WO2025169613A1 - Imaging element, electronic apparatus - Google Patents
Imaging element, electronic apparatusInfo
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- WO2025169613A1 WO2025169613A1 PCT/JP2024/044818 JP2024044818W WO2025169613A1 WO 2025169613 A1 WO2025169613 A1 WO 2025169613A1 JP 2024044818 W JP2024044818 W JP 2024044818W WO 2025169613 A1 WO2025169613 A1 WO 2025169613A1
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/10—Integrated devices
- H10F39/12—Image sensors
- H10F39/18—Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
Definitions
- This disclosure relates to imaging elements and electronic devices that capture images through photoelectric conversion.
- Imaging elements such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors are widely used in digital still cameras, digital video cameras, and other devices.
- CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
- the interlayer insulating layers 22 and 23 are laminated on the upper and lower surfaces of the second semiconductor substrate 21.
- the interlayer insulating layers 22 and 23 are made of an insulating material such as SiO 2 (silicon oxide).
- the vertical wiring 42 is a wiring extending in the vertical direction that is connected to the lower surfaces of the N-type semiconductor region 21N of the FD connection region 50 and the P-type semiconductor region 21P of the first wiring path 61.
- the vertical wiring 42 extends from the lower surfaces of the N-type semiconductor region 21N and the P-type semiconductor region 21P to the lower surface of the interlayer insulating layer 23.
- the pad electrode 42a is formed at the lower end of the vertical wiring 42.
- the pad electrode 42a is joined to the pad electrode 41a formed at the upper end of the vertical wiring 41 of the first layer 10 described above.
- the vertical wiring 42 and pad electrode 42a are made of a metal material such as copper or aluminum.
- the reset transistor RST, amplification transistor AMP, selection transistor SEL, etc. that constitute the readout circuit 124 are formed on the third semiconductor substrate 31.
- the image sensor 101 of the first embodiment has the above configuration.
- the need to lay FD boost wiring and wiring connecting the power supply and the FD boost wiring poses a problem of constricting the wiring layout of the CMOS image sensor.
- the image sensor 101 of the first embodiment described above forms the FD boost regions 60 and 21N in the semiconductor region and uses the ON voltage VON of the transfer gate TG to boost the floating diffusion FD, thereby minimizing the constraints on the wiring layout.
- the FD connection regions 50, 21N are surrounded by FD boost regions 60, 21N to which the ON voltage V_ON or the GND voltage V_GND of the transfer gate TG is applied. Therefore, the image sensor 101 of the first embodiment is less susceptible to the influence of crosstalk of signals from the surrounding FD sharing units 150.
- the FD boost region 60 of the technology disclosed herein does not necessarily have to be arranged to surround the FD connection region 50.
- the FD boost region 60 only needs to be arranged in a manner that allows it to boost the FD connection region 50 and the floating diffusion FD. Therefore, the FD boost region 60 only needs to be arranged adjacent to the FD connection region 50.
- the FD boost region 60 be arranged so as to surround the FD connection region 50 when viewed from the front.
- Figures 9A to 9K are vertical cross-sectional views showing an example of a manufacturing method for the image sensor 101 of the first embodiment.
- the imaging element 101 of the first embodiment is manufactured by bonding together a laminate constituting the first layer 10 and a laminate constituting the second layer 20 and third layer 30, which are molded separately.
- a photodiode PD, floating diffusion FD, transfer gate TG, and high-concentration P-type region 10c are formed on the first semiconductor substrate 21.
- the high-concentration P-type region 10c is an area that is electrically connected to ground GND.
- the first semiconductor substrate 21 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
- the photodiode PD is formed, for example, by providing a P-type well in the N-type semiconductor substrate 21 and providing a low-concentration N-type region within the P-type well.
- the floating diffusion FD is, for example, configured as a high-concentration N-type region provided within the P-type well.
- an interlayer insulating layer 12, vertical wiring 41, and pad electrodes 41a are formed on the first semiconductor substrate 11.
- the in-through-hole insulating layer 34 is made of an insulating material such as SiN (silicon nitride) or SiO2 (silicon oxide).
- the reset transistor RST, the amplification transistor AMP, the selection transistor SEL, etc. that constitute the readout circuit 124 are formed on the third semiconductor substrate 31.
- the image sensor 101 of the first embodiment has a photodiode PD (photoelectric conversion unit), multiple floating diffusions FD, multiple transfer gates TG, an FD connection region 50 formed of an N-type semiconductor region, an FD boost region 60 formed of an N-type semiconductor region, multiple first wiring paths 61 electrically connecting the gate signal lines (V GT ) of the multiple transfer gates TG to the FD boost region 60, and a second wiring path 62 electrically connecting the FD boost region 60 to ground GND via a resistor.
- the first wiring path 61 has a PN junction formed of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region.
- the image sensor 101 of the first embodiment also has a first semiconductor substrate 21, interlayer insulating layers 12 and 23, and a second semiconductor substrate 21.
- the photodiode PD (photoelectric conversion unit) and floating diffusion FD are formed within the first semiconductor substrate 21, and the N-type semiconductor region 21N of the FD connection region 50 and FD boost region 60, and the P-type semiconductor region 21P and N-type semiconductor region 21N of the PN junction are formed within the second semiconductor substrate 21.
- This type of image sensor 101 minimizes the burden on the wiring layout.
- the imaging element 101 of this modified example has the same configuration as this embodiment, except for the points described below.
- the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD connection region 50 is electrically connected to the floating diffusion FD via vertical wiring 42, 41.
- the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD connection region 50 is electrically connected to the floating diffusion FD via vertical wiring 45 made of N-type polysilicon.
- the P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 is electrically connected to the transfer gate TG via the vertical wirings 42 and 41 extending downward, and is electrically connected to the gate voltage V GT of the transfer gate TG via the vertical wiring 43 extending upward.
- the P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 is electrically connected to the transfer gate TG via a vertical wiring 45 made of P-type polysilicon extending downward.
- the P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 is not connected to the vertical wiring connected to the gate voltage VGT of the transfer gate TG.
- the vertical wiring 44 connected to the gate voltage VGT of the transfer gate TG is connected to the transfer gate TG.
- the P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 is electrically connected to the gate voltage VGT of the transfer gate TG via the transfer gate TG.
- the configuration of the first wiring path 61 of the technology disclosed herein is not limited to the configuration of the first embodiment.
- the first wiring path 61 of the technology disclosed herein is a wiring path that electrically connects the transfer gate TG and the FD boost region 60, and may be any wiring path that has a PN junction.
- FIG. 14A to 14C are planar layout diagrams of the image sensor 101 of the second embodiment.
- Fig. 14A shows the configuration of the first layer 10.
- Fig. 14B shows the configuration of the second layer 20.
- Fig. 14C shows the arrangement of connection wirings 291 and 292.
- circuit configuration and operation of the image sensor 101 of the first embodiment shown in Figure 8 also apply to the image sensor 101 of the second embodiment.
- the FD sharing unit 150 of the image sensor 101 of the second embodiment also has an FD connection region 50, an FD boost region 60, a first wiring path 61, and a second wiring path 62, similar to the first embodiment.
- the FD connection region 50 is a wiring region that connects two floating diffusions FD included in a PD sharing unit.
- the FD connection region 50 is composed of an N-type polysilicon region 15N. Furthermore, each floating diffusion FD and the FD connection region 50 are electrically connected by vertical wiring 46.
- the FD boost region 60 is a wiring region for boosting the floating diffusion FD.
- the FD boost region 60 is a wiring region arranged to surround the FD connection region 50.
- the FD boost region 60 is composed of an N-type polysilicon region 15N.
- the first wiring paths 61 are wiring paths that electrically connect the gate signal lines (V GT ) of the respective transfer gates TG to the FD boosting region 60.
- the first wiring paths 61 also have PN junctions.
- the first wiring paths 61 are provided for each transfer gate TG. In other words, the shared unit of the image sensor 101 has the same number of first wiring paths 61 as the number of transfer gates TG.
- the second wiring path 62 is a wiring path that electrically connects the FD boost region 60 and ground GND.
- the second wiring path 62 also has a resistor R.
- the second wiring path is composed of an N-type polysilicon region 15N and an intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I, and the intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I functions as a resistor.
- the FD boost region 60 is connected to ground GND via the second wiring path 62 having the resistance R. Therefore, when the gate voltages V GT of all the transfer gates TG are at the OFF voltage V OFF , the GND voltage V GND is applied to the FD boost region 60 via the second wiring path 62. In other words, when the gate voltages V GT of all the transfer gates TG are at the OFF voltage V OFF , the FD boost region 60 has the potential of ground GND.
- the image sensor 101 of the first embodiment can boost the voltage of the floating diffusion FD when applying an ON voltage VON to the transfer gate TG to read out a pixel signal from the photodiode PD.
- the first layer 10 includes a first semiconductor substrate 11, a photodiode PD, a floating diffusion FD, a transfer gate TG, an interlayer insulating layer 12, a polysilicon wiring layer 15, and vertical wiring 46 and 47.
- the first semiconductor substrate 11 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
- the polysilicon wiring layer 15 is a layer formed in the interlayer insulating layer 12.
- the polysilicon wiring layer 15 has an N-type polysilicon region 15N constituting the FD connection region 50, an N-type polysilicon region 15N constituting the FD boost region 60, a region consisting of the N-type polysilicon region 15N and an intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I constituting the second wiring path 62, and a P-type polysilicon region 15P constituting the wiring path connecting the gate signal line (V GT ) and the transfer gate TG.
- the N-type polysilicon region 15N is a region made of N-type polysilicon.
- the P-type polysilicon region 15P is a region made of P-type polysilicon.
- the intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I is a region made of intrinsic polysilicon.
- the intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I is a region made of intrinsic polysilicon.
- the intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I only needs to have a certain resistance, and may be doped with a small amount of impurity.
- the FD boost region 60 when viewed from the front, has a rectangular shape with a hollow center, which surrounds the FD boost region 60. Furthermore, the FD boost region 60 has a band-like shape, which can be said to surround the FD boost region 60 along a rectangular path.
- the second semiconductor substrate 21 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
- the P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 has a strip-like shape in a front view.
- One end of the strip-like P-type semiconductor region 21P is electrically connected to the gate signal line (V GT ) via the vertical wiring 48.
- the other end is connected to the long side of the rectangle of the N-type semiconductor region 21N constituting the first wiring path 61.
- the wiring layer 29 is a layer on which various wirings are formed.
- the wiring layer 29 is stacked on the upper surface of the interlayer insulating layer 22.
- the reset transistor RST, amplification transistor AMP, selection transistor SEL, etc. that constitute the readout circuit 124 are formed on the second semiconductor substrate 21.
- the semiconductor regions that make up the FD connection region 50 and FD boost region 60 can also be polysilicon regions. If the FD connection region 50 and FD boost region 60 are made of single crystal silicon regions, as in the first embodiment, three semiconductor substrates are required, whereas if the FD connection region 50 and FD boost region 60 are made of polysilicon regions, only two semiconductor substrates are required. Therefore, using polysilicon regions for the semiconductor regions that make up the FD connection region 50 and FD boost region 60 also has the advantage of saving semiconductor substrates.
- a photodiode PD, floating diffusion FD, transfer gate TG, and high-concentration P-type region 10a are formed on a first semiconductor substrate 21.
- the high-concentration P-type region 10a is an area that is electrically connected to ground GND.
- the first semiconductor substrate 21 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
- the photodiode PD is formed, for example, by providing a P-type well in the N-type semiconductor substrate 21 and providing a low-concentration N-type region within the P-type well.
- the floating diffusion FD is, for example, configured as a high-concentration N-type region provided within the P-type well.
- an interlayer insulating layer 12 a polysilicon wiring layer 15 that forms the FD connection region 50 and the FD boost region 60, etc., and vertical wiring 46 made of polysilicon are formed on the first semiconductor substrate 11.
- the vertical wiring 46 connected to the N-type polysilicon region 15N is made of N-type polysilicon.
- the vertical wiring 41 connected to the P-type polysilicon region 15P is made of P-type polysilicon.
- the first layer 10 of the imaging element 101 is formed.
- a second semiconductor substrate 21 is laminated on the interlayer insulating layer 12 of the first layer 10.
- the second semiconductor substrate 21 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
- an N-type semiconductor region 21N and a P-type semiconductor region 21P that form the first wiring path 61 are formed near the top surface of the second semiconductor substrate 21.
- an interlayer insulating layer 22 is formed on the second semiconductor substrate 21. Thereafter, vertical wirings 47 and 48 are formed.
- the interlayer insulating layer 22 is formed by stacking insulating materials such as SiO 2 (silicon oxide).
- the vertical wirings 47 and 48 are made of a metal material such as copper or aluminum.
- the image sensor 101 of the second embodiment can be manufactured.
- the image sensor 101 of the second embodiment has a photodiode PD (photoelectric conversion unit), multiple floating diffusions FD, multiple transfer gates TG, an FD connection region 50 formed of an N-type semiconductor region, an FD boost region 60 formed of an N-type semiconductor region, multiple first wiring paths 61 electrically connecting the gate signal lines (V GT ) of the multiple transfer gates TG to the FD boost region 60, and a second wiring path 62 electrically connecting the FD boost region 60 to ground GND via a resistor.
- the first wiring path 61 has a PN junction formed of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region.
- FIG. 20 is a planar layout diagram showing the configuration of the image sensor 101 of the third embodiment.
- the FD boost power supply 70 is a power supply that can supply the ON voltage V_ON and the GND voltage V_GND of the transfer gate TG.
- the FD boost power supply 70 supplies the ON voltage V_ON of the transfer gate TG to the FD boost regions 60 and 21N, and when the transfer gate TG is OFF, the FD boost power supply 70 supplies the GND voltage V_GND to the FD boost regions 60 and 21N.
- the image sensor 101 of the third embodiment having this configuration, no current flows through the FD boost regions 60 and 21N even when the transfer gate TG is ON. Therefore, the image sensor 101 of the third embodiment has reduced power consumption.
- the FD connection regions 50, 21N are surrounded by the FD boost regions 60, 21N to which the ON voltage V_ON or the GND voltage V_GND of the transfer gate TG is applied, and therefore are less susceptible to the influence of crosstalk of signals from the surrounding FD sharing units 150.
- the FD boost regions 60, 21N between adjacent FD sharing units 150 in one direction are connected to each other, and the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost regions 60, 21N of the FD supply units located at the outermost periphery of the pixel array section 111.
- the FD sharing units 150 are arranged side by side in one direction when viewed from the front, and the FD boost regions 60 of two FD sharing units 150 adjacent in that direction are connected to each other.
- the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost region 60 of the FD sharing unit 150 located on the outermost side of the multiple FD sharing units 150 arranged side by side in that direction.
- the FD boost regions 60, 21N of adjacent FD shared units 150 in the left-right direction are connected to each other, and the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost regions 60, 21N of the FD shared unit 150 located at the outermost periphery of the pixel array section 111 on the right edge.
- This configuration reduces the pressure on the wiring layout.
- the FD boost power supply 70 is directly connected to the FD boost regions 60 and 21N.
- the FD boost power supply 70 may also be connected to the FD boost regions 60 and 21N via, for example, the wiring layer 39 and the vertical wiring 43.
- the image sensor 101 of the third embodiment includes a plurality of photodiodes PD (photoelectric conversion units), a plurality of floating diffusions FD, a plurality of transfer gates TG, an FD connection region 50 formed of an N-type semiconductor region, an FD boost region 60 formed of an N-type semiconductor region, a plurality of first wiring paths 61 having PN junctions formed of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region, and an FD boost power supply 70.
- the FD boost power supply 70 supplies an ON voltage V_ON to the FD boost region 60 when any of the plurality of transfer gates TG is ON, and supplies a ground voltage V_GND to the FD boost region 60 when all of the plurality of transfer gates TG are OFF.
- the FD boost region 60 may be arranged to surround the FD connection region 50 in a front view.
- Such an image sensor 101 reduces power consumption and drive RC delay.
- the FD boosting region 60 may be arranged to surround the FD connection region 50 when viewed from the front. In such an image sensor 101, the effects of crosstalk are reduced.
- the image sensor 101 of the third embodiment has a plurality of FD shared units 150 arranged side by side in one direction when viewed from the front, and the FD boost regions 60 of two FD shared units 150 adjacent in that direction are connected to each other.
- the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost region 60 of the FD shared unit 150 located on the outermost side of the plurality of FD shared units 150 arranged side by side in that direction.
- Figure 21 is a planar layout diagram showing the configuration of the image sensor 101 of the fourth embodiment.
- the image sensor 101 of the fourth embodiment basically has the same configuration as the second embodiment. However, while the FD boost regions 60 and 15N of the image sensor 101 of the second embodiment are electrically connected to ground GND via resistors, the image sensor 101 of the fourth embodiment is not electrically connected to ground GND, but is instead electrically connected to the FD boost power supply 70.
- the configuration of the FD boost power supply 70 is the same as that of the FD boost power supply 70 of the third embodiment described above. That is, the FD boost power supply 70 is a power supply that can supply the ON voltage V_ON and the GND voltage V_GND of the transfer gate TG. When any of the transfer gates TG is ON, the FD boost power supply 70 supplies the ON voltage V_ON of the transfer gate TG to the FD boost regions 60 and 15N, and when all of the transfer gates TG are OFF, the FD boost power supply 70 supplies the GND voltage V_GND to the FD boost regions 60 and 15N.
- the image sensor 101 of the fourth embodiment having this configuration, no current flows through the FD boost region 60, 15N even when the transfer gate TG is ON. Therefore, the image sensor 101 of the fourth embodiment has reduced power consumption.
- the FD connection regions 50, 15N are surrounded by the FD boost regions 60, 15N to which the ON voltage V_ON or the GND voltage V_GND of the transfer gate TG is applied, and therefore are less susceptible to the influence of crosstalk of signals from the surrounding FD sharing units 150.
- the FD boost regions 60, 15N between FD sharing units 150 adjacent in one direction are connected to each other, and the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost regions 60, 15N of the FD supply units located at the outermost periphery of the pixel array section 111.
- the FD sharing units 150 are arranged side by side in one direction when viewed from the front, and the FD boost regions 60 of two FD sharing units 150 adjacent in that direction are connected to each other.
- the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost region 60 of the FD sharing unit 150 located on the outermost side of the multiple FD sharing units 150 arranged side by side in that direction.
- the FD boost regions 60, 15N of adjacent FD shared units 150 in the left-right direction are connected to each other, and the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost regions 60, 15N of the FD shared unit 150 located at the outermost periphery of the pixel array section 111 on the right edge.
- This configuration reduces the pressure on the wiring layout.
- the FD boost power supply 70 is directly connected to the FD boost regions 60 and 15N.
- the FD boost power supply 70 may also be connected to the FD boost regions 60 and 15N via, for example, the wiring layer 29 and the vertical wiring 47.
- Such an image sensor 101 reduces power consumption and drive RC delay.
- the FD boosting region 60 may be arranged to surround the FD connection region 50 when viewed from the front. In such an image sensor 101, the effects of crosstalk are reduced.
- the image sensor 101 of the fourth embodiment has a plurality of FD shared units 150 arranged side by side in one direction when viewed from the front, and the FD boost regions 60 of two FD shared units 150 adjacent in that direction are connected to each other.
- the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost region 60 of the FD shared unit 150 located on the outermost side of the plurality of FD shared units 150 arranged side by side in that direction.
- the image sensor 101 of the first embodiment described above is a rolling shutter type image sensor
- the image sensor 101 of the fifth embodiment is a global shutter type image sensor.
- the image sensor 101 of the fifth embodiment has the same configuration as the first embodiment, except for the configuration described below.
- FIG. 22 is a diagram showing the circuit configuration of a pixel 121 of the image sensor 101 of the fifth embodiment.
- FIG. 23 is a planar layout diagram of a portion of the pixel area within the pixel array section 111 of the image sensor 101 of the fifth embodiment.
- FIG. 23 shows an area of 2 x 2, or four pixels.
- the pixel 121 has a photodiode PD, a charge storage unit MEM, three transfer transistors TRY, TRX, and TRG, a floating diffusion FD, and a discharge transistor OFG. In the illustrated example, two pixels 121 share one floating diffusion FD.
- the readout circuit 124 like the first embodiment, has a reset transistor RST, an amplification transistor AMP, and a selection transistor SEL.
- the photodiode PD generates an electric charge according to the amount of light received through photoelectric conversion.
- the anode of the photodiode PD is connected to ground (GND).
- the cathode of the photodiode PD is connected to the source of the discharge transistor OFG and the drain of the transfer transistor TRY.
- the charge holding unit MEM is an area that temporarily holds the charge generated and accumulated in the photodiode PD in order to realize the global shutter function.
- the charge holding unit MEM holds the charge transferred from the photodiode PD.
- the transfer transistors TRY and TRX are arranged on the charge holding unit MEM, in that order from the photodiode PD side.
- the gates of the transfer transistors TRY and TRX are connected to the pixel drive line 122.
- the transfer transistors TRY and TRX control the potential of the charge holding unit MEM using a control signal applied to the gate electrode, and transfer the charge photoelectrically converted by the photodiode PD.
- the transfer transistor TRG is arranged between the transfer transistor TRX and the floating diffusion FD.
- the source of the transfer transistor TRG is connected to the drain of the transfer transistor TRX, and the drain of the transfer transistor TRG is connected to the floating diffusion FD.
- the gate of the transfer transistor TRG is connected to the pixel drive line 122.
- the transfer transistor TRG transfers the charge held in the charge holding unit MEM to the floating diffusion FD in response to a control signal applied to the gate electrode.
- the transfer transistor TRX when the transfer transistor TRX is turned off and the transfer transistor TRG is turned on, the charge held in the charge holding unit MEM is transferred to the floating diffusion FD.
- the floating diffusion FD is a floating diffusion region that temporarily holds the charge transferred from the photodiode PD via the transfer transistor TRG.
- the floating diffusion FD is connected to the drain of the transfer transistor TRG, the source of the reset transistor RST, and the gate of the amplification transistor AMP.
- two pixels 121 share one floating diffusion FD. Furthermore, the two floating diffusions FD, each shared by two pixels 121, are electrically connected by wiring. Therefore, it can be said that these two floating diffusions FD essentially constitute one floating diffusion. In other words, it can be said that the four pixels 121 essentially share one floating diffusion consisting of two floating diffusions FD and wiring.
- the discharge transistor OFG initializes (resets) the photodiode PD in response to a control signal applied to its gate electrode.
- the drain of the discharge transistor OFG is connected to the power supply line VDD.
- the source of the discharge transistor OFG is connected to the photodiode PD and the source of the transfer transistor TRY.
- the drain transistor OFG when the drain transistor OFG is turned on, the potential of the photodiode PD is reset to the potential level of the power supply line VDD. In other words, the photodiode PD is initialized.
- the drain transistor OFG forms an overflow path between the photodiode PD and the power supply line VDD, and drains the charge that has overflowed from the photodiode PD to the power supply line VDD.
- the reset transistor RST initializes (resets) each region from the charge storage unit MEM to the floating diffusion FD in response to a control signal applied to its gate electrode.
- the drain of the reset transistor RST is connected to the power supply line VDD.
- the source of the reset transistor RST is connected to the floating diffusion FD.
- the transfer transistor TRG and reset transistor RST are turned on, the potential of the charge holding unit MEM and floating diffusion FD is reset to the potential level of the power supply line VDD. In other words, turning on the reset transistor RST initializes the charge holding unit MEM and floating diffusion FD.
- the amplifier transistor AMP has a gate electrode connected to the floating diffusion FD and a drain connected to the power supply line VDD, and serves as the input of a source follower circuit that reads out the charge obtained by photoelectric conversion in the photodiode PD.
- the amplifier transistor AMP has a source connected to the vertical signal line VSL (123) via the selection transistor SEL, and thus forms a source follower circuit with the constant current source connected to one end of the vertical signal line VSL (123).
- the source of the selection transistor SEL is connected to the vertical signal line VSL (123), and the drain is connected to the source of the amplification transistor AMP.
- a control signal is supplied to the gate electrode of the selection transistor SEL as a selection signal. When the control signal is turned on, the selection transistor SEL becomes conductive, and the pixel 121 connected to the selection transistor SEL becomes selected. When the pixel 121 becomes selected, the pixel signal output from the amplification transistor AMP is read out to the column signal processing unit 114 via the vertical signal line VSL (123).
- planar layout of each transistor within pixel 121 is not limited to that shown in Figure 23. If the arrangement of each transistor within pixel 121 changes, the locations of the photodiode PD and charge storage unit MEM located below them will also change.
- the specific configuration of the image sensor 101 in the fifth embodiment is basically the same as that in the first embodiment.
- the "transfer transistor TRG" in the fifth embodiment corresponds to the "transfer transistor TR” in the first embodiment
- the "gate electrode of the transfer transistor TRG” in the fifth embodiment corresponds to the "transfer gate TG” in the first embodiment.
- the technology disclosed herein can be applied not only to rolling shutter type image sensors, but also to global shutter type image sensors.
- Figure 25 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system, which is an example of a mobile object control system to which the technology disclosed herein can be applied.
- the drivetrain control unit 12010 controls the operation of devices related to the vehicle's drivetrain in accordance with various programs.
- the drivetrain control unit 12010 functions as a control device for a driveforce generating device such as an internal combustion engine or drive motor that generates vehicle driveforce, a driveforce transmission mechanism that transmits driveforce to the wheels, a steering mechanism that adjusts the vehicle's steering angle, and a braking device that generates vehicle braking force.
- the body system control unit 12020 controls the operation of various devices installed in the vehicle body according to various programs.
- the body system control unit 12020 functions as a control device for a keyless entry system, a smart key system, a power window device, or various lamps such as headlamps, backup lamps, brake lamps, turn signals, and fog lamps.
- radio waves transmitted from a portable device that serves as a key or signals from various switches can be input to the body system control unit 12020.
- the body system control unit 12020 accepts these radio waves or signal inputs and controls the vehicle's door lock device, power window device, lamps, etc.
- the imaging unit 12031 is an optical sensor that receives light and outputs an electrical signal according to the amount of light received.
- the imaging unit 12031 can output the electrical signal as an image, or as distance measurement information.
- the light received by the imaging unit 12031 may be visible light, or may be invisible light such as infrared light.
- the in-vehicle information detection unit 12040 detects information inside the vehicle. Connected to the in-vehicle information detection unit 12040 is, for example, a driver state detection unit 12041 that detects the driver's state.
- the driver state detection unit 12041 includes, for example, a camera that captures an image of the driver, and the in-vehicle information detection unit 12040 may calculate the driver's level of fatigue or concentration based on the detection information input from the driver state detection unit 12041, or may determine whether the driver is dozing off.
- the microcomputer 12051 can calculate control target values for the driving force generating device, steering mechanism, or braking device based on information inside and outside the vehicle acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, and output control commands to the drive system control unit 12010.
- the microcomputer 12051 can perform cooperative control aimed at realizing the functions of an ADAS (Advanced Driver Assistance System), including vehicle collision avoidance or impact mitigation, following driving based on the distance between vehicles, maintaining vehicle speed, vehicle collision warning, or vehicle lane departure warning.
- ADAS Advanced Driver Assistance System
- the microcomputer 12051 controls the driving force generating device, steering mechanism, braking device, etc. based on information about the vehicle's surroundings acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, thereby enabling cooperative control aimed at autonomous driving, which allows the vehicle to travel autonomously without relying on driver operation.
- the microcomputer 12051 can output control commands to the body system control unit 12020 based on information outside the vehicle acquired by the vehicle exterior information detection unit 12030.
- the microcomputer 12051 can control the headlamps according to the position of a preceding vehicle or an oncoming vehicle detected by the vehicle exterior information detection unit 12030, and perform cooperative control aimed at preventing glare, such as switching from high beams to low beams.
- the audio/video output unit 12052 transmits at least one audio and/or video output signal to an output device capable of visually or audibly notifying vehicle occupants or the outside of the vehicle of information.
- an audio speaker 12061, a display unit 12062, and an instrument panel 12063 are exemplified as output devices.
- the display unit 12062 may include, for example, at least one of an on-board display and a head-up display.
- Figure 26 shows an example of the installation position of the imaging unit 12031.
- the imaging unit 12031 includes imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105.
- At least one of the image capturing units 12101 to 12104 may have a function for acquiring distance information.
- at least one of the image capturing units 12101 to 12104 may be a stereo camera consisting of multiple image capturing elements, or an image capturing element having pixels for phase difference detection.
- the microcomputer 12051 determines the collision risk, which indicates the risk of collision with each obstacle, and when the collision risk is equal to or exceeds a set value and a collision is possible, it can provide driving assistance to avoid a collision by outputting an alarm to the driver via the audio speaker 12061 or the display unit 12062, or by performing forced deceleration or evasive steering via the drivetrain control unit 12010.
- At least one of the image capturing units 12101 to 12104 may be an infrared camera that detects infrared rays.
- the microcomputer 12051 can recognize pedestrians by determining whether or not a pedestrian is present in the images captured by the image capturing units 12101 to 12104. Such pedestrian recognition is performed, for example, by extracting feature points in the images captured by the image capturing units 12101 to 12104 as infrared cameras, and performing pattern matching processing on a series of feature points that indicate the outline of an object to determine whether or not the object is a pedestrian.
- the audio/video output unit 12052 controls the display unit 12062 to superimpose a rectangular outline on the recognized pedestrian for emphasis.
- the audio/video output unit 12052 may also control the display unit 12062 to display an icon or the like indicating the pedestrian in a desired position.
- Item 2 Item 1, an imaging device according to item 1,
- the FD boosting region is disposed so as to surround the FD connection region in a front view of the image sensor.
- the imaging element a first semiconductor substrate, an interlayer insulating layer stacked on an upper surface side of the first semiconductor substrate, and a second semiconductor substrate stacked on an upper surface side of the interlayer insulating layer; the photoelectric conversion portion and the floating diffusion are formed in the first semiconductor substrate, the N-type semiconductor regions of the FD connection region and the FD boosting region, and the P-type semiconductor region and the N-type semiconductor region of the PN junction are formed within the second semiconductor substrate.
- the imaging element a first semiconductor substrate, an interlayer insulating layer stacked on an upper surface side of the first semiconductor substrate, and a second semiconductor substrate stacked on an upper surface side of the interlayer insulating layer; the photoelectric conversion portion and the floating diffusion are formed in the first semiconductor substrate, the N-type semiconductor regions of the FD connection region and the FD boosting region, and the P-
- Image sensor 111 Pixel array section 112 Vertical drive section 113 Ramp wave module 114 Column signal processing section 115 Clock module 116 Data storage section 117 Horizontal drive section 118 System control section 119 Signal processing section 121 Pixel 122 Pixel drive line 123 Vertical signal line 124 Readout circuit 150 FD sharing unit 10 First layer 11 First semiconductor substrate 11c Highly doped P-type region 12 Interlayer insulating layer 15 Polysilicon wiring layer 15N N-type polysilicon region 15P P-type polysilicon region 15I Intrinsic polysilicon region (resistance region) 20 Second layer 21 Second semiconductor substrate 21N N-type semiconductor region 21P P-type semiconductor region 21I Intrinsic semiconductor region (resistance region) 22, 23 Interlayer insulating layer 24 Insulating layer inside through hole 29 Wiring layer 291, 292 Connection wiring 30 Third layer 31 Third semiconductor substrate 32 Interlayer insulating layer 34 Insulating layer inside through hole 39 Wiring layer 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 Vertical wiring 41a, 42a Pad electrode 50 FD connection region 60
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
Description
本開示は、光電変換による撮像を行う撮像素子、電子機器に関する。 This disclosure relates to imaging elements and electronic devices that capture images through photoelectric conversion.
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどの撮像素子は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに広く用いられている。 Imaging elements such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors are widely used in digital still cameras, digital video cameras, and other devices.
COMSイメージセンサは、複数の画素を有している。CMOSイメージセンサの各画素に入射した光は、各画素が有するフォトダイオードにおいて光電変換されて、電荷を生じさせる。各画素のフォトダイオードにおいて生じた電荷は、転送トランジスタを介して、フローティングディフュージョン(FD)に転送される。 A CMOS image sensor has multiple pixels. Light incident on each pixel of a CMOS image sensor is photoelectrically converted in the photodiode of each pixel, generating an electric charge. The electric charge generated in the photodiode of each pixel is transferred to a floating diffusion (FD) via a transfer transistor.
このようなCMOSイメージセンサにおいて、フローティングディフュージョンFDを昇圧するための昇圧配線(FD昇圧配線)を設けることが提案されている(特許文献1参照)。このFD昇圧配線によって、転送トランジスタを介してFDに電荷が転送される際にFDを昇圧することで、FDのダイナミックレンジを確保し、くみ上げ特性の悪化を抑制することができる。 In such CMOS image sensors, it has been proposed to provide boost wiring (FD boost wiring) to boost the voltage of the floating diffusion FD (see Patent Document 1). This FD boost wiring boosts the FD when charge is transferred to the FD via the transfer transistor, thereby ensuring the dynamic range of the FD and preventing deterioration of the pumping characteristics.
本開示に係る技術は、改良されたFD昇圧機能付きの撮像素子を提供することを課題のとする。 The objective of the technology disclosed herein is to provide an image sensor with an improved FD boost function.
本開示の一側面による撮像素子は、受光量に応じた電荷を光電変換により生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部から転送されてきた電荷を保持する複数のフローティングディフュージョンと、前記光電変換部で生成された電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する複数の転送ゲートと、前記複数のフローティングディフュージョンを接続する配線領域であるFD接続領域と、前記FD接続領域を昇圧するための配線領域であるFD昇圧領域と、前記複数の転送ゲートのゲート信号線と前記FD昇圧領域とを電気的に接続する複数の第1配線経路と、前記FD昇圧領域とグランドとを抵抗を介して電気的に接続する第2配線経路と、を有し、前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型半導体領域で構成され、前記第1配線経路は、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有する。前記FD昇圧領域は、正面視において、前記FD接続領域を囲むように配置されていてもよい。 An imaging element according to one aspect of the present disclosure includes a plurality of photoelectric conversion units that generate charges according to the amount of received light through photoelectric conversion; a plurality of floating diffusions that hold the charges transferred from the photoelectric conversion units; a plurality of transfer gates that transfer the charges generated in the photoelectric conversion units to the floating diffusions; an FD connection region that is a wiring region that connects the plurality of floating diffusions; an FD boost region that is a wiring region for boosting the FD connection region; a plurality of first wiring paths that electrically connect the gate signal lines of the plurality of transfer gates to the FD boost region; and a second wiring path that electrically connects the FD boost region to ground via a resistor, wherein the FD connection region and the FD boost region are formed from N-type semiconductor regions, and the first wiring path has a PN junction formed from a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region. The FD boost region may be arranged to surround the FD connection region in a front view.
前記撮像素子は、第1半導体基板と、前記第1半導体基板の上面側に積層された層間絶縁層と、前記層間絶縁層の上面側に積層された第2半導体基板と、を有し、前記光電変換部及び前記フローティングディフュージョンは、前記第1半導体基板内に形成され、前記前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域のN型半導体領域と、前記PN接合のP型半導体領域及びN型半導体領域とは、前記第2半導体基板内に形成されていてもよい。 The imaging element may have a first semiconductor substrate, an interlayer insulating layer stacked on the upper surface of the first semiconductor substrate, and a second semiconductor substrate stacked on the upper surface of the interlayer insulating layer, and the photoelectric conversion section and the floating diffusion may be formed within the first semiconductor substrate, and the N-type semiconductor regions of the FD connection region and the FD boost region, and the P-type semiconductor region and N-type semiconductor region of the PN junction may be formed within the second semiconductor substrate.
前記撮像素子は、前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域がN型ポリシリコン領域で構成されるとともに、第1半導体基板と、前記第1半導体基板の上面側に積層された層間絶縁層と、前記層間絶縁層の上面側に積層された第2半導体基板と、を有し、前記光電変換部及び前記フローティングディフュージョンは、前記第1半導体基板内に形成され、前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域のN型ポリシリコン領域は、前記層間絶縁層内に形成され、前記PN接合のP型半導体領域及びN型半導体領域は、前記第2半導体基板内に形成されていてもよい。前記第2半導体基板上には、読出し回路を構成する複数のトランジスタのうちの少なくとも1つが形成されていてもよい。 The image sensor may have the FD connection region and the FD boost region formed of N-type polysilicon regions, and may have a first semiconductor substrate, an interlayer insulating layer stacked on the upper surface of the first semiconductor substrate, and a second semiconductor substrate stacked on the upper surface of the interlayer insulating layer, wherein the photoelectric conversion unit and the floating diffusion are formed in the first semiconductor substrate, the N-type polysilicon regions of the FD connection region and the FD boost region are formed in the interlayer insulating layer, and the P-type semiconductor region and N-type semiconductor region of the PN junction are formed in the second semiconductor substrate. At least one of a plurality of transistors constituting a readout circuit may be formed on the second semiconductor substrate.
また、本開示の一側面による撮像素子は、受光量に応じた電荷を光電変換により生成する複数の光電変換部と、前記光電変換部から転送されてきた電荷を保持する複数のフローティングディフュージョンと、前記光電変換部で生成された電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する複数の転送ゲートと、前記複数のフローティングディフュージョンを接続する配線領域であるFD接続領域と、前記FD接続領域を昇圧するための配線領域であるFD昇圧領域と、前記複数の転送ゲートのゲート信号線と前記FD昇圧領域とを電気的に接続する複数の第1配線経路と、前記FD昇圧領域に電気的に接続された電源であって、グランド電圧と前記転送ゲートのON電圧とを切り替えて供給できる電源であるFD昇圧電源と、を備え、前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型半導体領域で構成され、前記第1配線経路は、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有し、前記FD昇圧電源は、前記複数の転送ゲートのいずれかがONのとき、前記ON電圧を前記FD昇圧領域に供給し、前記複数の転送ゲートのすべてがOFFのとき、前記グランド電圧を前記FD昇圧領域に供給する。前記FD昇圧領域は、正面視において、前記FD接続領域を囲むように配置されていてもよい。 Furthermore, an imaging element according to one aspect of the present disclosure includes a plurality of photoelectric conversion units that generate charges according to the amount of received light through photoelectric conversion, a plurality of floating diffusions that hold the charges transferred from the photoelectric conversion units, a plurality of transfer gates that transfer the charges generated in the photoelectric conversion units to the floating diffusions, an FD connection region that is a wiring region that connects the plurality of floating diffusions, an FD boost region that is a wiring region for boosting the FD connection region, and a plurality of gate signal lines that electrically connect the gate signal lines of the plurality of transfer gates to the FD boost region. and a FD boost power supply electrically connected to the FD boost region that can switch between a ground voltage and an ON voltage for the transfer gate, wherein the FD connection region and the FD boost region are formed of N-type semiconductor regions, and the first wiring path has a PN junction formed of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region, and the FD boost power supply supplies the ON voltage to the FD boost region when any of the multiple transfer gates is ON, and supplies the ground voltage to the FD boost region when all of the multiple transfer gates are OFF. The FD boost region may be arranged to surround the FD connection region in a front view.
前記撮像素子は、前記複数の光電変換部と、前記複数のフローティングディフュージョンと、前記複数の転送ゲートと、前記FD接続領域と、前記FD昇圧領域と、前記複数の第1配線経路とを有する構成単位であるFD共有単位を複数有し、複数の前記FD共有単位は、正面視において、一方向に並んで配列され、前記一方向で隣接している2つの前記FD共有単位の前記FD昇圧領域は、相互に接続されており、前記FD昇圧電源は、前記一方向に並んで配置された複数の前記FD共有単位のうち最も外側に位置する前記FD共有単位の前記FD昇圧領域に接続されていてもよい。 The imaging element may have a plurality of FD shared units, which are structural units each having the plurality of photoelectric conversion units, the plurality of floating diffusions, the plurality of transfer gates, the FD connection region, the FD boost region, and the plurality of first wiring paths, and the plurality of FD shared units may be arranged side by side in one direction when viewed from the front, the FD boost regions of two FD shared units adjacent in the one direction may be connected to each other, and the FD boost power supply may be connected to the FD boost region of the FD shared unit located outermost among the plurality of FD shared units arranged side by side in the one direction.
本開示の一側面による電子機器は、前記撮像素子を備えた電子機器である。 An electronic device according to one aspect of the present disclosure is an electronic device equipped with the imaging element.
以下、本開示の実施の形態の一例について、図面を参照しつつ説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1実施形態
2.第2実施形態
3.第3実施形態
4.第4実施形態
5.第5実施形態
6.電子機器への適用例
7.移動体への適用例
8.まとめ
Hereinafter, an example of an embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The description will be made in the following order.
1. First embodiment 2. Second embodiment 3. Third embodiment 4. Fourth embodiment 5. Fifth embodiment 6. Application example to electronic devices 7. Application example to mobile objects 8. Summary
<1.第1実施形態>
まず、第1実施形態の撮像素子101について説明する。
1. First embodiment
First, the image sensor 101 of the first embodiment will be described.
(撮像素子101の基本構成)
第1実施形態の撮像素子101は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサによるローリングシャッタ方式の裏面照射型のイメージセンサである。
(Basic configuration of the image sensor 101)
The image sensor 101 of the first embodiment is a rolling shutter type back-illuminated image sensor using a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor.
裏面照射型のイメージセンサとは、半導体基板の裏面を被写体からの光が入射する受光面とするイメージセンサである。裏面照射型のイメージセンサでは、受光面と各画素を駆動させるトランジスタ等の配線が設けられた配線層との間に、被写体からの光を受光して電気信号に変換するフォトダイオード等の光電変換部が画素毎に配置されている。 A back-illuminated image sensor is an image sensor in which the back surface of a semiconductor substrate serves as the light-receiving surface where light from the subject enters. In a back-illuminated image sensor, a photoelectric conversion unit such as a photodiode that receives light from the subject and converts it into an electrical signal is located for each pixel between the light-receiving surface and a wiring layer containing wiring such as transistors that drive each pixel.
なお、本開示に係る技術は、CMOSイメージセンサ以外の撮像方式のイメージセンサにも適用できる場合がありうる。また、本開示に係る技術は、ローリングシャッタ方式だけでなく、グローバルシャッタ方式の撮像素子に適用することも可能である。後述の第5実施形態の撮像素子101は、グローバルシャッタ方式の撮像素子である。 Note that the technology disclosed herein may also be applicable to image sensors using imaging methods other than CMOS image sensors. Furthermore, the technology disclosed herein may also be applied to image sensors using global shutter methods, in addition to rolling shutter methods. The image sensor 101 of the fifth embodiment described below is a global shutter type image sensor.
図1は、本実施形態の撮像素子101の概略構成を示すブロック図である。 Figure 1 is a block diagram showing the general configuration of the image sensor 101 of this embodiment.
本実施形態の撮像素子101は、後述するとおり、半導体基板11上に形成されるものであるため、正確には固体撮像素子であるが、以下では、単に撮像素子と呼ぶ。 As will be described later, the image sensor 101 of this embodiment is formed on a semiconductor substrate 11, and therefore is technically a solid-state image sensor, but hereinafter it will be simply referred to as an image sensor.
撮像素子101は、例えば、画素アレイ部111と、垂直駆動部112と、ランプ波モジュール113と、カラム信号処理部114と、クロックモジュール115と、データ格納部116と、水平駆動部117と、システム制御部118と、信号処理部119と、を備える。 The image sensor 101 includes, for example, a pixel array unit 111, a vertical drive unit 112, a ramp wave module 113, a column signal processing unit 114, a clock module 115, a data storage unit 116, a horizontal drive unit 117, a system control unit 118, and a signal processing unit 119.
画素アレイ部111は、被写体から入射した光の量に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換素子を含む画素121を複数有する。複数の画素121は、図1に示すように、横方向(行方向)及び縦方向(列方向)のそれぞれに配列される。 The pixel array section 111 has a plurality of pixels 121, each of which includes a photoelectric conversion element that generates and accumulates an electric charge according to the amount of light incident from the subject. As shown in Figure 1, the plurality of pixels 121 are arranged in both the horizontal direction (row direction) and the vertical direction (column direction).
また、画素アレイ部111は、画素駆動線122と、垂直信号線123と、を有する。画素駆動線122は、行方向に一列に配列された画素121からなる画素行ごとに、行方向に沿って配線されている。垂直信号線123は、列方向に一列に配列された画素121からなる画素列ごとに、列方向に沿って配線されている。 The pixel array section 111 also has pixel drive lines 122 and vertical signal lines 123. The pixel drive lines 122 are wired along the row direction for each pixel row made up of pixels 121 arranged in a row in the row direction. The vertical signal lines 123 are wired along the column direction for each pixel column made up of pixels 121 arranged in a row in the column direction.
垂直駆動部112は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどからなる。垂直駆動部112は、複数の画素駆動線122を介して複数の画素121に対して信号等をそれぞれ供給することにより、画素アレイ部111における複数の画素121の全てを同時に駆動させ、又は、画素行単位で駆動させる。 The vertical drive unit 112 is composed of a shift register, an address decoder, etc. The vertical drive unit 112 supplies signals, etc. to the multiple pixels 121 via the multiple pixel drive lines 122, thereby driving all of the multiple pixels 121 in the pixel array unit 111 simultaneously, or driving them on a pixel row basis.
ランプ波モジュール113は、画素信号のA/D(Analog/Digital)変換に用いるランプ波信号を生成し、カラム信号処理部114に供給する。 The ramp wave module 113 generates a ramp wave signal used for A/D (Analog/Digital) conversion of pixel signals and supplies it to the column signal processing unit 114.
カラム信号処理部114は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどからなり、ノイズ除去処理、相関二重サンプリング処理、A/D変換処理等を行い、画素信号を生成する。カラム信号処理部114は、生成した画素信号を信号処理部119に供給する。 The column signal processing unit 114 is composed of a shift register, address decoder, etc., and performs noise removal processing, correlated double sampling processing, A/D conversion processing, etc. to generate pixel signals. The column signal processing unit 114 supplies the generated pixel signals to the signal processing unit 119.
クロックモジュール115は、撮像素子101の各部に対して、動作用のクロック信号を供給する。 The clock module 115 supplies operating clock signals to each part of the image sensor 101.
水平駆動部117は、カラム信号処理部114の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部117による選択走査により、カラム信号処理部114において単位回路ごとに信号処理された画素信号が、順番に信号処理部119に出力されるようになっている。 The horizontal drive unit 117 sequentially selects unit circuits corresponding to pixel columns in the column signal processing unit 114. Through selective scanning by this horizontal drive unit 117, pixel signals that have been signal-processed for each unit circuit in the column signal processing unit 114 are output sequentially to the signal processing unit 119.
システム制御部118は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどからなる。システム制御部118は、タイミングジェネレータで生成されたタイミング信号に基づいて、垂直駆動部112、ランプ波モジュール113、カラム信号処理部114、クロックモジュール115及び水平駆動部117の駆動制御を行なう。 The system control unit 118 consists of a timing generator that generates various timing signals. Based on the timing signals generated by the timing generator, the system control unit 118 controls the driving of the vertical drive unit 112, ramp wave module 113, column signal processing unit 114, clock module 115, and horizontal drive unit 117.
信号処理部119は、必要に応じて、データ格納部116にデータを一時的に格納しながら、カラム信号処理部114から供給された画素信号に対して演算処理等の信号処理を行ない、各画素信号からなる画像信号を出力する。 The signal processing unit 119 performs signal processing such as arithmetic processing on the pixel signals supplied from the column signal processing unit 114 while temporarily storing data in the data storage unit 116 as necessary, and outputs an image signal made up of each pixel signal.
撮像素子101は、複数の半導体基板にて構成される。例えば、撮像装置101は、画素アレイ部111が形成される半導体基板と、垂直駆動部112、ランプ波モジュール113、カラム信号処理部114、クロックモジュール115、データ格納部116、水平駆動部117、システム制御部118及び信号処理部119が形成される半導体基板と、を積層することによって構成される。また、画素アレイ部111を構成する要素の一部をさらに別の半導体基板に形成することも可能である。後述のとおり、第1実施形態の撮像素子101は、画素アレイ部111を構成する要素の一部(具体的には、後述の読出し回路124を構成するリセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP及び選択トランジスタSEL)がさらに別の半導体基板に形成されたものとなっている。 The image sensor 101 is composed of multiple semiconductor substrates. For example, the image sensor 101 is composed by stacking a semiconductor substrate on which the pixel array section 111 is formed and a semiconductor substrate on which the vertical drive section 112, ramp wave module 113, column signal processing section 114, clock module 115, data storage section 116, horizontal drive section 117, system control section 118, and signal processing section 119 are formed. It is also possible to form some of the elements that make up the pixel array section 111 on a separate semiconductor substrate. As described below, in the image sensor 101 of the first embodiment, some of the elements that make up the pixel array section 111 (specifically, the reset transistor RST, amplification transistor AMP, and selection transistor SEL that make up the readout circuit 124 described below) are formed on a separate semiconductor substrate.
図2は、画素121及び読出し回路124の回路構成を示す図である。図3は、画素アレイ部111内の一部の画素領域の平面レイアウト図である。図3は、2×2の4画素分の領域を示している。また、図3に示されている画素は、1画素内に2つのフォトダイオードPDが配置された構造(いわゆる、デュアルフォトダイオード構造)を有している。 FIG. 2 is a diagram showing the circuit configuration of the pixel 121 and readout circuit 124. FIG. 3 is a planar layout diagram of a portion of the pixel area in the pixel array section 111. FIG. 3 shows a 2 x 2, or four-pixel area. The pixel shown in FIG. 3 has a structure in which two photodiodes PD are arranged within one pixel (a so-called dual photodiode structure).
第1実施形態の撮像素子101は、デュアルフォトダイオード構造により、画素アレイ部111のすべての画素において位相差の検出が可能となっていることから、位相差の検出の精度が向上したものとなっている。また、第1実施形態の撮像素子101は、すべての画素において撮像を行うことができることから、位相差検出画素による撮像画像の劣化を避けることができるものとなっている。 The image sensor 101 of the first embodiment has a dual photodiode structure that enables phase difference detection in all pixels of the pixel array section 111, thereby improving the accuracy of phase difference detection. Furthermore, because the image sensor 101 of the first embodiment can capture images in all pixels, it is possible to avoid degradation of captured images caused by phase difference detection pixels.
なお、本開示に係る技術は、デュアルフォトダイオード構造の画素だけでなく、1画素に1つのフォトダイオードPDを有する通常の画素に適用することも可能である。 The technology disclosed herein can be applied not only to pixels with a dual photodiode structure, but also to regular pixels with one photodiode PD per pixel.
図2及び図3に示すように、第1実施形態の撮像素子101では、4つの画素121が1つの読出し回路124を共有している。 As shown in Figures 2 and 3, in the image sensor 101 of the first embodiment, four pixels 121 share one readout circuit 124.
画素121は、フォトダイオードPDと、転送トランジスタTRと、フローティングディフュージョンFDと、を有する。図示された例では、2つの画素121が1つのフローティングディフュージョンFDを共有している。 The pixel 121 has a photodiode PD, a transfer transistor TR, and a floating diffusion FD. In the illustrated example, two pixels 121 share one floating diffusion FD.
読出し回路124は、リセットトランジスタRSTと、増幅トランジスタAMPと、選択トランジスタSELと、を有する。 The readout circuit 124 includes a reset transistor RST, an amplification transistor AMP, and a selection transistor SEL.
なお、図3の平面レイアウト図には、読出し回路124を構成するリセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP及び選択トランジスタSELが示されていない。その理由は、図3に示す例では、これらのトランジスタは、画素アレイ部111の主要部分(フォトダイオードPD、転送トランジスタTR、フローティングディフュージョンFDなど)が配置される半導体基板(後述の、第1半導体基板11)とは別の半導体基板(後述の、第3半導体基板31)に形成されているためである。 Note that the planar layout diagram of Figure 3 does not show the reset transistor RST, amplification transistor AMP, and selection transistor SEL that make up the readout circuit 124. This is because, in the example shown in Figure 3, these transistors are formed on a semiconductor substrate (a third semiconductor substrate 31, described below) separate from the semiconductor substrate (a first semiconductor substrate 11, described below) on which the main parts of the pixel array section 111 (such as the photodiode PD, transfer transistor TR, and floating diffusion FD) are arranged.
フォトダイオードPDは、受光量に応じた電荷を光電変換により生成する。フォトダイオードPDは、本開示の「光電変換部」の一具体例に相当する。フォトダイオードPDのアノードは、グランドGNDに接続されている。フォトダイオードPDのカソードは、転送トランジスタTRのドレインに接続されている。 The photodiode PD generates an electric charge according to the amount of light received through photoelectric conversion. The photodiode PD corresponds to a specific example of a "photoelectric conversion unit" in this disclosure. The anode of the photodiode PD is connected to ground GND. The cathode of the photodiode PD is connected to the drain of the transfer transistor TR.
転送トランジスタTRは、フォトダイオードPDで光電変換された電荷(画素信号)を、フローティングディフュージョンFDに転送する。転送トランジスタTRは、転送ゲートTG(ゲート電極)を有する。転送トランジスタTRのソースは、フォトダイオードPDのカソードに接続されている。転送トランジスタTRのドレインは、フローティングディフュージョンFDに接続されている。転送ゲートTGは、画素駆動線122に接続されている。 The transfer transistor TR transfers the charge (pixel signal) photoelectrically converted by the photodiode PD to the floating diffusion FD. The transfer transistor TR has a transfer gate TG (gate electrode). The source of the transfer transistor TR is connected to the cathode of the photodiode PD. The drain of the transfer transistor TR is connected to the floating diffusion FD. The transfer gate TG is connected to the pixel drive line 122.
フローティングディフュージョンFDは、フォトダイオードPDから、転送トランジスタTRを介して、転送された電荷を一時的に保持する浮遊拡散領域である。フローティングディフュージョンFDは、転送トランジスタTRGのドレイン、リセットトランジスタRSTのソース及び増幅トランジスタAMPのゲートに接続されている。 The floating diffusion FD is a floating diffusion region that temporarily holds the charge transferred from the photodiode PD via the transfer transistor TR. The floating diffusion FD is connected to the drain of the transfer transistor TRG, the source of the reset transistor RST, and the gate of the amplification transistor AMP.
前述のとおり、図示された例では、2つの画素121が1つのフローティングディフュージョンFDを共有している。また、それぞれが2つの画素121によって共有されている2つのフローティングディフュージョンFDは、配線によって、電気的に接続されている。そのため、この2つのフローティングディフュージョンFDは、実質的に1つのフローティングディフュージョンを構成しているといえる。つまり、4つの画素121は、2つのフローティングディフュージョンFD及び配線からなる実質的に1つのフローティングディフュージョンを共有しているといえる。 As mentioned above, in the illustrated example, two pixels 121 share one floating diffusion FD. Furthermore, the two floating diffusions FD, each shared by two pixels 121, are electrically connected by wiring. Therefore, it can be said that these two floating diffusions FD essentially constitute one floating diffusion. In other words, it can be said that the four pixels 121 essentially share one floating diffusion consisting of the two floating diffusions FD and wiring.
なお、図示された例では、画素121がデュアルフォトダイオード構造を有していることから、4つのフォトダイオードが、1つのフローティングディフュージョンFDを共有しているといえる。また、8つのフォトダイオードPDが、2つのフローティングディフュージョンFD及び配線からなる実質的に1つのフローティングディフュージョンを共有しているといえる。 In the illustrated example, pixel 121 has a dual photodiode structure, so four photodiodes share one floating diffusion FD. Also, eight photodiodes PD essentially share one floating diffusion consisting of two floating diffusions FD and wiring.
本明細書では、この実質的に1つのフローティングディフュージョン(図示された例では、2つのフローティングディフュージョンFD及びそれらを接続する配線からなる)を共有する画素121の集まりを「FD共有単位(150)」ということにする。図示された例では、FD共有単位150は、4つの画素121と、配線で接続された2つフローティングディフュージョンPDと、を有している。ただし、本開示に係る技術のFD共有単位150は、4つの画素121で構成されたものに限定されない。また、1つのFD共有単位150が有するフローティングディフュージョンPDの数も2つに限定されない。 In this specification, a group of pixels 121 that essentially share one floating diffusion (in the illustrated example, consisting of two floating diffusions FD and the wiring connecting them) is referred to as an "FD sharing unit (150)." In the illustrated example, the FD sharing unit 150 has four pixels 121 and two floating diffusions PD connected by wiring. However, the FD sharing unit 150 of the technology disclosed herein is not limited to being composed of four pixels 121. Furthermore, the number of floating diffusions PD included in one FD sharing unit 150 is not limited to two.
リセットトランジスタRSTは、ゲート電極に印加される制御信号に応じて、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDまでの各領域を初期化(リセット)する。リセットトランジスタRSTのドレインは、電源線VDDに接続されている。リセットトランジスタRSTのソースは、フローティングディフュージョンFDに接続されている。 The reset transistor RST initializes (resets) each region from the photodiode PD to the floating diffusion FD in response to a control signal applied to its gate electrode. The drain of the reset transistor RST is connected to the power supply line VDD. The source of the reset transistor RST is connected to the floating diffusion FD.
例えば、転送トランジスタTR及びリセットトランジスタRSTがオンすると、フォトダイオードPD及びフローティングディフュージョンFDの電位が電源線VDDの電位レベルにリセットされる。すなわち、リセットトランジスタRSTをオンすることで、フォトダイオードPD及びフローティングディフュージョンFDの初期化が行われる。 For example, when the transfer transistor TR and reset transistor RST are turned on, the potentials of the photodiode PD and floating diffusion FD are reset to the potential level of the power supply line VDD. In other words, turning on the reset transistor RST initializes the photodiode PD and floating diffusion FD.
増幅トランジスタAMPは、ゲート電極がフローティングディフュージョンFDに接続され、ドレインが電源線VDDに接続されており、フォトダイオードPDでの光電変換によって得られる電荷を読み出すソースフォロワ回路の入力部となる。すなわち、増幅トランジスタAMPは、ソースが選択トランジスタSELを介して垂直信号線VSL(123)に接続されることにより、垂直信号線VSL(123)の一端に接続される定電流源とソースフォロワ回路を構成する。 The amplifier transistor AMP has a gate electrode connected to the floating diffusion FD and a drain connected to the power supply line VDD, and serves as the input of a source follower circuit that reads out the charge obtained by photoelectric conversion in the photodiode PD. In other words, the amplifier transistor AMP has a source connected to the vertical signal line VSL (123) via the selection transistor SEL, and thus forms a source follower circuit with the constant current source connected to one end of the vertical signal line VSL (123).
選択トランジスタSELは、ソースが垂直信号線VSL(123)に接続され、ドレインが増幅トランジスタAMPのソースに接続されている。選択トランジスタSELのゲート電極には、選択信号として制御信号が供給される。選択トランジスタSELは、制御信号がオンすると導通状態となり、選択トランジスタSELに連結された画素121が選択状態となる。画素121が選択状態になると、増幅トランジスタAMPから出力される画素信号が、垂直信号線VSL(123)を介してカラム信号処理部114に読み出される。 The source of the selection transistor SEL is connected to the vertical signal line VSL (123), and the drain is connected to the source of the amplification transistor AMP. A control signal is supplied to the gate electrode of the selection transistor SEL as a selection signal. When the control signal is turned on, the selection transistor SEL becomes conductive, and the pixel 121 connected to the selection transistor SEL becomes selected. When the pixel 121 becomes selected, the pixel signal output from the amplification transistor AMP is read out to the column signal processing unit 114 via the vertical signal line VSL (123).
なお、画素121内の転送トランジスタTRの転送ゲートTGの平面レイアウトは、図3に示したものに限定されない。画素121内の転送ゲートTGの配置が変われば、その下方に配置されるフォトダイオードPDの配置場所も変化する。 Note that the planar layout of the transfer gate TG of the transfer transistor TR in the pixel 121 is not limited to that shown in Figure 3. If the arrangement of the transfer gate TG in the pixel 121 changes, the location of the photodiode PD located below it will also change.
以上、撮像素子101の基本的構成について説明した。 The basic configuration of the image sensor 101 has been explained above.
(第1実施形態の撮像素子101の具体的構成)
次に、第1実施形態の撮像素子101の具体的構成について説明する。
(Specific configuration of the image sensor 101 according to the first embodiment)
Next, a specific configuration of the image sensor 101 according to the first embodiment will be described.
図4は、第1実施形態の撮像素子101の構成を示す平面レイアウト図である。 Figure 4 is a planar layout diagram showing the configuration of the image sensor 101 of the first embodiment.
図5は、第1実施形態の撮像素子101の構成を示す縦断面図であり、図4のA-Bの経路に沿った断面を示す。図6は、第1実施形態の撮像素子101の構成を示す縦断面図であり、図4のC-D-Eの経路に沿った断面を示す。図7は、第1実施形態の撮像素子101の構成を示す縦断面図であり、図4のC-D-Fの経路に沿った断面を示す。 FIG. 5 is a longitudinal cross-sectional view showing the configuration of the image sensor 101 of the first embodiment, taken along the path A-B in FIG. 4. FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view showing the configuration of the image sensor 101 of the first embodiment, taken along the path C-D-E in FIG. 4. FIG. 7 is a longitudinal cross-sectional view showing the configuration of the image sensor 101 of the first embodiment, taken along the path C-D-F in FIG. 4.
図8は、第1実施形態の撮像素子101の回路構成及び動作を示す図である。 Figure 8 is a diagram showing the circuit configuration and operation of the image sensor 101 of the first embodiment.
まず、フローティングディフュージョンFDを昇圧する機能に関係する構成について簡単に説明する。 First, we will briefly explain the configuration related to the function of boosting the floating diffusion FD.
図8に示すように、撮像素子101のFD共有単位150は、FD接続領域50と、FD昇圧領域60と、第1配線経路61と、第2配線経路62と、を有する。 As shown in FIG. 8, the FD sharing unit 150 of the image sensor 101 has an FD connection region 50, an FD boost region 60, a first wiring path 61, and a second wiring path 62.
FD接続領域50は、PD共有単位に含まれる2のフローティングディフュージョンFDを接続する配線領域である。図4~図7に示す例では、FD接続領域50は、N型半導体領域21Nによって構成されている。また、各フローティングディフュージョンFDとFD接続領域50とは、垂直配線41、42によって電気的に接続されている。 The FD connection region 50 is a wiring region that connects two floating diffusions FD included in a PD sharing unit. In the example shown in Figures 4 to 7, the FD connection region 50 is composed of an N-type semiconductor region 21N. Furthermore, each floating diffusion FD and the FD connection region 50 are electrically connected by vertical wiring 41, 42.
FD昇圧領域60は、フローティングディフュージョンFDを昇圧するための配線領域である。FD昇圧領域60は、FD接続領域50を囲むように配置されている。図4~図7に示す例では、FD昇圧領域60は、N型半導体領域21Nによって構成されている。 The FD boost region 60 is a wiring region for boosting the floating diffusion FD. The FD boost region 60 is arranged to surround the FD connection region 50. In the example shown in Figures 4 to 7, the FD boost region 60 is composed of an N-type semiconductor region 21N.
第1配線経路61は、それぞれの転送ゲートTGのゲート信号線(VGT)とFD昇圧領域60とを電気的に接続する配線経路である。また、第1配線経路61は、PN接合を有する。第1配線経路61は、転送ゲートTG毎に設けられている。つまり、撮像素子101のFD共有単位150は、転送ゲートTGと同じ数の第1配線経路61を有している。 The first wiring paths 61 are wiring paths that electrically connect the gate signal lines (V GT ) of the respective transfer gates TG to the FD boosting regions 60. The first wiring paths 61 also have PN junctions. The first wiring paths 61 are provided for each transfer gate TG. In other words, the FD sharing unit 150 of the image sensor 101 has the same number of first wiring paths 61 as the number of transfer gates TG.
図4~図7に示す例では、第1配線経路61は、垂直配線43-P型半導体領域21Pによって構成されている。また、第1配線経路61のPN接合は、第1配線経路61のP型半導体領域21PとFD昇圧領域60のN型半導体領域21Nとで構成されている。 In the example shown in Figures 4 to 7, the first wiring path 61 is composed of the vertical wiring 43 and the P-type semiconductor region 21P. The PN junction of the first wiring path 61 is composed of the P-type semiconductor region 21P of the first wiring path 61 and the N-type semiconductor region 21N of the FD boost region 60.
第2配線経路62は、FD昇圧領域60とグランドGNDとを電気的に接続する配線経路である。また、第2配線経路62は、抵抗Rを有する。図4~図7に示す例では、第2配線経路は、N型半導体領域21N及び真性半導体領域(抵抗領域)21Iからなる領域によって構成されており、真性半導体領域(抵抗領域)21Iが抵抗として機能する。 The second wiring path 62 is a wiring path that electrically connects the FD boost region 60 and ground GND. The second wiring path 62 also has a resistance R. In the example shown in Figures 4 to 7, the second wiring path is composed of an N-type semiconductor region 21N and an intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I, and the intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I functions as a resistor.
そして、図8に示すように、PD共有単位に存在する複数の転送ゲートTGのうちの1つの転送ゲートTGのゲート電圧VGTがON電圧VONとなったとき、その転送ゲートTGのゲート信号線(VGT)に接続する第1配線経路61のPN接合には、順方向バイアスがかかることになる。そのため、そのゲート信号線(VGT)からFD昇圧領域60に電流iが流れて、FD昇圧領域60の電位が上昇する。このFD昇圧領域60の電位の上昇にともなって、FD昇圧領域60に囲まれたFD接続領域50も昇圧されることになる。 8, when the gate voltage V GT of one of the multiple transfer gates TG present in the PD sharing unit becomes the ON voltage V ON , a forward bias is applied to the PN junction of the first wiring path 61 connected to the gate signal line (V GT ) of that transfer gate TG. As a result, a current i flows from that gate signal line (V GT ) to the FD boost region 60, and the potential of the FD boost region 60 rises. As the potential of the FD boost region 60 rises, the FD connection region 50 surrounded by the FD boost region 60 is also boosted.
また、ON電圧VONとなったゲート信号線(VGT)からFD昇圧領域60に電流iが流れて、FD昇圧領域60の電位が上昇しているとき、OFF電圧VOFFとなっているゲート信号線(VGT)とFD昇圧領域60とを接続する第1配線経路61のPN接合には、逆方向バイアスがかかることになる。そのため、FD昇圧領域60から他の転送ゲートTGのゲート信号線(VGT)に電流iが流入することはない。 Furthermore, when a current i flows from the gate signal line (V GT ) at the ON voltage V ON to the FD boost region 60 and the potential of the FD boost region 60 rises, a reverse bias is applied to the PN junction of the first wiring path 61 connecting the gate signal line (V GT ) at the OFF voltage V OFF and the FD boost region 60. Therefore, the current i does not flow from the FD boost region 60 to the gate signal line (V GT ) of another transfer gate TG.
また、前述のとおり、FD昇圧領域60は、抵抗Rを有する第2配線経路62を介してグランドGNDに接続されている。そのため、すべての転送ゲートTGのゲート電圧VGTがOFF電圧VOFFであるとき、FD昇圧領域60には、第2配線経路62を介して、GND電圧VGNDが印加されることになる。つまり、すべての転送ゲートTGのゲート電圧VGTがOFF電圧VOFFであるとき、FD昇圧領域60は、グランドGNDの電位を有することになる。 As described above, the FD boost region 60 is connected to ground GND via the second wiring path 62 having the resistance R. Therefore, when the gate voltages V GT of all the transfer gates TG are at the OFF voltage V OFF , the GND voltage V GND is applied to the FD boost region 60 via the second wiring path 62. In other words, when the gate voltages V GT of all the transfer gates TG are at the OFF voltage V OFF , the FD boost region 60 has the potential of ground GND.
このような構成により、第1実施形態の撮像素子101は、転送ゲートTGにON電圧VONを印加してフォトダイオードPDから画素信号を読み出す動作をするとき、同時に、フローティングディフュージョンFDの昇圧を行うことができるものとなっている。 With this configuration, the image sensor 101 of the first embodiment can boost the voltage of the floating diffusion FD when applying an ON voltage VON to the transfer gate TG to read out a pixel signal from the photodiode PD.
次に、第1実施形態の撮像素子101の具体的構成の詳細について説明する。 Next, we will explain in detail the specific configuration of the image sensor 101 of the first embodiment.
図4は、撮像素子101のFD共有単位150の平面レイアウトを示している。図5の縦断面図は、2つのフローティングディフュージョンFDをつなぐ経路に沿った断面を示している。図6の縦断面図は、電流iがゲート信号線(VGT)からグランドGNDまで流れるときの経路に沿った断面を示している。図7の縦断面図は、2つの転送ゲートTG(ゲート信号線(VGT))をつなぐ経路に沿った断面を示している。 Fig. 4 shows a planar layout of the FD sharing unit 150 of the image sensor 101. The vertical cross-sectional view of Fig. 5 shows a cross-section along a path connecting two floating diffusions FD. The vertical cross-sectional view of Fig. 6 shows a cross-section along a path when a current i flows from a gate signal line (V GT ) to ground GND. The vertical cross-sectional view of Fig. 7 shows a cross-section along a path connecting two transfer gates TG (gate signal lines (V GT )).
本明細書においては、撮像素子101の受光面の側を「下」側とし、受光面側とは反対の側を「上」側とする。また、撮像素子101を構成する各部分においては、下側の面を「下面」といい、上側の面を「上面」ということする。また、上下方向を「垂直方向」といい、上下方向と直行する方向を「水平方向」ということもある。 In this specification, the light-receiving surface side of the image sensor 101 is referred to as the "lower" side, and the side opposite the light-receiving surface side is referred to as the "upper" side. Furthermore, for each part that makes up the image sensor 101, the lower surface will be referred to as the "lower surface" and the upper surface will be referred to as the "upper surface." The up-and-down direction will also be referred to as the "vertical direction," and the direction perpendicular to the up-and-down direction will also be referred to as the "horizontal direction."
第1実施形態の撮像素子101は、第1層10と、第1層上に積層された第2層20と、第2層20上に積層された第3層30と、を有する。 The imaging element 101 of the first embodiment has a first layer 10, a second layer 20 stacked on the first layer, and a third layer 30 stacked on the second layer 20.
第1層10は、第1半導体基板11と、フォトダイオードPDと、フローティングディフュージョンFDと、転送ゲートTGと、層間絶縁層12と、垂直配線41と、パッド電極41aと、を有する。 The first layer 10 includes a first semiconductor substrate 11, a photodiode PD, a floating diffusion FD, a transfer gate TG, an interlayer insulating layer 12, vertical wiring 41, and a pad electrode 41a.
第1半導体基板11は、例えば、単結晶はシリコン基板である。 The first semiconductor substrate 11 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
フォトダイオードPDは、第1半導体基板11内に形成されている。フォトダイオードPDは、例えば、N型の半導体基板21にP型ウェルを設け、そのP型ウェル内に低濃度N型領域を設けることによって形成される。 The photodiode PD is formed in the first semiconductor substrate 11. The photodiode PD is formed, for example, by providing a P-type well in an N-type semiconductor substrate 21 and providing a low-concentration N-type region in the P-type well.
フローティングディフュージョンFDは、第1半導体基板11内の上面付近の領域に形成されている。フローティングディフュージョンFDは、例えば、P型ウェル内に設けられた高濃度N型領域として構成される。 The floating diffusion FD is formed in a region near the top surface of the first semiconductor substrate 11. The floating diffusion FD is configured, for example, as a high-concentration N-type region provided in a P-type well.
ゲート電極TGは、図5~図7の例では、半導体基板11の上面と平行な方向に延びる水平ゲート電極で形成されている。ゲート電極TGは、半導体基板11の上面と平行な方向に延びる水平ゲート電極と、半導体基板11の深さ方向に延びる垂直ゲート電極と、を有するものであってもよい。 In the examples of Figures 5 to 7, the gate electrode TG is formed of a horizontal gate electrode extending in a direction parallel to the upper surface of the semiconductor substrate 11. The gate electrode TG may also have a horizontal gate electrode extending in a direction parallel to the upper surface of the semiconductor substrate 11 and a vertical gate electrode extending in the depth direction of the semiconductor substrate 11.
層間絶縁層12は、第1半導体基板11の上面側に積層されている。層間絶縁層12は、例えば、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料により構成される。 The interlayer insulating layer 12 is laminated on the upper surface side of the first semiconductor substrate 11. The interlayer insulating layer 12 is made of an insulating material such as SiO 2 (silicon oxide).
垂直配線41は、フローティングディフュージョンFD、転送ゲートTGの上面に接続された垂直方向に延びる配線である。垂直配線41は、フローティングディフュージョンFD、転送ゲートTGの上面から層間絶縁層12の上面まで延びている。パッド電極41aは、垂直配線41の上端部に形成されている。パッド電極41aは、後述の第2層20の垂直配線42の下端部に形成されたパッド電極42aと接合している。垂直配線41及びパッド電極41aは、例えば、銅、アルミニウムなどの金属材料によって構成される。 The vertical wiring 41 is a wiring that extends vertically and is connected to the upper surfaces of the floating diffusion FD and transfer gate TG. The vertical wiring 41 extends from the upper surfaces of the floating diffusion FD and transfer gate TG to the upper surface of the interlayer insulating layer 12. The pad electrode 41a is formed at the upper end of the vertical wiring 41. The pad electrode 41a is joined to a pad electrode 42a formed at the lower end of the vertical wiring 42 of the second layer 20, which will be described later. The vertical wiring 41 and pad electrode 41a are made of a metal material, such as copper or aluminum.
なお、図示は省略されているが、第1半導体基板11内には、互いに隣り合う画素121同士を電気的に分離する素子分離部が設けられている。また、第1半導体基板11の下面側には、固定電荷膜、カラーフィルタ、受光レンズが設けられている。固定電荷膜は、半導体基板の裏面の界面準位に起因する暗電流の発生を抑制するための負の固定電荷を有する膜である。カラーフィルタ及び受光レンズは、画素121毎に設けられている。 Although not shown in the figure, an element isolation section that electrically isolates adjacent pixels 121 is provided within the first semiconductor substrate 11. Furthermore, a fixed charge film, a color filter, and a light-receiving lens are provided on the underside of the first semiconductor substrate 11. The fixed charge film is a film that has a negative fixed charge to suppress the generation of dark current caused by the interface state on the back surface of the semiconductor substrate. A color filter and a light-receiving lens are provided for each pixel 121.
第2層20は、FD接続領域50を構成するN型半導体領域21Nと、FD昇圧領域60を構成するN型半導体領域21Nと、第1配線経路61を構成するP型半導体領域21Pと、第2配線経路62を構成するN型半導体領域21N及び真性半導体領域(抵抗領域)21Iからなる領域と、層間絶縁層22、23と、垂直配線42、43と、パッド電極42aと、を有する。 The second layer 20 has an N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD connection region 50, an N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD boost region 60, a P-type semiconductor region 21P that constitutes the first wiring path 61, a region consisting of the N-type semiconductor region 21N and an intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I that constitutes the second wiring path 62, interlayer insulating layers 22 and 23, vertical wiring 42 and 43, and a pad electrode 42a.
第2層20のN型半導体領域21N、P型半導体領域21P及び真性半導体領域(抵抗領域)21Iは、第2半導体基板21内に形成された領域である。第2半導体基板21は、例えば、単結晶シリコン基板である。 The N-type semiconductor region 21N, P-type semiconductor region 21P, and intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I of the second layer 20 are regions formed within the second semiconductor substrate 21. The second semiconductor substrate 21 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
N型半導体領域21Nは、N型の半導体で構成される領域である。N型半導体領域21Nは、例えば、N型の単結晶シリコンで構成される領域(N型単結晶ポリシリコン領域)である。P型半導体領域21Pは、P型の半導体で構成される領域である。P型半導体領域21Pは、例えば、P型の単結晶シリコンで構成される領域(P型単結晶シリコン領域)である。真性半導体領域(抵抗領域)21Iは、真性半導体で構成される領域である。真性半導体領域(抵抗領域)21Iは、例えば、真性単結晶シリコンで構成される領域(真性単結晶シリコン領域)である。ただし、真性半導体領域(抵抗領域)21Iは、一定の抵抗を有するものであればよく、少量の不純物がドープされたものであってもよい。 The N-type semiconductor region 21N is a region made of an N-type semiconductor. The N-type semiconductor region 21N is, for example, a region made of N-type single crystal silicon (an N-type single crystal polysilicon region). The P-type semiconductor region 21P is a region made of a P-type semiconductor. The P-type semiconductor region 21P is, for example, a region made of P-type single crystal silicon (a P-type single crystal silicon region). The intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I is a region made of an intrinsic semiconductor. The intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I is, for example, a region made of intrinsic single crystal silicon (an intrinsic single crystal silicon region). However, the intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I only needs to have a certain resistance, and may be doped with a small amount of impurity.
FD接続領域50を構成するN型半導体領域21Nは、図4に示すように、正面視において、帯状の形状を有している。つまり、FD接続領域50は、正面視において、帯状の形状を有している。FD接続領域50は、帯状の形状の両端部付近から下方に延びる垂直配線42、41によって、フローティングディフュージョンFDと電気的に接続されている。 As shown in Figure 4, the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD connection region 50 has a strip-like shape when viewed from the front. In other words, the FD connection region 50 has a strip-like shape when viewed from the front. The FD connection region 50 is electrically connected to the floating diffusion FD by vertical wiring 42, 41 that extends downward from near both ends of the strip-like shape.
なお。本明細書において、正面視とは、撮像素子101の上面と直行する方向からの観察を意味するものとする。 In this specification, "front view" refers to observation from a direction perpendicular to the top surface of the image sensor 101.
FD昇圧領域60を構成するN型半導体領域21Nは、図4に示すように、正面視において、長方形の中が空洞になっている形状(Hollow Rectangle)を有しており、FD昇圧領域60を構成するN型半導体領域21Nを囲んでいる。換言すると、FD昇圧領域60を構成するN型半導体領域21Nは、正面視において、帯状の形状を有しており、FD昇圧領域60を構成するN型半導体領域21Nを、長方形の経路に沿って囲んでいるといえる。 As shown in Figure 4, the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD boost region 60 has a hollow rectangular shape when viewed from the front, and surrounds the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD boost region 60. In other words, the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD boost region 60 has a strip-like shape when viewed from the front, and can be said to surround the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD boost region 60 along a rectangular path.
つまり、FD昇圧領域60は、正面視において、長方形の中が空洞になっている形状を有しており、FD昇圧領域60を囲んでいる。また、FD昇圧領域60は、帯状の形状を有しており、FD昇圧領域60を、長方形の経路に沿って囲んでいるといえる。 In other words, when viewed from the front, the FD boost region 60 has a rectangular shape with a hollow center, which surrounds the FD boost region 60. Furthermore, the FD boost region 60 has a band-like shape, which can be said to surround the FD boost region 60 along a rectangular path.
第1配線経路61を構成するP型半導体領域21Pは、図4に示すように、正面視において、帯状の形状を有している。帯状の形状を有するP型半導体領域21Pの一方の端部は、垂直配線43を介して、ゲート信号線(VGT)に電気的に接続されるとともに、垂直配線42、41を介して、転送ゲートTGに電気的に接続されている。また、他方の端部は、FD昇圧領域60を構成するN型半導体領域21Nの長方形の長辺部分に接続されている。 4, the P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 has a strip-like shape in a front view. One end of the strip-like P-type semiconductor region 21P is electrically connected to the gate signal line (V GT ) via a vertical wiring 43, and is also electrically connected to the transfer gate TG via vertical wirings 42 and 41. The other end is connected to the long side of the rectangle of the N-type semiconductor region 21N constituting the FD boosting region 60.
そして、第1配線経路61を構成するP型半導体領域21PとFD昇圧領域60を構成するN型半導体領域21Nとで、PN接合が構成されている。このPN接合によって、ゲート信号線(VGT)からFD昇圧領域60へは電流iが流れる一方で、FD昇圧領域60からゲート信号線(VGT)は電流iが流れないようになっている。 A PN junction is formed by the P-type semiconductor region 21P that constitutes the first wiring path 61 and the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD boost region 60. This PN junction allows a current i to flow from the gate signal line (V GT ) to the FD boost region 60, while preventing the current i from flowing from the FD boost region 60 to the gate signal line (V GT ).
第2配線経路62を構成するN型半導体領域21N及び真性半導体領域(抵抗領域)21Iからなる領域は、図4に示すように、正面視において、帯状の形状を有している。帯状の形状を有するN型半導体領域21N及び真性半導体領域(抵抗領域)21Iからなる領域の一方の端部は、FD昇圧領域60を構成するN型半導体領域21Nの長方形の長辺の中央部分に接続されている。他方の端部は、垂直配線43を介して、グランドGNDに電気的に接続されている。 As shown in FIG. 4, the region consisting of the N-type semiconductor region 21N and the intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I that constitutes the second wiring path 62 has a strip-like shape when viewed from the front. One end of the strip-like region consisting of the N-type semiconductor region 21N and the intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I is connected to the center of the long rectangular side of the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD boost region 60. The other end is electrically connected to ground GND via vertical wiring 43.
層間絶縁層22、23は、第2半導体基板21の上面側及び下面側に積層されている。層間絶縁層22、23は、例えば、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料により構成される。 The interlayer insulating layers 22 and 23 are laminated on the upper and lower surfaces of the second semiconductor substrate 21. The interlayer insulating layers 22 and 23 are made of an insulating material such as SiO 2 (silicon oxide).
垂直配線42は、FD接続領域50のN型半導体領域21N及び第1配線経路61のP型半導体領域21Pそれぞれの下面に接続された垂直方向に延びる配線である。垂直配線42は、このN型半導体領域21N及びP型半導体領域21Pの下面から層間絶縁層23の下面まで延びている。パッド電極42aは、垂直配線42の下端部に形成されている。パッド電極42aは、前述の第1層10の垂直配線41の上端部に形成されたパッド電極41aと接合している。垂直配線42及びパッド電極42aは、例えば、銅、アルミニウムなどの金属材料によって構成される。 The vertical wiring 42 is a wiring extending in the vertical direction that is connected to the lower surfaces of the N-type semiconductor region 21N of the FD connection region 50 and the P-type semiconductor region 21P of the first wiring path 61. The vertical wiring 42 extends from the lower surfaces of the N-type semiconductor region 21N and the P-type semiconductor region 21P to the lower surface of the interlayer insulating layer 23. The pad electrode 42a is formed at the lower end of the vertical wiring 42. The pad electrode 42a is joined to the pad electrode 41a formed at the upper end of the vertical wiring 41 of the first layer 10 described above. The vertical wiring 42 and pad electrode 42a are made of a metal material such as copper or aluminum.
垂直配線43は、FD接続領域50のN型半導体領域21N、第1配線経路61のP型半導体領域21P及び第2配線経路62のN型半導体領域21Nそれぞれの上面に接続された垂直方向に延びる配線である。垂直配線43は、これらのN型半導体領域21N及びP型半導体領域21Pの上面から後述の第3層30の配線層39まで延びている。垂直配線43は、例えば、銅、アルミニウムなどの金属材料によって構成される。 The vertical wiring 43 is wiring that extends vertically and is connected to the upper surfaces of the N-type semiconductor region 21N of the FD connection region 50, the P-type semiconductor region 21P of the first wiring path 61, and the N-type semiconductor region 21N of the second wiring path 62. The vertical wiring 43 extends from the upper surfaces of these N-type semiconductor regions 21N and P-type semiconductor regions 21P to the wiring layer 39 of the third layer 30, which will be described later. The vertical wiring 43 is made of a metal material, such as copper or aluminum.
第3層30は、第3半導体基板31と、層間絶縁層32と、貫通孔内絶縁層34と、垂直配線43と、配線層39と、を有する。また、第3層30は、第3半導体基板31上に形成された、読出し回路124を構成するトランジスタを有する。 The third layer 30 includes a third semiconductor substrate 31, an interlayer insulating layer 32, an insulating layer inside the through-hole 34, vertical wiring 43, and a wiring layer 39. The third layer 30 also includes transistors that constitute the readout circuit 124, which are formed on the third semiconductor substrate 31.
第3半導体基板31は、例えば、単結晶シリコン基板である。 The third semiconductor substrate 31 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
層間絶縁層31は、第3半導体基板31の上面側に積層されている。層間絶縁層31は、例えば、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料により構成される。 The interlayer insulating layer 31 is laminated on the upper surface side of the third semiconductor substrate 31. The interlayer insulating layer 31 is made of an insulating material such as SiO 2 (silicon oxide).
貫通孔内絶縁層34は、垂直配線43を通すために第3半導体基板31に設けられた貫通孔の内部に設けられる絶縁層である。貫通孔内絶縁層34は、例えば、SiN(シリコン窒化物)、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料によって構成される。 The through-hole insulating layer 34 is an insulating layer provided inside a through-hole provided in the third semiconductor substrate 31 to pass the vertical wiring 43. The through-hole insulating layer 34 is made of an insulating material such as SiN (silicon nitride) or SiO2 (silicon oxide).
垂直配線43は、配線層39から第2層20まで、垂直方向に延びる配線である。垂直配線43は、例えば、銅、アルミニウムなどの金属材料によって構成される。 The vertical wiring 43 is wiring that extends vertically from the wiring layer 39 to the second layer 20. The vertical wiring 43 is made of a metal material such as copper or aluminum.
配線層39は、各種の配線が形成された層である。配線層39は、層間絶縁層32の上面側に積層されている。 The wiring layer 39 is a layer on which various wirings are formed. The wiring layer 39 is laminated on the upper surface of the interlayer insulating layer 32.
また、第3半導体基板31上には、読出し回路124を構成するリセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタトランジスタSELなどが形成されている。 Furthermore, the reset transistor RST, amplification transistor AMP, selection transistor SEL, etc. that constitute the readout circuit 124 are formed on the third semiconductor substrate 31.
第1実施形態の撮像素子101は、以上の構成を有する。 The image sensor 101 of the first embodiment has the above configuration.
従来のFD昇圧配線を設ける構成においては、FD昇圧配線や、電源とFD昇圧配線とを接続する配線を引く必要があることから、CMOSイメージセンサの配線レイアウトを圧迫するという問題が存在する。しかし、上述の第1実施形態の撮像素子101は、半導体領域でFD昇圧領域60,21Nを形成するとともに、転送ゲートTGのON電圧VONをフローティングディフュージョンFDの昇圧に利用することによって、配線レイアウトの圧迫が抑えられたものとなっている。 In a conventional configuration in which FD boost wiring is provided, the need to lay FD boost wiring and wiring connecting the power supply and the FD boost wiring poses a problem of constricting the wiring layout of the CMOS image sensor. However, the image sensor 101 of the first embodiment described above forms the FD boost regions 60 and 21N in the semiconductor region and uses the ON voltage VON of the transfer gate TG to boost the floating diffusion FD, thereby minimizing the constraints on the wiring layout.
また、第1実施形態の撮像素子101では、FD接続領域50,21Nの周囲が、転送ゲートTGのON電圧VON又はGND電圧VGNDが印加されたFD昇圧領域60,21Nによって囲まれている。そのため、第1実施形態の撮像素子101は、周囲のFD共有単位150からの信号のクロストークの影響を受けづらいものとなっている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the first embodiment, the FD connection regions 50, 21N are surrounded by FD boost regions 60, 21N to which the ON voltage V_ON or the GND voltage V_GND of the transfer gate TG is applied. Therefore, the image sensor 101 of the first embodiment is less susceptible to the influence of crosstalk of signals from the surrounding FD sharing units 150.
なお、本開示に係る技術のFD昇圧領域60は、必ずしも、FD接続領域50を囲むように配置されている必要はない。FD昇圧領域60は、FD接続領域50及びフローティングディフュージョンFDを昇圧することができる態様で配置されていればよい。そのため、FD昇圧領域60は、FD接続領域50と隣接して配置されていればよい。 Note that the FD boost region 60 of the technology disclosed herein does not necessarily have to be arranged to surround the FD connection region 50. The FD boost region 60 only needs to be arranged in a manner that allows it to boost the FD connection region 50 and the floating diffusion FD. Therefore, the FD boost region 60 only needs to be arranged adjacent to the FD connection region 50.
ただし、上述の周囲のFD共有単位150からの信号のクロストークの影響を受けづらくするという観点から、FD昇圧領域60は、正面視において、FD接続領域50を囲むように配置されていることが好ましい。 However, from the perspective of reducing the influence of signal crosstalk from the surrounding FD sharing units 150 described above, it is preferable that the FD boost region 60 be arranged so as to surround the FD connection region 50 when viewed from the front.
(第1実施形態の撮像素子101の製造方法)
次に、第1実施形態の撮像素子101の製造方法の一例について説明する。
(Method for manufacturing the image sensor 101 according to the first embodiment)
Next, an example of a method for manufacturing the image sensor 101 according to the first embodiment will be described.
図9A~図9Kは、第1実施形態の撮像素子101の製造方法の一例を示す縦断面図である。 Figures 9A to 9K are vertical cross-sectional views showing an example of a manufacturing method for the image sensor 101 of the first embodiment.
第1実施形態の撮像素子101は、別々に成形された、第1層10を構成する積層体と、第2層20及び第3層30を構成する積層体と、を貼り合わせることによって製造される。 The imaging element 101 of the first embodiment is manufactured by bonding together a laminate constituting the first layer 10 and a laminate constituting the second layer 20 and third layer 30, which are molded separately.
第1層10を構成する積層体の成形においては、まず、図9Aに示すように、第1半導体基板21にフォトダイオードPD、フローティングディフュージョンFD、転送ゲートTG及び高濃度P型領域10cを形成する。高濃度P型領域10は、グランドGNDに電気的に接続される領域である。 In forming the laminate that constitutes the first layer 10, first, as shown in FIG. 9A, a photodiode PD, floating diffusion FD, transfer gate TG, and high-concentration P-type region 10c are formed on the first semiconductor substrate 21. The high-concentration P-type region 10c is an area that is electrically connected to ground GND.
第1半導体基板21は、例えば、単結晶シリコン基板である。フォトダイオードPDは、例えば、N型の半導体基板21にP型ウェルを設け、そのP型ウェル内に低濃度N型領域を設けることによって形成される。フローティングディフュージョンFDは、例えば、P型ウェル内に設けられた高濃度N型領域として構成される。 The first semiconductor substrate 21 is, for example, a single-crystal silicon substrate. The photodiode PD is formed, for example, by providing a P-type well in the N-type semiconductor substrate 21 and providing a low-concentration N-type region within the P-type well. The floating diffusion FD is, for example, configured as a high-concentration N-type region provided within the P-type well.
次に、図9Bに示すように、第1半導体基板11上に、層間絶縁層12、垂直配線41及びパッド電極41aを形成する。 Next, as shown in Figure 9B, an interlayer insulating layer 12, vertical wiring 41, and pad electrodes 41a are formed on the first semiconductor substrate 11.
層間絶縁層12は、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料を積層することによって形成される。垂直配線41及びパッド電極41aは、例えば、銅、アルミニウムなどの金属材料によって構成される。 The interlayer insulating layer 12 is formed by laminating insulating materials such as SiO 2 (silicon oxide) etc. The vertical wiring 41 and the pad electrode 41a are made of a metal material such as copper or aluminum.
なお、層間絶縁層12、垂直配線41及びパッド電極41aの形成は、例えば、CVD(Chemical Vaper Deposition)、ALD(Atomic Layer Deposition)、スパッタリング、めっき、ドライエッチング、ウェットエッチング、などの周知の技術を適宜用いることによって実現できる。以下において、形成方法の説明を省略している工程についても同様である。 The interlayer insulating layer 12, vertical wiring 41, and pad electrode 41a can be formed by appropriately using well-known techniques such as CVD (Chemical Vapor Deposition), ALD (Atomic Layer Deposition), sputtering, plating, dry etching, and wet etching. The same applies to the processes below for which explanations of the formation methods are omitted.
このように、撮像素子101の第1層10を構成する積層体が形成される。 In this way, a laminate that constitutes the first layer 10 of the imaging element 101 is formed.
第2層20及び第3層30を構成する積層体の成形においては、まず、図9Cに示すように、第2半導体基板21の上面付近に、FD接続領域50、FD昇圧領域60、第1配線経路61、第2配線経路62を構成するN型半導体領域21N、P型半導体領域21P及び真性半導体領域(抵抗領域)21Iを形成する。 In forming the laminate that constitutes the second layer 20 and the third layer 30, first, as shown in Figure 9C, an N-type semiconductor region 21N, a P-type semiconductor region 21P, and an intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I that constitute the FD connection region 50, the FD boost region 60, the first wiring path 61, and the second wiring path 62 are formed near the top surface of the second semiconductor substrate 21.
その後、第2半導体基板21の上面付近におけるN型半導体領域21N、P型半導体領域21P及び真性半導体領域(抵抗領域)21Iを除いた領域の基板材料を除去する。その後、第2半導体基板21上に層間絶縁層22を積層する。 Then, the substrate material is removed from areas near the top surface of the second semiconductor substrate 21, excluding the N-type semiconductor region 21N, the P-type semiconductor region 21P, and the intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I. An interlayer insulating layer 22 is then laminated on the second semiconductor substrate 21.
第2半導体基板21は、例えば、単結晶シリコン基板である。N型半導体領域21Nは、例えば、リンがドープされた単結晶シリコンで構成される領域である。P型半導体領域21Pは、例えば、ホウ素がドープされた単結晶シリコンで構成される領域である。真性半導体領域(抵抗領域)21Iは、例えば、不純物がドープされていない単結晶シリコンで構成される領域である。ただし、真性半導体領域(抵抗領域)21Iは、一定の抵抗を有するものであればよく、少量の不純物がドープされたものであってもよい。層間絶縁層12は、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料を積層することによって形成される。 The second semiconductor substrate 21 is, for example, a single-crystal silicon substrate. The N-type semiconductor region 21N is, for example, a region made of single-crystal silicon doped with phosphorus. The P-type semiconductor region 21P is, for example, a region made of single-crystal silicon doped with boron. The intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I is, for example, a region made of single-crystal silicon not doped with impurities. However, the intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I only needs to have a certain resistance, and may be doped with a small amount of impurities. The interlayer insulating layer 12 is formed by stacking insulating materials such as SiO 2 (silicon oxide).
次に、9Dに示すように、層間絶縁層22上に第3半導体基板31を積層する。第3半導体基板31は、例えば、単結晶シリコン基板である。 Next, as shown in FIG. 9D, a third semiconductor substrate 31 is laminated on the interlayer insulating layer 22. The third semiconductor substrate 31 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
次に、図9Eに示すように、層間絶縁層22上に積層された第3半導体基板31の上面側を薄肉化する。第3半導体基板31の薄膜化は、例えば、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によって実現できる。 Next, as shown in Figure 9E, the upper surface of the third semiconductor substrate 31 stacked on the interlayer insulating layer 22 is thinned. Thinning of the third semiconductor substrate 31 can be achieved by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing).
次に、図9Fに示すように、第3半導体基板31に、後に形成する垂直配線43のための貫通孔を設け、その貫通孔に貫通孔内絶縁層34を形成する。貫通孔内絶縁層34は、例えば、SiN(シリコン窒化物)、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料によって構成される。また、第3半導体基板31上に、読出し回路124を構成するリセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタトランジスタSELなどを形成する。 9F , through holes for the vertical wiring 43 to be formed later are formed in the third semiconductor substrate 31, and an in-through-hole insulating layer 34 is formed in the through holes. The in-through-hole insulating layer 34 is made of an insulating material such as SiN (silicon nitride) or SiO2 (silicon oxide). In addition, the reset transistor RST, the amplification transistor AMP, the selection transistor SEL, etc. that constitute the readout circuit 124 are formed on the third semiconductor substrate 31.
次に、図9Gに示すように、第3半導体基板31に、層間絶縁層32及び垂直配線43を形成する。層間絶縁層32は、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料を積層することによって形成される。垂直配線43は、例えば、銅、アルミニウムなどの金属材料によって構成される。その後、層間絶縁層32上に配線層39を形成する。 9G, an interlayer insulating layer 32 and vertical wiring 43 are formed on the third semiconductor substrate 31. The interlayer insulating layer 32 is formed by stacking insulating materials such as SiO2 (silicon oxide). The vertical wiring 43 is made of a metal material such as copper or aluminum. Thereafter, a wiring layer 39 is formed on the interlayer insulating layer 32.
次に、9Hに示すように、第2半導体基板21の下面側を薄肉化する。第2半導体基板21の薄膜化は、例えば、CMPによって実現できる。これにより、第2半導体基板21としては、N型半導体領域21N、P型半導体領域21P及び真性半導体領域(抵抗領域)21Iのみが残されることになる。 Next, as shown in 9H, the underside of the second semiconductor substrate 21 is thinned. Thinning of the second semiconductor substrate 21 can be achieved, for example, by CMP. As a result, only the N-type semiconductor region 21N, the P-type semiconductor region 21P, and the intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I remain in the second semiconductor substrate 21.
次に、図9Iに示すように、層間絶縁層22、N型半導体領域21N、P型半導体領域21P及び真性半導体領域(抵抗領域)21Iの下面側に、層間絶縁層23、垂直電極42及びバッド電極42aを形成する。垂直配線42及びパッド電極42aは、例えば、銅、アルミニウムなどの金属材料によって構成される。 Next, as shown in FIG. 9I, an interlayer insulating layer 23, vertical electrodes 42, and pad electrodes 42a are formed on the underside of the interlayer insulating layer 22, N-type semiconductor region 21N, P-type semiconductor region 21P, and intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I. The vertical wiring 42 and pad electrodes 42a are made of a metal material such as copper or aluminum.
このように、撮像素子101の第2層20及び第3層30を構成する積層体が形成される。 In this way, a laminate that constitutes the second layer 20 and third layer 30 of the imaging element 101 is formed.
そして、図9J及び図9Kに示すように、第1層10を構成する積層体の上面と、第2層20及び第3層30を構成する積層体の下面と、を貼り合わせる。その際、第1層10の上面に形成されたパッド電極41aと、第2層20の下面に形成されたパッド電極42aと、が接合されるようにする。 Then, as shown in Figures 9J and 9K, the upper surface of the laminate constituting the first layer 10 is bonded to the lower surfaces of the laminates constituting the second layer 20 and third layer 30. At this time, the pad electrode 41a formed on the upper surface of the first layer 10 and the pad electrode 42a formed on the lower surface of the second layer 20 are bonded.
このようにして、第1実施形態の撮像素子101を製造することができる。 In this way, the image sensor 101 of the first embodiment can be manufactured.
以上をまとめると、第1実施形態の撮像素子101は、フォトダイオードPD(光電変換部)と、複数のフローティングディフュージョンFDと、複数の転送ゲートTGと、N型半導体領域で構成されるFD接続領域50と、N型半導体領域で構成されるFD昇圧領域60と、複数の転送ゲートTGのゲート信号線(VGT)とFD昇圧領域60とを電気的に接続する複数の第1配線経路61と、FD昇圧領域60とグランドGNDとを抵抗を介して電気的に接続する第2配線経路62と、を有する。そして、第1配線経路61は、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有する。 To summarize the above, the image sensor 101 of the first embodiment has a photodiode PD (photoelectric conversion unit), multiple floating diffusions FD, multiple transfer gates TG, an FD connection region 50 formed of an N-type semiconductor region, an FD boost region 60 formed of an N-type semiconductor region, multiple first wiring paths 61 electrically connecting the gate signal lines (V GT ) of the multiple transfer gates TG to the FD boost region 60, and a second wiring path 62 electrically connecting the FD boost region 60 to ground GND via a resistor. The first wiring path 61 has a PN junction formed of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region.
また、第1実施形態の撮像素子101は、第1半導体基板21と層間絶縁層12、23と第2半導体基板21とを有する。そして、フォトダイオードPD(光電変換部)及びフローティングディフュージョンFDは、第1半導体基板21内に形成され、FD接続領域50及びFD昇圧領域60のN型半導体領域21Nと、PN接合のP型半導体領域21P及びN型半導体領域21Nとは、第2半導体基板21内に形成されている。 The image sensor 101 of the first embodiment also has a first semiconductor substrate 21, interlayer insulating layers 12 and 23, and a second semiconductor substrate 21. The photodiode PD (photoelectric conversion unit) and floating diffusion FD are formed within the first semiconductor substrate 21, and the N-type semiconductor region 21N of the FD connection region 50 and FD boost region 60, and the P-type semiconductor region 21P and N-type semiconductor region 21N of the PN junction are formed within the second semiconductor substrate 21.
このような撮像素子101は、配線レイアウトの圧迫が抑えられたものとなっている。 This type of image sensor 101 minimizes the burden on the wiring layout.
また、第1実施形態の撮像素子101は、FD昇圧領域60が、正面視において、FD接続領域50を囲むように配置されている。このような撮像素子101は、クロストークの影響が抑えられたものとなっている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the first embodiment, the FD boosting region 60 is arranged to surround the FD connection region 50 when viewed from the front. In this type of image sensor 101, the effects of crosstalk are suppressed.
(第1実施形態の撮像素子101の変形例)
次に、第1実施形態の撮像素子101の変形例について説明する。
(Modification of the image sensor 101 of the first embodiment)
Next, a modification of the image sensor 101 of the first embodiment will be described.
図10は、第1実施形態の変形例の撮像素子101の構成を示す平面レイアウト図である。 Figure 10 is a planar layout diagram showing the configuration of an image sensor 101 according to a modified example of the first embodiment.
図11~13は、第1実施形態の変形例の撮像素子101の構成を示す縦断面図である。図11は、図10のA-Bの経路に沿った断面を示す。図12は、図10のC-D-Eの経路に沿った断面を示す。図13は、図10のC-D-Fの経路に沿った断面を示す。 Figures 11 to 13 are longitudinal cross-sectional views showing the configuration of an image sensor 101 according to a modified example of the first embodiment. Figure 11 shows a cross-section along the path A-B in Figure 10. Figure 12 shows a cross-section along the path C-D-E in Figure 10. Figure 13 shows a cross-section along the path C-D-F in Figure 10.
変形例の撮像素子101は、以下で説明する点を除き、本実施形態と同様の構成を有している。 The imaging element 101 of this modified example has the same configuration as this embodiment, except for the points described below.
第1実施形態では、図5に示すように、FD接続領域50を構成するN型半導体領域21Nが、垂直配線42、41を介して、フローティングディフュージョンFDに電気的に接続されたものとなっていた。 In the first embodiment, as shown in FIG. 5, the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD connection region 50 is electrically connected to the floating diffusion FD via vertical wiring 42, 41.
一方、変形例の撮像素子101は、図11に示されているように、FD接続領域50を構成するN型半導体領域21Nが、N型ポリシリコンによって構成された垂直配線45を介して、フローティングディフュージョンFDに電気的に接続されたものとなっている。 On the other hand, in the image sensor 101 of the modified example, as shown in Figure 11, the N-type semiconductor region 21N that constitutes the FD connection region 50 is electrically connected to the floating diffusion FD via vertical wiring 45 made of N-type polysilicon.
また、第1実施形態では、図6及び図7に示すように、第1配線経路61を構成するP型半導体領域21Pが、下方に延びる垂直配線42、41を介して、転送ゲートTGに電気的に接続され、上方に延びる垂直配線43を介して、転送ゲートTGのゲート電圧VGTに電気的に接続されたものとなっていた。 In the first embodiment, as shown in FIGS. 6 and 7 , the P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 is electrically connected to the transfer gate TG via the vertical wirings 42 and 41 extending downward, and is electrically connected to the gate voltage V GT of the transfer gate TG via the vertical wiring 43 extending upward.
一方、変形例の撮像素子101は、図12及び図13に示されているように、第1配線経路61を構成するP型半導体領域21Pが、下方に延びるP型ポリシリコンによって構成された垂直配線45を介して、転送ゲートTGに電気的に接続されている。そして、第1配線経路61を構成するP型半導体領域21Pは、転送ゲートTGのゲート電圧VGTに接続する垂直配線は接続されていない。変形例の撮像素子101では、図12及び図13に示されているように、転送ゲートTGのゲート電圧VGTに接続する垂直配線44は、転送ゲートTGに接続されている。つまり、変形例の撮像素子101では、第1配線経路61を構成するP型半導体領域21Pは、転送ゲートTGを介して、転送ゲートTGのゲート電圧VGTに電気的に接続するものとなっている。 On the other hand, in the image sensor 101 of the modified example, as shown in Figures 12 and 13, the P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 is electrically connected to the transfer gate TG via a vertical wiring 45 made of P-type polysilicon extending downward. The P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 is not connected to the vertical wiring connected to the gate voltage VGT of the transfer gate TG. In the image sensor 101 of the modified example, as shown in Figures 12 and 13, the vertical wiring 44 connected to the gate voltage VGT of the transfer gate TG is connected to the transfer gate TG. In other words, in the image sensor 101 of the modified example, the P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 is electrically connected to the gate voltage VGT of the transfer gate TG via the transfer gate TG.
このように、本開示に係る技術の第1配線経路61の構成は、第1実施形態の構成に限定されない。本開示の技術の第1配線経路61は、転送ゲートTGとFD昇圧領域60とを電気的に接続する配線経路であって、PN接合を有する配線経路であればよい。 As such, the configuration of the first wiring path 61 of the technology disclosed herein is not limited to the configuration of the first embodiment. The first wiring path 61 of the technology disclosed herein is a wiring path that electrically connects the transfer gate TG and the FD boost region 60, and may be any wiring path that has a PN junction.
<2.第2実施形態>
次に、第2実施形態の撮像素子について説明する。
2. Second embodiment
Next, an image sensor according to a second embodiment will be described.
第2実施形態の撮像素子101は、以下で説明する構成の他は、第1実施形態と同じ構成を有する。 The image sensor 101 of the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, except for the configuration described below.
(第2施形態の撮像素子101の具体的構成)
図14A~図14Cは、第2実施形態の撮像素子101の平面レイアウト図である。図14Aは、第1層10の構成を示す。図14Bは、第2層20の構成を示す。図14Cは、接続配線291、292の配置を示す。
(Specific Configuration of the Image Sensor 101 of the Second Embodiment)
14A to 14C are planar layout diagrams of the image sensor 101 of the second embodiment. Fig. 14A shows the configuration of the first layer 10. Fig. 14B shows the configuration of the second layer 20. Fig. 14C shows the arrangement of connection wirings 291 and 292.
図15~図18は、第2実施形態の撮像素子101の構成を示す縦断面図である。図15は、図14A~図14CのA-Bの経路に沿った断面を示す。図16は、図14A~図14CのC-D-E-D-Fの経路に沿った断面を示す。図17は、図14A~図14CのC-D-E-Gの経路に沿った断面を示す。図18は、図14A~図14CのH-Iの経路に沿った断面を示す。 FIGS. 15 to 18 are longitudinal cross-sectional views showing the configuration of the image sensor 101 of the second embodiment. FIG. 15 shows a cross-section along the path A-B in FIGS. 14A to 14C. FIG. 16 shows a cross-section along the path C-D-E-D-F in FIGS. 14A to 14C. FIG. 17 shows a cross-section along the path C-D-E-G in FIGS. 14A to 14C. FIG. 18 shows a cross-section along the path H-I in FIGS. 14A to 14C.
また、図8で示されている第1実施形態の撮像素子101の回路構成及び動作については、第2実施形態の撮像装置101についても、同様に当てはまる。 Furthermore, the circuit configuration and operation of the image sensor 101 of the first embodiment shown in Figure 8 also apply to the image sensor 101 of the second embodiment.
まず、フローティングディフュージョンFDを昇圧する機能に関係する構成について簡単に説明する。 First, we will briefly explain the configuration related to the function of boosting the floating diffusion FD.
図8に示すように、第2実施形態の撮像素子101のFD共有単位150も、第1実施形態と同様、FD接続領域50と、FD昇圧領域60と、第1配線経路61と、第2配線経路62と、を有する。 As shown in FIG. 8 , the FD sharing unit 150 of the image sensor 101 of the second embodiment also has an FD connection region 50, an FD boost region 60, a first wiring path 61, and a second wiring path 62, similar to the first embodiment.
FD接続領域50は、PD共有単位に含まれる2のフローティングディフュージョンFDを接続する配線領域である。図14A~図18に示す例では、FD接続領域50は、N型ポリシリコン領域15Nによって構成されている。また、各フローティングディフュージョンFDとFD接続領域50とは、垂直配線46によって電気的に接続されている。 The FD connection region 50 is a wiring region that connects two floating diffusions FD included in a PD sharing unit. In the example shown in Figures 14A to 18, the FD connection region 50 is composed of an N-type polysilicon region 15N. Furthermore, each floating diffusion FD and the FD connection region 50 are electrically connected by vertical wiring 46.
FD昇圧領域60は、フローティングディフュージョンFDを昇圧するための配線領域である。FD昇圧領域60は、FD接続領域50を囲むように配置された配線領域である。図14A~図18に示す例では、FD昇圧領域60は、N型ポリシリコン領域15Nによって構成されている。 The FD boost region 60 is a wiring region for boosting the floating diffusion FD. The FD boost region 60 is a wiring region arranged to surround the FD connection region 50. In the example shown in Figures 14A to 18, the FD boost region 60 is composed of an N-type polysilicon region 15N.
第1配線経路61は、それぞれの転送ゲートTGのゲート信号線(VGT)とFD昇圧領域60とを電気的に接続する配線経路である。また、第1配線経路61は、PN接合を有する。第1配線経路61は、転送ゲートTG毎に設けられている。つまり、撮像素子101の共有単位は、転送ゲートTGと同じ数の第1配線経路61を有している。 The first wiring paths 61 are wiring paths that electrically connect the gate signal lines (V GT ) of the respective transfer gates TG to the FD boosting region 60. The first wiring paths 61 also have PN junctions. The first wiring paths 61 are provided for each transfer gate TG. In other words, the shared unit of the image sensor 101 has the same number of first wiring paths 61 as the number of transfer gates TG.
図14A~図18に示す例では、第1配線経路61は、垂直配線48-P型半導体領域21P-N型半導体領域-垂直配線48-接続配線292-垂直配線47によって構成されている。また、第1配線経路61のPN接合は、第1配線経路61内のP型半導体領域21P及びN型半導体領域21Nとで構成されている。 In the example shown in Figures 14A to 18, the first wiring path 61 is composed of the vertical wiring 48 - P-type semiconductor region 21P - N-type semiconductor region - vertical wiring 48 - connection wiring 292 - vertical wiring 47. Furthermore, the PN junction of the first wiring path 61 is composed of the P-type semiconductor region 21P and N-type semiconductor region 21N within the first wiring path 61.
第2配線経路62は、FD昇圧領域60とグランドGNDとを電気的に接続する配線経路である。また、第2配線経路62は、抵抗Rを有する。図14A~図18に示す例では、第2配線経路は、N型ポリシリコン領域15N及び真性ポリシリコン領域(抵抗領域)15Iからなる領域によって構成されており、真性ポリシリコン領域(抵抗領域)15Iが抵抗として機能する。 The second wiring path 62 is a wiring path that electrically connects the FD boost region 60 and ground GND. The second wiring path 62 also has a resistor R. In the example shown in Figures 14A to 18, the second wiring path is composed of an N-type polysilicon region 15N and an intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I, and the intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I functions as a resistor.
そして、図8に示すように、 このような構成により、PD共有単位に存在する複数の転送ゲートTGのうちの1つの転送ゲートTGのゲート電圧VGTがON電圧VONとなったとき、その転送ゲートTGのゲート信号線(VGT)に接続する第1配線経路61のPN接合には、順方向バイアスがかかることになる。そのため、そのゲート信号線(VGT)からFD昇圧領域60に電流iが流れて、FD昇圧領域60の電位が上昇する。このFD昇圧領域60の電位の上昇にともなって、FD昇圧領域60に囲まれたFD接続領域50も昇圧されることになる。 8 , with this configuration, when the gate voltage V GT of one of the multiple transfer gates TG present in the PD sharing unit becomes the ON voltage V ON , a forward bias is applied to the PN junction of the first wiring path 61 connected to the gate signal line (V GT ) of that transfer gate TG. As a result, a current i flows from that gate signal line (V GT ) to the FD boost region 60, and the potential of the FD boost region 60 rises. With this rise in the potential of the FD boost region 60, the FD connection region 50 surrounded by the FD boost region 60 is also boosted.
また、ON電圧VONとなったゲート信号線(VGT)からFD昇圧領域60に電流iが流れて、FD昇圧領域60の電位が上昇しているとき、OFF電圧VOFFとなっているゲート信号線(VGT)とFD昇圧領域60とを接続する第1配線経路61のPN接合には、逆方向バイアスがかかることになる。そのため、FD昇圧領域60から他の転送ゲートTGのゲート信号線(VGT)に電流iが流入することはない。 Furthermore, when a current i flows from the gate signal line (V GT ) at the ON voltage V ON to the FD boost region 60 and the potential of the FD boost region 60 rises, a reverse bias is applied to the PN junction of the first wiring path 61 connecting the gate signal line (V GT ) at the OFF voltage V OFF and the FD boost region 60. Therefore, the current i does not flow from the FD boost region 60 to the gate signal line (V GT ) of another transfer gate TG.
また、前述のとおり、FD昇圧領域60は、抵抗Rを有する第2配線経路62を介してグランドGNDに接続されている。そのため、すべての転送ゲートTGのゲート電圧VGTがOFF電圧VOFFであるとき、FD昇圧領域60には、第2配線経路62を介して、GND電圧VGNDが印加されることになる。つまり、すべての転送ゲートTGのゲート電圧VGTがOFF電圧VOFFであるとき、FD昇圧領域60は、グランドGNDの電位を有することになる。 As described above, the FD boost region 60 is connected to ground GND via the second wiring path 62 having the resistance R. Therefore, when the gate voltages V GT of all the transfer gates TG are at the OFF voltage V OFF , the GND voltage V GND is applied to the FD boost region 60 via the second wiring path 62. In other words, when the gate voltages V GT of all the transfer gates TG are at the OFF voltage V OFF , the FD boost region 60 has the potential of ground GND.
このような構成により、第1実施形態の撮像素子101は、転送ゲートTGにON電圧VONを印加してフォトダイオードPDから画素信号を読み出す動作をするとき、同時に、フローティングディフュージョンFDの昇圧を行うことができるものとなっている。 With this configuration, the image sensor 101 of the first embodiment can boost the voltage of the floating diffusion FD when applying an ON voltage VON to the transfer gate TG to read out a pixel signal from the photodiode PD.
次に、第2実施形態の撮像素子101の具体的構成の詳細について説明する。 Next, we will explain in detail the specific configuration of the image sensor 101 of the second embodiment.
図14A~図14Cは、撮像素子101のFD共有単位150の平面レイアウトを示している。図15の縦断面図は、2つのフローティングディフュージョンFDをつなぐ経路に沿った断面を示している。図16の縦断面図は、電流iがゲート信号線(VGT)からグランドGNDまで流れるときの経路に沿った断面を示している。図17及び図18の縦断面図は、2つの転送ゲートTG(ゲート信号線(VGT))をつなぐ経路に沿った断面を示している。 14A to 14C show the planar layout of the FD sharing unit 150 of the image sensor 101. The vertical cross-sectional view of Fig. 15 shows a cross-section along a path connecting two floating diffusions FD. The vertical cross-sectional view of Fig. 16 shows a cross-section along a path when a current i flows from a gate signal line (V GT ) to ground GND. The vertical cross-sectional views of Fig. 17 and Fig. 18 show cross-sections along a path connecting two transfer gates TG (gate signal lines (V GT )).
第2実施形態の撮像素子101は、第1層10と、第1層上に積層された第2層20と、を有する。 The imaging element 101 of the second embodiment has a first layer 10 and a second layer 20 stacked on the first layer.
第1層10は、第1半導体基板11と、フォトダイオードPDと、フローティングディフュージョンFDと、転送ゲートTGと、層間絶縁層12と、ポリシリコン配線層15と、垂直配線46、47と、を有する。 The first layer 10 includes a first semiconductor substrate 11, a photodiode PD, a floating diffusion FD, a transfer gate TG, an interlayer insulating layer 12, a polysilicon wiring layer 15, and vertical wiring 46 and 47.
第1半導体基板11は、例えば、単結晶シリコン基板である。 The first semiconductor substrate 11 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
フォトダイオードPDは、第1半導体基板11内に形成されている。フォトダイオードPDは、例えば、N型の半導体基板21にP型ウェルを設け、そのP型ウェル内に低濃度N型領域を設けることによって形成される。 The photodiode PD is formed in the first semiconductor substrate 11. The photodiode PD is formed, for example, by providing a P-type well in an N-type semiconductor substrate 21 and providing a low-concentration N-type region in the P-type well.
フローティングディフュージョンFDは、第1半導体基板11内の上面付近の領域に形成されている。フローティングディフュージョンFDは、例えば、P型ウェル内に設けられた高濃度N型領域として構成される。 The floating diffusion FD is formed in a region near the top surface of the first semiconductor substrate 11. The floating diffusion FD is configured, for example, as a high-concentration N-type region provided in a P-type well.
ゲート電極TGは、図14A~図18の例では、半導体基板11の上面と平行な方向に延びる水平ゲート電極で形成されている。ゲート電極TGは、半導体基板11の上面と平行な方向に延びる水平ゲート電極と、半導体基板11の深さ方向に延びる垂直ゲート電極と、を有するものであってもよい。 In the examples of Figures 14A to 18, the gate electrode TG is formed of a horizontal gate electrode extending in a direction parallel to the upper surface of the semiconductor substrate 11. The gate electrode TG may also have a horizontal gate electrode extending in a direction parallel to the upper surface of the semiconductor substrate 11 and a vertical gate electrode extending in the depth direction of the semiconductor substrate 11.
層間絶縁層12は、第1半導体基板11の上面側に積層されている。層間絶縁層12は、例えば、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料により構成される。 The interlayer insulating layer 12 is laminated on the upper surface side of the first semiconductor substrate 11. The interlayer insulating layer 12 is made of an insulating material such as SiO 2 (silicon oxide).
ポリシリコン配線層15は、層間絶縁層12内に形成された層である。ポリシリコン配線層15は、FD接続領域50を構成するN型ポリシリコン領域15Nと、FD昇圧領域60を構成するN型ポリシリコン領域15Nと、第2配線経路62を構成するN型ポリシリコン領域15N及び真性ポリシリコン領域(抵抗領域)15Iからなる領域と、ゲート信号線(VGT)と転送ゲートTGとを接続する配線経路を構成するP型ポリシリコン領域15Pと、を有する。 The polysilicon wiring layer 15 is a layer formed in the interlayer insulating layer 12. The polysilicon wiring layer 15 has an N-type polysilicon region 15N constituting the FD connection region 50, an N-type polysilicon region 15N constituting the FD boost region 60, a region consisting of the N-type polysilicon region 15N and an intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I constituting the second wiring path 62, and a P-type polysilicon region 15P constituting the wiring path connecting the gate signal line (V GT ) and the transfer gate TG.
N型ポリシリコン領域15Nは、N型のポリシリコンで構成される領域である。P型ポリシリコン領域15Pは、P型のポリシリコンで構成される領域である。真性半導体領域(抵抗領域)21Iは、真性ポリシリコンで構成される領域である。真性半導体領域(抵抗領域)21Iは、真性ポリシリコンで構成される領域である。ただし、真性ポリシリコン領域(抵抗領域)15Iは、一定の抵抗を有するものであればよく、少量の不純物がドープされたものであってもよい。 The N-type polysilicon region 15N is a region made of N-type polysilicon. The P-type polysilicon region 15P is a region made of P-type polysilicon. The intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I is a region made of intrinsic polysilicon. The intrinsic semiconductor region (resistance region) 21I is a region made of intrinsic polysilicon. However, the intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I only needs to have a certain resistance, and may be doped with a small amount of impurity.
FD接続領域50を構成するN型ポリシリコン領域15Nは、図14Aに示すように、正面視において、帯状の形状を有している。つまり、FD接続領域50は、正面視において、帯状の形状を有している。FD接続領域50は、帯状の形状の両端部付近から下方に延びる垂直配線46によって、フローティングディフュージョンFDと電気的に接続されている。 As shown in FIG. 14A, the N-type polysilicon region 15N that constitutes the FD connection region 50 has a band-like shape when viewed from the front. In other words, the FD connection region 50 has a band-like shape when viewed from the front. The FD connection region 50 is electrically connected to the floating diffusion FD by vertical wiring 46 that extends downward from near both ends of the band-like shape.
FD昇圧領域60を構成するN型ポリシリコン領域15Nは、図14Aに示すように、正面視において、長方形の中が空洞になっている形状(Hollow Rectangle)を有しており、FD昇圧領域60を構成するN型ポリシリコン領域15Nを囲んでいる。換言すると、FD昇圧領域60を構成するN型ポリシリコン領域15Nは、正面視において、帯状の形状を有しており、FD昇圧領域60を構成するN型ポリシリコン領域15Nを、長方形の経路に沿って囲んでいるといえる。 As shown in FIG. 14A, the N-type polysilicon region 15N that constitutes the FD boost region 60 has a hollow rectangular shape when viewed from the front, and surrounds the N-type polysilicon region 15N that constitutes the FD boost region 60. In other words, the N-type polysilicon region 15N that constitutes the FD boost region 60 has a band-like shape when viewed from the front, and surrounds the N-type polysilicon region 15N that constitutes the FD boost region 60 along a rectangular path.
つまり、FD昇圧領域60は、正面視において、長方形の中が空洞になっている形状を有しており、FD昇圧領域60を囲んでいる。また、FD昇圧領域60は、帯状の形状を有しており、FD昇圧領域60を、長方形の経路に沿って囲んでいるといえる。 In other words, when viewed from the front, the FD boost region 60 has a rectangular shape with a hollow center, which surrounds the FD boost region 60. Furthermore, the FD boost region 60 has a band-like shape, which can be said to surround the FD boost region 60 along a rectangular path.
第2配線経路62を構成するN型ポリシリコン領域15N及び真性ポリシリコン領域(抵抗領域)15Iからなる領域は、図14Aに示すように、正面視において、帯状の形状を有している。帯状の形状を有するN型ポリシリコン領域15N及び真性ポリシリコン領域(抵抗領域)15Iからなる領域の一方の端部は、FD昇圧領域60を構成するN型ポリシリコン領域15Nの長方形の長辺の中央部分に接続されている。他方の端部は、垂直配線47を介して、グランドGNDに電気的に接続されている。 As shown in FIG. 14A, the region consisting of the N-type polysilicon region 15N and the intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I that constitutes the second wiring path 62 has a band-like shape when viewed from the front. One end of the band-like region consisting of the N-type polysilicon region 15N and the intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I is connected to the center of the long rectangular side of the N-type polysilicon region 15N that constitutes the FD boost region 60. The other end is electrically connected to ground GND via vertical wiring 47.
ゲート信号線(VGT)と転送ゲートTGとを接続する配線経路を構成するP型ポリシリコン領域15Pは、正面視において帯状の形状を有している。帯状の形状を有する一方の端部は、垂直配線46を介して、転送ゲートTGに電気的に接続されている。他方の端部は、垂直配線47を介して、ゲート信号線(VGT)に電気的に接続されている。 The P-type polysilicon region 15P, which constitutes a wiring path connecting the gate signal line (V GT ) and the transfer gate TG, has a strip-like shape in a front view. One end of the strip-like shape is electrically connected to the transfer gate TG via a vertical wiring 46. The other end is electrically connected to the gate signal line (V GT ) via a vertical wiring 47.
垂直配線46は、FD接続領域50を構成するN型ポリシリコン領域15N、ゲート信号線(VGT)と転送ゲートTGとを接続する配線経路を構成するP型ポリシリコン領域15Pの下面に接続された垂直方向に延びる配線である。FD接続領域50を構成するN型ポリシリコン領域15Nの下面に接続された垂直配線46は、N型のポリシリコンで構成され、フローティングディフュージョンFDまで延びている。ゲート信号線(VGT)と転送ゲートTGとを接続する配線経路を構成するP型ポリシリコン領域15Pの下面に接続された垂直配線46は、P型のポリシリコンで構成され、転送ゲートTGまで延びている。 The vertical wiring 46 is a wiring extending in the vertical direction connected to the lower surface of the N-type polysilicon region 15N constituting the FD connection region 50 and the P-type polysilicon region 15P constituting the wiring path connecting the gate signal line ( V GT ) and the transfer gate TG. The vertical wiring 46 connected to the lower surface of the N-type polysilicon region 15N constituting the FD connection region 50 is made of N-type polysilicon and extends to the floating diffusion FD. The vertical wiring 46 connected to the lower surface of the P-type polysilicon region 15P constituting the wiring path connecting the gate signal line (V GT ) and the transfer gate TG is made of P-type polysilicon and extends to the transfer gate TG.
垂直配線47は、FD接続領域50を構成するN型ポリシリコン領域15N、第2配線経路62を構成するN型ポリシリコン領域15N、ゲート信号線(VGT)と転送ゲートTGとを接続する配線経路を構成するP型ポリシリコン領域15Pの上面に接続された垂直方向に延びる配線である。垂直配線47は、これらのN型ポリシリコン領域15N、P型ポリシリコン領域15Pの上面から後述の第2層20の配線層29まで延びている。垂直配線47は、例えば、銅、アルミニウムなどの金属材料によって構成される。 The vertical wiring 47 is a wiring extending in the vertical direction connected to the upper surfaces of the N-type polysilicon region 15N that constitutes the FD connection region 50, the N-type polysilicon region 15N that constitutes the second wiring path 62, and the P-type polysilicon region 15P that constitutes the wiring path connecting the gate signal line (V GT ) and the transfer gate TG. The vertical wiring 47 extends from the upper surfaces of these N-type polysilicon region 15N and P-type polysilicon region 15P to a wiring layer 29 of the second layer 20, which will be described later. The vertical wiring 47 is made of a metal material, such as copper or aluminum.
第2層20は、第2半導体基板21と、第1配線経路61を構成するP型半導体領域21P及びN型半導体領域21Nと、層間絶縁層22と、貫通孔内絶縁層24と、垂直配線47、48と、接続配線291、292と、配線層29と、を有する。また、第2層20は、第2半導体基板21上に形成された、読出し回路124を構成するトランジスタを有する。 The second layer 20 includes a second semiconductor substrate 21, a P-type semiconductor region 21P and an N-type semiconductor region 21N that form the first wiring path 61, an interlayer insulating layer 22, an inner through-hole insulating layer 24, vertical wiring 47, 48, connection wiring 291, 292, and a wiring layer 29. The second layer 20 also includes transistors that form the readout circuit 124 and are formed on the second semiconductor substrate 21.
第2半導体基板21は、例えば、単結晶シリコン基板である。 The second semiconductor substrate 21 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
第1配線経路61を構成するN型半導体領域21Nは、図14Bに示すように、正面視において、長方形の中が空洞になっている形状(Hollow Rectangle)であって、その長方形の短辺の中央部分が分離した形状となっている。換言すると、第1配線経路61を構成するN型半導体領域21Nは、正面視において、帯状の形状を有し、長方形の経路に沿って延びたものであって、その長方形の短辺の中央部分が分離したものといえる。この分離した部分については、図14B、図14C及び図17に示すように、垂直配線48-接続配線292-垂直配線48を介して、互いに電気的に接続している。 As shown in Figure 14B, the N-type semiconductor region 21N that constitutes the first wiring path 61 has a hollow rectangular shape in front view (hollow rectangle), with the central portion of the short side of the rectangle separated. In other words, the N-type semiconductor region 21N that constitutes the first wiring path 61 has a band-like shape in front view, extends along a rectangular path, and the central portion of the short side of the rectangle is separated. These separated portions are electrically connected to each other via the vertical wiring 48, connection wiring 292, and vertical wiring 48, as shown in Figures 14B, 14C, and 17.
第1配線経路61を構成するP型半導体領域21Pは、図14Bに示すように、正面視において、帯状の形状を有している。帯状の形状を有するP型半導体領域21Pの一方の端部は、垂直配線48を介して、ゲート信号線(VGT)に電気的に接続されている。また、他方の端部は、第1配線経路61を構成するN型半導体領域21Nの長方形の長辺部分に接続されている。 14B , the P-type semiconductor region 21P constituting the first wiring path 61 has a strip-like shape in a front view. One end of the strip-like P-type semiconductor region 21P is electrically connected to the gate signal line (V GT ) via the vertical wiring 48. The other end is connected to the long side of the rectangle of the N-type semiconductor region 21N constituting the first wiring path 61.
そして、第1配線経路61を構成するP型半導体領域21PとN型半導体領域21Nとで、PN接合が構成されている。このPN接合によって、ゲート信号線(VGT)からFD昇圧領域60へは電流iが流れる一方で、FD昇圧領域60からゲート信号線(VGT)は電流iが流れないようになっている。 A PN junction is formed by the P-type semiconductor region 21P and the N-type semiconductor region 21N that form the first wiring path 61. This PN junction allows a current i to flow from the gate signal line (V GT ) to the FD boost region 60, while preventing the current i from flowing from the FD boost region 60 to the gate signal line (V GT ).
層間絶縁層22は、第2半導体基板21の上面側に積層されている。層間絶縁層22は、例えば、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料により構成される。 The interlayer insulating layer 22 is laminated on the upper surface side of the second semiconductor substrate 21. The interlayer insulating layer 22 is made of an insulating material such as SiO 2 (silicon oxide).
貫通孔内絶縁層24は、垂直配線47を通すために第2半導体基板21に設けられた貫通孔の内部に設けられる絶縁層である。貫通孔内絶縁層24は、例えば、SiN(シリコン窒化物)、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料によって構成される。 The through-hole insulating layer 24 is an insulating layer provided inside the through-hole provided in the second semiconductor substrate 21 to allow the vertical wiring 47 to pass through. The through-hole insulating layer 24 is made of an insulating material such as SiN (silicon nitride) or SiO2 (silicon oxide).
垂直配線47は、配線層29から第1層10まで、垂直方向に延びる配線である。垂直配線48は、配線層29から第2半導体基板21まで、垂直方向に延びる配線である。接続配線291、292は、垂直配線47、48を接続するための配線である。垂直配線47、48及び接続配線291、292は、例えば、銅、アルミニウムなどの金属材料によって構成される。 The vertical wiring 47 is a wiring that extends vertically from the wiring layer 29 to the first layer 10. The vertical wiring 48 is a wiring that extends vertically from the wiring layer 29 to the second semiconductor substrate 21. The connection wirings 291 and 292 are wirings that connect the vertical wirings 47 and 48. The vertical wirings 47 and 48 and the connection wirings 291 and 292 are made of a metal material such as copper or aluminum.
配線層29は、各種の配線が形成された層である。配線層29は、層間絶縁層22の上面側に積層されている。 The wiring layer 29 is a layer on which various wirings are formed. The wiring layer 29 is stacked on the upper surface of the interlayer insulating layer 22.
また、第2半導体基板21上には、読出し回路124を構成するリセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタトランジスタSELなどが形成されている。 Furthermore, the reset transistor RST, amplification transistor AMP, selection transistor SEL, etc. that constitute the readout circuit 124 are formed on the second semiconductor substrate 21.
第2実施形態の撮像素子101は、以上の構成を有する。 The image sensor 101 of the second embodiment has the above configuration.
従来のFD昇圧配線を設ける構成においては、FD昇圧配線や、電源とFD昇圧配線とを接続する配線を引く必要があることから、CMOSイメージセンサの配線レイアウトを圧迫するという問題が存在する。しかし、上述の第2実施形態の撮像素子101は、半導体領域でFD昇圧領域60,15Nを形成するとともに、転送ゲートTGのON電圧VONをフローティングディフュージョンFDの昇圧に利用することによって、配線レイアウトの圧迫が抑えられたものとなっている。 In a conventional configuration in which FD boost wiring is provided, the need to lay FD boost wiring and wiring connecting the power supply and the FD boost wiring poses a problem of constricting the wiring layout of the CMOS image sensor. However, the image sensor 101 of the second embodiment described above forms the FD boost regions 60 and 15N in the semiconductor region and uses the ON voltage VON of the transfer gate TG to boost the floating diffusion FD, thereby reducing the constraints on the wiring layout.
また、第2実施形態の撮像素子101では、FD接続領域50,15Nの周囲が、転送ゲートTGのON電圧VON又はGND電圧VGNDが印加されたFD昇圧領域60,15Nによって囲まれている。そのため、第2実施形態の撮像素子101は、周囲のFD共有単位150からの信号のクロストークの影響を受けづらいものとなっている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the second embodiment, the FD connection regions 50, 15N are surrounded by FD boost regions 60, 15N to which the ON voltage V_ON or the GND voltage V_GND of the transfer gate TG is applied. Therefore, the image sensor 101 of the second embodiment is less susceptible to the influence of signal crosstalk from the surrounding FD sharing units 150.
なお、本開示に係る技術のFD昇圧領域60は、必ずしも、FD接続領域50を囲むように配置されている必要はない。FD昇圧領域60は、FD接続領域50及びフローティングディフュージョンFDを昇圧することができる態様で配置されていればよい。そのため、FD昇圧領域60は、FD接続領域50と隣接して配置されていればよい。 Note that the FD boost region 60 of the technology disclosed herein does not necessarily have to be arranged to surround the FD connection region 50. The FD boost region 60 only needs to be arranged in a manner that allows it to boost the FD connection region 50 and the floating diffusion FD. Therefore, the FD boost region 60 only needs to be arranged adjacent to the FD connection region 50.
ただし、上述の周囲のFD共有単位150からの信号のクロストークの影響を受けづらくするという観点から、FD昇圧領域60は、正面視において、FD接続領域50を囲むように配置されていることが好ましい。 However, from the perspective of reducing the influence of signal crosstalk from the surrounding FD sharing units 150 described above, it is preferable that the FD boost region 60 be arranged so as to surround the FD connection region 50 when viewed from the front.
このように、本開示に係る技術においては、FD接続領域50及びFD昇圧領域60を構成する半導体領域をポリシリコン領域とすることも可能である。 第1実施形態のように、FD接続領域50及びFD昇圧領域60を単結晶シリコン領域で構成する場合は、3つの半導体基板が必要となるのに対し、FD接続領域50及びFD昇圧領域60をポリシリコン領域で構成する場合は、2つの半導体基板で足りる。そのため、FD接続領域50及びFD昇圧領域60を構成する半導体領域をポリシリコン領域とすることには、半導体基板の節約できるという利点も存在する。 In this way, with the technology disclosed herein, the semiconductor regions that make up the FD connection region 50 and FD boost region 60 can also be polysilicon regions. If the FD connection region 50 and FD boost region 60 are made of single crystal silicon regions, as in the first embodiment, three semiconductor substrates are required, whereas if the FD connection region 50 and FD boost region 60 are made of polysilicon regions, only two semiconductor substrates are required. Therefore, using polysilicon regions for the semiconductor regions that make up the FD connection region 50 and FD boost region 60 also has the advantage of saving semiconductor substrates.
(第2施形態の撮像素子101の製造方法)
次に、第2実施形態の撮像素子101の製造方法の一例について説明する。
(Method for manufacturing the image sensor 101 according to the second embodiment)
Next, an example of a method for manufacturing the image sensor 101 according to the second embodiment will be described.
図19A~図19Gは、第2実施形態の撮像素子101の製造方法の一例を示す縦断面図である。 Figures 19A to 19G are vertical cross-sectional views showing an example of a manufacturing method for the image sensor 101 of the second embodiment.
第2実施形態の撮像素子101の製造においては、まず、図19Aに示すように、第1半導体基板21にフォトダイオードPD、フローティングディフュージョンFD、転送ゲートTG及び高濃度P型領域10aなどを形成する。高濃度P型領域10は、グランドGNDに電気的に接続される領域である。 In manufacturing the image sensor 101 of the second embodiment, first, as shown in FIG. 19A, a photodiode PD, floating diffusion FD, transfer gate TG, and high-concentration P-type region 10a are formed on a first semiconductor substrate 21. The high-concentration P-type region 10a is an area that is electrically connected to ground GND.
第1半導体基板21は、例えば、単結晶シリコン基板である。フォトダイオードPDは、例えば、N型の半導体基板21にP型ウェルを設け、そのP型ウェル内に低濃度N型領域を設けることによって形成される。フローティングディフュージョンFDは、例えば、P型ウェル内に設けられた高濃度N型領域として構成される。 The first semiconductor substrate 21 is, for example, a single-crystal silicon substrate. The photodiode PD is formed, for example, by providing a P-type well in the N-type semiconductor substrate 21 and providing a low-concentration N-type region within the P-type well. The floating diffusion FD is, for example, configured as a high-concentration N-type region provided within the P-type well.
次に、図9Bに示すように、第1半導体基板11上に、層間絶縁層12と、FD接続領域50及びFD昇圧領域60などを構成するポリシリコン配線層15と、ポリシリコンで構成される垂直配線46と、を形成する。 Next, as shown in FIG. 9B, an interlayer insulating layer 12, a polysilicon wiring layer 15 that forms the FD connection region 50 and the FD boost region 60, etc., and vertical wiring 46 made of polysilicon are formed on the first semiconductor substrate 11.
層間絶縁層12は、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料を積層することによって形成される。 The interlayer insulating layer 12 is formed by stacking insulating materials such as SiO 2 (silicon oxide).
ポリシリコン配線層15は、N型ポリシリコン領域15Nと、P型ポリシリコン領域15Pと、真性ポリシリコン領域(抵抗領域)15Iと、を有する。N型ポリシリコン領域15Nは、例えば、リンがドープされたポリシリコンで構成される領域である。P型ポリシリコン領域15Pは、例えば、ホウ素がドープされたポリシリコンで構成される領域である。真性ポリシリコン領域(抵抗領域)15Iは、例えば、不純物がドープされていないポリシリコンで構成される領域である。ただし、真性ポリシリコン領域(抵抗領域)15Iは、一定の抵抗を有するものであればよく、少量の不純物がドープされたものであってもよい。 The polysilicon wiring layer 15 has an N-type polysilicon region 15N, a P-type polysilicon region 15P, and an intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I. The N-type polysilicon region 15N is, for example, a region made of polysilicon doped with phosphorus. The P-type polysilicon region 15P is, for example, a region made of polysilicon doped with boron. The intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I is, for example, a region made of polysilicon that has not been doped with impurities. However, the intrinsic polysilicon region (resistance region) 15I only needs to have a certain resistance, and may be doped with a small amount of impurities.
N型ポリシリコン領域15Nに接続する垂直配線46は、N型ポリシリコンによって構成される。P型ポリシリコン領域15Pと接続する垂直配線41は、P型ポリシリコンによって構成される。 The vertical wiring 46 connected to the N-type polysilicon region 15N is made of N-type polysilicon. The vertical wiring 41 connected to the P-type polysilicon region 15P is made of P-type polysilicon.
このように、撮像素子101の第1層10が形成される。 In this way, the first layer 10 of the imaging element 101 is formed.
次に、図19Cに示すように、第1層10の層間絶縁層12上に第2半導体基板21を積層する。第2半導体基板21は、例えば、単結晶シリコン基板である。 Next, as shown in FIG. 19C, a second semiconductor substrate 21 is laminated on the interlayer insulating layer 12 of the first layer 10. The second semiconductor substrate 21 is, for example, a single-crystal silicon substrate.
次に、19Dに示すように、第1層10の層間絶縁層12上に積層された第2半導体基板21の上面側を薄肉化する。第2半導体基板21の薄膜化は、例えば、CMPによって実現できる。 Next, as shown in 19D, the upper surface of the second semiconductor substrate 21 stacked on the interlayer insulating layer 12 of the first layer 10 is thinned. Thinning of the second semiconductor substrate 21 can be achieved by, for example, CMP.
次に、図19Eに示すように、第2半導体基板21の上面付近に、第1配線経路61を構成するN型半導体領域21N及びP型半導体領域21Pを形成する。 Next, as shown in FIG. 19E, an N-type semiconductor region 21N and a P-type semiconductor region 21P that form the first wiring path 61 are formed near the top surface of the second semiconductor substrate 21.
また、第2半導体基板21に、後に形成する垂直配線47、48のための貫通孔を設け、その貫通孔に貫通孔内絶縁層24を形成する。貫通孔内絶縁層24は、例えば、SiN(シリコン窒化物)、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料によって構成される。 Furthermore, through holes are formed in the second semiconductor substrate 21 for the vertical wiring 47, 48 to be formed later, and an in-through-hole insulating layer 24 is formed in the through holes. The in-through-hole insulating layer 24 is made of an insulating material such as SiN (silicon nitride) or SiO2 (silicon oxide).
また、第2半導体基板21上に、読出し回路124を構成するリセットトランジスタRST、増幅トランジスタAMP、選択トランジスタトランジスタSELなどを形成する。 Also, the reset transistor RST, amplification transistor AMP, selection transistor SEL, and other components that make up the readout circuit 124 are formed on the second semiconductor substrate 21.
次に、図19Fに示すように、第2半導体基板21に層間絶縁層22を形成する。その後、垂直配線47、48を形成する。層間絶縁層12は、SiO2(シリコン酸化物)などの絶縁材料を積層することによって形成される。垂直配線47、48は、例えば、銅、アルミニウムなどの金属材料によって構成される。 19F, an interlayer insulating layer 22 is formed on the second semiconductor substrate 21. Thereafter, vertical wirings 47 and 48 are formed. The interlayer insulating layer 22 is formed by stacking insulating materials such as SiO 2 (silicon oxide). The vertical wirings 47 and 48 are made of a metal material such as copper or aluminum.
最後に、図19Gに示すように、層間絶縁層22上に配線層29を形成する。これにより、撮像素子101の第2層20が形成される。 Finally, as shown in Figure 19G, a wiring layer 29 is formed on the interlayer insulating layer 22. This forms the second layer 20 of the image sensor 101.
このようにして、第2実施形態の撮像素子101を製造することができる。 In this way, the image sensor 101 of the second embodiment can be manufactured.
以上をまとめると、第2実施形態の撮像素子101は、フォトダイオードPD(光電変換部)と、複数のフローティングディフュージョンFDと、複数の転送ゲートTGと、N型半導体領域で構成されるFD接続領域50と、N型半導体領域で構成されるFD昇圧領域60と、複数の転送ゲートTGのゲート信号線(VGT)とFD昇圧領域60とを電気的に接続する複数の第1配線経路61と、FD昇圧領域60とグランドGNDとを抵抗を介して電気的に接続する第2配線経路62と、を有する。そして、第1配線経路61は、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有する。 To summarize the above, the image sensor 101 of the second embodiment has a photodiode PD (photoelectric conversion unit), multiple floating diffusions FD, multiple transfer gates TG, an FD connection region 50 formed of an N-type semiconductor region, an FD boost region 60 formed of an N-type semiconductor region, multiple first wiring paths 61 electrically connecting the gate signal lines (V GT ) of the multiple transfer gates TG to the FD boost region 60, and a second wiring path 62 electrically connecting the FD boost region 60 to ground GND via a resistor. The first wiring path 61 has a PN junction formed of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region.
また、第2実施形態の撮像素子101は、FD接続領域50及びFD昇圧領域60がN型ポリシリコン領域15Nで構成される。そして、その撮像素子101は、第1半導体基板21と層間絶縁層12と第2半導体基板22とを有し、フォトダイオードPD(光電変換部)及びフローティングディフュージョンPDは、第1半導体基板21内に形成され、 FD接続領域50及びFD昇圧領域60のN型ポリシリコン領域15Nは、層間絶縁層12内に形成され、PN接合のP型半導体領域21P及びN型半導体領域21Nは、第2半導体基板21内に形成されている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the second embodiment, the FD connection region 50 and FD boost region 60 are composed of N-type polysilicon regions 15N. The image sensor 101 has a first semiconductor substrate 21, an interlayer insulating layer 12, and a second semiconductor substrate 22, with the photodiode PD (photoelectric conversion unit) and floating diffusion PD formed in the first semiconductor substrate 21, the N-type polysilicon regions 15N of the FD connection region 50 and FD boost region 60 formed in the interlayer insulating layer 12, and the P-type semiconductor region 21P and N-type semiconductor region 21N of the PN junction formed in the second semiconductor substrate 21.
このような撮像素子101は、配線レイアウトの圧迫が抑えられたものとなっている。 This type of image sensor 101 minimizes the burden on the wiring layout.
また、第2実施形態の撮像素子101は、FD昇圧領域60が、正面視において、FD接続領域50を囲むように配置されている。このような撮像素子101は、クロストークの影響が抑えられたものとなっている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the second embodiment, the FD boosting region 60 is arranged to surround the FD connection region 50 when viewed from the front. In this type of image sensor 101, the effects of crosstalk are suppressed.
また、第2実施形態の撮像素子101は、第2半導体基板21上に、読出し回路124を構成する複数のトランジスタのうちの少なくとも1つが形成されている。このような撮像素子101は、半導体基板の利用が節約されたものとなっている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the second embodiment, at least one of the multiple transistors that make up the readout circuit 124 is formed on the second semiconductor substrate 21. This type of image sensor 101 conserves semiconductor substrate usage.
<3.第3実施形態>
次に、第3実施形態の撮像素子について説明する。
3. Third Embodiment
Next, an image sensor according to a third embodiment will be described.
図20は、第3実施形態の撮像素子101の構成を示す平面レイアウト図である。 FIG. 20 is a planar layout diagram showing the configuration of the image sensor 101 of the third embodiment.
第3実施形態の撮像素子101は、基本的には、第1実施形態と同様の構成を有している。ただし、第1実施形態の撮像素子101は、FD昇圧領域60,21Nが抵抗を介してグランドGNDに電気的に接続されているのに対して、第3実施形態の撮像素子101は、FD昇圧領域60,21NがグランドGNDに電気的に接続されておらず、代わりに、FD昇圧電源70に電気的に接続されている。 The image sensor 101 of the third embodiment basically has the same configuration as the first embodiment. However, while the image sensor 101 of the first embodiment has the FD boost regions 60 and 21N electrically connected to ground GND via resistors, the image sensor 101 of the third embodiment has the FD boost regions 60 and 21N not electrically connected to ground GND, but instead electrically connected to the FD boost power supply 70.
FD昇圧電源70は、転送ゲートTGのON電圧VONとGND電圧VGNDとを供給できる電源である。そして、FD昇圧電源70は、転送ゲートTGがONのとき、FD昇圧領域60,21Nに、転送ゲートTGのON電圧VONを供給し、転送ゲートTGがOFFのとき、FD昇圧領域60,21Nに、GND電圧VGNDを供給する。 The FD boost power supply 70 is a power supply that can supply the ON voltage V_ON and the GND voltage V_GND of the transfer gate TG. When the transfer gate TG is ON, the FD boost power supply 70 supplies the ON voltage V_ON of the transfer gate TG to the FD boost regions 60 and 21N, and when the transfer gate TG is OFF, the FD boost power supply 70 supplies the GND voltage V_GND to the FD boost regions 60 and 21N.
このような構成を有する第3実施形態の撮像素子101においては、転送ゲートTGがONのときであっても、FD昇圧領域60,21Nに電流が流れない。そのため、第3実施形態の撮像素子101は、消費電力が抑えられたものとなっている。 In the image sensor 101 of the third embodiment having this configuration, no current flows through the FD boost regions 60 and 21N even when the transfer gate TG is ON. Therefore, the image sensor 101 of the third embodiment has reduced power consumption.
なお、FD昇圧領域60,21Nを転送ゲートTGに接続せずに、FD昇圧電源70の接続のみでもフローティングディフュージョンFDの昇圧が可能であるが、転送ゲートTGとFD昇圧領域60,21NとをPN接合を介して接続することで、駆動のRC遅延が低減される。 It is possible to boost the floating diffusion FD by connecting only the FD boost power supply 70 without connecting the FD boost regions 60 and 21N to the transfer gate TG, but connecting the transfer gate TG and the FD boost regions 60 and 21N via a PN junction reduces the RC delay of the drive.
また、第3実施形態の撮像素子101では、FD接続領域50,21Nの周囲が、転送ゲートTGのON電圧VON又はGND電圧VGNDが印加されたFD昇圧領域60,21Nによって囲まれていることから、周囲のFD共有単位150からの信号のクロストークの影響を受けづらいものとなっている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the third embodiment, the FD connection regions 50, 21N are surrounded by the FD boost regions 60, 21N to which the ON voltage V_ON or the GND voltage V_GND of the transfer gate TG is applied, and therefore are less susceptible to the influence of crosstalk of signals from the surrounding FD sharing units 150.
また、第3実施形態の撮像素子101では、一方向に隣接しているFD共有単位150間のFD昇圧領域60,21Nが相互に接続されており、画素アレイ部111の最外周部に位置するFD供給単位のFD昇圧領域60,21Nに、FD昇圧電源70が接続されている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the third embodiment, the FD boost regions 60, 21N between adjacent FD sharing units 150 in one direction are connected to each other, and the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost regions 60, 21N of the FD supply units located at the outermost periphery of the pixel array section 111.
つまり、FD共有単位150は、正面視において、一方向に並んで配列されており、その一方向で隣接している2つのFD共有単位150のFD昇圧領域60は、相互に接続されている。そして、その一方向に並んで配置された複数のFD共有単位150のうち最も外側に位置するFD共有単位150のFD昇圧領域60に、FD昇圧電源70が接続されている。 In other words, the FD sharing units 150 are arranged side by side in one direction when viewed from the front, and the FD boost regions 60 of two FD sharing units 150 adjacent in that direction are connected to each other. The FD boost power supply 70 is connected to the FD boost region 60 of the FD sharing unit 150 located on the outermost side of the multiple FD sharing units 150 arranged side by side in that direction.
図20に示す例では、左右の方向に隣接しているFD共有単位150のFD昇圧領域60,21Nが相互に接続されており、右端の画素アレイ部111の最外周部に位置するFD共有単位150のFD昇圧領域60,21Nに、FD昇圧電源70が接続されている。 In the example shown in Figure 20, the FD boost regions 60, 21N of adjacent FD shared units 150 in the left-right direction are connected to each other, and the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost regions 60, 21N of the FD shared unit 150 located at the outermost periphery of the pixel array section 111 on the right edge.
この構成により、配線レイアウトの圧迫が抑えられている。 This configuration reduces the pressure on the wiring layout.
なお、図20に示す例では、FD昇圧電源70がFD昇圧領域60,21Nに直接接続されている。しかし、FD昇圧電源70は、例えば、配線層39及び垂直配線43を介して、FD昇圧領域60,21Nに接続されていてもよい。 In the example shown in FIG. 20, the FD boost power supply 70 is directly connected to the FD boost regions 60 and 21N. However, the FD boost power supply 70 may also be connected to the FD boost regions 60 and 21N via, for example, the wiring layer 39 and the vertical wiring 43.
以上をまとめると、第3実施形態の撮像素子101は、複数のフォトダイオードPDと(光電変換部)、複数のフローティングディフュージョンFDと、複数の転送ゲートTGと、N型半導体領域で構成されるFD接続領域50と、N型半導体領域で構成されるFD昇圧領域60と、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有する複数の第1配線経路61と、FD昇圧電源70と、を備える。そして、FD昇圧電源70は、複数の転送ゲートTGのいずれかがONのとき、ON電圧VONをFD昇圧領域60に供給し、複数の転送ゲートTGのすべてがOFFのとき、グランド電圧VGNDをFD昇圧領域60に供給する。FD昇圧領域60は、正面視において、FD接続領域50を囲むように配置されていてもよい。 To summarize the above, the image sensor 101 of the third embodiment includes a plurality of photodiodes PD (photoelectric conversion units), a plurality of floating diffusions FD, a plurality of transfer gates TG, an FD connection region 50 formed of an N-type semiconductor region, an FD boost region 60 formed of an N-type semiconductor region, a plurality of first wiring paths 61 having PN junctions formed of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region, and an FD boost power supply 70. The FD boost power supply 70 supplies an ON voltage V_ON to the FD boost region 60 when any of the plurality of transfer gates TG is ON, and supplies a ground voltage V_GND to the FD boost region 60 when all of the plurality of transfer gates TG are OFF. The FD boost region 60 may be arranged to surround the FD connection region 50 in a front view.
このような撮像素子101は、消費電力及び駆動のRC遅延が抑えられたものとなっている。 Such an image sensor 101 reduces power consumption and drive RC delay.
また、第3実施形態の撮像素子101は、FD昇圧領域60が、正面視において、FD接続領域50を囲むように配置されていてもよい。このような撮像素子101は、クロストークの影響が抑えられたものとなっている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the third embodiment, the FD boosting region 60 may be arranged to surround the FD connection region 50 when viewed from the front. In such an image sensor 101, the effects of crosstalk are reduced.
また、第3実施形態の撮像素子101は、正面視において、一方向に並んで配置された複数のFD共有単位150を有し、その一方向で隣接している2つのFD共有単位150のFD昇圧領域60は、相互に接続されている。そして、FD昇圧電源70は、その一方向に並んで配置された複数のFD共有単位150のうち最も外側に位置するFD共有単位150のFD昇圧領域60に接続されている。このような撮像素子101は、配線レイアウトの圧迫が抑えられたものとなっている。 Furthermore, the image sensor 101 of the third embodiment has a plurality of FD shared units 150 arranged side by side in one direction when viewed from the front, and the FD boost regions 60 of two FD shared units 150 adjacent in that direction are connected to each other. The FD boost power supply 70 is connected to the FD boost region 60 of the FD shared unit 150 located on the outermost side of the plurality of FD shared units 150 arranged side by side in that direction. This image sensor 101 reduces the burden on the wiring layout.
<4.第4実施形態>
次に、第4実施形態の撮像素子について説明する。
4. Fourth Embodiment
Next, an image sensor according to a fourth embodiment will be described.
図21は、第4実施形態の撮像素子101の構成を示す平面レイアウト図である。 Figure 21 is a planar layout diagram showing the configuration of the image sensor 101 of the fourth embodiment.
第4実施形態の撮像素子101は、基本的には、第2実施形態と同様の構成を有している。ただし、第2実施形態の撮像素子101は、FD昇圧領域60,15Nが抵抗を介してグランドGNDに電気的に接続されているのに対して、第4実施形態の撮像素子101は、グランドGNDに電気的に接続されておらず、代わりに、FD昇圧電源70に電気的に接続されている。 The image sensor 101 of the fourth embodiment basically has the same configuration as the second embodiment. However, while the FD boost regions 60 and 15N of the image sensor 101 of the second embodiment are electrically connected to ground GND via resistors, the image sensor 101 of the fourth embodiment is not electrically connected to ground GND, but is instead electrically connected to the FD boost power supply 70.
FD昇圧電源70の構成は、前述の第3実施形態のFD昇圧電源70と同じである。つまり、FD昇圧電源70は、転送ゲートTGのON電圧VONとGND電圧VGNDとを供給できる電源である。そして、FD昇圧電源70は、いずれかの転送ゲートTGがONのとき、FD昇圧領域60,15Nに、転送ゲートTGのON電圧VONを供給し、すべての転送ゲートTGがOFFのとき、FD昇圧領域60,15Nに、GND電圧VGNDを供給する。 The configuration of the FD boost power supply 70 is the same as that of the FD boost power supply 70 of the third embodiment described above. That is, the FD boost power supply 70 is a power supply that can supply the ON voltage V_ON and the GND voltage V_GND of the transfer gate TG. When any of the transfer gates TG is ON, the FD boost power supply 70 supplies the ON voltage V_ON of the transfer gate TG to the FD boost regions 60 and 15N, and when all of the transfer gates TG are OFF, the FD boost power supply 70 supplies the GND voltage V_GND to the FD boost regions 60 and 15N.
このような構成を有する第4実施形態の撮像素子101においては、転送ゲートTGがONのときであっても、FD昇圧領域60,15Nに電流が流れない。そのため、第4実施形態の撮像素子101は、消費電力が抑えられたものとなっている。 In the image sensor 101 of the fourth embodiment having this configuration, no current flows through the FD boost region 60, 15N even when the transfer gate TG is ON. Therefore, the image sensor 101 of the fourth embodiment has reduced power consumption.
なお、FD昇圧領域60,15Nを転送ゲートTGに接続せずに、FD昇圧電源70の接続のみでもフローティングディフュージョンFDの昇圧が可能であるが、転送ゲートTGとFD昇圧領域60,15NとをPN接合を介して接続することで、駆動のRC遅延が低減される。 It is possible to boost the floating diffusion FD by connecting only the FD boost power supply 70 without connecting the FD boost region 60, 15N to the transfer gate TG, but connecting the transfer gate TG and the FD boost region 60, 15N via a PN junction reduces the RC delay of the drive.
また、第4実施形態の撮像素子101では、FD接続領域50,15Nの周囲が、転送ゲートTGのON電圧VON又はGND電圧VGNDが印加されたFD昇圧領域60,15Nによって囲まれていることから、周囲のFD共有単位150からの信号のクロストークの影響を受けづらいものとなっている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the fourth embodiment, the FD connection regions 50, 15N are surrounded by the FD boost regions 60, 15N to which the ON voltage V_ON or the GND voltage V_GND of the transfer gate TG is applied, and therefore are less susceptible to the influence of crosstalk of signals from the surrounding FD sharing units 150.
また、第4実施形態の撮像素子101では、一方向で隣接しているFD共有単位150間のFD昇圧領域60,15Nが相互に接続されており、画素アレイ部111の最外周部に位置するFD供給単位のFD昇圧領域60,15Nに、FD昇圧電源70が接続されている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the fourth embodiment, the FD boost regions 60, 15N between FD sharing units 150 adjacent in one direction are connected to each other, and the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost regions 60, 15N of the FD supply units located at the outermost periphery of the pixel array section 111.
つまり、FD共有単位150は、正面視において、一方向に並んで配列されており、その一方向で隣接している2つのFD共有単位150のFD昇圧領域60は、相互に接続されている。そして、その一方向に並んで配置された複数のFD共有単位150のうち最も外側に位置するFD共有単位150のFD昇圧領域60に、FD昇圧電源70が接続されている。 In other words, the FD sharing units 150 are arranged side by side in one direction when viewed from the front, and the FD boost regions 60 of two FD sharing units 150 adjacent in that direction are connected to each other. The FD boost power supply 70 is connected to the FD boost region 60 of the FD sharing unit 150 located on the outermost side of the multiple FD sharing units 150 arranged side by side in that direction.
図21に示す例では、左右の方向に隣接しているFD共有単位150のFD昇圧領域60,15Nが相互に接続されており、右端の画素アレイ部111の最外周部に位置するFD共有単位150のFD昇圧領域60,15Nに、FD昇圧電源70が接続されている。 In the example shown in FIG. 21, the FD boost regions 60, 15N of adjacent FD shared units 150 in the left-right direction are connected to each other, and the FD boost power supply 70 is connected to the FD boost regions 60, 15N of the FD shared unit 150 located at the outermost periphery of the pixel array section 111 on the right edge.
この構成により、配線レイアウトの圧迫が抑えられている。 This configuration reduces the pressure on the wiring layout.
なお、図21に示す例では、FD昇圧電源70がFD昇圧領域60,15Nに直接接続されている。しかし、FD昇圧電源70は、例えば、配線層29及び垂直配線47を介して、FD昇圧領域60,15Nに接続されていてもよい。 In the example shown in FIG. 21, the FD boost power supply 70 is directly connected to the FD boost regions 60 and 15N. However, the FD boost power supply 70 may also be connected to the FD boost regions 60 and 15N via, for example, the wiring layer 29 and the vertical wiring 47.
以上をまとめると、第4実施形態の撮像素子101は、複数のフォトダイオードPD(光電変換部)と、複数のフローティングディフュージョンFDと、複数の転送ゲートTGと、N型半導体領域で構成されるFD接続領域50と、N型半導体領域で構成されるFD昇圧領域60と、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有する複数の第1配線経路61と、FD昇圧電源70と、を備える。そして、FD昇圧電源70は、複数の転送ゲートTGのいずれかがONのとき、ON電圧VONをFD昇圧領域60に供給し、複数の転送ゲートTGのすべてがOFFのとき、グランド電圧VGNDをFD昇圧領域60に供給する。 To summarize the above, the image sensor 101 of the fourth embodiment includes a plurality of photodiodes PD (photoelectric conversion units), a plurality of floating diffusions FD, a plurality of transfer gates TG, an FD connection region 50 formed of an N-type semiconductor region, an FD boost region 60 formed of an N-type semiconductor region, a plurality of first wiring paths 61 having PN junctions formed of a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region, and an FD boost power supply 70. The FD boost power supply 70 supplies an ON voltage V_ON to the FD boost region 60 when any of the plurality of transfer gates TG is ON, and supplies a ground voltage V_GND to the FD boost region 60 when all of the plurality of transfer gates TG are OFF.
このような撮像素子101は、消費電力及び駆動のRC遅延が抑えられたものとなっている。 Such an image sensor 101 reduces power consumption and drive RC delay.
また、第4実施形態の撮像素子101は、FD昇圧領域60が、正面視において、FD接続領域50を囲むように配置されていてもよい。このような撮像素子101は、クロストークの影響が抑えられたものとなっている。 Furthermore, in the image sensor 101 of the fourth embodiment, the FD boosting region 60 may be arranged to surround the FD connection region 50 when viewed from the front. In such an image sensor 101, the effects of crosstalk are reduced.
また、第4実施形態の撮像素子101は、正面視において、一方向に並んで配置された複数のFD共有単位150を有し、その一方向で隣接している2つのFD共有単位150のFD昇圧領域60は、相互に接続されている。そして、FD昇圧電源70は、その一方向に並んで配置された複数のFD共有単位150のうち最も外側に位置するFD共有単位150のFD昇圧領域60に接続されている。このような撮像素子101は、配線レイアウトの圧迫が抑えられたものとなっている。 Furthermore, the image sensor 101 of the fourth embodiment has a plurality of FD shared units 150 arranged side by side in one direction when viewed from the front, and the FD boost regions 60 of two FD shared units 150 adjacent in that direction are connected to each other. The FD boost power supply 70 is connected to the FD boost region 60 of the FD shared unit 150 located on the outermost side of the plurality of FD shared units 150 arranged side by side in that direction. This image sensor 101 reduces the burden on the wiring layout.
<5.第5実施形態>
次に、第5実施形態の撮像素子101について説明する。
<5. Fifth embodiment>
Next, the image sensor 101 according to the fifth embodiment will be described.
前述の第1実施形態の撮像素子101はローリングシャッタ方式の撮像素子であるのに対して、第5実施形態の撮像素子101はグローバルシャッタ方式の撮像素子である。第5実施形態の撮像素子101は、以下で説明する構成を除き、第1実施形態と同様の構成を有する。 While the image sensor 101 of the first embodiment described above is a rolling shutter type image sensor, the image sensor 101 of the fifth embodiment is a global shutter type image sensor. The image sensor 101 of the fifth embodiment has the same configuration as the first embodiment, except for the configuration described below.
図22は、第5実施形態の撮像素子101の画素121の回路構成を示す図である。図23は、第5実施形態の撮像素子101の画素アレイ部111内の一部の画素領域の平面レイアウト図である。図23は、2×2の4画素分の領域を示している。 FIG. 22 is a diagram showing the circuit configuration of a pixel 121 of the image sensor 101 of the fifth embodiment. FIG. 23 is a planar layout diagram of a portion of the pixel area within the pixel array section 111 of the image sensor 101 of the fifth embodiment. FIG. 23 shows an area of 2 x 2, or four pixels.
第5実施形態の撮像素子101でも、第1実施形態と同様、4つの画素121が1つの読出し回路124を共有している。図22は、1つの画素121のみを示している。読出し回路124の構成は、図2で示されている第1実施形態の読出し回路124と同じである。 In the image sensor 101 of the fifth embodiment, as in the first embodiment, four pixels 121 share one readout circuit 124. Figure 22 shows only one pixel 121. The configuration of the readout circuit 124 is the same as the readout circuit 124 of the first embodiment shown in Figure 2.
画素121は、フォトダイオードPDと、電荷保持部MEMと、3つの転送トランジスタTRY、TRX、TRGと、フローティングディフュージョンFDと、排出トランジスタOFGと、を有する。図示された例では、2つの画素121が1つのフローティングディフュージョンFDを共有している。 The pixel 121 has a photodiode PD, a charge storage unit MEM, three transfer transistors TRY, TRX, and TRG, a floating diffusion FD, and a discharge transistor OFG. In the illustrated example, two pixels 121 share one floating diffusion FD.
また、読出し回路124は、第1実施形態と同様、リセットトランジスタRSTと、増幅トランジスタAMPと、選択トランジスタSELと、を有する。 Furthermore, the readout circuit 124, like the first embodiment, has a reset transistor RST, an amplification transistor AMP, and a selection transistor SEL.
フォトダイオードPDは、受光量に応じた電荷を光電変換により生成する。フォトダイオードPDのアノードは、グランド(GND)に接続されている。フォトダイオードPDのカソードは、排出トランジスタOFGのソース及び転送トランジスタTRYのドレインに接続されている。 The photodiode PD generates an electric charge according to the amount of light received through photoelectric conversion. The anode of the photodiode PD is connected to ground (GND). The cathode of the photodiode PD is connected to the source of the discharge transistor OFG and the drain of the transfer transistor TRY.
電荷保持部MEMは、グローバルシャッタ機能を実現するために、フォトダイオードPDで生成及び蓄積された電荷を一時的に保持する領域である。電荷保持部MEMは、光電フォトダイオードPDから転送されてきた電荷を保持する。 The charge holding unit MEM is an area that temporarily holds the charge generated and accumulated in the photodiode PD in order to realize the global shutter function. The charge holding unit MEM holds the charge transferred from the photodiode PD.
転送トランジスタTRY及びTRXは、電荷保持部MEM上に、フォトダイオードPDの側から転送トランジスタTRY及びTRXの順に並んで、配置されている。転送トランジスタTRY及びTRXのゲートは、画素駆動線122に接続されている。転送トランジスタTRY及びTRXは、ゲート電極に印加される制御信号によって電荷保持部MEMのポテンシャルを制御して、フォトダイオードPDで光電変換された電荷を転送する。 The transfer transistors TRY and TRX are arranged on the charge holding unit MEM, in that order from the photodiode PD side. The gates of the transfer transistors TRY and TRX are connected to the pixel drive line 122. The transfer transistors TRY and TRX control the potential of the charge holding unit MEM using a control signal applied to the gate electrode, and transfer the charge photoelectrically converted by the photodiode PD.
例えば、転送トランジスタTRY及びTRXがオンすると、電荷保持部MEMのポテンシャルが深くなり、転送トランジスタTRY及びTRXがオフすると、電荷保持部MEMのポテンシャルが浅くなる。そして、例えば、転送トランジスタTRY及びTRXがオンすると、フォトダイオードPDに蓄積されている電荷が、転送トランジスタTRY及びTRXを介して、電荷保持部MEMに転送されることになる。 For example, when the transfer transistors TRY and TRX are turned on, the potential of the charge holding unit MEM becomes deeper, and when the transfer transistors TRY and TRX are turned off, the potential of the charge holding unit MEM becomes shallower. For example, when the transfer transistors TRY and TRX are turned on, the charge stored in the photodiode PD is transferred to the charge holding unit MEM via the transfer transistors TRY and TRX.
転送トランジスタTRGは、転送トランジスタTRXとフローティングディフュージョンFDとの間に配置されている。転送トランジスタTRGのソースは、転送トランジスタTRXのドレインに接続され、転送トランジスタTRGのドレインは、フローティングディフュージョンFDに接続されている。転送トランジスタTRGのゲートは、画素駆動線122に接続されている。転送トランジスタTRGは、ゲート電極に印加される制御信号に応じて、電荷保持部MEMに保持されている電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。 The transfer transistor TRG is arranged between the transfer transistor TRX and the floating diffusion FD. The source of the transfer transistor TRG is connected to the drain of the transfer transistor TRX, and the drain of the transfer transistor TRG is connected to the floating diffusion FD. The gate of the transfer transistor TRG is connected to the pixel drive line 122. The transfer transistor TRG transfers the charge held in the charge holding unit MEM to the floating diffusion FD in response to a control signal applied to the gate electrode.
例えば、転送トランジスタTRXがオフして、転送トランジスタTRGがオンすると、電荷保持部MEMに保持されている電荷が、フローティングディフュージョンFDに転送される。 For example, when the transfer transistor TRX is turned off and the transfer transistor TRG is turned on, the charge held in the charge holding unit MEM is transferred to the floating diffusion FD.
フローティングディフュージョンFDは、フォトダイオードPDから、転送トランジスタTRGを介して、転送された電荷を一時的に保持する浮遊拡散領域である。フローティングディフュージョンFDは、転送トランジスタTRGのドレイン、リセットトランジスタRSTのソース及び増幅トランジスタAMPのゲートに接続されている。 The floating diffusion FD is a floating diffusion region that temporarily holds the charge transferred from the photodiode PD via the transfer transistor TRG. The floating diffusion FD is connected to the drain of the transfer transistor TRG, the source of the reset transistor RST, and the gate of the amplification transistor AMP.
前述のとおり、図示された例では、2つの画素121が1つのフローティングディフュージョンFDを共有している。また、それぞれが2つの画素121によって共有されている2つのフローティングディフュージョンFDは、配線によって、電気的に接続されている。そのため、この2つのフローティングディフュージョンFDは、実質的に1つのフローティングディフュージョンを構成しているといえる。つまり、4つの画素121は、2つのフローティングディフュージョンFD及び配線からなる実質的に1つのフローティングディフュージョンを共有しているといえる。 As mentioned above, in the illustrated example, two pixels 121 share one floating diffusion FD. Furthermore, the two floating diffusions FD, each shared by two pixels 121, are electrically connected by wiring. Therefore, it can be said that these two floating diffusions FD essentially constitute one floating diffusion. In other words, it can be said that the four pixels 121 essentially share one floating diffusion consisting of two floating diffusions FD and wiring.
排出トランジスタOFGは、ゲート電極に印加される制御信号に応じて、フォトダイオードPDを初期化(リセット)する。排出トランジスタOFGのドレインは、電源線VDDに接続されている。排出トランジスタOFGのソースは、フォトダイオードPDと転送トランジスタTRYのソースに接続されている。 The discharge transistor OFG initializes (resets) the photodiode PD in response to a control signal applied to its gate electrode. The drain of the discharge transistor OFG is connected to the power supply line VDD. The source of the discharge transistor OFG is connected to the photodiode PD and the source of the transfer transistor TRY.
例えば、排出トランジスタOFGがオンすると、フォトダイオードPDの電位が電源線VDDの電位レベルにリセットされる。すなわち、フォトダイオードPDの初期化が行われる。また、排出トランジスタOFGは、例えば、フォトダイオードPDと電源線VDDとの間にオーバーフローパスを形成し、フォトダイオードPDから溢れた電荷を電源線VDDに排出する。 For example, when the drain transistor OFG is turned on, the potential of the photodiode PD is reset to the potential level of the power supply line VDD. In other words, the photodiode PD is initialized. In addition, the drain transistor OFG forms an overflow path between the photodiode PD and the power supply line VDD, and drains the charge that has overflowed from the photodiode PD to the power supply line VDD.
リセットトランジスタRSTは、ゲート電極に印加される制御信号に応じて、電荷保持部MEMからフローティングディフュージョンFDまでの各領域を初期化(リセット)する。リセットトランジスタRSTのドレインは、電源線VDDに接続されている。リセットトランジスタRSTのソースは、フローティングディフュージョンFDに接続されている。 The reset transistor RST initializes (resets) each region from the charge storage unit MEM to the floating diffusion FD in response to a control signal applied to its gate electrode. The drain of the reset transistor RST is connected to the power supply line VDD. The source of the reset transistor RST is connected to the floating diffusion FD.
例えば、転送トランジスタTRG及びリセットトランジスタRSTがオンすると、電荷保持部MEM及びフローティングディフュージョンFDの電位が電源線VDDの電位レベルにリセットされる。すなわち、リセットトランジスタRSTをオンすることで、電荷保持部MEM及びフローティングディフュージョンFDの初期化が行われる。 For example, when the transfer transistor TRG and reset transistor RST are turned on, the potential of the charge holding unit MEM and floating diffusion FD is reset to the potential level of the power supply line VDD. In other words, turning on the reset transistor RST initializes the charge holding unit MEM and floating diffusion FD.
増幅トランジスタAMPは、ゲート電極がフローティングディフュージョンFDに接続され、ドレインが電源線VDDに接続されており、フォトダイオードPDでの光電変換によって得られる電荷を読み出すソースフォロワ回路の入力部となる。すなわち、増幅トランジスタAMPは、ソースが選択トランジスタSELを介して垂直信号線VSL(123)に接続されることにより、垂直信号線VSL(123)の一端に接続される定電流源とソースフォロワ回路を構成する。 The amplifier transistor AMP has a gate electrode connected to the floating diffusion FD and a drain connected to the power supply line VDD, and serves as the input of a source follower circuit that reads out the charge obtained by photoelectric conversion in the photodiode PD. In other words, the amplifier transistor AMP has a source connected to the vertical signal line VSL (123) via the selection transistor SEL, and thus forms a source follower circuit with the constant current source connected to one end of the vertical signal line VSL (123).
選択トランジスタSELは、ソースが垂直信号線VSL(123)に接続され、ドレインが増幅トランジスタAMPのソースに接続されている。選択トランジスタSELのゲート電極には、選択信号として制御信号が供給される。選択トランジスタSELは、制御信号がオンすると導通状態となり、選択トランジスタSELに連結された画素121が選択状態となる。画素121が選択状態になると、増幅トランジスタAMPから出力される画素信号が、垂直信号線VSL(123)を介してカラム信号処理部114に読み出される。 The source of the selection transistor SEL is connected to the vertical signal line VSL (123), and the drain is connected to the source of the amplification transistor AMP. A control signal is supplied to the gate electrode of the selection transistor SEL as a selection signal. When the control signal is turned on, the selection transistor SEL becomes conductive, and the pixel 121 connected to the selection transistor SEL becomes selected. When the pixel 121 becomes selected, the pixel signal output from the amplification transistor AMP is read out to the column signal processing unit 114 via the vertical signal line VSL (123).
なお、画素121内の各トランジスタの平面レイアウトは、図23に示したものに限定されない。画素121内の各トランジスタの配置が変われば、その下方に配置されるフォトダイオードPDや電荷保持部MEMの配置場所も変化する。 Note that the planar layout of each transistor within pixel 121 is not limited to that shown in Figure 23. If the arrangement of each transistor within pixel 121 changes, the locations of the photodiode PD and charge storage unit MEM located below them will also change.
以上で説明した構成を除き、第5実施形態の撮像素子101の具体的構成は、基本的に、第1実施形態と同じである。 Except for the configuration described above, the specific configuration of the image sensor 101 in the fifth embodiment is basically the same as that in the first embodiment.
ただし、第5実施形態の「転送トランジスタTRG」が、第1実施形態の「転送トランジスタTR」に対応し、第5実施形態の「転送トランジスタTRGのゲート電極」が、第1実施形態の「転送ゲートTG」に対応することになる。 However, the "transfer transistor TRG" in the fifth embodiment corresponds to the "transfer transistor TR" in the first embodiment, and the "gate electrode of the transfer transistor TRG" in the fifth embodiment corresponds to the "transfer gate TG" in the first embodiment.
このように、本開示に係る技術は、ローリングシャッタ方式だけでなく、グローバルシャッタ方式の撮像素子に適用することも可能である。 In this way, the technology disclosed herein can be applied not only to rolling shutter type image sensors, but also to global shutter type image sensors.
<6.電子機器への適用例>
図24は、本開示による技術を適用した電子機器としてのカメラ2000の構成例を示すブロック図である。
<6. Application examples to electronic devices>
FIG. 24 is a block diagram showing an example configuration of a camera 2000 as an electronic device to which the technology according to the present disclosure is applied.
カメラ2000は、レンズ群などからなる光学部2001と、上述の撮像素子101等が適用される撮像素子(撮像デバイス)2002と、カメラ信号処理回路であるDSP(Digital Signal Processor)回路2003と、を備える。また、カメラ2000は、さらに、フレームメモリ2004と、表示部2005と、記録部2006と、操作部2007と、電源部2008と、を備える。DSP回路2003、フレームメモリ2004、表示部2005、記録部2006、操作部2007及び電源部2008は、バスライン2009を介して相互に接続されている。 Camera 2000 includes an optical unit 2001 consisting of a group of lenses and the like, an image sensor (image capture device) 2002 to which the image sensor 101 described above and the like are applied, and a DSP (Digital Signal Processor) circuit 2003, which is a camera signal processing circuit. Camera 2000 also includes a frame memory 2004, a display unit 2005, a recording unit 2006, an operation unit 2007, and a power supply unit 2008. DSP circuit 2003, frame memory 2004, display unit 2005, recording unit 2006, operation unit 2007, and power supply unit 2008 are interconnected via bus line 2009.
光学部2001は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで撮像素子2002の撮像面上に結像する。撮像素子2002は、光学部2001によって撮像面上に結像された入射光の光量を、画素単位で電気信号に変換して、画素信号として出力する。 The optical unit 2001 takes in incident light (image light) from the subject and forms an image on the imaging surface of the image sensor 2002. The image sensor 2002 converts the amount of incident light formed on the imaging surface by the optical unit 2001 into an electrical signal on a pixel-by-pixel basis and outputs it as a pixel signal.
表示部2005は、例えば、液晶パネルや有機ELパネル等のパネル型表示装置からなり、撮像素子2002で撮像された動画又は静止画を表示する。記録部2006は、撮像素子2002で撮像された動画又は静止画を、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録する。 The display unit 2005 is, for example, a panel-type display device such as a liquid crystal panel or an organic EL panel, and displays moving images or still images captured by the image sensor 2002. The recording unit 2006 records the moving images or still images captured by the image sensor 2002 on a recording medium such as a hard disk or semiconductor memory.
操作部2007は、ユーザによる操作の下に、カメラ2000が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部2008は、DSP回路2003、フレームメモリ2004、表示部2005、記録部2006及び操作部2007の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。 Operated by the user, the operation unit 2007 issues operation commands for the various functions of the camera 2000. The power supply unit 2008 appropriately supplies various types of power to the DSP circuit 2003, frame memory 2004, display unit 2005, recording unit 2006, and operation unit 2007 as operating power sources.
上述したように、撮像素子2002として、上述した撮像素子101等を用いることで、良好な画像の取得が期待できる。 As mentioned above, by using the image sensor 101 or the like as the image sensor 2002, it is possible to expect to obtain good images.
<7.移動体への適用例>
本開示に係る技術は、様々な製品へ適用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
<7. Application examples to mobile objects>
The technology according to the present disclosure can be applied to various products. For example, the technology according to the present disclosure may be realized as a device mounted on any type of moving body, such as an automobile, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a motorcycle, a bicycle, a personal mobility device, an airplane, a drone, a ship, or a robot.
図25は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。 Figure 25 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system, which is an example of a mobile object control system to which the technology disclosed herein can be applied.
車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図25に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(Interface)12053が図示されている。 The vehicle control system 12000 includes multiple electronic control units connected via a communication network 12001. In the example shown in FIG. 25, the vehicle control system 12000 includes a drive system control unit 12010, a body system control unit 12020, an outside vehicle information detection unit 12030, an inside vehicle information detection unit 12040, and an integrated control unit 12050. The functional configuration of the integrated control unit 12050 also includes a microcomputer 12051, an audio/video output unit 12052, and an in-vehicle network I/F (Interface) 12053.
駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。 The drivetrain control unit 12010 controls the operation of devices related to the vehicle's drivetrain in accordance with various programs. For example, the drivetrain control unit 12010 functions as a control device for a driveforce generating device such as an internal combustion engine or drive motor that generates vehicle driveforce, a driveforce transmission mechanism that transmits driveforce to the wheels, a steering mechanism that adjusts the vehicle's steering angle, and a braking device that generates vehicle braking force.
ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。 The body system control unit 12020 controls the operation of various devices installed in the vehicle body according to various programs. For example, the body system control unit 12020 functions as a control device for a keyless entry system, a smart key system, a power window device, or various lamps such as headlamps, backup lamps, brake lamps, turn signals, and fog lamps. In this case, radio waves transmitted from a portable device that serves as a key or signals from various switches can be input to the body system control unit 12020. The body system control unit 12020 accepts these radio waves or signal inputs and controls the vehicle's door lock device, power window device, lamps, etc.
車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。 The outside vehicle information detection unit 12030 detects information outside the vehicle equipped with the vehicle control system 12000. For example, the outside vehicle information detection unit 12030 is connected to an imaging unit 12031. The outside vehicle information detection unit 12030 causes the imaging unit 12031 to capture images outside the vehicle and receives the captured images. The outside vehicle information detection unit 12030 may perform object detection processing or distance detection processing for people, cars, obstacles, signs, characters on the road surface, etc. based on the received images.
撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。 The imaging unit 12031 is an optical sensor that receives light and outputs an electrical signal according to the amount of light received. The imaging unit 12031 can output the electrical signal as an image, or as distance measurement information. Furthermore, the light received by the imaging unit 12031 may be visible light, or may be invisible light such as infrared light.
車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。 The in-vehicle information detection unit 12040 detects information inside the vehicle. Connected to the in-vehicle information detection unit 12040 is, for example, a driver state detection unit 12041 that detects the driver's state. The driver state detection unit 12041 includes, for example, a camera that captures an image of the driver, and the in-vehicle information detection unit 12040 may calculate the driver's level of fatigue or concentration based on the detection information input from the driver state detection unit 12041, or may determine whether the driver is dozing off.
マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。 The microcomputer 12051 can calculate control target values for the driving force generating device, steering mechanism, or braking device based on information inside and outside the vehicle acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, and output control commands to the drive system control unit 12010. For example, the microcomputer 12051 can perform cooperative control aimed at realizing the functions of an ADAS (Advanced Driver Assistance System), including vehicle collision avoidance or impact mitigation, following driving based on the distance between vehicles, maintaining vehicle speed, vehicle collision warning, or vehicle lane departure warning.
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。 In addition, the microcomputer 12051 controls the driving force generating device, steering mechanism, braking device, etc. based on information about the vehicle's surroundings acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, thereby enabling cooperative control aimed at autonomous driving, which allows the vehicle to travel autonomously without relying on driver operation.
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12020に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。 In addition, the microcomputer 12051 can output control commands to the body system control unit 12020 based on information outside the vehicle acquired by the vehicle exterior information detection unit 12030. For example, the microcomputer 12051 can control the headlamps according to the position of a preceding vehicle or an oncoming vehicle detected by the vehicle exterior information detection unit 12030, and perform cooperative control aimed at preventing glare, such as switching from high beams to low beams.
音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図25の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。 The audio/video output unit 12052 transmits at least one audio and/or video output signal to an output device capable of visually or audibly notifying vehicle occupants or the outside of the vehicle of information. In the example of FIG. 25, an audio speaker 12061, a display unit 12062, and an instrument panel 12063 are exemplified as output devices. The display unit 12062 may include, for example, at least one of an on-board display and a head-up display.
図26は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。 Figure 26 shows an example of the installation position of the imaging unit 12031.
図26では、撮像部12031として、撮像部12101、12102、12103、12104、12105を有する。 In FIG. 26, the imaging unit 12031 includes imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105.
撮像部12101、12102、12103、12104、12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102、12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。 The imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105 are provided, for example, at positions such as the front nose, side mirrors, rear bumper, back door, and the top of the windshield inside the vehicle cabin of the vehicle 12100. The imaging unit 12101 provided on the front nose and the imaging unit 12105 provided on the top of the windshield inside the vehicle cabin mainly capture images of the front of the vehicle 12100. The imaging units 12102 and 12103 provided on the side mirrors mainly capture images of the sides of the vehicle 12100. The imaging unit 12104 provided on the rear bumper or back door mainly captures images of the rear of the vehicle 12100. The imaging unit 12105 provided on the top of the windshield inside the vehicle cabin is mainly used to detect leading vehicles, pedestrians, obstacles, traffic lights, traffic signs, lanes, etc.
なお、図26には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。 Note that Figure 26 shows an example of the imaging ranges of imaging units 12101 to 12104. Imaging range 12111 indicates the imaging range of imaging unit 12101 provided on the front nose, imaging ranges 12112 and 12113 indicate the imaging ranges of imaging units 12102 and 12103 provided on the side mirrors, respectively, and imaging range 12114 indicates the imaging range of imaging unit 12104 provided on the rear bumper or back door. For example, by overlaying the image data captured by imaging units 12101 to 12104, an overhead image of vehicle 12100 viewed from above can be obtained.
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。 At least one of the image capturing units 12101 to 12104 may have a function for acquiring distance information. For example, at least one of the image capturing units 12101 to 12104 may be a stereo camera consisting of multiple image capturing elements, or an image capturing element having pixels for phase difference detection.
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。 For example, based on distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104, the microcomputer 12051 can calculate the distance to each three-dimensional object within the imaging ranges 12111 to 12114 and the change in this distance over time (relative speed with respect to the vehicle 12100), thereby extracting as a preceding vehicle the three-dimensional object that is the closest three-dimensional object on the path of the vehicle 12100 and traveling in approximately the same direction as the vehicle 12100 at a predetermined speed (e.g., 0 km/h or higher). Furthermore, the microcomputer 12051 can set the inter-vehicle distance that should be maintained in advance in front of the preceding vehicle, and perform automatic braking control (including follow-up stop control) and automatic acceleration control (including follow-up start control). In this way, cooperative control can be performed for the purpose of autonomous driving, which allows the vehicle to travel autonomously without relying on driver operation.
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。 For example, based on the distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104, the microcomputer 12051 can classify and extract three-dimensional object data regarding three-dimensional objects into categories such as motorcycles, standard vehicles, large vehicles, pedestrians, utility poles, and other three-dimensional objects, and use this data for automatic obstacle avoidance. For example, the microcomputer 12051 distinguishes obstacles around the vehicle 12100 into those that are visible to the driver of the vehicle 12100 and those that are difficult to see. The microcomputer 12051 then determines the collision risk, which indicates the risk of collision with each obstacle, and when the collision risk is equal to or exceeds a set value and a collision is possible, it can provide driving assistance to avoid a collision by outputting an alarm to the driver via the audio speaker 12061 or the display unit 12062, or by performing forced deceleration or evasive steering via the drivetrain control unit 12010.
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。 At least one of the image capturing units 12101 to 12104 may be an infrared camera that detects infrared rays. For example, the microcomputer 12051 can recognize pedestrians by determining whether or not a pedestrian is present in the images captured by the image capturing units 12101 to 12104. Such pedestrian recognition is performed, for example, by extracting feature points in the images captured by the image capturing units 12101 to 12104 as infrared cameras, and performing pattern matching processing on a series of feature points that indicate the outline of an object to determine whether or not the object is a pedestrian. When the microcomputer 12051 determines that a pedestrian is present in the images captured by the image capturing units 12101 to 12104 and recognizes the pedestrian, the audio/video output unit 12052 controls the display unit 12062 to superimpose a rectangular outline on the recognized pedestrian for emphasis. The audio/video output unit 12052 may also control the display unit 12062 to display an icon or the like indicating the pedestrian in a desired position.
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部12031に適用され得る。具体的には、図1などに示した撮像素子101等を撮像部12031に適用することができる。撮像部12031に本開示に係る技術を適用することにより、車両制御システムの優れた動作が期待できる。 The foregoing describes an example of a vehicle control system to which the technology disclosed herein can be applied. Of the configurations described above, the technology disclosed herein can be applied to the imaging unit 12031. Specifically, the imaging element 101 shown in FIG. 1 and the like can be applied to the imaging unit 12031. By applying the technology disclosed herein to the imaging unit 12031, excellent operation of the vehicle control system can be expected.
<8.まとめ>
以上、本開示の実施の形態の一例を説明したが、本開示は、その他の様々な形態で実施することが可能である。例えば、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形、置換、省略又はこれらの組み合わせが可能である。そのような変形、置換、省略等を行った形態も、本開示の範囲に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
8. Summary
Although an example of an embodiment of the present disclosure has been described above, the present disclosure can be implemented in various other forms. For example, various modifications, substitutions, omissions, or combinations thereof are possible without departing from the spirit of the present disclosure. Such modifications, substitutions, omissions, etc. are also included within the scope of the present disclosure, as well as within the scope of the inventions described in the claims and their equivalents.
また、本明細書に記載された本開示の効果は例示に過ぎず、その他の効果があってもよい。 Furthermore, the effects of the present disclosure described in this specification are merely examples, and other effects may also be present.
なお、本開示は以下のような構成をとることも可能である。
[項目1]
受光量に応じた電荷を光電変換により生成する複数の光電変換部と、
前記光電変換部から転送されてきた電荷を保持する複数のフローティングディフュージョンと、
前記光電変換部で生成された電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する複数の転送ゲートと、
前記複数のフローティングディフュージョンを接続する配線領域であるFD接続領域と、
前記FD接続領域を昇圧するための配線領域であるFD昇圧領域と、
前記複数の転送ゲートのゲート信号線と前記FD昇圧領域とを電気的に接続する複数の第1配線経路と、
前記FD昇圧領域とグランドとを抵抗を介して電気的に接続する第2配線経路と、を有し、
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型半導体領域で構成され、
前記第1配線経路は、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有し、
撮像素子。
[項目2]
項目1に記載の撮像素子であって、
前記FD昇圧領域は、正面視において、前記FD接続領域を囲むように配置されている撮像素子。
[項目3]
項目1又は2に記載の撮像素子であって、
第1半導体基板と、前記第1半導体基板の上面側に積層された層間絶縁層と、前記層間絶縁層の上面側に積層された第2半導体基板と、を有し、
前記光電変換部及び前記フローティングディフュージョンは、前記第1半導体基板内に形成され、
前記前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域のN型半導体領域と、前記PN接合のP型半導体領域及びN型半導体領域とは、前記第2半導体基板内に形成されている
撮像素子。
[項目4]
項目1から3のいずれか1つに記載の撮像素子であって、
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型単結晶シリコン領域で構成され、
前記第1配線経路の前記PN接合は、P型単結晶シリコン領域とN型単結晶シリコン領域とで構成される
撮像素子。
[項目5]
項目1から3のいずれか1つ記載の撮像素子であって、
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型ポリシリコン領域で構成される撮像素子。
[項目6]
項目5に記載の撮像素子であって、
第1半導体基板と、前記第1半導体基板の上面側に積層された層間絶縁層と、前記層間絶縁層の上面側に積層された第2半導体基板と、を有し、
前記光電変換部及び前記フローティングディフュージョンは、前記第1半導体基板内に形成され、
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域のN型ポリシリコン領域は、前記層間絶縁層内に形成され、
前記PN接合のP型半導体領域及びN型半導体領域は、前記第2半導体基板内に形成されている
撮像素子。
[項目7]
項目6に記載の撮像素子であって、
前記第2半導体基板上に、読出し回路を構成する複数のトランジスタのうちの少なくとも1つが形成されている撮像素子。
[項目8]
受光量に応じた電荷を光電変換により生成する複数の光電変換部と、
前記光電変換部から転送されてきた電荷を保持する複数のフローティングディフュージョンと、
前記光電変換部で生成された電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する複数の転送ゲートと、
前記複数のフローティングディフュージョンを接続する配線領域であるFD接続領域と、
前記FD接続領域を昇圧するための配線領域であるFD昇圧領域と、
前記複数の転送ゲートのゲート信号線と前記FD昇圧領域とを電気的に接続する複数の第1配線経路と、
前記FD昇圧領域に電気的に接続された電源であって、グランド電圧と前記転送ゲートのON電圧とを切り替えて供給できる電源であるFD昇圧電源と、を備え、
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型半導体領域で構成され、
前記第1配線経路は、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有し、
前記FD昇圧電源は、前記複数の転送ゲートのいずれかがONのとき、前記ON電圧を前記FD昇圧領域に供給し、前記複数の転送ゲートのすべてがOFFのとき、前記グランド電圧を前記FD昇圧領域に供給する
撮像素子。
[項目9]
項目8に記載の撮像素子であって、
前記FD昇圧領域は、正面視において、前記FD接続領域を囲むように配置されている撮像素子。
[項目10]
項目8又は9に記載の撮像素子であって、
前記複数の光電変換部と、前記複数のフローティングディフュージョンと、前記複数の転送ゲートと、前記FD接続領域と、前記FD昇圧領域と、前記複数の第1配線経路とを有する構成単位であるFD共有単位を複数有し、
複数の前記FD共有単位は、正面視において、一方向に並んで配列され、
前記一方向で隣接している2つの前記FD共有単位の前記FD昇圧領域は、相互に接続されており、
前記FD昇圧電源は、前記一方向に並んで配置された複数の前記FD共有単位のうち最も外側に位置する前記FD共有単位の前記FD昇圧領域に接続されている
撮像素子。
[項目11]
項目1から10のいずれか1つの撮像素子を備えた電子機器。
The present disclosure may also be configured as follows.
[Item 1]
a plurality of photoelectric conversion units that generate charges according to the amount of received light by photoelectric conversion;
a plurality of floating diffusions that hold charges transferred from the photoelectric conversion unit;
a plurality of transfer gates that transfer the charges generated in the photoelectric conversion portion to the floating diffusion;
an FD connection region which is a wiring region connecting the plurality of floating diffusions;
an FD boosting region which is a wiring region for boosting the FD connection region;
a plurality of first wiring paths electrically connecting gate signal lines of the plurality of transfer gates and the FD boosting region;
a second wiring path electrically connecting the FD boosting region and ground via a resistor;
the FD connection region and the FD boosting region are formed by N-type semiconductor regions,
the first wiring path has a PN junction formed by a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region;
Image sensor.
[Item 2]
Item 1, an imaging device according to item 1,
The FD boosting region is disposed so as to surround the FD connection region in a front view of the image sensor.
[Item 3]
Item 1 or 2, the imaging element
a first semiconductor substrate, an interlayer insulating layer stacked on an upper surface side of the first semiconductor substrate, and a second semiconductor substrate stacked on an upper surface side of the interlayer insulating layer;
the photoelectric conversion portion and the floating diffusion are formed in the first semiconductor substrate,
the N-type semiconductor regions of the FD connection region and the FD boosting region, and the P-type semiconductor region and the N-type semiconductor region of the PN junction are formed within the second semiconductor substrate.
[Item 4]
4. The imaging device according to any one of items 1 to 3,
the FD connection region and the FD boosting region are made of N-type single crystal silicon regions,
the PN junction of the first wiring path is formed by a P-type single crystal silicon region and an N-type single crystal silicon region.
[Item 5]
4. The imaging device according to any one of items 1 to 3,
The imaging element has the FD connection region and the FD boosting region formed of an N-type polysilicon region.
[Item 6]
Item 5. The imaging device according to item 5,
a first semiconductor substrate, an interlayer insulating layer stacked on an upper surface side of the first semiconductor substrate, and a second semiconductor substrate stacked on an upper surface side of the interlayer insulating layer;
the photoelectric conversion portion and the floating diffusion are formed in the first semiconductor substrate,
the N-type polysilicon regions of the FD connection region and the FD boosting region are formed in the interlayer insulating layer;
a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region of the PN junction are formed in the second semiconductor substrate.
[Item 7]
Item 6. The imaging device according to item 6,
An image sensor in which at least one of a plurality of transistors constituting a readout circuit is formed on the second semiconductor substrate.
[Item 8]
a plurality of photoelectric conversion units that generate charges according to the amount of received light by photoelectric conversion;
a plurality of floating diffusions that hold charges transferred from the photoelectric conversion unit;
a plurality of transfer gates that transfer the charges generated in the photoelectric conversion portion to the floating diffusion;
an FD connection region which is a wiring region connecting the plurality of floating diffusions;
an FD boosting region which is a wiring region for boosting the FD connection region;
a plurality of first wiring paths electrically connecting gate signal lines of the plurality of transfer gates and the FD boosting region;
a FD boost power supply that is electrically connected to the FD boost region and is a power supply that can switch between a ground voltage and an ON voltage of the transfer gate,
the FD connection region and the FD boosting region are formed by N-type semiconductor regions,
the first wiring path has a PN junction formed by a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region;
The FD boost power supply supplies the ON voltage to the FD boost region when any of the plurality of transfer gates is ON, and supplies the ground voltage to the FD boost region when all of the plurality of transfer gates are OFF.
[Item 9]
Item 8. The imaging device according to item 8,
The FD boosting region is disposed so as to surround the FD connection region in a front view of the image sensor.
[Item 10]
Item 8 or 9, the imaging element
a plurality of FD sharing units, which are structural units each including the plurality of photoelectric conversion units, the plurality of floating diffusions, the plurality of transfer gates, the FD connection region, the FD boost region, and the plurality of first wiring paths;
The plurality of FD sharing units are arranged side by side in one direction when viewed from the front,
the FD boosting regions of the two FD sharing units adjacent in the one direction are connected to each other,
the FD boost power supply is connected to the FD boost region of the FD sharing unit located at the outermost position among the plurality of FD sharing units arranged side by side in the one direction.
[Item 11]
11. An electronic device comprising the imaging element according to any one of items 1 to 10.
101 撮像素子
111 画素アレイ部
112 垂直駆動部
113 ランプ波モジュール
114 カラム信号処理部
115 クロックモジュール
116 データ格納部
117 水平駆動部
118 システム制御部
119 信号処理部
121 画素
122 画素駆動線
123 垂直信号線
124 読出し回路
150 FD共有単位
10 第1層
11 第1半導体基板
11c 高濃度P型領域
12 層間絶縁層
15 ポリシリコン配線層
15N N型ポリシリコン領域
15P P型ポリシリコン領域
15I 真性ポリシリコン領域(抵抗領域)
20 第2層
21 第2半導体基板
21N N型半導体領域
21P P型半導体領域
21I 真性半導体領域(抵抗領域)
22、23 層間絶縁層
24 貫通孔内絶縁層
29 配線層
291、292 接続配線
30 第3層
31 第3半導体基板
32 層間絶縁層
34 貫通孔内絶縁層
39 配線層
41、42、43、44、45、46、47、48 垂直配線
41a、42a パッド電極
50 FD接続領域
60 FD昇圧領域
61 第1配線経路
62 第2配線経路
70 FD昇圧電源
PD フォトダイオード
TR 転送トランジスタ
TG 転送ゲート
FD フローティングディフュージョン
RST リセットトランジスタ
AMP 増幅トランジスタ
SEL 選択トランジスタ
VDD 電源線
VSL 垂直信号線
101 Image sensor 111 Pixel array section 112 Vertical drive section 113 Ramp wave module 114 Column signal processing section 115 Clock module 116 Data storage section 117 Horizontal drive section 118 System control section 119 Signal processing section 121 Pixel 122 Pixel drive line 123 Vertical signal line 124 Readout circuit 150 FD sharing unit 10 First layer 11 First semiconductor substrate 11c Highly doped P-type region 12 Interlayer insulating layer 15 Polysilicon wiring layer 15N N-type polysilicon region 15P P-type polysilicon region 15I Intrinsic polysilicon region (resistance region)
20 Second layer 21 Second semiconductor substrate 21N N-type semiconductor region 21P P-type semiconductor region 21I Intrinsic semiconductor region (resistance region)
22, 23 Interlayer insulating layer 24 Insulating layer inside through hole 29 Wiring layer 291, 292 Connection wiring 30 Third layer 31 Third semiconductor substrate 32 Interlayer insulating layer 34 Insulating layer inside through hole 39 Wiring layer 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 Vertical wiring 41a, 42a Pad electrode 50 FD connection region 60 FD boosting region 61 First wiring path 62 Second wiring path 70 FD boosting power supply PD Photodiode TR Transfer transistor TG Transfer gate FD Floating diffusion RST Reset transistor AMP Amplifying transistor SEL Select transistor VDD Power supply line VSL Vertical signal line
Claims (11)
前記光電変換部から転送されてきた電荷を保持する複数のフローティングディフュージョンと、
前記光電変換部で生成された電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する複数の転送ゲートと、
前記複数のフローティングディフュージョンを接続する配線領域であるFD接続領域と、
前記FD接続領域を昇圧するための配線領域であるFD昇圧領域と、
前記複数の転送ゲートのゲート信号線と前記FD昇圧領域とを電気的に接続する複数の第1配線経路と、
前記FD昇圧領域とグランドとを抵抗を介して電気的に接続する第2配線経路と、を有し、
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型半導体領域で構成され、
前記第1配線経路は、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有し、
撮像素子。 a plurality of photoelectric conversion units that generate charges according to the amount of received light by photoelectric conversion;
a plurality of floating diffusions that hold charges transferred from the photoelectric conversion unit;
a plurality of transfer gates that transfer the charges generated in the photoelectric conversion portion to the floating diffusion;
an FD connection region which is a wiring region connecting the plurality of floating diffusions;
an FD boosting region which is a wiring region for boosting the FD connection region;
a plurality of first wiring paths electrically connecting gate signal lines of the plurality of transfer gates and the FD boosting region;
a second wiring path electrically connecting the FD boosting region and ground via a resistor;
the FD connection region and the FD boosting region are formed by N-type semiconductor regions,
the first wiring path has a PN junction formed by a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region;
Image sensor.
前記FD昇圧領域は、正面視において、前記FD接続領域を囲むように配置されている撮像素子。 2. The imaging device according to claim 1,
The FD boosting region is disposed so as to surround the FD connection region in a front view of the image sensor.
第1半導体基板と、前記第1半導体基板の上面側に積層された層間絶縁層と、前記層間絶縁層の上面側に積層された第2半導体基板と、を有し、
前記光電変換部及び前記フローティングディフュージョンは、前記第1半導体基板内に形成され、
前記前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域のN型半導体領域と、前記PN接合のP型半導体領域及びN型半導体領域とは、前記第2半導体基板内に形成されている
撮像素子。 2. The imaging device according to claim 1,
a first semiconductor substrate, an interlayer insulating layer stacked on an upper surface side of the first semiconductor substrate, and a second semiconductor substrate stacked on an upper surface side of the interlayer insulating layer;
the photoelectric conversion portion and the floating diffusion are formed in the first semiconductor substrate,
the N-type semiconductor regions of the FD connection region and the FD boosting region, and the P-type semiconductor region and the N-type semiconductor region of the PN junction are formed within the second semiconductor substrate.
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型単結晶シリコン領域で構成され、
前記第1配線経路の前記PN接合は、P型単結晶シリコン領域とN型単結晶シリコン領域とで構成される
撮像素子。 2. The imaging device according to claim 1,
the FD connection region and the FD boosting region are made of N-type single crystal silicon regions,
the PN junction of the first wiring path is formed by a P-type single crystal silicon region and an N-type single crystal silicon region.
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型ポリシリコン領域で構成される撮像素子。 2. The imaging device according to claim 1,
The imaging element has the FD connection region and the FD boosting region formed of an N-type polysilicon region.
第1半導体基板と、前記第1半導体基板の上面側に積層された層間絶縁層と、前記層間絶縁層の上面側に積層された第2半導体基板と、を有し、
前記光電変換部及び前記フローティングディフュージョンは、前記第1半導体基板内に形成され、
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域のN型ポリシリコン領域は、前記層間絶縁層内に形成され、
前記PN接合のP型半導体領域及びN型半導体領域は、前記第2半導体基板内に形成されている
撮像素子。 6. The imaging device according to claim 5,
a first semiconductor substrate, an interlayer insulating layer stacked on an upper surface side of the first semiconductor substrate, and a second semiconductor substrate stacked on an upper surface side of the interlayer insulating layer;
the photoelectric conversion portion and the floating diffusion are formed in the first semiconductor substrate,
the N-type polysilicon regions of the FD connection region and the FD boosting region are formed in the interlayer insulating layer;
a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region of the PN junction are formed in the second semiconductor substrate.
前記第2半導体基板上に、読出し回路を構成する複数のトランジスタのうちの少なくとも1つが形成されている撮像素子。 The imaging device according to claim 6,
An image sensor in which at least one of a plurality of transistors constituting a readout circuit is formed on the second semiconductor substrate.
前記光電変換部から転送されてきた電荷を保持する複数のフローティングディフュージョンと、
前記光電変換部で生成された電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する複数の転送ゲートと、
前記複数のフローティングディフュージョンを接続する配線領域であるFD接続領域と、
前記FD接続領域を昇圧するための配線領域であるFD昇圧領域と、
前記複数の転送ゲートのゲート信号線と前記FD昇圧領域とを電気的に接続する複数の第1配線経路と、
前記FD昇圧領域に電気的に接続された電源であって、グランド電圧と前記転送ゲートのON電圧とを切り替えて供給できる電源であるFD昇圧電源と、を備え、
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型半導体領域で構成され、
前記第1配線経路は、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有し、
前記FD昇圧電源は、前記複数の転送ゲートのいずれかがONのとき、前記ON電圧を前記FD昇圧領域に供給し、前記複数の転送ゲートのすべてがOFFのとき、前記グランド電圧を前記FD昇圧領域に供給する
撮像素子。 a plurality of photoelectric conversion units that generate charges according to the amount of received light by photoelectric conversion;
a plurality of floating diffusions that hold charges transferred from the photoelectric conversion unit;
a plurality of transfer gates that transfer the charges generated in the photoelectric conversion portion to the floating diffusion;
an FD connection region which is a wiring region connecting the plurality of floating diffusions;
an FD boosting region which is a wiring region for boosting the FD connection region;
a plurality of first wiring paths electrically connecting gate signal lines of the plurality of transfer gates and the FD boosting region;
a FD boost power supply that is electrically connected to the FD boost region and is a power supply that can switch between a ground voltage and an ON voltage of the transfer gate,
the FD connection region and the FD boosting region are formed by N-type semiconductor regions,
the first wiring path has a PN junction formed by a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region;
The FD boost power supply supplies the ON voltage to the FD boost region when any of the plurality of transfer gates is ON, and supplies the ground voltage to the FD boost region when all of the plurality of transfer gates are OFF.
前記FD昇圧領域は、正面視において、前記FD接続領域を囲むように配置されている撮像素子。 The imaging device according to claim 8,
The FD boosting region is disposed so as to surround the FD connection region in a front view of the image sensor.
前記複数の光電変換部と、前記複数のフローティングディフュージョンと、前記複数の転送ゲートと、前記FD接続領域と、前記FD昇圧領域と、前記複数の第1配線経路とを有する構成単位であるFD共有単位を複数有し、
複数の前記FD共有単位は、正面視において、一方向に並んで配列され、
前記一方向で隣接している2つの前記FD共有単位の前記FD昇圧領域は、相互に接続されており、
前記FD昇圧電源は、前記一方向に並んで配置された複数の前記FD共有単位のうち最も外側に位置する前記FD共有単位の前記FD昇圧領域に接続されている
撮像素子。 The imaging device according to claim 8,
a plurality of FD sharing units, which are structural units each including the plurality of photoelectric conversion units, the plurality of floating diffusions, the plurality of transfer gates, the FD connection region, the FD boost region, and the plurality of first wiring paths;
The plurality of FD sharing units are arranged side by side in one direction when viewed from the front,
the FD boosting regions of the two FD sharing units adjacent in the one direction are connected to each other,
the FD boost power supply is connected to the FD boost region of the FD sharing unit located at the outermost position among the plurality of FD sharing units arranged side by side in the one direction.
前記撮像素子は、
受光量に応じた電荷を光電変換により生成する複数の光電変換部と、
前記光電変換部から転送されてきた電荷を保持する複数のフローティングディフュージョンと、
前記光電変換部で生成された電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する複数の転送ゲートと、
前記複数のフローティングディフュージョンを接続する配線領域であるFD接続領域と、
前記FD接続領域を昇圧するための配線領域であるFD昇圧領域と、
前記複数の転送ゲートのゲート信号線と前記FD昇圧領域とを電気的に接続する複数の第1配線経路と、
前記FD昇圧領域とグランドとを抵抗を介して電気的に接続する第2配線経路と、を有し、
前記FD接続領域及び前記FD昇圧領域は、N型半導体領域で構成され、
前記第1配線経路は、P型半導体領域とN型半導体領域とで構成されるPN接合を有する
電子機器。 An electronic device equipped with an imaging element,
The imaging element is
a plurality of photoelectric conversion units that generate charges according to the amount of received light by photoelectric conversion;
a plurality of floating diffusions that hold charges transferred from the photoelectric conversion unit;
a plurality of transfer gates that transfer the charges generated in the photoelectric conversion portion to the floating diffusion;
an FD connection region which is a wiring region connecting the plurality of floating diffusions;
an FD boosting region which is a wiring region for boosting the FD connection region;
a plurality of first wiring paths electrically connecting gate signal lines of the plurality of transfer gates and the FD boosting region;
a second wiring path electrically connecting the FD boosting region and ground via a resistor;
the FD connection region and the FD boosting region are formed by N-type semiconductor regions,
the first wiring path has a PN junction formed by a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region.
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| US20060261431A1 (en) * | 2005-05-18 | 2006-11-23 | Samsung Elctronics Co., Ltd. | Pixels for CMOS image sensors |
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