power supply line connected to the drain of the amplifying transistor 8, and a gate connected to the pixel output line 14. The source of the amplifying transistor 8 is connected to the pixel output line 14.

図11の単位セル41は、2画素に対応する2つの光電変換素子に対して、転送用トランジスタをそれぞれ対応して形成すると共に、リセット用トランジスタと増幅用トランジスタを共有するようにして構成される。すなわち、単位セル41では、上側光電変換素子42と下側光電変換素子43を有し、それぞれの光電変換素子42及び43が転送用トランジスタ44及び45のソースに接続され、両転送用トランジスタ44及び45のドレインが共有するリセット用トランジスタのソース及び増幅用トランジスタ47のゲートに接続される。リセット用トランジスタ46のドレイン及び増幅用トランジスタ47のドレインは電源供給線53に接続され、増幅用トランジスタ47のソースが画素出力線48に接続される。転送用トランジスタ44及び45のゲートはそれぞれ転送信号配線48及び49が接続され、リセット用トランジスタ46のゲートはリセット信号配線50に接続される。さらに、フローティング・ディフージョン(FD)と容量キック用配線51との間に容量52が接続される。   The unit cell 41 of FIG. 11 is configured to form transfer transistors corresponding to two photoelectric conversion elements corresponding to two pixels, and share a reset transistor and an amplification transistor. . That is, the unit cell 41 includes an upper photoelectric conversion element 42 and a lower photoelectric conversion element 43, and the respective photoelectric conversion elements 42 and 43 are connected to the sources of the transfer transistors 44 and 45. The drain of 45 is connected to the source of the resetting transistor shared by the drain and the gate of the amplifying transistor 47. The drain of the reset transistor 46 and the drain of the amplification transistor 47 are connected to the power supply line 53, and the source of the amplification transistor 47 is connected to the pixel output line 48. Transfer signal lines 48 and 49 are connected to the gates of the transfer transistors 44 and 45, respectively, and a gate of the reset transistor 46 is connected to the reset signal line 50. Further, a capacitor 52 is connected between the floating diffusion (FD) and the capacitor kick wiring 51.

特開2002−77731号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-77731

ところで、図11の画素構成のようにリセット用トランジスタ46及び増幅用トランジスタ47を共有化することにより、1画素中の素子数が減り、画素サイズの縮小化を図ることができる。しかし、図8や図10に示した単位セル(いわゆる1画素3、33)では、受光面中の全ての画素が1つの形状であったのに対し、図11で示す単位セル41を並べて構成した受光面は、2種類の画素で構成されることになる。すなわち、図8、図10では光電変換素子が等間隔で配列されるのに対し、図11では光電変換素子42、43が受光面の垂直方向に関して非等間隔で配列されることになる。   By sharing the reset transistor 46 and the amplifying transistor 47 as in the pixel configuration of FIG. 11, the number of elements in one pixel can be reduced, and the pixel size can be reduced. However, in the unit cells shown in FIGS. 8 and 10 (so-called one pixel 3, 33), all the pixels in the light receiving surface have one shape, but the unit cells 41 shown in FIG. 11 are arranged side by side. The received light receiving surface is composed of two types of pixels. That is, in FIG. 8 and FIG. 10, the photoelectric conversion elements are arranged at equal intervals, whereas in FIG. 11, the photoelectric conversion elements 42 and 43 are arranged at non-equal intervals in the vertical direction of the light receiving surface.

このため、図11の単位セル41を配列したイメージセンサでは、2種類の画素間で、感度、飽和、混色、シェーディング等の特性に差異が生じる。例えばベイヤー方式で色コーディングした際、同じ緑色(G)でコーディングされた画素でも、行により画素特性が異なってしまうため、一枚の画像として見ると横縞が発生するという問題が考えられる。この問題は、図11の単位セルのみの問題ではなく、トランジスタ数、構成によらず、画素間トランジスタの共有化に伴う問題である。   Therefore, in the image sensor in which the unit cells 41 in FIG. 11 are arranged, characteristics such as sensitivity, saturation, color mixture, shading, and the like are different between the two types of pixels. For example, when color coding is performed by the Bayer method, even if pixels are coded with the same green color (G), the pixel characteristics differ depending on the row, so that there is a problem that horizontal stripes are generated when viewed as one image. This problem is not only a problem of the unit cell of FIG. 11, but a problem associated with sharing of the inter-pixel transistors regardless of the number of transistors and the configuration.

図12に、図11の単位セル41を複数配列したCMOSイメージセンサの撮像面(受光面)のレイアウトを示す。図12に示すように、単位セル41内で上下側の光電変換素子42及び43の間にトランジスタ領域54が形成される。このトランジスタ領域54内にリセット用トランジスタ46、増幅用トランジスタ47が形成される。このように共有するトランジスタ領域54が形成されるために、光電変換素子42、43は撮像面の垂直方向に関して非等間隔に配列されることになる。すなわち、単位セル41内の光電変換素子42、43の配列ピッチP1と単位セル41間の光電変換素子42、43の配列ピッチP2が異なる(P1>P2)。   FIG. 12 shows a layout of an imaging surface (light receiving surface) of a CMOS image sensor in which a plurality of unit cells 41 of FIG. 11 are arranged. As shown in FIG. 12, a transistor region 54 is formed between the upper and lower photoelectric conversion elements 42 and 43 in the unit cell 41. In this transistor region 54, a reset transistor 46 and an amplification transistor 47 are formed. Since the shared transistor region 54 is formed in this way, the photoelectric conversion elements 42 and 43 are arranged at unequal intervals in the vertical direction of the imaging surface. That is, the arrangement pitch P1 of the photoelectric conversion elements 42 and 43 in the unit cell 41 and the arrangement pitch P2 of the photoelectric conversion elements 42 and 43 between the unit cells 41 are different (P1> P2).

このように、上側光電変換素子42の下側に隣接する領域がトランジスタ領域54であり、トランジスタ領域54の下側に隣接する領域が下側光電変換素子43である。従って、上側光電変換素子42、下側光電変換素子43では、その上下に隣接する素子が異なることから、全く同じ形状にすることが不可能であり、上述した様に、感度、飽和、混色、シェーディングといった特性が異なってしまう。   Thus, the region adjacent to the lower side of the upper photoelectric conversion element 42 is the transistor region 54, and the region adjacent to the lower side of the transistor region 54 is the lower photoelectric conversion element 43. Therefore, the upper photoelectric conversion element 42 and the lower photoelectric conversion element 43 cannot be made to have exactly the same shape because the elements adjacent to the upper and lower sides are different. As described above, the sensitivity, saturation, color mixture, Characteristics such as shading will be different.

特に、撮像面に対して、光が斜めに入射した場合の混色に関して、図12のA−A断面構造を表わす図13の模式図を用いて説明する。   In particular, color mixing when light is incident obliquely on the imaging surface will be described with reference to the schematic diagram of FIG. 13 showing the AA cross-sectional structure of FIG.

図13の構成は、例えばn型のシリコン半導体基板56上に、第1のp型半導体ウェル領域57が形成され、基板表面側に上側及び下側光電変換素子42及び43が形成されると共に、トランジスタ領域54が形成される。また、基板表面から第1のp型半導体ウェル領域57に達するように、単位セル41間の光電変換素子42、43を分離するための第2のp型半導体ウェル領域58と、単位セル41内の光電変換素子42、43の間及びトランジスタ領域54を分離するための第2のp型半導体ウェル領域59とが形成される。   In the configuration of FIG. 13, for example, a first p-type semiconductor well region 57 is formed on an n-type silicon semiconductor substrate 56, and upper and lower photoelectric conversion elements 42 and 43 are formed on the substrate surface side. Transistor region 54 is formed. Further, a second p-type semiconductor well region 58 for separating the photoelectric conversion elements 42 and 43 between the unit cells 41 so as to reach the first p-type semiconductor well region 57 from the substrate surface, and in the unit cell 41 The second p-type semiconductor well region 59 for separating the photoelectric conversion elements 42 and 43 and the transistor region 54 is formed.

トランジスタ領域54内には、リセット用トランジスタ46、増幅用トランジスタ47が形成される。光電変換素子42、43は、pn接合及びn型の電荷蓄積領域を有した領域として模式的に示している。この光電変換素子42、43の下部は、n型の電荷蓄積領域から連続して第1のp型半導体ウェル領域57に達するn型の領域42a,43aで形成される。各第2のp型半導体ウェル領域58、59は、共に基板表面の光電変換素子42、43の領域より深い部分で同じ幅w1で且つ等間隔W2に形成される。なお、図示しないが、この基板上に多層配線、色フィルタ及びオンチップレンズが形成される。   In the transistor region 54, a reset transistor 46 and an amplification transistor 47 are formed. The photoelectric conversion elements 42 and 43 are schematically shown as regions having a pn junction and an n-type charge accumulation region. The lower portions of the photoelectric conversion elements 42 and 43 are formed by n-type regions 42 a and 43 a that reach the first p-type semiconductor well region 57 continuously from the n-type charge accumulation region. Each of the second p-type semiconductor well regions 58 and 59 is formed at a portion deeper than the region of the photoelectric conversion elements 42 and 43 on the substrate surface with the same width w1 and at an equal interval W2. Although not shown, multilayer wiring, color filters, and on-chip lenses are formed on this substrate.

図12及び図13のレイアウトを有するCMOSイメージセンサにおいて、各色フィルタを透過した光は、各光電変換素子42、43の中心に集光されるが、長波長特性を持つ光は光電変換素子42、43の表面部分で吸収されず、シリコン基板の深い部分までエネルギーを有している。光電変換素子42、43に集光され、生成される電荷(すなわち電子)は、その光電変換素子42、43のn型蓄積領域に蓄積される。しかし、第2のp型半導体ウェル領域58、59で光電変換された電子は、ポテンシャルの勾配により、移動先すなわち何れの光電変換素子42又は43の蓄積領域へ蓄積されるかが決まる。   In the CMOS image sensor having the layout of FIGS. 12 and 13, the light transmitted through each color filter is collected at the center of each photoelectric conversion element 42, 43, but the light having a long wavelength characteristic is the photoelectric conversion element 42, 43 is not absorbed by the surface portion 43 but has energy up to a deep portion of the silicon substrate. Electric charges (that is, electrons) collected and generated by the photoelectric conversion elements 42 and 43 are accumulated in the n-type accumulation regions of the photoelectric conversion elements 42 and 43. However, the electrons photoelectrically converted in the second p-type semiconductor well regions 58 and 59 are determined in the movement destination, that is, in the storage region of which photoelectric conversion element 42 or 43, depending on the potential gradient.

図13に示すように、上側光電変換素子42と下側光電変換素子43に斜め光Lが入射した場合、上側光電変換素子42に入射した光Lにより、深い部分の第2のp型半導体ウェル領域59で光電変換された電子の大部分は上側光電変換素子42中に蓄積される。これに対して、下側光電変換素子43に入射した光Lにより、深い部分の第2のp型半導体ウェル領域58で光電変換された電子は、その隣の上側光電変換素子42の方へ移動する割合が多くなる。   As shown in FIG. 13, when oblique light L is incident on the upper photoelectric conversion element 42 and the lower photoelectric conversion element 43, the second p-type semiconductor well in the deep portion is caused by the light L incident on the upper photoelectric conversion element 42. Most of the electrons photoelectrically converted in the region 59 are accumulated in the upper photoelectric conversion element 42. On the other hand, the electrons photoelectrically converted in the deep second p-type semiconductor well region 58 by the light L incident on the lower photoelectric conversion element 43 move toward the adjacent upper photoelectric conversion element 42. The ratio to do increases.

結果として、図13のような角度での入射光Lに対しては、上側光電変換素子42から下側光電変換素子43への混色量に対し、下側光電変換素子43からその隣の上側光電変換素子42への混色量の方が多くなる。このような上側光電変換素子42と下側光電変換素子43の混色特性の違いは、横縞として画像の劣化を引き起こす。また、逆の入射角を持つ光に対しては、逆の混色特性を持つ。   As a result, with respect to the incident light L at an angle as shown in FIG. 13, the color mixture amount from the upper photoelectric conversion element 42 to the lower photoelectric conversion element 43 is changed from the lower photoelectric conversion element 43 to the adjacent upper photoelectric. The amount of color mixture to the conversion element 42 is larger. Such a difference in color mixing characteristics between the upper photoelectric conversion element 42 and the lower photoelectric conversion element 43 causes image deterioration as horizontal stripes. Further, it has reverse color mixing characteristics for light having a reverse incident angle.

本発明は、上述の点に鑑み、混色特性差等の特性差を抑制し、画質の向上を図った固体撮像装置を提供するものである。   In view of the above, the present invention provides a solid-state imaging device that suppresses characteristic differences such as color mixing characteristic differences and improves image quality.

本発明に係る固体撮像装置は、複数の光電変換素子と該光電変換素子の信号電荷を読み出す手段を有する単位セルが2次元アレイ状に配列された撮像領域を有し、撮像領域に各光電変換素子間を分離する半導体ウェル領域が形成され、光電変換素子の深い部分間を分離する前記半導体ウェル領域が、幅の異なる少なくとも2種類の半導体ウェル領域で形成されていることを特徴としている。つまり、2次元アレイ状に配列された光電変換素子と、複数のトランジスタが配置された領域であって、前記光電変換素子のうちの一方向に配列された2つの光電変換素子に挟まれて配置され、当該2つの光電変換素子とともに単位セルを構成するトランジスタ領域と、前記トランジスタ領域および前記光電変換素子を分離する領域であって、当該トランジスタ領域および当該光電変換素子よりも深くまで配置されると共に、前記光電変換素子の下部において当該光電変換素子を構成する第1導電型の電荷蓄積領域から連続して配置された第1導電型の領域間に設けられ、当該トランジスタ領域を分離する部分の前記一方向の幅が、前記単位セル間の光電変換素子を分離する部分の当該一方向の幅よりも大きく設定された第2導電型の半導体ウェル領域とを備えている。 The solid-state imaging device according to the present invention has an imaging region in which unit cells each having a plurality of photoelectric conversion elements and means for reading signal charges of the photoelectric conversion elements are arranged in a two-dimensional array, A semiconductor well region for separating elements is formed, and the semiconductor well region for separating deep portions of the photoelectric conversion element is formed of at least two types of semiconductor well regions having different widths. That is, a photoelectric conversion element arranged in a two-dimensional array and a region where a plurality of transistors are arranged, and is sandwiched between two photoelectric conversion elements arranged in one direction among the photoelectric conversion elements. A transistor region that constitutes a unit cell together with the two photoelectric conversion elements, and a region that separates the transistor region and the photoelectric conversion element, and is disposed deeper than the transistor region and the photoelectric conversion element. The portion of the lower portion of the photoelectric conversion element provided between the first conductivity type regions arranged continuously from the first conductivity type charge storage region constituting the photoelectric conversion element and separating the transistor region A second conductivity type semiconductor window in which the width in one direction is set to be larger than the width in the one direction at the portion separating the photoelectric conversion elements between the unit cells. And a cell area.

本発明の固体撮像装置では、複数の光電変換素子を有する単位セルが2次元アレイ状に配列された撮像領域における素子分離用の半導体ウェル領域が、幅の異なる少なくとも2種類の半導体ウェル領域で形成されるので、半導体ウェル領域で光電変換した電荷量が制御され、画素間での混色特性差等の特性差が抑制される。   In the solid-state imaging device of the present invention, element isolation semiconductor well regions in an imaging region in which unit cells having a plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a two-dimensional array are formed by at least two types of semiconductor well regions having different widths. Thus, the amount of charge photoelectrically converted in the semiconductor well region is controlled, and characteristic differences such as color mixing characteristic differences between pixels are suppressed.

本発明に係る固体撮像装置によれば、画素間での混色特性差などの特性差を抑制することができ、画質の向上を図ることができる。   According to the solid-state imaging device according to the present invention, it is possible to suppress a characteristic difference such as a color mixing characteristic difference between pixels, and to improve image quality.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明に係る固体撮像装置の実施の形態は、複数の光電変換素子と、この光電変換素子の信号電荷を読み出す手段、すなわち複数の光電変換素子で共有する信号電荷読み出し手段とを有する構成を単位セルとしたCMOSイメージセンサである。   The embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention has a unit having a plurality of photoelectric conversion elements and means for reading signal charges of the photoelectric conversion elements, that is, signal charge reading means shared by the plurality of photoelectric conversion elements. This is a CMOS image sensor as a cell.

図1〜図3に、本発明に係る固体撮像装置の一実施の形態を示す。本実施の形態に係る固体撮像装置60は、図1及び図2に示すように、図3で示す単位セル、すなわち例えばフォトダイオードによる2つの光電変換素子62、62を有し、この光電変換素子62、63に対してリセット用トランジスタ66と増幅用トランジスタ67を共有してなる単位セル61を、複数2次元アレイ状に配列してなる撮像領域72を有して構成される。本例では、見かけ上の1画素としては1つの光電変換素子と、転送用トランジスタ、リセット用トランジスタ及び増幅用トランジスタの3つのMOSトランジスタとにより構成される。撮像領域72の周辺回路には、前述の図8で説明したと同様に、垂直選択手段、列選択手段、CDS回路等が形成され、水平信号線を通して画素信号が読み出される。   1 to 3 show an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention. As shown in FIGS. 1 and 2, the solid-state imaging device 60 according to the present embodiment includes the unit cell shown in FIG. 3, that is, two photoelectric conversion elements 62 and 62, for example, photodiodes, and this photoelectric conversion element. A unit cell 61 that shares a reset transistor 66 and an amplification transistor 67 with respect to 62 and 63 is configured to have an imaging region 72 in which a plurality of unit cells 61 are arranged in a two-dimensional array. In this example, an apparent pixel is composed of one photoelectric conversion element and three MOS transistors, a transfer transistor, a reset transistor, and an amplification transistor. As described with reference to FIG. 8, the peripheral circuit of the imaging region 72 is formed with a vertical selection unit, a column selection unit, a CDS circuit, and the like, and a pixel signal is read out through a horizontal signal line.

図3の単位セル61は、フォトダイオードからなる上側光電変換素子62と下側光電変換素子63と、それぞれの上側光電変換素子62及び下側光電変換素子63に対応した2つの転送用トランジスタ64及び65と、2つの光電変換素子62、63(いわゆる2つの画素)で共有されるリセット用トランジスタ66及び増幅用トランジスタ67とで構成される。前述するように、上側光電変換素子62及び下側光電変換素子63は、それぞれ対応する転送用トランジスタ64、65のソースに接続される。それぞれの転送用トランジスタ64、65のドレインは共有されるリセット用トランジスタ66のソースに接続されると共に、そのリセット用トランジスタ66のソースと転送用トランジスタ64、65のドレインとの接続中点であるフローティング・ディフージョン(FD)が増幅用トランジスタ67のゲートに接続される。リセット用トランジスタ66のドレイン及び増幅用トランジスタ67のドレインは、それぞれ電源供給線71に接続され、増幅用トランジスタ67のソースが画素出力線73に接続される。転送用トランジスタ64、65のゲートはそれぞれ転送信号配線68、69に接続され、リセット用トランジスタ66のゲートはリセット信号配線70に接続される。なお、前述の図11で示したように、容量キック用配線を設け、この容量キック配線とフローティング・ディフージョン(FD)との間に容量を接続するように構成することもできる。   The unit cell 61 in FIG. 3 includes an upper photoelectric conversion element 62 and a lower photoelectric conversion element 63 made of photodiodes, two transfer transistors 64 corresponding to the upper photoelectric conversion element 62 and the lower photoelectric conversion element 63, and 65, and a reset transistor 66 and an amplification transistor 67 shared by two photoelectric conversion elements 62 and 63 (so-called two pixels). As described above, the upper photoelectric conversion element 62 and the lower photoelectric conversion element 63 are connected to the sources of the corresponding transfer transistors 64 and 65, respectively. The drains of the transfer transistors 64 and 65 are connected to the source of the shared reset transistor 66, and the floating point is a connection midpoint between the source of the reset transistor 66 and the drain of the transfer transistors 64 and 65. A diffusion (FD) is connected to the gate of the amplifying transistor 67. The drain of the reset transistor 66 and the drain of the amplification transistor 67 are connected to the power supply line 71, and the source of the amplification transistor 67 is connected to the pixel output line 73. The gates of the transfer transistors 64 and 65 are connected to transfer signal lines 68 and 69, respectively, and the gate of the reset transistor 66 is connected to a reset signal line 70. Note that, as shown in FIG. 11 described above, a capacitor kick wiring may be provided, and a capacitor may be connected between the capacitor kick wiring and the floating diffusion (FD).

図1は、この単位セル61を複数、2次元アレイ状に配列した撮像領域72の撮像面(受光面)を模式的に示したレイアウトである。この撮像面のレイアウトは、前述の図12と同じである。すなわち、単位セル61が後述する半導体ウェル領域76で分離されると共に、単位セル61内で上側光電変換素子62、下側光電変換素子63及び上下側の光電変換素子62と63の間に形成されたトランジスタ領域74が相互に半導体ウェル領域76にて分離される。光電変換素子62、63、トランジスタ領域74は、撮像面の水平方向に関して等間隔に配列される。しかし、単位セル61内の上下側の光電変換素子62、63がトランジスタ領域74を挟んで形成されているため、光電変換素子62、63は撮像面の垂直方向に関して非等間隔で配列される。すなわち、単位セル61内の光電変換素子62、63の配列ピッチP3と、単位セル61間の光電変換素子62、63の配列ピッチP4とが異なる。つまり、配列ピッチP3は配列ピッチP4より大きい(P3>P4)。   FIG. 1 is a layout schematically showing an imaging surface (light receiving surface) of an imaging region 72 in which a plurality of unit cells 61 are arranged in a two-dimensional array. The layout of this imaging surface is the same as that in FIG. That is, the unit cell 61 is separated by a semiconductor well region 76 to be described later, and is formed between the upper photoelectric conversion element 62, the lower photoelectric conversion element 63, and the upper and lower photoelectric conversion elements 62 and 63 in the unit cell 61. Transistor regions 74 are separated from each other by a semiconductor well region 76. The photoelectric conversion elements 62 and 63 and the transistor region 74 are arranged at equal intervals in the horizontal direction of the imaging surface. However, since the upper and lower photoelectric conversion elements 62 and 63 in the unit cell 61 are formed with the transistor region 74 interposed therebetween, the photoelectric conversion elements 62 and 63 are arranged at unequal intervals in the vertical direction of the imaging surface. That is, the arrangement pitch P3 of the photoelectric conversion elements 62 and 63 in the unit cell 61 is different from the arrangement pitch P4 of the photoelectric conversion elements 62 and 63 between the unit cells 61. That is, the arrangement pitch P3 is larger than the arrangement pitch P4 (P3> P4).

そして、本実施の形態においては、特に、図2の断面構造(図1のB−B線上の断面図)で示すように、光電変換素子62及び63間の半導体ウェル領域76〔76A,76B〕の幅W3,W4を、表面の光電変換素子62、63の配列ピッチP3,P4に合わせて異ならして構成する。つまり、半導体ウェル領域76は、後述するように、基板表面側の光電変換素子62、63より深い部分での幅が異なる2種類の半導体ウェル領域76A及び76Bで構成される。   In the present embodiment, the semiconductor well region 76 between the photoelectric conversion elements 62 and 63 [76A, 76B], particularly as shown in the cross-sectional structure of FIG. 2 (cross-sectional view along the line BB in FIG. 1). The widths W3 and W4 are made different according to the arrangement pitches P3 and P4 of the photoelectric conversion elements 62 and 63 on the surface. That is, as will be described later, the semiconductor well region 76 includes two types of semiconductor well regions 76A and 76B having different widths at portions deeper than the photoelectric conversion elements 62 and 63 on the substrate surface side.

図2においては、第1導電型の半導体基板、本例ではn型シリコン半導体基板81の深い位置に、第1の第2導電型例えばp型の半導体ウェル領域82が形成され、半導体基板81の表面側に上側光電変換素子62及び下側光電変換素子63が形成されると共に、単位セル61内の両光電変換素子62及び63間に挟まれたトランジスタ領域74が形成される。また、基板表面から第1のp型半導体ウェル領域82に連続するように、単位セル61間の光電変換素子62、63を分離する第2のp型半導体ウェル領域76Bと、単位セル61内の光電変換素子62、63及びトランジスタ領域74を分離する第2の半導体ウェル領域76Aとが形成される。   In FIG. 2, a first second conductivity type, for example, a p-type semiconductor well region 82 is formed deep in a first conductivity type semiconductor substrate, in this example, an n-type silicon semiconductor substrate 81. An upper photoelectric conversion element 62 and a lower photoelectric conversion element 63 are formed on the surface side, and a transistor region 74 sandwiched between the photoelectric conversion elements 62 and 63 in the unit cell 61 is formed. In addition, a second p-type semiconductor well region 76B that separates the photoelectric conversion elements 62 and 63 between the unit cells 61 so as to be continuous from the substrate surface to the first p-type semiconductor well region 82; The photoelectric conversion elements 62 and 63 and the second semiconductor well region 76A that separates the transistor region 74 are formed.

トランジスタ領域74内には、リセット用トランジスタ66、増幅用トランジスタ67が形成される。光電変換素子62、63は、pn接合及びn型の電荷蓄積領域を有した領域として模式的に示している。この光電変換素子62、63の下部は、n型の電荷蓄積領域から連続して第1のp型半導体ウェル領域82に達するn型の領域62a,63aで形成される。転送トランジスタ64、65は、光電変換素子62、63とトランジスタ領域74に跨がって形成される。   In the transistor region 74, a reset transistor 66 and an amplification transistor 67 are formed. The photoelectric conversion elements 62 and 63 are schematically shown as regions having a pn junction and an n-type charge accumulation region. The lower portions of the photoelectric conversion elements 62 and 63 are formed of n-type regions 62a and 63a that reach the first p-type semiconductor well region 82 continuously from the n-type charge accumulation region. The transfer transistors 64 and 65 are formed across the photoelectric conversion elements 62 and 63 and the transistor region 74.

そして、単位セル61内のトランジスタ領域74に対応した第2のp型半導体ウェル領域76Aの幅、すなわち基板表面側の光電変換素子62、63より深い部分の幅W3は広く、単位セル61間に対応した第2のp型半導体ウェル領域76Bの幅、すなわち基板表面側の光電変換素子62、63より深い部分の幅W4は狭く形成される。つまり、幅W3は幅W4より広く形成される(W3>W4)。換言すると、第2のp型半導体ウェル領域76A、76Bは、撮像面の垂直方向に関して非等間隔で配列される。表面に臨む第2のp型半導体ウェル領域76〔76A,76B〕の幅W5は共に同じに形成される。また、トランジスタ領域74が形成されているため、光電変換素子62、63は、撮像面の垂直方向に関して非等間隔で配列される。各光電変換素子62,63の表面の部分の幅は同じ幅W6で形成され、深い部分のn型領域62a,63aの幅は同じ幅W7で形成される。   The width of the second p-type semiconductor well region 76A corresponding to the transistor region 74 in the unit cell 61, that is, the width W3 of the portion deeper than the photoelectric conversion elements 62 and 63 on the substrate surface side is wide. The width of the corresponding second p-type semiconductor well region 76B, that is, the width W4 of the portion deeper than the photoelectric conversion elements 62 and 63 on the substrate surface side is formed narrow. That is, the width W3 is formed wider than the width W4 (W3> W4). In other words, the second p-type semiconductor well regions 76A and 76B are arranged at unequal intervals in the vertical direction of the imaging surface. The widths W5 of the second p-type semiconductor well regions 76 [76A, 76B] facing the surface are both formed to be the same. In addition, since the transistor region 74 is formed, the photoelectric conversion elements 62 and 63 are arranged at unequal intervals in the vertical direction of the imaging surface. The widths of the surface portions of the photoelectric conversion elements 62 and 63 are formed with the same width W6, and the deep portions of the n-type regions 62a and 63a are formed with the same width W7.

なお、図示しないが、図2の基板上には多層配線、色フィルタ及びオンチップレンズ等が形成される。   Although not shown, multilayer wiring, color filters, on-chip lenses and the like are formed on the substrate of FIG.

本実施の形態に係る固体撮像装置においては、各色フィルタを通過した光が、各光電変換素子62、63の中心に集光される。前述したように、長波長特性を持つ光は光電変換素子62、63の表面部分で吸収されず、シリコン基板の深い部分までエネルギーを有している。そして、図2に示すように、斜め光Lが入射した場合、上側光電変換素子62に入射した光Lは第2のp型半導体ウェル領域76Aに達するが、第2のp型半導体ウェル領域76Aで生成される電荷(本例では電子)は、図13で説明したと同様に、大部分が上側光電変換素子62中に蓄積される。ここで、第2のp型半導体ウェル領域76Aに入射する光Lは第2のp型半導体ウェル領域76Aのn型領域62aに近い位置であり、したがって、ここで光電変換された電子の大部分は光電変換素子62中に蓄積される。従って下側光電変換素子63への混色は少ない。   In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the light that has passed through each color filter is collected at the centers of the photoelectric conversion elements 62 and 63. As described above, light having long wavelength characteristics is not absorbed by the surface portions of the photoelectric conversion elements 62 and 63, and has energy up to a deep portion of the silicon substrate. As shown in FIG. 2, when the oblique light L is incident, the light L incident on the upper photoelectric conversion element 62 reaches the second p-type semiconductor well region 76A, but the second p-type semiconductor well region 76A. As in the case described with reference to FIG. 13, most of the electric charges generated in (1) are accumulated in the upper photoelectric conversion element 62. Here, the light L incident on the second p-type semiconductor well region 76A is at a position close to the n-type region 62a of the second p-type semiconductor well region 76A. Therefore, most of the electrons photoelectrically converted here. Is accumulated in the photoelectric conversion element 62. Accordingly, there is little color mixing in the lower photoelectric conversion element 63.

一方、下側光電変換素子63に入射した光Lは第2のp型半導体ウェル領域76Bに達するが、このp型半導体ウェル領域76B自体が狭い領域であるため、このp型半導体ウェル領域76Bで光電変換される電子の量が減り、上側光電変換素子62へ移動する電子量は少ない。ここで、第2のp型半導体ウェル領域76Bに入射する光Lは、上記上側光電変換素子62に入射される光Lと同じ距離とすると、同図の場合、第2のp型半導体ウェル領域76Bの中央付近となるも、p型半導体ウェル領域76B自体の幅が狭いので、ここで光電変換される電子の量は少なくなる。したがって、上側光電変換素子62へ移動する電子量は少なくなる。第2のp型半導体ウェル領域76B以外の部分(例えばn型領域63a)で光電変換された電子は下側光電変換素子63に蓄積される。結果として、上側光電変換素子62と下側光電変換素子63の混色特性差が抑制され、両光電変換素子62、63の混色特性を揃えることが可能になる。このように隣接する光電変換素子への電荷の漏洩が抑制されるので、感度、飽和、混色、シェーディング等の特性差が抑えられる。   On the other hand, the light L incident on the lower photoelectric conversion element 63 reaches the second p-type semiconductor well region 76B. Since the p-type semiconductor well region 76B itself is a narrow region, the light L enters the second p-type semiconductor well region 76B. The amount of electrons subjected to photoelectric conversion is reduced, and the amount of electrons moving to the upper photoelectric conversion element 62 is small. Here, if the light L incident on the second p-type semiconductor well region 76B has the same distance as the light L incident on the upper photoelectric conversion element 62, in the case of FIG. Even in the vicinity of the center of 76B, since the width of the p-type semiconductor well region 76B itself is narrow, the amount of electrons photoelectrically converted here is reduced. Therefore, the amount of electrons moving to the upper photoelectric conversion element 62 is reduced. Electrons photoelectrically converted in a portion other than the second p-type semiconductor well region 76B (for example, the n-type region 63a) are accumulated in the lower photoelectric conversion element 63. As a result, the color mixing characteristic difference between the upper photoelectric conversion element 62 and the lower photoelectric conversion element 63 is suppressed, and the color mixing characteristics of both the photoelectric conversion elements 62 and 63 can be made uniform. Since leakage of charges to adjacent photoelectric conversion elements is suppressed in this way, characteristic differences such as sensitivity, saturation, color mixing, and shading can be suppressed.

第2のp型半導体ウェル領域76〔76A,76B〕の形成方法について説明する。第1の方法は、n型半導体基板81にイオン注入により第1のp型半導体ウェル領域82を形成した後、レジストマスクを介して、選択的に第2のp型半導体ウェル領域76〔76A,76B〕をイオン注入により形成する。その後、光電変換素子62、63を形成し、また第2のp型半導体ウェル領域76Aにリセット用トランジスタ66、増幅用トランジスタ67を形成する。   A method for forming the second p-type semiconductor well region 76 [76A, 76B] will be described. In the first method, after the first p-type semiconductor well region 82 is formed by ion implantation in the n-type semiconductor substrate 81, the second p-type semiconductor well region 76 [76A, 76B] is formed by ion implantation. Thereafter, photoelectric conversion elements 62 and 63 are formed, and a reset transistor 66 and an amplification transistor 67 are formed in the second p-type semiconductor well region 76A.

第2の方法は、n型半導体基板81にイオン注入により第1のp型半導体ウェル領域82を形成したのち、全面にイオン注入により第2の半導体ウェル領域76を形成する。その後、p型不純物を打ち消すように、レジストマスクを介して、n型の領域62a,63a、光電変換素子62、63、及びトランジスタ領域74を形成する。   In the second method, a first p-type semiconductor well region 82 is formed on an n-type semiconductor substrate 81 by ion implantation, and then a second semiconductor well region 76 is formed on the entire surface by ion implantation. Thereafter, n-type regions 62a and 63a, photoelectric conversion elements 62 and 63, and a transistor region 74 are formed through a resist mask so as to cancel the p-type impurities.

上例では、単位セルを上下側の2つの光電変換素子を有するように構成したが、その他、3つ以上の光電変換素子と共有トランジスタとを有した単位セルを適用することもできる。例えば、図4〜図6に、4つの光電変換素子でトランジスタを共有した単位セルを2次元アレイ状に配列した固体撮像装置に適用した実施の形態を示す。   In the above example, the unit cell is configured to have two photoelectric conversion elements on the upper and lower sides. However, a unit cell having three or more photoelectric conversion elements and a shared transistor can also be applied. For example, FIGS. 4 to 6 show an embodiment in which the present invention is applied to a solid-state imaging device in which unit cells sharing transistors with four photoelectric conversion elements are arranged in a two-dimensional array.

図6に、単位セルを示す。この単位セル84は、例えばフォトダイオードからなる4つの光電変換素子85、86、87、88と、4つの転送用トランジスタ89、90、91、92と、いわゆる4つの画素で共有されるリセット用トランジスタ93及び増幅トランジスタ94とで構成される。4つの光電変換素子85〜88は、それぞれ対応する転送用トランジスタ89〜92のソースに接続される。それぞれの転送トランジスタ89〜92のドレインは共有されるリセット用トランジスタ93のソースに接続されると共に、そのリセット用トランジスタ93のソースと転送用トランジスタ85〜88のドレインとの接続中点であるフローティング・ディフージョン(FD)が増幅用トランジスタ94のゲートに接続される。リセット用トランジスタ93のドレイン及び増幅用トランジスタ94のドレインは、それぞれ電源供給線95に接続され、増幅用トランジスタ94のソースが画素出力線96に接続される。各転送用トランジスタ85〜88のゲートはそれぞれの転送信号配線101〜104に接続され、リセット用トランジスタ93のゲートはリセット信号配線105に接続される。   FIG. 6 shows a unit cell. The unit cell 84 includes, for example, four photoelectric conversion elements 85, 86, 87, 88 made of photodiodes, four transfer transistors 89, 90, 91, 92, and a reset transistor shared by so-called four pixels. 93 and an amplifying transistor 94. The four photoelectric conversion elements 85 to 88 are connected to the sources of the corresponding transfer transistors 89 to 92, respectively. The drains of the transfer transistors 89 to 92 are connected to the source of the shared reset transistor 93, and are floating floating points that are connection midpoints between the source of the reset transistor 93 and the drains of the transfer transistors 85 to 88. A diffusion (FD) is connected to the gate of the amplifying transistor 94. The drain of the reset transistor 93 and the drain of the amplification transistor 94 are connected to the power supply line 95, respectively, and the source of the amplification transistor 94 is connected to the pixel output line 96. The gates of the transfer transistors 85 to 88 are connected to the transfer signal lines 101 to 104, and the gate of the reset transistor 93 is connected to the reset signal line 105.

本実施の形態の固体撮像装置83は、この単位セル84を複数、2次元アレイ状に配列して構成される。図4は、単位セル84を2次元アレイ状に配列した撮像領域106の撮像面(受光面)を模式的に示す。この撮像面のレイアウトは、トランジスタ領域107と、このトランジスタ領域107を挟んで配置された2つの上側光電変換素子85、86及び2つの下側光電変換素子87、88とからなる単位セル84が2次元アレイ状に配列される。各単位セル84間、単位セル84内のトランジスタ領域107及び4つの光電変換素子85〜88間が半導体ウェル領域76で分離される。共有されるリセット用トランジスタ93、増幅用トランジスタ94はトランジスタ領域107に形成され、それぞれの転送用トランジスタ89〜92はそれぞれ対応する光電変換素子85〜88からトランジスタ領域107に跨がって形成される。単位セル84内の光電変換素子85〜88の配列ピッチはP5,単位セル84間の光電変換素子85〜88の配列ピッチはP6であり、P5>P6である。   The solid-state imaging device 83 of the present embodiment is configured by arranging a plurality of unit cells 84 in a two-dimensional array. FIG. 4 schematically shows an imaging surface (light receiving surface) of the imaging region 106 in which the unit cells 84 are arranged in a two-dimensional array. The layout of the imaging surface is that two unit cells 84 each including a transistor region 107 and two upper photoelectric conversion elements 85 and 86 and two lower photoelectric conversion elements 87 and 88 arranged with the transistor region 107 interposed therebetween. Arranged in a dimensional array. The semiconductor well region 76 separates the unit cells 84, the transistor region 107 in the unit cell 84, and the four photoelectric conversion elements 85 to 88. The shared reset transistor 93 and amplifying transistor 94 are formed in the transistor region 107, and the transfer transistors 89 to 92 are respectively formed from the corresponding photoelectric conversion elements 85 to 88 across the transistor region 107. . The arrangement pitch of the photoelectric conversion elements 85 to 88 in the unit cell 84 is P5, and the arrangement pitch of the photoelectric conversion elements 85 to 88 between the unit cells 84 is P6, and P5> P6.

図5に、図4のCーC線上の断面構造を示す。図5は、前述の図2で説明した構成と基本的に同じであるので、図2及び図4に対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。単位セル84内のトランジスタ領域107に対応した第2のp型半導体ウェル領域76Aの幅、すなわち基板表面側の光電変換素子の領域より深い部分の幅W8は広く、単位セル84間に対応した第2のp型半導体ウェル領域76Bの幅、すなわち基板表面側の光電変換素子の領域より深い部分の幅W9は狭く形成される。従って、幅W7は幅W9より広く形成される(W8>W9)。換言すると、第2のp型半導体ウェル領域76A,76Bは、撮像面の垂直方向に関して非等間隔で配列される。表面に臨む第2のp型半導体ウェル領域76〔76A,76B〕に幅は共に同じ幅W10に形成される。また、トランジスタ領域107が形成されているため、光電変換素子85〜88は、撮像面の垂直方向に関して非等間隔で配列される。各光電変換素子85〜88の表面の部分の幅は同じ幅W11で形成され、深い部分のn型領域85a〜88aの幅は同じ幅W12で形成される。   FIG. 5 shows a cross-sectional structure taken along the line CC in FIG. 5 is basically the same as the configuration described with reference to FIG. 2 described above, the same reference numerals are given to portions corresponding to FIGS. The width of the second p-type semiconductor well region 76A corresponding to the transistor region 107 in the unit cell 84, that is, the width W8 of the portion deeper than the region of the photoelectric conversion element on the substrate surface side is wide. The width of the second p-type semiconductor well region 76B, that is, the width W9 of the portion deeper than the region of the photoelectric conversion element on the substrate surface side is formed narrow. Accordingly, the width W7 is formed wider than the width W9 (W8> W9). In other words, the second p-type semiconductor well regions 76A and 76B are arranged at unequal intervals in the vertical direction of the imaging surface. The second p-type semiconductor well region 76 [76A, 76B] facing the surface is formed to have the same width W10. In addition, since the transistor region 107 is formed, the photoelectric conversion elements 85 to 88 are arranged at unequal intervals in the vertical direction of the imaging surface. The widths of the surface portions of the photoelectric conversion elements 85 to 88 are formed with the same width W11, and the widths of the deep n-type regions 85a to 88a are formed with the same width W12.

本実施の形態の固体撮像装置83においても、前述の実施の形態で説明したと同様に、上側光電変換素子85、86と下側光電変換素子87、88の混色特性を揃えることができる。このように隣接する光電変換素子への電荷の漏洩が抑制されるので、感度、飽和、混色、シェーディング等の特性差が抑えられる。   Also in the solid-state imaging device 83 of the present embodiment, the color mixing characteristics of the upper photoelectric conversion elements 85 and 86 and the lower photoelectric conversion elements 87 and 88 can be made uniform as described in the previous embodiment. Since leakage of charges to adjacent photoelectric conversion elements is suppressed in this way, characteristic differences such as sensitivity, saturation, color mixing, and shading can be suppressed.

上述したように、本実施の形態に係る固体撮像装置、すなわちCMOSイメージセンサによれば、複数の光電変換素子と共有される電荷読み出し手段となるリセット用トランジスタ及び増幅用トランジスタで単位セルを構成するので、画素サイズの縮小が可能になる。そして、撮像領域の全体において、光電変換素子を分離する半導体ウェル領域を、幅の異なる2種類とし且つ表面側の光電変換素子と同じように非等間隔に形成することにより、半導体ウェル領域で光電変換された電子が隣の光電変換素子へ流れ込んで混色になる量を抑制することができる。これにより、隣合う画素間での混色特性を揃えることが可能になる。このように隣接する光電変換素子への電荷の漏洩が抑制されるので、感度、飽和、混色、シェーディング等の特性差が抑えられる。これにより、高画質化を図ることができる。   As described above, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, that is, the CMOS image sensor, the unit cell is configured by the resetting transistor and the amplifying transistor serving as charge reading means shared with the plurality of photoelectric conversion elements. Therefore, the pixel size can be reduced. Then, in the entire imaging region, two types of semiconductor well regions separating the photoelectric conversion elements are formed at non-equal intervals in the same manner as the photoelectric conversion elements on the surface side, so that the photoelectric conversion elements are separated in the semiconductor well region. The amount of converted electrons that flow into the adjacent photoelectric conversion element and become mixed colors can be suppressed. This makes it possible to align color mixing characteristics between adjacent pixels. Since leakage of charges to adjacent photoelectric conversion elements is suppressed in this way, characteristic differences such as sensitivity, saturation, color mixing, and shading can be suppressed. As a result, high image quality can be achieved.

また、画面端で入射角がきつい部分で予想される色付きや、線状欠陥である横筋等の画像の劣化を抑制することができる。   In addition, it is possible to suppress deterioration of an image such as coloring expected at a portion where the incident angle is tight at the edge of the screen and horizontal stripes that are linear defects.

上例では、複数の光電変換素子を有する単位セルとして、その見かけの1画素を3トランジスタ構造に適用したが、その他の複数トランジスタ構造、例えば4トランジスタ構造等に適用することもできる。   In the above example, the apparent one pixel is applied to a three-transistor structure as a unit cell having a plurality of photoelectric conversion elements, but it can also be applied to other multiple-transistor structures, such as a four-transistor structure.

上例では、幅の異なる2種類の第2のp型半導体ウェル領域を形成したが、単位セルの構成、レイアウトに応じて、幅の異なる3種類以上の第2のp型半導体ウェル領域を形成する場合もあり得る。   In the above example, two types of second p-type semiconductor well regions having different widths are formed. However, three or more types of second p-type semiconductor well regions having different widths are formed according to the configuration and layout of the unit cell. It is possible that

本実施の形態の固体撮像装置は、電子機器モジュール、カメラモジュールに適用することができる。図7に、電子機器モジュール、カメラモジュールの実施の形態の概略構成を示す。図7のモジュール構成は、電子機器モジュール、カメラモジュールの双方に適用可能である。このモジュール110は、上述の実施の形態のいずれかの固体撮像装置、例えばCMOSイメージセンサ60、83光学レンズ111、入出力部112、信号処理装置(Digital Signal Processors)113、光学レンズ系制御用の中央演算装置(CPU)114を1つに組み込んでモジュールを形成する。また、電子機器モジュール、あるいはカメラモジュール115としては、CMOSイメージセンサ60、83、光学レンズ系111及び入出力部112のみでモジュールを形成することもできる。また、CMOSイメージセンサ60、83、光学レンズ系111、入出力部112及び信号処理装置113を備えたモジュールを構成することもできる。   The solid-state imaging device of this embodiment can be applied to an electronic device module and a camera module. FIG. 7 shows a schematic configuration of an embodiment of the electronic device module and the camera module. The module configuration in FIG. 7 is applicable to both an electronic device module and a camera module. The module 110 includes a solid-state imaging device according to any of the above-described embodiments, for example, the CMOS image sensor 60, 83 optical lens 111, input / output unit 112, signal processing device (Digital Signal Processors) 113, and optical lens system control. A central processing unit (CPU) 114 is incorporated into one to form a module. In addition, as the electronic device module or the camera module 115, a module can be formed only by the CMOS image sensors 60 and 83, the optical lens system 111 and the input / output unit 112. A module including the CMOS image sensors 60 and 83, the optical lens system 111, the input / output unit 112, and the signal processing device 113 can also be configured.

この電子機器モジュール、カメラモジュールによれば、CMOSイメージセンサにおける画素間での混色特性差を抑えることができ、感度、飽和、混色、シェーディング等の特性差が抑えられる。これにより、高画質化を図ることができる。   According to the electronic device module and the camera module, a color mixing characteristic difference between pixels in the CMOS image sensor can be suppressed, and a characteristic difference such as sensitivity, saturation, color mixing, and shading can be suppressed. As a result, high image quality can be achieved.

本発明に係る固体撮像装置の一実施の形態を示す模式的な撮像面レイアウト図である。1 is a schematic imaging surface layout diagram showing an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention. 図1のB−B線上の断面図である。It is sectional drawing on the BB line of FIG. 本発明の一実施の形態に係る固体撮像装置の単位セルの等価回路図である。1 is an equivalent circuit diagram of a unit cell of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. 本発明に係る固体撮像装置の他の実施の形態を示す模式的な撮像面レイアウト図である。It is a typical image pick-up surface layout figure showing other embodiments of a solid-state image sensing device concerning the present invention. 図4のC−C線上の断面図である。It is sectional drawing on the CC line of FIG. 本発明の他の実施の形態に係る固体撮像装置の単位セルの等価回路図である。It is an equivalent circuit schematic of the unit cell of the solid-state imaging device concerning other embodiments of the present invention. 本発明に係る固体撮像装置を用いたモジュールの例を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the example of the module using the solid-state imaging device which concerns on this invention. 一般のCMOSイメージセンサの回路図である。It is a circuit diagram of a general CMOS image sensor. 図8のCMOSイメージセンサの制御信号の波形図である。It is a wave form diagram of the control signal of the CMOS image sensor of FIG. 従来のCMOSイメージセンサの単位画素の例を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows the example of the unit pixel of the conventional CMOS image sensor. 従来のCMOSイメージセンサの単位セルの例を示す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram which shows the example of the unit cell of the conventional CMOS image sensor. 図11の単位セルを配列したCMOSイメージセンサの模式的な撮像面レイアウト図である。FIG. 12 is a schematic imaging surface layout diagram of a CMOS image sensor in which the unit cells of FIG. 11 are arranged. 図12のA−A線上の断面図である。It is sectional drawing on the AA line of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

60・・固体撮像装置、61・・単位セル、62、63・・光電変換素子、64、65・・転送用トランジスタ、66・・リセット用トランジスタ、67・・増幅用トランジスタ、68、69・・転送信号配線、70・・リセット信号配線、71・・電源供給線、72・・撮像領域、73・・画素出力線、76〔76A,76B〕・・第2の半導体ウェル領域、81・・半導体基板、82・・第1の半導体ウェル領域
60..Solid-state imaging device, 61..Unit cell, 62, 63..Photoelectric conversion element, 64, 65..Transistor for transfer, 66..Transistor for reset, 67..Transistor for amplification, 68, 69 .. Transfer signal wiring, 70... Reset signal wiring, 71... Power supply line, 72 .. Imaging region, 73 .. Pixel output line, 76 [76A, 76B] .. Second semiconductor well region, 81. Substrate, 82... First semiconductor well region

Claims (8)

2次元アレイ状に配列された光電変換素子と、
複数のトランジスタが配置された領域であって、前記光電変換素子のうちの一方向に配列された2つの光電変換素子に挟まれて配置され、当該2つの光電変換素子とともに単位セルを構成するトランジスタ領域と、
前記トランジスタ領域および前記光電変換素子を分離する領域であって、当該トランジスタ領域および当該光電変換素子よりも深くまで配置されると共に、前記光電変換素子の下部において当該光電変換素子を構成する第1導電型の電荷蓄積領域から連続して配置された第1導電型の領域間に設けられ、当該トランジスタ領域を分離する部分の前記一方向の幅が、前記単位セル間の光電変換素子を分離する部分の当該一方向の幅よりも大きく設定された第2導電型の半導体ウェル領域とを備えた
固体撮像装置。
Photoelectric conversion elements arranged in a two-dimensional array;
A region in which a plurality of transistors are arranged, and is arranged between two photoelectric conversion elements arranged in one direction among the photoelectric conversion elements, and constitutes a unit cell together with the two photoelectric conversion elements Area,
A region that separates the transistor region and the photoelectric conversion element, and is disposed deeper than the transistor region and the photoelectric conversion element, and forms a first conductive element that forms the photoelectric conversion element below the photoelectric conversion element. A portion that is provided between regions of the first conductivity type that are continuously arranged from the charge storage region of the type, and that the width in one direction of the portion that separates the transistor region separates the photoelectric conversion elements between the unit cells A solid-state imaging device comprising: a second conductivity type semiconductor well region set larger than the width in the one direction.
前記半導体ウェル領域は、同一工程で形成され同一深さを有する
請求項1記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the semiconductor well region is formed in the same process and has the same depth.
前記トランジスタ領域には、リセット用トランジスタおよび増幅用トランジスタが配置されている
請求項1または2記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a reset transistor and an amplifying transistor are arranged in the transistor region.
前記半導体ウェル領域間の間隔は、前記一方向において同じ幅である
請求項1〜3の何れかに記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein an interval between the semiconductor well regions has the same width in the one direction.
前記光電変換素子は、前記一方向において同じ幅である
請求項1〜4の何れかに記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion elements have the same width in the one direction.
前記単位セル内に、前記光電変換素子の信号電荷を読み出す手段が設けられ、
前記単位セル内において、前記信号電荷を読み出す手段が複数の光電変換素子で共有されている
請求項1〜5の何れかに記載の固体撮像装置。
In the unit cell, means for reading the signal charge of the photoelectric conversion element is provided,
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5, wherein means for reading out the signal charge is shared by a plurality of photoelectric conversion elements in the unit cell.
前記トランジスタ領域は、前記光電変換素子のうち前記一方向に垂直な他方向に配列された複数の光電変換素子間にわたって延設されると共に、当該トランジスタ領域を挟んで配置された複数の前記光電変換素子で共有されるトランジスタが設けられ
前記単位セルは、前記トランジスタ領域と、当該トランジスタ領域を挟んで配置された複数の光電変換素子とで構成されている
請求項1〜6の何れかに記載の固体撮像装置。
Said transistor region, the one direction is extended across between a plurality of photoelectric conversion elements arranged in a vertical other direction Rutotomoni, a plurality of the photoelectric conversion disposed across the transistor region of the photoelectric conversion element Transistors shared by the elements are provided ,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the unit cell includes the transistor region and a plurality of photoelectric conversion elements arranged with the transistor region interposed therebetween.
前記光電変換素子が設けられた基板上には各色フィルタが設けられた
請求項1〜7の何れかに記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein each color filter is provided on a substrate on which the photoelectric conversion element is provided.
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