JP2010153603A - Solid state imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】スミアを抑えつつも、感度を向上させた固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置は、フォトダイオード(PD)12、VCCD13、素子分離領域15、遮光膜41、開口18を備える。PD12は、半導体基板の表面にハニカム配列で複数形成される。VCCD13は、DP12の列に沿って2列おきに設けられ、左右2列のPD12で蓄積された電荷を転送する。素子分離領域15は、PD12の列に沿って2列おきに、VCCD13を介さずに隣接するPD12の列の間に設けられ、隣接するPD12を各々に分離し、PD12間での電荷の移動を防ぐ。遮光膜41は、VCCD13への光の入射を妨げる。開口18は、各々のPD12が露呈されるように遮光膜41に設けられ、VCCD13との間隔が所定値P以上になっているとともに、素子分離領域を介した最短の間隔Qが、VCCD13を介した最短の間隔Rよりも小さい。
【選択図】図3Provided is a solid-state imaging device with improved sensitivity while suppressing smear.
A solid-state imaging device includes a photodiode (PD) 12, a VCCD 13, an element isolation region 15, a light shielding film 41, and an opening 18. A plurality of PDs 12 are formed in a honeycomb arrangement on the surface of the semiconductor substrate. The VCCD 13 is provided in every two rows along the DP 12 row, and transfers the charges accumulated in the left and right two rows of PDs 12. The element isolation region 15 is provided between the adjacent PD12 rows without passing through the VCCD 13 every two rows along the PD12 row, and separates the adjacent PD12 into each of them, thereby transferring charges between the PD12. prevent. The light shielding film 41 prevents light from entering the VCCD 13. The opening 18 is provided in the light shielding film 41 so that each PD 12 is exposed, and the distance from the VCCD 13 is equal to or greater than a predetermined value P, and the shortest distance Q via the element isolation region passes through the VCCD 13. Smaller than the shortest interval R.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、フォトダイオードで蓄積される電荷の転送路にCCDを用いた固体撮像装置に関し、さらに詳しくは、隣接する2列のフォトダイオードの間に1つのVCCDが設けられ、VCCDを挟んで隣接する2列のフォトダイオードが蓄積電荷の転送に、間に設けられたVCCDを共用する固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device using a CCD in a transfer path of charges accumulated in a photodiode, and more specifically, one VCCD is provided between two adjacent photodiodes, and adjacent to each other with the VCCD interposed therebetween. The present invention relates to a solid-state imaging device in which two rows of photodiodes share a VCCD provided therebetween for transfer of accumulated charges.
半導体基板上に形成されたフォトダイオードで被写体からの光を光電変換することにより、被写体の画像を撮像するイメージセンサ(固体撮像装置)が普及している。イメージセンサとしては、フォトダイオードで蓄積した電荷からの信号取得方式に応じて、CCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサが知られている。 An image sensor (solid-state imaging device) that captures an image of a subject by photoelectrically converting light from the subject with a photodiode formed on a semiconductor substrate has become widespread. As an image sensor, a CCD type image sensor or a CMOS type image sensor is known in accordance with a method for acquiring a signal from charges accumulated in a photodiode.
CCD型イメージセンサは、CCDによって信号電荷そのものを直接的にフォトダイオードから転送し、画像信号を取得する。こうしたCCD型イメージセンサは、構造や転送方式の違いによりさらに数種類に分類されるが、例えば、フォトダイオードの列と、各フォトダイオードから信号電荷を読み出して転送する電荷転送路(いわゆるVCCD)とが交互に配置されたインターライン転送方式のCCD型イメージセンサが知られている。 The CCD type image sensor directly transfers a signal charge itself from a photodiode by a CCD and acquires an image signal. Such CCD image sensors are further classified into several types depending on the structure and transfer method. For example, there are photodiode columns and charge transfer paths (so-called VCCDs) that read and transfer signal charges from each photodiode. An interline transfer type CCD image sensor arranged alternately is known.
このインターライン転送方式のCCD型イメージセンサでは、フォトダイオードの配列された受光面の下方に、VCCDによって転送された信号電荷を、VCCDに垂直な方向に転送する電荷転送路(いわゆるHCCD)がVCCDに連結して設けられている。また、HCCDは、フレームレートを向上させるために、数十MHz程度の高周波でパルス駆動される。このため、インターライン転送方式のCCD型イメージセンサでは、HCCDの駆動による消費電力が極めて大きい。 In this interline transfer type CCD image sensor, a charge transfer path (so-called HCCD) for transferring a signal charge transferred by the VCCD in a direction perpendicular to the VCCD is below the light receiving surface on which the photodiodes are arranged. It is provided in connection with. The HCCD is pulse-driven at a high frequency of about several tens of MHz in order to improve the frame rate. For this reason, in an interline transfer type CCD image sensor, power consumption by driving the HCCD is extremely large.
一定のフレームレートで信号を読み出すときに、HCCDの駆動パルスの周波数はHCCDに連結されたVCCDの数量に応じて定まる。このため、通常、フォトダイオードの列毎に設けられていたVCCDを間引き、2列のフォトダイオードで1つのVCCDを共用する構造とすることにより、HCCDに連結されるVCCDの数を減らし、HCCDにおける電力消費を低減させたイメージセンサが知られている(特許文献1,2)。 When a signal is read out at a constant frame rate, the frequency of the HCCD drive pulse is determined according to the number of VCCDs connected to the HCCD. For this reason, the number of VCCDs connected to the HCCD is reduced by thinning out the VCCDs usually provided for each column of photodiodes so that two rows of photodiodes share one VCCD. Image sensors with reduced power consumption are known (Patent Documents 1 and 2).
また、近年では、従来のイメージセンサの欠点を補う特殊な構造,撮像様態のイメージセンサが知られている。例えば、感度の異なる2種類の画素を設け、高感度画素を用いた高感度撮影と低感度画素を用いた低感度撮影を略同時に行うイメージセンサが知られている。ここで取得される高感度撮影画像と低感度撮影画像は合成され、イメージセンサの特性よりもダイナミックレンジが拡大された画像が取得される。このイメージセンサでは、高感度撮影と低感度撮影を略同時に行わなければならないため、HCCDをさらに高周波のパルスで駆動する必要があり、HCCDにおける電力消費の増大が著しい。こうしたことから、同じ列に含まれるフォトダイオードであっても信号電荷が左右2つのVCCDに交互に読み出されるようにするとともに、カラーフィルタの配列を併せて工夫することで、感度の異なる画素が配列されている場合にも、これらを効率良く利用することができるようにしたイメージセンサが知られている(特許文献3)。
近年では、より高画質の画像を得るために、イメージセンサにはさらなる高画素化が求められている。上述のように、2種類の画素を有し、1回の撮影に全てのフォトダイオードを同時に使用しないで撮影することがあるイメージセンサでは、特に高画素化が強く求められている。こうした要望に応え、一定サイズのイメージセンサを高画素化するには、当然に、個々のフォトダイオードのサイズが微細化されるが、フォトダイオードのサイズの微細化によって新たな問題が生じる。 In recent years, in order to obtain higher quality images, image sensors are required to have higher pixels. As described above, an image sensor that has two types of pixels and sometimes shoots without using all of the photodiodes at the same time is strongly demanded to increase the number of pixels. In order to meet such demands and to increase the number of pixels of an image sensor of a certain size, naturally, the size of each photodiode is reduced, but a new problem arises due to the reduction in the size of the photodiode.
CCD型イメージセンサでは、VCCD等の電荷転送路に光が入射するとスミアが生じるので、VCCDを含め不要な部分に光が入射しないように遮光膜が設けられ、また、遮光膜にはフォトダイオードを所定のサイズで露呈させる開口が設けられている。このため、イメージセンサを高画素化する際には、フォトダイオードの微細化に応じて、開口のサイズもまた微細化される。しかし、フォトダイオードの微細化と同時に開口のサイズをも微細化すると、単位時間当たりのフォトダイオードへの入射光量が減少することになり、感度が悪化してしまうという問題がある。特に、開口のサイズが可視光の波長程度(数百nm〜1μm程度)になると、フォトダイオードへの入射光量の減少は著しく、感度が極めて悪化してしまう。 In a CCD image sensor, smear occurs when light enters a charge transfer path such as a VCCD. Therefore, a light shielding film is provided so that light does not enter unnecessary portions including the VCCD, and a photodiode is provided on the light shielding film. An opening for exposing at a predetermined size is provided. For this reason, when the image sensor is increased in pixel size, the size of the opening is also reduced in accordance with the miniaturization of the photodiode. However, if the size of the aperture is also miniaturized simultaneously with the miniaturization of the photodiode, there is a problem that the amount of light incident on the photodiode per unit time is reduced and the sensitivity is deteriorated. In particular, when the size of the aperture is about the wavelength of visible light (about several hundred nm to 1 μm), the amount of light incident on the photodiode is remarkably reduced, and the sensitivity is extremely deteriorated.
また、フォトダイオードを微細化しつつも、感度を一定以上に保とうとすると、開口のサイズを従来の比率よりも拡大する必要がある。しかし、開口のサイズを拡大すると、開口のエッジからVCCDまでの距離が小さくなるために、開口からVCCDへ光が漏れ通り易くなり、スミアが生じ易くなってしまうという問題がある。 Further, in order to keep the sensitivity at a certain level or more while miniaturizing the photodiode, it is necessary to enlarge the size of the opening from the conventional ratio. However, when the size of the opening is enlarged, the distance from the edge of the opening to the VCCD becomes small, so that there is a problem that light easily leaks from the opening to the VCCD and smear is likely to occur.
上述のような、感度とスミア特性とのトレードオフは、特許文献3等のインターライン転送方式のCCD型イメージセンサだけでなく、特許文献1及び2に記載されたイメージセンサの場合にも同様であり、改善が望まれている。 The trade-off between sensitivity and smear characteristics as described above is the same for the image sensors described in Patent Documents 1 and 2 as well as the interline transfer type CCD image sensor disclosed in Patent Document 3 and the like. There is a need for improvement.
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、高画素化するときに、スミアの発生を抑えつつも、感度を向上させた固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device with improved sensitivity while suppressing occurrence of smear when the number of pixels is increased.
本発明の固体撮像装置は、半導体基板の表面に所定の配列で形成された複数の光電変換素子と、前記光電変換素子の列に沿って2列おきに設けられ、左右2列の前記光電変換素子で蓄積された電荷を転送する電荷転送路と、前記光電変換素子の列に沿って2列おきに、前記電荷転送路を介さずに隣接する前記光電変換素子の列の間に前記電荷転送路以下の幅で設けられ、隣接する前記光電変換素子を各々に分離し、前記光電変換素子間での電荷の移動を防ぐ素子分離領域と、前記半導体基板上に設けられ、前記電荷転送路への光の入射を妨げる遮光膜と、各々の前記光電変換素子が露呈されるように前記遮光膜に設けられ、前記電荷転送路との間隔が所定値以上となっているとともに、前記素子分離領域を介した最短の間隔が、前記電荷転送路を介した最短の間隔よりも小さく設けられた開口と、を備えることを特徴とする。 The solid-state imaging device of the present invention is provided with a plurality of photoelectric conversion elements formed in a predetermined arrangement on the surface of a semiconductor substrate and every two columns along the photoelectric conversion element column, and the photoelectric conversions in two columns on the left and right The charge transfer path for transferring the charge accumulated in the element, and the charge transfer between the adjacent photoelectric conversion element columns without passing through the charge transfer path every two columns along the photoelectric conversion element column An element isolation region provided on the semiconductor substrate and separated to each of the adjacent photoelectric conversion elements to prevent the movement of charges between the photoelectric conversion elements; and to the charge transfer path A light-shielding film that prevents the light from entering, and the light-shielding film so that each of the photoelectric conversion elements is exposed, and the distance between the charge transfer path is a predetermined value or more and the element isolation region The shortest interval through the charge transfer Characterized in that it and a aperture provided smaller than the shortest distance through.
また、前記開口は、前記素子分離領域を介して隣接する複数の前記光電変換素子を露呈させることを特徴とする。 The opening may expose a plurality of the photoelectric conversion elements adjacent to each other through the element isolation region.
また、前記開口は、前記素子分離領域を介して隣接する2つの前記光電変換素子が露呈されるように設けられていることを特徴とする。 Further, the opening is provided so that two adjacent photoelectric conversion elements are exposed through the element isolation region.
また、前記開口は、前記電荷転送路間の2列の前記光電変換素子を露呈させるように設けられ、前記遮光膜は、前記電荷転送路を覆う帯状に設けられることを特徴とする。 Further, the openings are provided so as to expose the two rows of the photoelectric conversion elements between the charge transfer paths, and the light shielding film is provided in a belt shape covering the charge transfer paths.
また、各々の前記光電変換素子に入射する光の色を定めるカラーフィルタが、隣接する2個の前記光電変換素子が同色となる配列で設けられていることを特徴とする。 Further, a color filter for determining a color of light incident on each of the photoelectric conversion elements is provided in an arrangement in which two adjacent photoelectric conversion elements have the same color.
また、隣接する2個の前記光電変換素子に対応した同色のカラーフィルタを1単位のカラーフィルタとするときに、前記カラーフィルタがベイヤー配列となっていることを特徴とする。 In addition, when color filters of the same color corresponding to two adjacent photoelectric conversion elements are used as one unit of color filter, the color filters are arranged in a Bayer array.
また、前記カラーフィルタは、前記素子分離領域を介して隣接する2つの前記光電変換素子について同色となるよう配列されていることを特徴とする。 In addition, the color filters are arranged so as to have the same color for two adjacent photoelectric conversion elements via the element isolation region.
また、前記カラーフィルタは、前記電荷転送路を介して隣接する2つの前記光電変換素子について同色となるように配列されていることを特徴とする。 In addition, the color filters are arranged so as to have the same color for two photoelectric conversion elements adjacent to each other through the charge transfer path.
また、前記光電変換素子の配列は、同列内の前記光電変換素子が一定のピッチで配置されるとともに、前記光電変換素子の位置が隣接する列の前記光電変換素子に対して前記ピッチの1/2ずつずらされて配列されたハニカム配列であることを特徴とする。 Further, the photoelectric conversion elements are arranged in such a manner that the photoelectric conversion elements in the same row are arranged at a constant pitch, and the positions of the photoelectric conversion devices are 1 / of the pitch with respect to the photoelectric conversion devices in adjacent rows. The honeycomb arrangement is arranged by being shifted by two.
また、前記光電変換素子の配列が正方格子状の配列であることを特徴とする。 In addition, the arrangement of the photoelectric conversion elements is a square lattice arrangement.
本発明によれば、高画素化するときに、スミアを抑えつつも、感度を向上させた固体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 solid-state imaging device with improved sensitivity while suppressing smearing when the number of pixels is increased.
[第1実施形態]
図1に示すように、イメージセンサ11(固体撮像装置)は、フォトダイオードで蓄積した信号電荷を直接的にバケツリレー式に転送して画像信号を取得するCCD型のイメージセンサであり、フォトダイオード(PD)12、VCCD13、素子分離領域15、HCCD16、フローティングディフュージョンアンプ(FDA)17、遮光膜(図2参照)、開口18等から構成される。
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, an image sensor 11 (solid-state imaging device) is a CCD type image sensor that directly transfers a signal charge accumulated in a photodiode to a bucket relay type to obtain an image signal. (PD) 12, VCCD 13,
PD12は、入射した光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換素子であり、半導体基板上に形成される。PD12は、垂直方向(図1の縦方向)に一定のピッチで一列に複数形成されるとともに、水平方向(図1の横方向)に複数列形成される。このとき、PD12は、隣接するPD列の各PD12に対して、垂直方向の配列ピッチの1/2だけ中心位置がずらされている。このため、PD12は、正方格子を45度回転させたハニカム配列となっている。また、後述するように、PD12は、蛇行して設けられたVCCD13と素子分離領域15との間に形成される領域に形成される。また、PD12への光の入射は、遮光膜に設けられた開口18に制限される。
The
また、各々のPD12上には、赤色(R),緑色(G),青色(B)のうち何れかの色のカラーフィルタが積層されている。このため、各PD12は、積層されたカラーフィルタの色に応じて、カラーフィルタを透過する色の光を選択的に光電変換し、これに基づく信号電荷を蓄積する。イメージセンサ11においては、カラーフィルタの色の配分がR:G:B=1:2:1となっており、いわゆるベイヤー配列のカラーフィルタを、PD12のハニカム配列に合わせて45度回転させたものとなっている。
Further, a color filter of any one of red (R), green (G), and blue (B) is laminated on each
VCCD13は、PD12で蓄積された信号電荷を垂直方向に転送する電荷転送路であり、半導体基板上に形成される。VCCD13は、垂直方向にPD12の列に沿って複数設けられているとともに、PD12の外周に沿って一定のピッチで水平方向に蛇行して設けられている。VCCD13は読み出しゲート14を介してPD12と接続されており、VCCD13には読み出しゲート14を介してPD12で蓄積された信号電荷が読み出される。そして、VCCD13は、図示しない4相の転送電極により制御され、各PD12から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する。また、各VCCD13の末端はHCCD16に接続されており、VCCD13によって垂直方向に転送された信号電荷は、HCCD16に転送される。
The
また、VCCD13は、PD12の列に対して2列おきに設けられている。このため、PD12の列とVCCD13だけを見れば、イメージセンサ11の表面には、VCCD13が2列のPD12を間に挟み、水平方向に(PD12の列,VCCD13,PD12の列),(PD12の列,VCCD13,PD12の列),・・・の順に並ぶように、PD12及びVCCD13が配列されている。このため、各VCCD13は左右2列のPD12に共用され、各VCCD13には対応する左右のPD12で蓄積された信号電荷が左右交互に読み出される。
Further, the
素子分離領域15は、各々のPD12を分離し、隣接するPD12の間で信号電荷の移動が起こらないようにするために設けられたチャネルストップであり、半導体基板上に形成される。素子分離領域15は、VCCD13が設けられていないPD12の列と列の間に垂直方向に設けられている。このため、素子分離領域15は、PD12の列に対して2列おきに設けられている。また、イメージセンサ11では、素子分離領域15の幅はVCCD13と略同じ幅に設けられている。
The
また、素子分離領域15は、PD12の外周に沿って一定のピッチで水平方向に蛇行して設けられている。素子分離領域15の蛇行のピッチは、VCCD13の蛇行のピッチと1/2ピッチずれている。このため、素子分離領域15とVCCD13とで囲まれる領域が複数形成され、この領域内にPD12が形成される。
The
HCCD16は、各VCCD13の末端に接続されており、各VCCD13から転送された信号電荷を水平方向にFDA17へ転送する。FDA17は、HCCD16によって転送された信号電荷を電圧信号(撮像信号)に変換して出力する。
The
上述のイメージセンサ11を構成する構造物の上には、VCCD13に入射してスミアを引き起こす等、撮影画像に不具合を生じるような不要な光がVCCD13等に入射することを防ぐために、遮光膜(図2参照)が設けられている。また、遮光膜には、各々のPD12に対応して、所定の位置及び大きさの開口18が設けられている。PD12へは、この開口18を通った光が入射される。
On the structure constituting the image sensor 11 described above, a light-shielding film (in order to prevent unnecessary light entering the
イメージセンサ11のX−Yに沿う断面を図2に示す。イメージセンサ11は、n型半導体基板26から形成される。n型半導体基板26の表面には、pウェル層27が形成されており、さらに表層にはPD12を構成するn型層31,VCCD13を構成するn型層32,素子分離領域15となるp+層33,PD12とVCCD13を分離するp+層34が形成される。
A cross section taken along the line XY of the image sensor 11 is shown in FIG. The image sensor 11 is formed from an n-
PD12は、pウェル層27とn型層31との接合で構成され、これらの接合に光が入射すると、電子‐正孔対が生成され、n型層31に電子が蓄積される。また、PD12を構成するn型層31は、p+層33によって隣接するPD12のn型層31と離間されているとともに、p+層34によってVCCD13を構成するn型層32と離間されている。
The
VCCD13は、n型層32と、n型層32の上方に設けられた転送電極37とから構成される。n型層31に蓄積されたPD12の信号電荷は、n型層32に転送されると、転送電極37へ所定のタイミングで印加される電圧に応じて、断面方向(紙面に垂直な方向)に転送される。転送電極37は、ポリシリコンで形成される。
The
また、PD12を構成するn型層31とVCCD13を構成するn型層32は、pウェル層27で離間されている。読み出しゲート14は、n型層31とn型層32を離間するpウェル層27と、この部分の上方に設けられた転送電極38とから構成される。したがって、n型層31とn型層32の間のpウェル層27のポテンシャルは転送電極38によって制御され、信号電荷の蓄積期間にはn型層31とn型層32を離間してn型層31に電荷を蓄積させ、PD12からの信号電荷の読み出し期間にはn型層31からn型層32へ蓄積された信号電荷を転送する。転送電極38は、ポリシリコンで形成される。
The n-
素子分離領域15は、隣接するn型層31間に設けられたp+層33から構成されるポテンシャル障壁であり、隣接するPD12のn型層31間で信号電荷が移動することを防ぐ。
The
このようにPD12,VCCD13,素子分離領域15が表層に形成されたn型半導体基板26の表面には、前述の転送電極37,38が形成されるとともに、遮光膜41、平坦化層42a,42b、カラーフィルタ43R,43G、マイクロレンズ44等が形成される。
As described above, the
遮光膜41は、n型半導体26の表面を全体的に覆うように形成されている。また、遮光膜41には、n型層31を露呈させる開口18が設けられている。このため、遮光膜41は、転送電極37,38とp+層33を覆う用に設けられている。また、遮光膜41は、転送電極37,38を覆う部分からは所定量だけn型層31の上方へ迫り出すように設けられているとともに、p+層33側の端は、p+層33とn型層31の境界となっている。このため、開口18は、VCCD13と素子分離領域15に囲まれた領域の中央に設けられているわけではなく、この領域の中央に開口を設ける場合と比較して、素子分離領域15側に拡張された形状となっている。
The
カラーフィルタ43R,43Gは、BPSG等からなる平坦化層42aを介して各PD12の上方に形成され、各PD12へ入射する光の色を定める。カラーフィルタ43Rは、対応する直下のPD12へ入射する光の色を赤色の光に制限するとともに、カラーフィルタ43Gは、対応する直下のPD12へ入射する光の色を緑色に制限する。これらに加え、イメージセンサ11には、PD12へ入射する光の色を青色に制限するカラーフィルタ(図示しない)も、前述の配列で設けられている。これらのカラーフィルタ43R,43G及び図示しない青色のカラーフィルタは、各色のカラーフィルタが順に形成される。このとき、微細加工精度の制限から、先に形成されたカラーフィルタ(図2ではカラーフィルタ43R)の端には、後に形成されたカラーフィルタ(図2ではカラーフィルタ43G)の端が乗りあがるように設けられる。こうしたカラーフィルタ間の重なり部分は、PD12への光の入射を妨げ、PD12の感度の低下に繋がる。
The
また、マイクロレンズ44は、各PD12について設けられ、PD12へ効率良く光を導くためのレンズであり、BPSG等からなる平坦化層42bを介してイメージセンサ11の最上面に形成される。
The
上述のように構成されるイメージセンサ11では、PD12を露呈させるために遮光膜41に設けられた開口18が、スミアが生じるのを防ぐ位置及び大きさであるとともに、PD12への入射光量が十分に確保される大きさとなっている。
In the image sensor 11 configured as described above, the
図3に示すように、開口18の端とVCCD13との最短の間隔Pは、VCCD13に光が入射してスミアが生じることを防ぐために必要な最小限の間隔である。このため、VCCD13に隣接する側の開口18の端は、何れの位置においても間隔Pよりも大きくなっている。また、素子分離領域15を介して隣接する開口18間の最小の間隔Qは、VCCD13を介して隣接する開口18間の最小の間隔Rよりも小さい。このため、開口18は、VCCD13と素子分離領域15とで囲まれる領域内で、素子分離領域15側に偏った位置に設けられている。
As shown in FIG. 3, the shortest interval P between the end of the
また、図3に破線で示すように、VCCD13と素子分離領域15とで囲まれる領域の中央に、VCCD13と素子分離領域15から等間隔に設けられる開口51と比較して、イメージセンサ11の開口18の大きさは、素子分離領域15側に拡張されている。
Further, as shown by a broken line in FIG. 3, the opening of the image sensor 11 is compared with the
上述のように、イメージセンサ11は、2列のPD12で一つのVCCD13を共用するようにPD12の列に対して2列おきにVCCD13を設けるとともに、PD12を露呈させる開口18を所定の間隔PでVCCD13から離間し、かつ、素子分離領域15を介して隣接する開口18間の最小間隔Qを、VCCD13を介して隣接する開口18間の最小間隔Rよりも小さくなるように開口18を設ける。これにより、イメージセンサ11は、スミアの発生を十分に防ぎつつ、開口51を設ける場合と比較して、各PD12への入射光量を増大させ、各PD12の感度を向上させることができる。
As described above, the image sensor 11 is provided with the
[第2実施形態]
上述の第1実施形態では、遮光膜41に各PD12に対応して一つずつ開口18を設ける例を説明した。しかし、一般にPD12を露呈させる開口の大きさが、光の波長(数百nm〜1μm)程度かこれ以下の大きさになる場合には、遮光膜及び開口を設けるだけで、開口における光の透過率は著しく減少し、PD12への入射光量が不足してしまうことがある。このことは、上述の第1実施形態のように、スミアが生じない程度にPD12の略全面を露呈する開口18であっても同様である。このため、PD12を露呈させる開口の大きさを、透過する光の波長に対して十分な大きさとし、より多くの光をPD12に到達させることが好ましい。以下では、第2実施形態として、撮影に利用する光の波長に対して十分な大きさの開口を設ける例を説明する。なお、第1実施形態と同様の部分については説明等を省略する。
[Second Embodiment]
In the first embodiment described above, the example in which the
例えば、図4に示すイメージセンサ61のように、開口62を、素子分離領域15を介して隣接する2つのPD12に共通して一つ設ける。開口62は、素子分離領域15を介して隣接する2つのPD12と、その間に設けられた素子分離領域15の一部が露呈させる。このため、開口62から露呈されるPD12の実質的な大きさは、図4に破線で示すように、開口62から露呈された素子分離領域15と開口62とで囲まれる領域となっている。
For example, as in the image sensor 61 shown in FIG. 4, one
この開口62は、第1実施形態のイメージセンサ11において、素子分離領域15を介して隣接する開口18を2つ連結した形状及び大きさとなっている。このため、第1実施形態と同様に、開口62とVCCD13との最短の間隔Pは、第1実施形態における間隔Pに等しく、スミアの発生を防ぐために十分な間隔が確保されている。また、イメージセンサ61においても、素子分離領域15を介して隣接する開口62間の最短距離Qは、VCCD13を介した各開口62間の最短距離Rよりも小さい。
In the image sensor 11 of the first embodiment, the
このように、素子分離領域15を介して隣接する2つのPD12に対して一つの開口62を設けることで、開口62の大きさは、これを透過する光の波長に対して十分な大きさとなる。このため、開口62はPD12への光の入射を妨げず、PD12への十分な入射光量が確保され、PD12の感度が向上する。
As described above, by providing one
なお、上述のイメージセンサ61では、素子分離領域15を介して隣接するPD12のうち、右上のPD12と左下のPD12の開口を連結して開口62とする例を説明したが、これに限らず、左上のPD12と右下のPD12の開口を連結して開口62を形成しても良い。この場合にも、上述と同様の効果が得られる。
In the image sensor 61 described above, the example in which the upper
また、例えば、図5に示すイメージセンサ66のように、開口67を、素子分離領域15を介して隣接する全てのPD12に共通して設ける。開口67は、各々異なるVCCD13に信号電荷を転送する2列のPD12にまたがって帯状に設けられ、2つのVCCD13に挟まれた2列分のPD12の全てと、これらのPD12の間に設けられた素子分離領域15の一部が露呈させる。このため、遮光膜41は、各VCCD13を覆うように、水平方向に蛇行した帯状の形状になっている。また、開口67から露呈されるPD12の実質的な大きさは、図5に破線で示すように、開口67から露呈された素子分離領域15と開口67とで囲まれる領域となっている。
Further, for example, as in the image sensor 66 shown in FIG. 5, the opening 67 is provided in common to all the PDs 12 adjacent to each other through the
また、開口67は、第1実施形態のイメージセンサ11において、素子分離領域15を介して隣接する開口18を、垂直方向に全て連結した形状及び大きさとなっている。このため、第1実施形態と同様に、開口67とVCCD13との最短の間隔Pは、第1実施形態における間隔Pに等しく、スミアの発生を防ぐために十分な間隔が確保されている。また、イメージセンサ67では、素子分離領域15を介して隣接する開口67間の最短距離Qは0になった状態であり、VCCD13を介した各開口67間の最短距離Rよりも小さい。
Further, the opening 67 has a shape and a size in which all the
こうして、垂直方向に2列分の開口を連結し、帯状の開口67とすることで、光の波長に対して開口67の大きさは十分な大きさとなる。このため、開口67はPD12への光の入射を妨げず、PD12への十分な入射光量が確保され、PD12の感度がさらに向上する。
Thus, by connecting the openings for two rows in the vertical direction to form a band-shaped opening 67, the size of the opening 67 is sufficiently large with respect to the wavelength of light. For this reason, the opening 67 does not hinder the incidence of light on the
なお、上述の第2実施形態では、2個のPD12を露呈する開口62を設ける例と、2列分のPD12を露呈する開口68を設ける例を説明したが、こうして複数のPD12を露呈させる開口を設ける場合には、開口の大きさが光の透過を妨げない程度の大きさとなれば、一つの開口から露呈させるPD12の個数は2以上で任意に定めて良い。例えば、一つの開口から3個(,4個,・・・)のPD12が露呈されるような開口を設けても良い。
In the second embodiment described above, the example in which the
[第3実施形態]
上述の第2実施形態では、第1実施形態(及び第2実施形態)では、各PD12に対応して設けられるカラーフィルタが、ベイヤー配列をPD12の配列に応じて45度回転させたものとなっている例を説明したが、カラーフィルタの配列はこれに限らない。以下では、第3実施形態として、上述の第1,第2実施形態のイメージセンサ11,62,67で、カラーフィルタの配列を特に好適な配列とした例を説明する。なお、第1実施形態のイメージセンサ11と同様の部分については説明を省略する。
[Third Embodiment]
In the second embodiment described above, in the first embodiment (and the second embodiment), the color filter provided corresponding to each
例えば、図6に示すイメージセンサ71のように、素子分離領域15を介して隣接する2つのPD12で同色となるようにカラーフィルタ72を設けることが好ましい。このカラーフィルタ72の配列は、図6で部分的に枠及びハッチングで示すように、隣接する同色のカラーフィルタを1単位としてみたときに、ベイヤー配列となる配列となっている。
For example, like the image sensor 71 shown in FIG. 6, it is preferable to provide the color filter 72 so that two
このカラーフィルタ72は、R,G,Bの色毎に各々1工程で設けられる。このため、素子分離領域15を介して隣接し、同色のカラーフィルタが形成されるPD12間では、図2で説明したようなカラーフィルタ同士の重なり部分が無く、平坦な一つのカラーフィルタとなっている。特に、イメージセンサ71のカラーフィルタ72の配列では、Gで示す緑色のカラーフィルタが形成されるPD12は、イメージセンサ71の斜め45度方向に1列に連なっている。このため、緑色のカラーフィルタが形成されるPD12は斜め方向に全て連なり、重なり部分の無い平坦なカラーフィルタとなっている。したがって、図6では配列の様態を説明するために、緑色のカラーフィルタが形成されるPD12についても、2個のPD12を単位として枠を描いてあるが、緑色のカラーフィルタについてはこの枠の短辺方向に沿ったカラーフィルタ間の重なりは無い。
The color filter 72 is provided in one step for each of R, G, and B colors. For this reason, there is no overlapping portion of the color filters as described with reference to FIG. 2 between the PDs 12 adjacent to each other via the
このように、素子分離領域15を介して隣接する2つのPD12に設けられるカラーフィルタを同じ色にすることで、加工精度の点から避け難い異色のカラーフィルタ間の重なり部分の数を低減することができる。このため、イメージセンサ71のようにカラーフィルタを配列することで、異色のカラーフィルタ間の重なりによるPD12の感度低下を抑え、他のカラーフィルタの配列と比較してさらにPD12の感度を向上させることができる。特に第1,第2実施形態のイメージセンサ11,62,67のように、PD12を露呈させる開口を拡張する場合には、異色のカラーフィルタ間の重なり部分が開口に近く、その影響を受け易い。このため、イメージセンサ71のように、カラーフィルタ72の配列を適用することで、さらにPD12の感度が向上される。
In this way, by using the same color for the color filters provided in two
また、例えば、図7に示すイメージセンサ76のように、VCCD13を介して隣接する2つのPD12で同色となるようにカラーフィルタ77を設けることが好ましい。このカラーフィルタ77の配列は、図7で部分的に枠及びハッチングで示すように、隣接する同色のカラーフィルタを1単位としてみたときに、ベイヤー配列となる配列となっている。
Further, for example, as in the image sensor 76 shown in FIG. 7, it is preferable to provide a color filter 77 so that two
このカラーフィルタ77の配列によれば、前述のイメージセンサ71のカラーフィルタ72(図6)と同様に、異色のカラーフィルタ間の重なりによるPD12の感度低下を抑え、PD12の感度をより一層向上させることができる。
According to the arrangement of the color filters 77, similarly to the color filter 72 (FIG. 6) of the image sensor 71 described above, a decrease in sensitivity of the
さらに、カラーフィルタ77の配列を適用したイメージセンサ76は、全てのPD12から独立に信号電荷を読み出して撮像する場合と比べて感度を倍にする高感度駆動を容易に実現することができる。 Furthermore, the image sensor 76 to which the arrangement of the color filters 77 is applied can easily realize high-sensitivity driving that doubles the sensitivity as compared with the case where the signal charges are read out from all the PDs 12 and imaged.
さらに、カラーフィルタ77の配列を適用したイメージセンサ76は、VCCD13を介して隣接し、同色のカラーフィルタが形成されたPD12からの信号電荷を、VCCD13内で容易に加算することができる。このため、イメージセンサ76は、全てのPD12から独立に信号電荷を読み出して撮像する場合と比べて、感度を2倍にする高感度駆動を容易に実現することができる。また、こうして高感度駆動する場合に、イメージセンサ76は、各PD12からの信号電荷の読み出し動作を利用して、2つのPD12からの信号電荷を加算することができるので、信号電荷の加算に要する時間が短い。これにより、イメージセンサ76は、HCCD16やラインメモリ等を用いて高感度駆動する場合と比較して、高感度駆動するときに、フレームレートを向上させることができ、VCCD13内で発生する暗電流による影響を抑えることができる。
Further, the image sensor 76 to which the arrangement of the color filters 77 is applied can easily add the signal charges from the
なお、上述の第1〜第3実施形態では、PD12の配列がハニカム配列のイメージセンサを例に説明したが、PDが正方格子状に配列されたイメージセンサにおいても、本発明を好適に用いることができる。
In the first to third embodiments described above, the image sensor in which the
図8に示すように、PD12が正方格子状に配列され、PD12の列に対して2列おきにVCCD13が設けられたイメージセンサ91では、VCCD13までの最短の間隔Pをスミアが生じない程度の所定の間隔以上に保ちながら、各PD12に対応して四角形の開口92を設ける。このとき、開口92を、素子分離領域15を介して水平方向に隣接する開口92間の最短の間隔Qが、VCCD13を介して水平方向に隣接する開口92間の間隔Rよりも小さくなるように設ける。PD12の配列が正方格子状である場合にも、こうして開口92を設けることにより、上述の第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
As shown in FIG. 8, in the image sensor 91 in which the
また、イメージセンサ91で、隣接する複数の開口92を連結することにより、上述の第2実施形態と同様の効果を得ることができる。こうしてイメージセンサ91で隣接する複数の開口92を連結させる場合には、VCCD13が露呈されなければ、水平方向に開口92を連結させて設けても良く、垂直方向に開口92を連結させても良い。また、図5のイメージセンサ68に対応して、遮光膜がVCCD13だけを帯状に覆うようにし、VCCD13間の全てのPD12に対応する開口92を連結した開口を設けても良い。
Further, by connecting a plurality of
さらに、PD12の配列が正方格子状のイメージセンサ91においても、上述の第3実施形態と同様のカラーフィルタの配列とすることが好ましい。例えば、上述の第3実施形態と同様に、カラーフィルタの配列を、素子分離領域15を介して隣接するPD12に設けるカラーフィルタを同色とする配列にすることが好ましい。また、イメージセンサ91を高感度駆動させることがある場合には、カラーフィルタの配列を、VCCD13を介して隣接するPD12に設けるカラーフィルタを同色とする配列にすることが好ましい。
Further, in the image sensor 91 in which the arrangement of the
なお、上述の第1〜第3実施形態では、赤色(R),緑色(G),青色(B)の3色の原色系カラーフィルタを用いる例を説明したが、これに限らず、シアン,マゼンタ,イエローからなる補色系のカラーフィルタや、ホワイトを併せて用いるカラーフィルタ等、他の周知のカラーフィルタを用いても良い。 In the first to third embodiments described above, the example using the primary color filters of three colors of red (R), green (G), and blue (B) has been described. Other known color filters such as a complementary color filter composed of magenta and yellow, a color filter using white together, and the like may be used.
なお、上述の第1〜第3実施形態では、素子分離領域15の幅をVCCD13と略同等の幅に設ける例を説明したが、素子分離領域15の幅は、PD12が露呈される面積を広げるためにも、隣接するPD12を正確に分離できる範囲内でできるだけ小さくすることが好ましく、少なくともVCCD13の幅よりも小さいことが好ましい。
In the first to third embodiments described above, the example in which the width of the
11,62,67,71,76,91 イメージセンサ(固体撮像装置)
12 フォトダイオード(光電変換素子)
13 VCCD
14 読み出しゲート
15 素子分離領域
16 HCCD
17 FDA
18,62,68,92 開口
26 n型半導体基板
27 pウェル層
31,32 n型層
33,34 p+層
37,38 転送電極
41 遮光膜
42a,42b 平坦化層
43R,43G,72,77 カラーフィルタ
44 マイクロレンズ
11, 62, 67, 71, 76, 91 Image sensor (solid-state imaging device)
12 Photodiode (photoelectric conversion element)
13 VCCD
14
17 FDA
18, 62, 68, 92 opening 26 n-type semiconductor substrate 27 p-
Claims (10)
前記光電変換素子の列に沿って2列おきに設けられ、左右2列の前記光電変換素子で蓄積された電荷を転送する電荷転送路と、
前記光電変換素子の列に沿って2列おきに、前記電荷転送路を介さずに隣接する前記光電変換素子の列の間に前記電荷転送路以下の幅で設けられ、隣接する前記光電変換素子を各々に分離し、前記光電変換素子間での電荷の移動を防ぐ素子分離領域と、
前記半導体基板上に設けられ、前記電荷転送路への光の入射を妨げる遮光膜と、
各々の前記光電変換素子が露呈されるように前記遮光膜に設けられ、前記電荷転送路との間隔が所定値以上となっているとともに、前記素子分離領域を介した最短の間隔が、前記電荷転送路を介した最短の間隔よりも小さく設けられた開口と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 A plurality of photoelectric conversion elements formed in a predetermined arrangement on the surface of the semiconductor substrate;
A charge transfer path that is provided every two rows along the row of photoelectric conversion elements and transfers charges accumulated in the two rows of photoelectric conversion elements;
The photoelectric conversion elements adjacent to each other along the row of the photoelectric conversion elements are provided with a width equal to or smaller than the charge transfer path between the adjacent columns of the photoelectric conversion elements without passing through the charge transfer path. Element separation regions that prevent charge movement between the photoelectric conversion elements,
A light-shielding film provided on the semiconductor substrate and preventing light from entering the charge transfer path;
Provided in the light shielding film so that each of the photoelectric conversion elements is exposed, and the distance from the charge transfer path is not less than a predetermined value, and the shortest distance through the element isolation region is the charge An opening provided smaller than the shortest interval through the transfer path;
A solid-state imaging device comprising:
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
2008
- 2008-12-25 JP JP2008330393A patent/JP2010153603A/en not_active Withdrawn
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