JP4787588B2 - CMOS image sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ファックスやスキャナーもしくは複合型のプリンタのスキャナー部に用いられる画像読み取り用のフォトゲート電極を有するCMOSイメージセンサに関する。 The present invention relates to a CMOS image sensor having a photogate electrode for reading an image, which is used in a scanner section of a fax machine, a scanner, or a composite printer.
半導体を用いた光電変換の原理は、空乏層内で発生する電子―正孔のペアを蓄積して電圧に変えるものである。よって光電変換素子としては、材料固有のバンドギャップエネルギーに依存して使用できる波長が決まっており、現在使用される波長により、化合物半導体であるGaAs(ガリウム砒素)、GaP(ガリウム燐)、InP(インジウム燐)、あるいは単一元素であるSiなど色々な半導体を用いて素子が実用化されている。受光のための空乏層を作るためには、PN接合の空乏層を利用して入射光を電子−正孔のペアに変えるものや、電圧印加により空乏層を作り入射光を電子−正孔のペアに変えるものなどがある。 The principle of photoelectric conversion using a semiconductor is that an electron-hole pair generated in a depletion layer is accumulated and converted into a voltage. Therefore, the wavelength that can be used for the photoelectric conversion element is determined depending on the band gap energy specific to the material. Depending on the wavelength currently used, compound semiconductors such as GaAs (gallium arsenide), GaP (gallium phosphorus), and InP ( Devices have been put into practical use using various semiconductors such as indium phosphorus) or single element Si. In order to create a depletion layer for receiving light, a depletion layer of a PN junction is used to change incident light into an electron-hole pair, or a depletion layer is formed by applying a voltage to convert incident light into an electron-hole. There are things that change into pairs.
Siを用いたCMOSプロセスとコンパチブルであるCMOSイメージセンサとしてMOS型FET構造となるフォトゲート電極を設けた構造が知られている。特許文献1を例として挙げることができる。図5はこのようなCMOSイメージセンサの画素部の断面図を示す。図5において、13はN型Si基板、14はN型Si基板上に形成したP型ウェル、15は素子分離領域であるSiO2膜、16はゲート酸化膜であるSiO2膜、17はフォトゲート電極である多結晶Si電極である。特許文献1においては、多結晶Siフォトゲート電極17が空乏層を有する光電変換領域上の一部にのみ形成されている。特許文献1においては、多結晶Siフォトゲート電極17に正の電圧を印加して、P型ウェル14に空乏層を広げて、この空乏層に入射する光によって発生した電子―正孔のペアを利用し光電変換を行うものである。
As a CMOS image sensor compatible with a CMOS process using Si, a structure in which a photogate electrode having a MOS FET structure is provided is known. Patent document 1 can be mentioned as an example. FIG. 5 shows a cross-sectional view of a pixel portion of such a CMOS image sensor. 5, the N-
従来技術においては、多結晶Siフォトゲート電極17がリング状、棒状、格子状に配置されており、光電変換領域上の一部にのみ形成されている。
In the prior art, the polycrystalline Si photogate
次にPN接合を有するフォトダイオードを有するCMOSイメージセンサにおいて感度の向上のために実施される手段の原理的な側面を述べる。 Next, the principle aspect of the means implemented for improving the sensitivity in a CMOS image sensor having a photodiode having a PN junction will be described.
PN接合を有するフォトダイオードを有するCMOSイメージセンサにおいて、入射した光を信号に変換する場合には、次の過程を経る。入射した光は空乏層内にて電子とホールのペアを作る。電子は電荷の吸出し口である抵抗の低いN型領域に蓄積され、ホールは抵抗の低いP型領域の方へ流れ蓄積される。この発生した電子とホールの移動により吸出し口である抵抗の低いN型領域の電位が変わる。
蓄えられた電荷を信号電圧として取り出すには、下記の式による。
When converting incident light into a signal in a CMOS image sensor having a photodiode having a PN junction, the following process is performed. Incident light creates electron-hole pairs in the depletion layer. Electrons are accumulated in the N-type region having a low resistance, which is a charge suction port, and holes flow and accumulate toward the P-type region having a low resistance. Due to the movement of the generated electrons and holes, the potential of the N-type region having a low resistance which is a suction port changes.
In order to take out the stored charge as a signal voltage, the following equation is used.
信号電圧 = Q(空乏層に蓄えられた電荷)/C(空乏層の容量)
よって信号電圧を増やすためには、
(a)光電変換領域に入射する光の量を増やす。
(b)電子とホールのペアが多くできるようにする。
(c)空乏層の容量を減らす。
ことができる方策を採れば良い。
Therefore, to increase the signal voltage,
(A) The amount of light incident on the photoelectric conversion region is increased.
(B) To increase the number of electron-hole pairs.
(C) Reduce the capacity of the depletion layer.
Take measures that can be used.
従来技術においては、光電変換領域の一部に多結晶Siよりなるフォトゲート電極に電圧を印加して空乏層を広げるものであるが、光電変換領域の一部を多結晶Siが覆うために、光電変換領域への入射光が制限されてしまい効率が落ちるという弊害がある。この弊害を避けるために特許文献1においては、マイクロレンズを用いてフォトゲート電極に覆われていない領域に集光することが併せて提案されている。しかしこの方法はマイクロレンズの形成工程を伴うので製造工程が追加となり、ひいては製造コストが増加してしまう。 In the prior art, a voltage is applied to a photogate electrode made of polycrystalline Si in a part of the photoelectric conversion region to widen the depletion layer, but in order to cover part of the photoelectric conversion region with polycrystalline Si, There is a detrimental effect that the incident light to the photoelectric conversion region is limited and the efficiency is lowered. In order to avoid this adverse effect, Patent Document 1 proposes to collect light in a region not covered with a photogate electrode using a microlens. However, since this method involves a microlens formation process, a manufacturing process is added, resulting in an increase in manufacturing cost.
P型半導体基板上に形成された不純物濃度の薄いN型領域とP型半導体基板からなるPN接合を有するフォトダイオードを光電変換領域とする画素とするCMOSイメージセンサにおいて、上記フォトダイオードの不純物濃度の薄いN型領域上の全面に絶縁膜を介して導電性を有する透明な物質からなるフォトゲート電極を配置した。 In a CMOS image sensor in which a photodiode having a PN junction made of a P-type semiconductor substrate and a N-type region having a low impurity concentration formed on a P-type semiconductor substrate is used as a photoelectric conversion region, the impurity concentration of the photodiode is A photogate electrode made of a transparent material having conductivity was disposed on the entire surface of the thin N-type region through an insulating film.
本発明においては、透明なフォトゲート電極に電圧を印加することにより、光電変換領域への入射光を減らすことなく光電変換領域内に空乏層を形成できるようにした。また本方法では、集光のためのマイクロレンズは必要ないので、製造コストにおいて有利なCMOSイメージセンサを作ることができる。 In the present invention, by applying a voltage to the transparent photogate electrode, a depletion layer can be formed in the photoelectric conversion region without reducing incident light to the photoelectric conversion region. Further, in this method, since a microlens for condensing is not necessary, a CMOS image sensor advantageous in terms of manufacturing cost can be produced.
本発明によるCMOSイメージセンサは、可視光領域において効率の高いSiを用い、PN接合による空乏層の発生と光電変換領域上の全面に設けたれた、フォトゲート電極への電圧印加により発生する空乏層の両方を利用することにより入射した光をより効率よく電子−正孔のペアに変換するものである。 The CMOS image sensor according to the present invention uses Si, which has high efficiency in the visible light region, and generates a depletion layer by a PN junction and a depletion layer provided on the entire surface of the photoelectric conversion region by applying a voltage to the photogate electrode. By using both, incident light can be converted into electron-hole pairs more efficiently.
図1は、第1実施例を表した構造断面図である。 FIG. 1 is a structural sectional view showing the first embodiment.
本発明の実施例1の構成要素を説明する。P型半導体基板1上に設けられた、不純物濃度の低いN型ウェル2と該N型ウェルを囲むP型ウェル3と信号の取り出し口となる低抵抗N型領域4からなるPN接合を有するフォトダイオードと不純物濃度の低いN型ウェル2上に酸化膜5を介して設けられたAl(アルミ)などからなる信号取り出し電極6とこの電極6を覆っているパッシベーション膜7と不純物濃度の低いN型ウェル2の領域上の全面を覆うように配置されたITO(酸化インジウムスズIndium Tin Oxide)などからなる透明フォトゲート電極8とパッシベーション膜7と透明フォトゲート電極8に電位を伝える電極9からなる。
The component of Example 1 of this invention is demonstrated. Photo having a PN junction comprising an N-
ここにおいてパッシベーション膜7は、信号取り出し電極6と電極9の近傍のみに残し、透明フォトゲート電極8は酸化膜5を介して不純物濃度の低いN型ウェル2と接するように配置する。
Here, the
透明フォトゲート電極8に負の電圧を印加することにより、不純物濃度の低いN型ウェル2表面に表面空乏層領域10が発生する。またP型半導体基板1とその表面近傍に設けられた不純物濃度の低いN型ウェル2との間にはもとよりPN接合空乏層領域11が存在する。このPN接合空乏層領域11と表面空乏層領域10を合わせたものが光電変換領域となる。このようにして、不純物濃度の低いN型ウェル2の表面領域全体を容易に空乏層化することができる。
By applying a negative voltage to the
ここにおいて、不純物濃度の低いN型ウェル2はより小さい電圧にて空乏層が広がり易くするために、出来るだけ真性半導体に近いことが好ましく、キャリア密度としては室温にて10E12〜10E14 [cm-3]程度が好ましい。10E14 [cm-3]の不純物密度の場合にはICの動作電圧に近い−3〜−5Vの透明フォトゲート電極8への電圧印加にて4〜6μmの空乏層が広がる。
Here, the N-
また、透明フォトゲート電極8に用いるITOは、膜の厚み1000〜5000Åにて10〜30Ω/□と電流を流す配線として用いるには比較的高いシート抵抗を有するが、本発明においては、透明フォトゲート電極8は電位を伝えるためのみに用いられるので、前記の抵抗値で十分である。
In addition, ITO used for the
図2は、第1実施例を表す平面図である。 FIG. 2 is a plan view illustrating the first embodiment.
不純物濃度の低いN型ウェル2とそれを囲むP型ウェル3と、不純物濃度の低いN型ウェル2の中にある信号取り出し電極6に接続するN型領域4、不純物濃度の低いN型ウェル2を覆うように配置された透明フォトゲート電極8と該透明電極に電位を伝えるための電極9、電極9と信号取り出し電極6と覆うパッシベーション膜7からなる。
An N-
本図においては、透明フォトゲート電極8と電極9の電気的接続の配置を2本平行に配置するような例について説明したが、電極9をリング状に配置して透明フォトゲート電極8と電気接続しても構わない。
In this figure, the example in which the arrangement of the electrical connection between the
図3は、第2実施例を表した構造断面図である。 FIG. 3 is a structural sectional view showing the second embodiment.
P型半導体基板1上に設けられた、不純物濃度の低いN型ウェル2と該N型ウェルを囲むP型ウェル3と信号の取り出し口となる低抵抗N型領域4からなるPN接合を有するフォトダイオードと不純物濃度の低いN型ウェル2上に酸化膜5を介して設けられたAl(アルミ)などからなる信号取り出し電極6と電極9と、電極6と電気的に接続しN型ウェル2の領域上の全面を覆うように配置されたITOなどからなる透明フォトゲート電極8、全面を覆うパッシベーション膜7からなる。本実施例では透明フォトゲート電極8と電極9とは直接接するので、透明フォトゲート電極8は信号取り出し電極6と重ならないように配置する必要がある。
Photo having a PN junction comprising an N-
図4は、第3実施例を表した構造断面図である。 FIG. 4 is a structural sectional view showing the third embodiment.
P型半導体基板1上に設けられた、不純物濃度の低いN型ウェル2と該N型ウェルを囲むP型ウェル3と信号の取り出し口となる低抵抗N型領域4からなるPN接合を有するフォトダイオードと不純物濃度の低いN型ウェル2上にフィールド酸化膜12と酸化膜5を介して設けられたAl(アルミ)などからなる信号取り出し電極6と電極9と、電極6と電気的に接続しN型ウェル2の領域上の全面を覆うように配置されたITOなどからなる透明フォトゲート電極8、全面を覆うパッシベーション膜7からなる。基本的には第2実施例と同じであるが、フィールド酸化膜12があっても同様に実施ができる。
Photo having a PN junction comprising an N-
1:P型Si基板
2:不純物濃度の低いN型ウェル
3:P型ウェル
4:N型領域
5:酸化膜
6:信号取り出し電極
7:パッシベーション膜
8:透明フォトゲート電極
9:電極
10:表面空乏層
11:PN接合空乏層
12:フィールド酸化膜
13:N型Si 基板
14:P型ウェル
15:素子分離用酸化膜
16:ゲート酸化膜
17:多結晶Siフォトゲート
1: P-type Si substrate 2: N-type well with low impurity concentration 3: P-type well 4: N-type region 5: Oxide film 6: Signal extraction electrode 7: Passivation film 8: Transparent photogate electrode 9: Electrode 10: Surface Depletion layer 11: PN junction depletion layer 12: field oxide film 13: N-type Si substrate 14: P-type well 15: element isolation oxide film 16: gate oxide film 17: polycrystalline Si photogate
Claims (2)
前記第2導電型領域の上方に配置された信号取り出し電極と、
前記信号取り出し電極を除く前記第2導電型領域の表面全面に絶縁膜を介して配置された導電性を有する透明な物質からなるフォトゲート電極と、を有し、
前記フォトゲート電極は、前記第1導電型の半導体基板とは短絡されておらず、前記第1導電型の半導体基板とは異なる電位を与えることが可能であり、
前記フォトダイオードのPN接合領域である前記第2導電型領域の底面および側面に沿った領域に形成される第1の空乏層領域および前記フォトゲート電極により前記第2導電型領域の上面に形成される第2の空乏層領域により前記第2導電型領域の前記底面、前記側面および前記上面を光電変換領域とするCMOSイメージセンサ。 A photodiode comprising a first conductivity type semiconductor substrate and a second conductivity type region having a lower impurity concentration than the first conductivity type semiconductor substrate disposed in the vicinity of the surface of the first conductivity type semiconductor substrate is defined as a pixel. A CMOS image sensor
A signal extraction electrode disposed above the second conductivity type region;
A photogate electrode made of a transparent material having conductivity disposed on the entire surface of the second conductivity type region excluding the signal extraction electrode via an insulating film;
The photogate electrode is not short-circuited with the first conductivity type semiconductor substrate, and can provide a different potential from the first conductivity type semiconductor substrate;
Formed on the upper surface of the second conductivity type region by the first depletion layer region and the photogate electrode formed in the region along the bottom and side surfaces of the second conductivity type region, which is the PN junction region of the photodiode. A CMOS image sensor in which the bottom surface, the side surface, and the top surface of the second conductivity type region are photoelectric conversion regions by a second depletion layer region.
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