JPH10144902A - Solid-state imaging device - Google Patents
Solid-state imaging deviceInfo
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- JPH10144902A JPH10144902A JP8295303A JP29530396A JPH10144902A JP H10144902 A JPH10144902 A JP H10144902A JP 8295303 A JP8295303 A JP 8295303A JP 29530396 A JP29530396 A JP 29530396A JP H10144902 A JPH10144902 A JP H10144902A
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- potential
- channel
- signal
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 増幅型固体撮像素子における信号電荷が少な
いときの感度のリニアリティーの劣化とそのばらつきに
よる固定パターンノイズの抑圧を可能にする。
【解決手段】 入射光により光電変換を行い、光電変換
により得られた信号電荷を蓄積し、蓄積した信号電荷の
電荷量に応じて信号電圧を出力する機能を合わせ持つ受
光素子が、同一基板上に複数配列されてなる固体撮像素
子であって、受光素子41の動作を制御する画素ゲート
30の中央部のチャネル長を他部より短くした構成とす
る。
[PROBLEMS] To reduce the linearity of sensitivity when signal charge in an amplification type solid-state imaging device is small, and to suppress fixed pattern noise due to its variation. A light-receiving element having a function of performing photoelectric conversion by incident light, accumulating signal charges obtained by the photoelectric conversion, and outputting a signal voltage in accordance with the amount of the accumulated signal charges is provided on the same substrate. , A channel length at the center of the pixel gate 30 for controlling the operation of the light receiving element 41 is shorter than that of the other parts.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子、特
に入射光により光電変換を行い、光電変換により得られ
た信号電荷を蓄積し、蓄積した信号電荷の電荷量に応じ
て信号電圧を出力する機能を合わせ持つ画素(受光素
子)で構成された増幅型固体撮像素子に関する。より詳
しくは、その増幅型固体撮像素子において、低照度時
(小信号時)における画素出力の感度リニアリティー
と、その感度リニアリティーのばらつきによる固定パタ
ーンノイズの改善に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state image pickup device, in particular, to perform photoelectric conversion by incident light, accumulate signal charges obtained by the photoelectric conversion, and output a signal voltage according to the amount of the accumulated signal charges. The present invention relates to an amplification-type solid-state imaging device including pixels (light-receiving elements) having a function of performing the same. More specifically, the present invention relates to a sensitivity linearity of a pixel output at low illuminance (a small signal) and an improvement of fixed pattern noise due to a variation in the sensitivity linearity in the amplification type solid-state imaging device.
【0002】[0002]
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】入射光
により光電変換を行い、光電変換により得られた信号電
荷を蓄積し、蓄積した信号電荷の電荷量に応じて信号電
圧を出力する機能を合わせ持つ画素構造を備えた増幅型
固体撮像素子が知られている。2. Description of the Related Art A function of performing photoelectric conversion by incident light, storing signal charges obtained by the photoelectric conversion, and outputting a signal voltage in accordance with the amount of the stored signal charges. 2. Description of the Related Art An amplification type solid-state imaging device having a pixel structure having a combination is known.
【0003】従来の増幅型固体撮像素子として、例えば
画素がリング形状のゲートを有するMOS型トランジス
タで構成された増幅型固体撮像素子では、リングゲート
の表面ポテンシャルがその界面準位や不純物濃度の不均
一性により部分的、局所的に変化していると、ソース−
ドレイン電流(いわゆるチャネル電流)の流れる表面チ
ャネルが部分的に導通し、また、さらに導通しているチ
ャネルと違う部分に信号電荷が蓄積され易いため、界面
準位や不純物濃度が不均一である画素と、そうでない画
素とでは、特に信号電荷量の少ない時(即ち、低照度
時)に感度特性が違ってくる。In a conventional amplification type solid-state image pickup device, for example, in an amplification type solid-state image pickup device in which a pixel is constituted by a MOS transistor having a ring-shaped gate, the surface potential of the ring gate is affected by the interface state and impurity concentration. If it is partially or locally changed due to uniformity, the source-
Pixels having a non-uniform interface state or impurity concentration because a surface channel through which a drain current (a so-called channel current) flows partially conducts, and signal charges are easily accumulated in a portion different from the conducting channel. In particular, the sensitivity characteristics of pixels that are not so differ from each other especially when the signal charge amount is small (ie, at low illuminance).
【0004】例えば、界面準位や不純物濃度が均一であ
る画素の入射光量対信号出力特性は、信号電荷の少ない
時でも出力の傾きが信号電荷の多い時と同じように大き
いが、界面準位や不純物濃度が不均一である画素では、
信号電荷が少ない場合、蓄積される信号電荷が部分的に
集まっているため、一部チャネルの導通している所に対
して変調を与える度合が少なく、信号電荷が少ない低照
度の出力の傾きが小さくなってしまう。For example, the incident light quantity versus signal output characteristic of a pixel having a uniform interface state and impurity concentration is as large as when the signal charge is small even when the signal charge is small. And pixels with non-uniform impurity concentrations,
When the signal charge is small, the accumulated signal charge is partially collected, so that the degree of modulation applied to the part where the channel is conductive is small, and the slope of the low illuminance output with little signal charge is low. It will be smaller.
【0005】この結果、低照度の入射光量対信号出力特
性のリニアリティーが悪化したり、低照度で個々の画素
のリニアリティーが不均一であることによる感度むら、
いわゆる固定パターンノイズの発生を引き起こす。As a result, the linearity of the incident light quantity versus signal output characteristic at low illuminance is deteriorated, and the sensitivity unevenness due to the non-uniformity of the linearity of each pixel at low illuminance,
This causes so-called fixed pattern noise.
【0006】この様子を更に、図面を参照して詳述す
る。先ず、前述した光電変換、信号電荷蓄積及び電荷−
電圧変換の機能を合わせ持つ画素構造の増幅型固体撮像
素子について、その画素がどのような原理で信号を出力
するかの基本動作を、リング状ゲートのMOS型画素を
例に図9(画素の中心を切断した図)を用いて説明す
る。This situation will be further described in detail with reference to the drawings. First, the photoelectric conversion, signal charge accumulation, and charge-
For an amplifying solid-state imaging device having a pixel structure that also has a voltage conversion function, the basic operation of what principle the pixel outputs a signal will be described with reference to FIG. The figure will be described with reference to FIG.
【0007】図11の画素1は、MOS型トランジスタ
で構成されており、画素中心にソース領域2が形成さ
れ、このソース領域2を取り囲むようにゲート絶縁膜を
介してゲート電極3がリング状に形成され、さらに、そ
の外周に画素間の素子分離を兼用するドレイン領域4が
形成されてなる。この画素1の例では、nチャネルMO
Sトランジスタを基本としており、ソース領域2及びド
レイン領域4がn+ 拡散領域で形成され、ゲート電極3
下に信号電荷(即ちホール)8が蓄積できるようにp型
半導体領域5が形成されて、画素全体としてp型シリコ
ン半導体基板7に形成したオーバーフローバリア領域、
即ち、信号電荷量を決め且つ余剰の電荷をオーバーフロ
ーするためのオーバーフローバリア領域となるn型半導
体ウエル領域6上に形成されている。The pixel 1 shown in FIG. 11 is composed of a MOS transistor. A source region 2 is formed at the center of the pixel. A gate electrode 3 is formed in a ring shape around the source region 2 via a gate insulating film. The drain region 4 is formed on the outer periphery of the drain region 4 and also serves as an element isolation between pixels. In the example of the pixel 1, the n-channel MO
Based on an S transistor, a source region 2 and a drain region 4 are formed of n + diffusion regions, and a gate electrode 3
A p-type semiconductor region 5 is formed underneath such that signal charges (that is, holes) 8 can be accumulated, and an overflow barrier region formed on the p-type silicon semiconductor substrate 7 as a whole pixel,
That is, it is formed on the n-type semiconductor well region 6 which serves as an overflow barrier region for determining the amount of signal charge and overflowing excess charge.
【0008】リング状のゲート電極3は光が透過し得る
例えば薄い多結晶シリコン層で形成される。光がゲート
電極3を透過しゲート電極3下のp型半導体領域5に入
射することで、光電変換による信号電荷(この例ではホ
ール)8が発生し、そのp型半導体領域5に蓄積され
る。The ring-shaped gate electrode 3 is formed of, for example, a thin polycrystalline silicon layer through which light can pass. When light passes through the gate electrode 3 and enters the p-type semiconductor region 5 below the gate electrode 3, signal charges (holes in this example) 8 due to photoelectric conversion are generated and accumulated in the p-type semiconductor region 5. .
【0009】信号電荷(ホール)8は、その量に応じて
画素の表面チャネル9のポテンシャルを変化(変調)す
るため、ドレイン領域4が電源に接続され、ソース領域
2が定電圧源に接続されると、ソース−ドレイン電流が
変化し、或はソース領域2が定電流源に接続されると、
ソース電圧が変化し、いずれの場合もソース領域2から
電流または電圧の信号出力が得られる。10はソース領
域2に接続された信号線である。以上が、光電変換、信
号電荷蓄積及び電荷−電圧変換の機能を合わせ持つ画素
構造の基本動作である。The signal charge (hole) 8 changes (modulates) the potential of the surface channel 9 of the pixel in accordance with the amount thereof, so that the drain region 4 is connected to a power supply and the source region 2 is connected to a constant voltage source. Then, when the source-drain current changes, or when the source region 2 is connected to a constant current source,
The source voltage changes, and in either case, a current or voltage signal output is obtained from the source region 2. Reference numeral 10 denotes a signal line connected to the source region 2. The above is the basic operation of the pixel structure having the functions of photoelectric conversion, signal charge accumulation, and charge-voltage conversion.
【0010】従来例では、光電変換、信号電荷蓄積及び
電荷−電圧変換の機能を合わせ持つ画素構造の増幅型固
体撮像素子について、その画素の信号電荷を蓄積し、信
号電圧に変換する部分であるゲート電極の幅が広いか、
或はそのゲート電極がリング状に形成されているMOS
型の画素構造の場合(図11の例)でも、ゲート電極下
のポテンシャルが円周に沿って均一であるなら、図12
Aのように入射光による信号電荷8がリング状ゲート電
極3下の円周に沿って均一に分布(蓄積)し、ソース領
域2から信号出力としてのチャネル電流11も円周に均
一に分布する。In the conventional example, in an amplifying solid-state image pickup device having a pixel structure having functions of photoelectric conversion, signal charge accumulation, and charge-voltage conversion, a signal charge of the pixel is accumulated and converted into a signal voltage. If the gate electrode is wide
Or a MOS whose gate electrode is formed in a ring shape
In the case of the pixel type pixel structure (example of FIG. 11), if the potential under the gate electrode is uniform along the circumference,
As shown in A, the signal charge 8 due to the incident light is uniformly distributed (accumulated) along the circumference below the ring-shaped gate electrode 3, and the channel current 11 as a signal output from the source region 2 is also uniformly distributed around the circumference. .
【0011】この結果、信号電荷8は、画素の表面チャ
ネルを均一に変調し、信号出力が画素に蓄積された信号
電荷8の量に応じて出力される。As a result, the signal charge 8 uniformly modulates the surface channel of the pixel, and the signal output is output according to the amount of the signal charge 8 stored in the pixel.
【0012】しかし、図12Bのように、チャネル表面
の界面準位や、ゲート絶縁膜(例えば酸化膜)中の固定
電荷及び半導体中の不純物濃度が局所的に均一でないと
きには、ゲート電極3下のポテンシャルが円周に沿って
均一でなく、例えばポイントBの部分だけポテンシャル
が高く、残りの部分(ポイントA)のポテンシャルが低
いと、信号電荷が少ないうちは信号電荷(ホール)8が
ポイントB以外の部分に蓄積され、チャネル電流11が
ポイントBの部分だけに流れてしまう。However, as shown in FIG. 12B, when the interface state on the channel surface, the fixed charge in the gate insulating film (eg, oxide film) and the impurity concentration in the semiconductor are not locally uniform, If the potential is not uniform along the circumference, for example, the potential at the point B is high and the potential at the remaining portion (point A) is low, the signal charge (hole) 8 is other than the point B while the signal charge is small. And the channel current 11 flows only to the point B portion.
【0013】すると、少ない信号電荷8は、ポイントB
に集中的に流れるチャネル電流を変調する効果が小さ
く、信号電荷が少ないと信号出力が小さい、即ち感度が
低いことになる。Then, the small signal charge 8 is changed to the point B
The effect of modulating the channel current that flows intensively is small. If the signal charge is small, the signal output is small, that is, the sensitivity is low.
【0014】この現象を説明するために、この図12B
のポイントAとポイントBのゲート電極3下の垂直方向
の1次元ポテンシャル分布を図13に示す。ゲート絶縁
膜と半導体間の界面準位や、ゲート絶縁膜中の固定電荷
及び半導体中の不純物濃度などの不均一性により、ポイ
ントAとポイントBについて、それぞれの表面チャネル
ポテンシャル(φA CH,φB CH)及び信号電荷8の蓄積
される部分のポテンシャル(φA SN,φB SN)が図13
のように、 φA CH<φB CH φA SN<φB SN のような関係になっていると、少ない信号電荷8はポイ
ントB以外の部分に蓄積され、チャネル電流11はポイ
ントBのところに集中的に流れる。To explain this phenomenon, FIG.
FIG. 13 shows a one-dimensional potential distribution in the vertical direction below the gate electrode 3 at point A and point B. Due to the non-uniformity of the interface state between the gate insulating film and the semiconductor, the fixed charge in the gate insulating film, and the impurity concentration in the semiconductor, the respective surface channel potentials (φ A CH , φ B CH), and the potential accumulated in part of the signal charges 8 (φ a SN, φ B SN) is 13
When the relationship of φ A CH <φ B CH φ A SN <φ B SN is satisfied, the small signal charge 8 is accumulated in a portion other than the point B, and the channel current 11 Flows intensively.
【0015】すなわち、少ない信号電荷8の蓄積されて
いるところと、チャネル電流11の流れるところが平面
的に離れていることを意味し、信号電荷がチャネル電流
11を変調する度合が小さくなる。In other words, it means that the place where the small amount of signal charge 8 is stored and the place where the channel current 11 flows are two-dimensionally separated, and the degree to which the signal charge modulates the channel current 11 becomes small.
【0016】このような理由から、図12Aのように、
リング状ゲート電極3の円周方向にポテンシャルが均一
である場合と、図12Bのようにそのポテンシャルが不
均一である場合について、蓄積した信号電荷量と信号出
力の特性は、図14のように示される。For these reasons, as shown in FIG.
When the potential is uniform in the circumferential direction of the ring-shaped gate electrode 3 and when the potential is non-uniform as shown in FIG. 12B, the characteristics of the accumulated signal charge amount and signal output are as shown in FIG. Is shown.
【0017】図14において、図12Aのポテンシャル
が均一な画素の場合は、蓄積電荷量が少ないところから
信号出力が直線的に立ち上がるのに対して(グラフI参
照)、図12Bのポテンシャルが不均一な画素の場合
は、蓄積電荷量が少ないところ13で信号出力の立ち上
がりが鈍くリニアリティーが悪い(グラフII参照)。In FIG. 14, in the case of a pixel having a uniform potential shown in FIG. 12A, the signal output rises linearly from a portion where the accumulated charge amount is small (see graph I), whereas the potential shown in FIG. In the case of a pixel having a small amount of accumulated charge, the signal output rises slowly at 13 where the accumulated charge amount is small, and the linearity is poor (see graph II).
【0018】この結果、画素が1次元または2次元に配
列されている撮像素子では、図12Aや図12Bのよう
な画素が、その不均一性に程度の違いを持ちながらラン
ダムに配列されていると、蓄積電荷量が少ない状態、即
ち低照度の状態では固定パターンノイズが強く現れる。As a result, in an image pickup device in which pixels are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, pixels as shown in FIGS. 12A and 12B are randomly arranged with different degrees of non-uniformity. In a state where the accumulated charge amount is small, that is, in a state of low illuminance, fixed pattern noise appears strongly.
【0019】本発明は、上述の点に鑑み、入射光により
光電変換を行い、光電変換により得られた信号電荷を蓄
積し、蓄積した信号電荷の電荷量に応じて信号電圧を出
力する機能を合わせ持つ画素で構成された増幅型固体撮
像素子において、低照度時、即ち小信号時における画素
出力の感度リニアリティー劣化とその感度リニアリティ
ーのばらつきによる固定パターンノイズを改善し、更に
改良を加えた固体撮像素子を提供するものである。In view of the above, the present invention has a function of performing photoelectric conversion with incident light, storing signal charges obtained by photoelectric conversion, and outputting a signal voltage according to the amount of the stored signal charges. Amplification type solid-state imaging device composed of pixels that have combined pixels, improved solid-state imaging at low illuminance, that is, fixed signal noise due to pixel signal sensitivity linearity degradation and sensitivity linearity variation at small signals An element is provided.
【0020】[0020]
【課題を解決するための手段】本発明に係る固体撮像素
子は、光電変換、信号電荷蓄積及び信号電荷量に応じて
信号電圧を出力する機能を合わせ持つ受光素子を備え、
隣り合う受光素子を電気的に分離するための素子分離電
極を有し、受光素子の動作を制御する画素ゲートの中央
部のチャネル長を他部より短くした構成とする。According to the present invention, there is provided a solid-state imaging device including a light receiving element having functions of photoelectric conversion, signal charge accumulation, and outputting a signal voltage in accordance with a signal charge amount.
It has an element isolation electrode for electrically separating adjacent light receiving elements, and has a configuration in which the channel length at the center of the pixel gate for controlling the operation of the light receiving element is shorter than that of other parts.
【0021】この構成によれば、隣り合う受光素子、即
ち画素間を、素子分離電極(つまりMOS構造の素子分
離領域)で電気的に分離することによって、この素子分
離電極による狭チャネル効果で平面的にみて信号電荷が
蓄積され易くなる部分と表面チャネル電流が流れ易くな
る部分とが離れずに同じ位置となる。即ち、表面チャネ
ル電流と信号電荷蓄積部を受光素子の画素ゲートの中央
部に寄せることができる。更に、受光素子の動作を制御
する画素ゲートの中央部のチャネル長を他部より短くす
ることによって、表面チャネル電流を画素ゲートの中央
部に、より集中させることができる。従って、信号電荷
が少ない時でも、入射光量対信号出力特性のリニアリテ
ィーが良くなり、かつ画素間におけるリニアリティーの
ばらつきによる固定パターンノイズの発生を制御でき
る。According to this structure, the adjacent light receiving elements, that is, the pixels are electrically separated by the element isolation electrode (that is, the element isolation region of the MOS structure), so that the light receiving element can be planarized by the narrow channel effect by the element isolation electrode. In view of this, the portion where the signal charge is easily accumulated and the portion where the surface channel current easily flows are at the same position without being separated. That is, the surface channel current and the signal charge storage portion can be brought closer to the center of the pixel gate of the light receiving element. Further, the surface channel current can be more concentrated on the central portion of the pixel gate by making the channel length of the central portion of the pixel gate for controlling the operation of the light receiving element shorter than that of the other portion. Therefore, even when the signal charge is small, the linearity of the incident light amount versus the signal output characteristic is improved, and the generation of fixed pattern noise due to the variation in linearity between pixels can be controlled.
【0022】[0022]
【発明の実施の形態】本発明に係る固体撮像素子は、入
射光により光電変換を行い、光電変換により得られた信
号電荷を蓄積し、蓄積した信号電荷の電荷量に応じて信
号電圧を出力する機能を合わせ持つ受光素子が、同一基
板上に複数配列されてなる固体撮像素子であって、隣り
合う受光素子を電気的に分離するための素子分離電極を
有し、受光素子の動作を制御する画素ゲートの中央部の
チャネル長を他部より短くした構成とする。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A solid-state imaging device according to the present invention performs photoelectric conversion by incident light, accumulates signal charges obtained by the photoelectric conversion, and outputs a signal voltage according to the amount of the accumulated signal charges. A solid-state imaging device in which a plurality of light-receiving elements having the same function as one another are arranged on the same substrate, and have element separation electrodes for electrically separating adjacent light-receiving elements, and control the operation of the light-receiving elements. The channel length at the center of the pixel gate to be formed is shorter than that at the other portion.
【0023】本発明は、上記固体撮像素子において、画
素ゲートのチャネル長がチャネル中心から端部に向かっ
て漸次長くした構成とする。According to the present invention, in the solid-state imaging device, the channel length of the pixel gate is gradually increased from the center of the channel toward the end.
【0024】以下、図面を参照して本発明の実施例を説
明する。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0025】本実施例に係る固体撮像素子、即ち増幅型
固体撮像素子は、画素として前述したような画素内のポ
テンシャルの不均一性に対して、信号電荷が蓄積する部
分と、表面チャネル電流の流れる部分が別れないように
して、リニアリティー劣化と固定パターンノイズを抑圧
する新しい画素構造を有するものであり、特に、隣り合
う画素との素子分離にMOS構造のゲートを応用した素
子分離ゲートを用いた構成を基本とする。The solid-state image pickup device according to the present embodiment, that is, the amplification type solid-state image pickup device has a portion in which signal charges are accumulated and a surface channel current in response to non-uniformity of potential in the pixel as described above. It has a new pixel structure that suppresses linearity degradation and fixed pattern noise by keeping the flowing part from separating, and in particular, uses an element isolation gate that applies a MOS structure gate to element isolation between adjacent pixels. The configuration is fundamental.
【0026】先ず、図1〜図3を用いて本発明に係る増
幅型固体撮像素子、特にその画素の基本構造を説明す
る。但し、図1は平面図、図2は図1のA−A線上の断
面図、図3は図1のB−B線上の断面図である。First, the basic structure of an amplifying solid-state imaging device according to the present invention, in particular, its pixels will be described with reference to FIGS. 1 is a plan view, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG.
【0027】本例においては、第1導電型例えばp型の
シリコン半導体基板22上に、オーバーフローバリア領
域となる第2導電型、即ちn型の半導体ウエル領域23
が形成され、このn型半導体ウエル領域23上にi型又
は之に近い半導体ウエル領域(例えばp--領域)、本例
ではi型半導体(いわゆる真性半導体)ウエル領域24
が形成され、このi型半導体ウエル領域24に、光電変
換、信号電荷蓄積及び電荷−電圧変換の機能を合わせ持
つ画素(受光素子)21としてのMOSトランジスタが
形成され、この画素21を取り囲むようにi型半導体ウ
エル領域24上にゲート絶縁膜25を介して素子分離の
ための素子分離電極、即ち素子分離ゲート電極26を形
成して成るMOS構造の素子分離領域27が1周して形
成されて成る。In this embodiment, a second conductivity type, ie, an n-type semiconductor well region 23 serving as an overflow barrier region is formed on a first conductivity type, for example, a p-type silicon semiconductor substrate 22.
Is formed on the n-type semiconductor well region 23, and an i-type or similar semiconductor well region (for example, a p − region), in this example, an i-type semiconductor (so-called intrinsic semiconductor) well region 24
Is formed in the i-type semiconductor well region 24. A MOS transistor as a pixel (light receiving element) 21 having functions of photoelectric conversion, signal charge accumulation and charge-voltage conversion is formed so as to surround the pixel 21. An element isolation electrode 27 for element isolation, that is, an element isolation gate electrode 26 for element isolation is formed on the i-type semiconductor well area 24 with a gate insulating film 25 interposed therebetween. Become.
【0028】画素21は、i型半導体ウエル領域24に
形成されたp型半導体領域28上にゲート絶縁膜29を
介して直線状のゲート電極30が形成され、このゲート
電極を挟む例えば垂直方向の両側に夫々n型のソース領
域31及びドレイン領域32が形成されて、nチャネル
型のMOSトランジスタとして構成される。In the pixel 21, a linear gate electrode 30 is formed on a p-type semiconductor region 28 formed in an i-type semiconductor well region 24 with a gate insulating film 29 interposed therebetween. An n-type source region 31 and a drain region 32 are formed on both sides, respectively, to constitute an n-channel MOS transistor.
【0029】素子分離ゲート電極26は第1層目の電極
(例えば第1層多結晶シリコン)で形成され、画素21
のゲート電極30は第2層目の電極(例えば第2層多結
晶シリコン)で形成される。The element isolation gate electrode 26 is formed of a first-layer electrode (for example, a first-layer polycrystalline silicon).
The gate electrode 30 is formed of a second layer electrode (for example, second layer polycrystalline silicon).
【0030】ゲート電極30は、入射光を透過し得るよ
うに薄く形成される。そして、光が透過しゲート電極3
0下のp型半導体領域28に入射することで、光電変換
による信号電荷(本例ではホール)が発生し、そのp型
半導体領域28に蓄積されるようになされる。ソース領
域31には、メタル配線(例えばAl)による垂直信号
線33が接続され、ドレイン領域32には、同様のメタ
ル配線(例えばAl)による電源線34が接続される。
36はドレインコンタクト部、37はソースコンタクト
部を示す。The gate electrode 30 is formed thin so as to transmit incident light. Then, light is transmitted through the gate electrode 3.
By being incident on the p-type semiconductor region 28 below 0, signal charges (holes in this example) due to photoelectric conversion are generated and accumulated in the p-type semiconductor region 28. The source region 31 is connected to a vertical signal line 33 made of a metal wiring (for example, Al), and the drain region 32 is connected to a power supply line 34 made of a similar metal wiring (for example, Al).
36 indicates a drain contact portion, and 37 indicates a source contact portion.
【0031】そして、かかる画素21がp型半導体基板
22、オーバーフローバリア領域となるn型半導体ウエ
ル領域23及びi型半導体ウエル領域24からなる共通
基板上に、複数個、1次元又は2次元配列され、例えば
マトリクス状に配列形成されて、増幅型固体撮像素子が
構成される。各画素21のゲート電極30は行毎に共通
に形成され、各画素21のソース領域31にソースコン
タクト部37を介して列毎に共通の垂直信号線33が接
続され、且つドレイン領域32もドレインコンタクト部
36を介して列毎に共通の電源線34が接続される。A plurality of such pixels 21 are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a common substrate comprising a p-type semiconductor substrate 22, an n-type semiconductor well region 23 serving as an overflow barrier region, and an i-type semiconductor well region 24. For example, an amplification type solid-state imaging device is configured by being arranged in a matrix. The gate electrode 30 of each pixel 21 is commonly formed for each row, a common vertical signal line 33 is connected to the source region 31 of each pixel 21 via a source contact portion 37 for each column, and the drain region 32 is also drained. A common power supply line 34 is connected to each column via a contact portion 36.
【0032】次に、この増幅型固体撮像素子の画素動作
について説明する。ここでは、素子分離の原理と特に信
号電荷の少ない時の特性の不均一性を抑圧する効果につ
いて、図4の平面構造概略図、図5A,Bの垂直方向の
1次元ポテンシャル図及び図6A,Bの水平方向の表面
チャネルポテンシャルφCHとセンサポテンシャルφSNを
用いて説明する。Next, the pixel operation of the amplification type solid-state imaging device will be described. Here, regarding the principle of element isolation and the effect of suppressing the non-uniformity of the characteristics particularly when the signal charge is small, the schematic plan view in FIG. 4, the one-dimensional potential diagram in the vertical direction in FIGS. A description will be given using the horizontal surface channel potential φ CH and the sensor potential φ SN of B.
【0033】図4は、本例の画素構造の説明で示した前
述の図1と同じであり、碁盤の目状に形成された素子分
離ゲート電極26により、MOSトランジスタによる増
幅型画素21が囲まれている平面構造を示した図であ
る。この図4の各ポイントPQ,P1 ,P2 ,Q1 ,Q
2 ,Q3 について、夫々垂直方向の1次元ポテンシャル
を図5A,Bに示し、一点鎖線P−P′に沿ったセンサ
ポテンシャルφSN及び表面チャネルポテンシャルφ
CHと、Q−Q′に沿った表面ポテンシャルφCHを図6
A,Bに示した。Vg は画素21のゲート電極30に印
加される電圧、Vi は素子分離ゲート電極26に印加さ
れる電圧、Vsub は基板22に印加される基板電圧を示
す。FIG. 4 is the same as FIG. 1 described in the description of the pixel structure of the present embodiment, and an amplification type pixel 21 formed by a MOS transistor is surrounded by element isolation gate electrodes 26 formed in a grid pattern. FIG. 4 is a diagram showing a planar structure that has been drawn. Each point PQ, P 1 , P 2 , Q 1 , Q in FIG.
5A and 5B show vertical one-dimensional potentials of the sensor potential φ SN and the surface channel potential φ along the dashed-dotted line PP ′ for Q 2 and Q 3 , respectively.
CH and the surface potential φ CH along QQ 'are shown in FIG.
A and B show. V g indicates a voltage applied to the gate electrode 30 of the pixel 21, V i indicates a voltage applied to the element isolation gate electrode 26, and V sub indicates a substrate voltage applied to the substrate 22.
【0034】図4のような素子分離ゲート電極26を有
した素子分離領域27が画素21の素子分離として正し
く機能を果たすのは、次の理由による。即ち、図5の各
ポイントにおける1次元ポテンシャルから明らかなよう
に、素子分離ゲート部P2 ,Q2 の表面付近(表面から
オーバーフローバリアまで)のポテンシャル分布が、オ
ーバーフローバリアより浅い部分について例えばポイン
トPQの表面チャネルポテンシャルφCHや、ポイントQ
1 ,Q3 表面付近のポテンシャルよりも低いためにチャ
ネル電流が漏れることがない。The reason why the element isolation region 27 having the element isolation gate electrode 26 as shown in FIG. 4 properly functions as the element isolation of the pixel 21 is as follows. That is, as is apparent from the one-dimensional potential at each point in FIG. 5, the potential distribution near the surface (from the surface to the overflow barrier) of the element isolation gates P 2 and Q 2 is, for example, a point PQ in a portion shallower than the overflow barrier. Channel potential φ CH and point Q
1, Q 3 does not leak channel current to less than the potential in the vicinity of the surface.
【0035】また、素子分離ゲート部P2 ,Q2 の表面
付近(表面からオーバーフローバリア)のポテンシャル
分布がポイントPQ,P1 の信号電荷の蓄積されるセン
サポテンシャルφSNよりも高く、さらに、過剰な信号電
荷8が蓄積される場合でも、ポイントP2 のポテンシャ
ルは信号電荷が蓄積される深さ近辺で、オーバーフロー
バリアのポテンシャルφOFよりも高いため、信号電荷8
も隣接画素に漏れることがない。The potential distribution near the surface of the element isolation gates P 2 and Q 2 (overflow barrier from the surface) is higher than the sensor potential φ SN where the signal charges at the points PQ and P 1 are accumulated, and furthermore, in all cases the signal charge 8 is accumulated, the potential of the point P 2 is in the vicinity depth signal charges are accumulated, higher than the potential of the overflow barrier phi oF, signal charges 8
Does not leak to adjacent pixels.
【0036】信号電荷の素子分離について言い換えれ
ば、ポイントP2 ,Q2 のポテンシャルがオーバーフロ
ーバリアのポテンシャルφOFから表面に向かって直線的
に高くなっていくため、過剰な信号電荷8は必ず基板の
深い方に流れ(いわゆる基板22側にオーバーフロー
し)、隣接する画素には漏れることがない。In other words, since the potentials at points P 2 and Q 2 increase linearly from the potential φ OF of the overflow barrier toward the surface, excessive signal charges 8 are necessarily generated on the substrate. It flows deeper (overflows to the so-called substrate 22 side) and does not leak to adjacent pixels.
【0037】本例の素子分離ゲート電極26下では、そ
の基板深さ方向のポテンシャル分布が、オーバーフロー
バリアのポテンシャルφOFより高く、表面チャネルポテ
ンシャルφCHより低く、且つオーバーフローバリアφOF
より表面に向かって直線的に高くなるように設定され
る。このようなポテンシャル分布は、素子分離ゲート電
極30下の半導体領域24として、i型半導体領域ある
いは之に近い半導体領域で形成することにより達成され
る。Under the element isolation gate electrode 26 of this embodiment, the potential distribution in the substrate depth direction is higher than the overflow barrier potential φ OF, lower than the surface channel potential φ CH , and the overflow barrier φ OF
It is set so as to increase linearly toward the surface. Such a potential distribution can be achieved by forming the semiconductor region 24 below the isolation gate electrode 30 with an i-type semiconductor region or a semiconductor region close thereto.
【0038】次に、信号電荷8の少ない時の特性の不均
一性を抑圧する効果について説明する。ポイントPQと
P1 を比較すると、図5Aで示したポテンシャル分布か
ら明らかなように、素子分離ゲート(ポイントP2 )の
ポテンシャルのポイントP1 のポテンシャルに対する2
次元効果、即ち近接効果(狭チャネル効果)により、ポ
イントP1 の表面チャネルポテンシャルφCHが、ポイン
トPQのそれに比べて低く、ポイントP1 のセンサポテ
ンシャルφSNがポイントPQのそれに比べて高くなる。
このため、ポイントPQの方にチャネル電流11が流れ
易く、しかも信号電荷8が溜まり易いので、信号電荷量
が少ない時に信号電荷がポイントPQに集まり、チャネ
ル電流もポイントPQに流れ易くなる。従って、界面準
位やゲート絶縁膜の固定電荷などの影響によるポテンシ
ャルの変化に対しても、従来のリング状ゲート電極で発
生し易かった現象、即ち、信号電荷が蓄積しているとこ
ろと、チャネル電流が流れるところが別れるような現象
を引き起こしにくい。Next, the effect of suppressing the non-uniformity of the characteristic when the signal charge 8 is small will be described. Comparing the points PQ and P 1, as apparent from the potential distribution shown in FIG. 5A, 2 for potential points P 1 of the potential of the isolation gate (point P 2)
Dimensional effect, by namely proximity effect (narrow channel effect), the surface channel potential phi CH point P 1 is lower than that of the point PQ, sensor potential phi SN point P 1 is higher than that of point PQ.
Therefore, the channel current 11 easily flows toward the point PQ, and the signal charge 8 easily accumulates. Therefore, when the amount of the signal charge is small, the signal charge is collected at the point PQ, and the channel current also easily flows at the point PQ. Therefore, even when the potential changes due to the influence of the interface state and the fixed charge of the gate insulating film and the like, the phenomenon that is easily generated in the conventional ring-shaped gate electrode, that is, where the signal charge is accumulated and the channel It is difficult to cause a phenomenon in which a part where current flows is separated.
【0039】即ち、界面準位やゲート絶縁膜中の固定電
荷及び半導体中の不純物濃度などの不均一性が原因で、
表面チャネルポテンシャルφCHとセンサポテンシャルφ
SNの不均一性があったとしても、素子分離ゲートによる
狭チャネル効果がチャネル電流と信号電荷蓄積部の位置
を常に画素のゲート電極中心部に寄せる効果を有し、小
信号電荷量時の入出力特性のばらつきを抑圧することが
できる。That is, due to non-uniformities such as interface states, fixed charges in the gate insulating film, and impurity concentrations in the semiconductor,
Surface channel potential φ CH and sensor potential φ
Even if there is non-uniformity in SN, the narrow channel effect of the element isolation gate has the effect of always bringing the position of the channel current and signal charge storage section to the center of the gate electrode of the pixel. Variations in output characteristics can be suppressed.
【0040】ポイントPQのポテンシャルがポイントP
1 よりもチャネル電流が流れ易く、しかも信号電荷が溜
まり易い条件に分布するのは、ポイントP2 (即ち素子
分離ゲート電極30下)の深さ方向にほとんど一定なポ
テンシャル分布の影響(狭チャネル効果)を受けてポテ
ンシャルP1 の表面ポテンシャルφCHが低く、かつまた
センサポテンシャルφSNが高くなるからである。The potential of point PQ is point P
The distribution under the condition that the channel current flows more easily than 1 and that the signal charges easily accumulate is due to the effect of the potential distribution almost constant in the depth direction of the point P 2 (that is, below the element isolation gate electrode 30) (narrow channel effect). ), The surface potential φ CH of the potential P 1 is low, and the sensor potential φ SN is high.
【0041】以上のように、本例の基本画素構造におい
ては、光電変換、信号電荷蓄積及び電荷−電圧変換の機
能を合わせ持つ画素21について、画素21の周りを素
子分離ゲート電極26で取り囲み、その素子分離ゲート
電極26下のポテンシャルを表面からオーバーフローバ
リアの深さまで緩やかに電位が低くなるようにして信号
電荷8が隣接する画素に漏れないようにし、しかもその
表面電位を画素動作におけるチャネルポテンシャルより
も低く形成しチャネル電流11が隣接する画素に流れな
いようにし、素子分離ゲート部分のポテンシャルの狭チ
ャネル効果により画素21のゲート中央部分に信号電荷
が蓄積され易く、かつチャネル電流が流れ易い構造を採
ることで、界面準位等の影響で画素内のポテンシャル分
布に少しのうねりが生じ、そのうねりが各画素でばらつ
きを持っていても、信号電荷が少ない時(きわゆる低照
度時)に、感度の線形性の劣化を引き起こすことがな
く、同時に画素間のばらつきによる固定パターンノイズ
を抑制することができる。As described above, in the basic pixel structure of this embodiment, the pixel 21 having the functions of photoelectric conversion, signal charge accumulation and charge-voltage conversion is surrounded by the element isolation gate electrode 26 around the pixel 21. The potential under the element isolation gate electrode 26 is gradually lowered from the surface to the depth of the overflow barrier so that the signal charges 8 do not leak to the adjacent pixels, and the surface potential is made smaller than the channel potential in the pixel operation. To prevent the channel current 11 from flowing to an adjacent pixel, and to have a structure in which signal charges are easily accumulated in the gate central portion of the pixel 21 and a channel current easily flows by the narrow channel effect of the potential of the element isolation gate portion. By adopting, a slight undulation in the potential distribution in the pixel due to the influence of the interface state etc. Even if the undulation varies in each pixel, when the signal charge is small (at a very low illuminance), the linearity of the sensitivity does not deteriorate, and at the same time, the fixed pattern noise due to the variation between the pixels does not occur. Can be suppressed.
【0042】ところで、上述した新しい画素構造につい
て更に研究を重ねた結果、次のような点が明らかになっ
た。By the way, as a result of further study on the above-mentioned new pixel structure, the following points became clear.
【0043】上述の画素21の場合、センサポテンシャ
ルφSNに対する素子分離ゲート電極26による狭チャネ
ル効果は十分大きいものの、表面チャネルポテンシャル
φCHに対する素子分離ゲート電極26による狭チャネル
効果は小さく十分でなかった。その原因は、表面チャネ
ルポテンシャルφCHが、電位の一定な画素ゲート電極3
0と薄いゲート絶縁膜(例えば酸化膜)29を挟んで近
接しているために、表面チャネルポテンシャルφCHが画
素のゲート電極30により、ほぼ1次元的に決まり、素
子分離ゲート電極26による狭チャネル効果があまり効
かないからである。In the case of the pixel 21 described above, the narrow channel effect of the element isolation gate electrode 26 on the sensor potential φ SN is sufficiently large, but the narrow channel effect of the element isolation gate electrode 26 on the surface channel potential φ CH is small and not sufficient. . The reason is that the surface channel potential φ CH is a constant value of the pixel gate electrode 3
0 and a thin gate insulating film (eg, an oxide film) 29 therebetween, the surface channel potential φ CH is almost one-dimensionally determined by the gate electrode 30 of the pixel. This is because the effect is not so effective.
【0044】さらに、ゲート電極30下の信号電荷を蓄
積するためのp型半導体領域28の不純物濃度について
みると、ゲート電極30の中央部に対して素子分離ゲー
ト電極26に近い端部では、半導体プロセス工程の熱拡
散などにより、p型半導体領域28の不純物濃度が低下
して、チャネル電流がゲート電極30の端部に集まりや
すい傾向を示し、素子分離ゲート電極26による狭チャ
ネル効果とは逆の効果を示す場合があった。Further, with respect to the impurity concentration of the p-type semiconductor region 28 for storing signal charges under the gate electrode 30, at the end near the element isolation gate electrode 26 with respect to the center of the gate electrode 30, The impurity concentration of the p-type semiconductor region 28 decreases due to thermal diffusion in the process step, and the channel current tends to gather at the end of the gate electrode 30, which is opposite to the narrow channel effect by the element isolation gate electrode 26. In some cases, it was effective.
【0045】図6Aは、図4の平面図におけるP−P′
線上に沿ったセンサポテンシャルφSNと表面チャネルポ
テンシャルφCHを示している。図6Bは、図4のQ−
Q′線上に平行でポイントPQとポイントP1 を通過す
る線に沿った表面チャネルポテンシャルφCHを示す。図
6Aに示すように、センサポテンシャルφSNは狭チャネ
ル効果を十分に受けて信号電荷8が蓄積する部分が画素
21のゲート中央部に強く形成されているが、表面チャ
ネルポテンシャルφCHに関してはその効果が薄く、チャ
ネル電流11が画素21のゲート中央部に強く集中して
いない。FIG. 6A is a sectional view taken along the line PP 'in FIG.
The sensor potential φ SN and the surface channel potential φ CH are shown along the line. FIG. 6B shows Q-
The surface channel potential φ CH is shown along a line parallel to the Q ′ line and passing through the points PQ and P 1 . As shown in FIG. 6A, but sensor potential phi SN is part sufficiently receive signal charges 8 accumulates narrow channel effect is strongly formed on the gate center of the pixel 21, the respect surface channel potential phi CH The effect is thin, and the channel current 11 is not strongly concentrated at the center of the gate of the pixel 21.
【0046】このように、図1〜図3に提案された基本
構造の画素21では、素子分離ゲート電極26による狭
チャネル効果で、信号電荷蓄積部と表面チャネル部がゲ
ート中心に集まるように工夫され、信号電荷蓄積部の方
は狭チャネル効果が大きくゲート中心に信号電荷が集ま
り易いが、表面チャネル部についてはゲート表面の不純
物が素子分離ゲート部へ拡散して素子分離ゲート部に近
い部分の不純物濃度が低くなる等して表面チャネル部の
中心にチャネル電流が集まりにくくなり、信号電荷につ
いてはともかく、狭チャネル効果によるチャネル電流の
ゲート中央への集中の効果が高くなかった。即ち、素子
分離ゲート部のもつ狭チャネル効果による小信号電荷量
の感度むら(固定パターンノイズ)の抑圧効果が少なか
った。As described above, in the pixel 21 having the basic structure proposed in FIGS. 1 to 3, the signal charge storage portion and the surface channel portion are devised so as to gather at the center of the gate by the narrow channel effect of the element isolation gate electrode 26. In the signal charge accumulating portion, the narrow channel effect is large and signal charges are easily collected at the center of the gate. However, in the surface channel portion, impurities on the gate surface are diffused into the device isolation gate portion and the portion near the device isolation gate portion is diffused. A channel current hardly collects at the center of the surface channel portion due to a decrease in impurity concentration, and the effect of concentrating the channel current on the center of the gate due to the narrow channel effect is not high regardless of the signal charge. In other words, the effect of suppressing the unevenness in sensitivity to small signal charges (fixed pattern noise) due to the narrow channel effect of the element isolation gate portion was small.
【0047】次に、この点を改善した本発明の実施例を
示す。図7〜図9はその一例である。本例は、画素構造
として、センサポテンシャルφSNが素子分離ゲートの狭
チャネル効果により信号電荷が画素のゲート中央に強く
集まるように分布するのと同程度までに、表面チャネル
もチャネル電流が画素のゲート中央部に強く集まるよう
に構造的に工夫を加えている。前述の基本構造の画素2
1では、画素ゲート、即ちゲート電極30下のチャネル
長がどの部分も一定であったのに対して、図7の例の画
素41においては、ゲート電極30下のチャネル中央部
のチャネル長が他部より短い構成とする。例えば、ゲー
ト電極30の幅を中央部から端部に向かって漸次大とな
るように形成し、画素ゲート中央部から素子分離ゲート
電極26に近い端部に向かって漸次ゲート長が長くなる
ように構成する。Next, an embodiment of the present invention in which this point is improved will be described. 7 to 9 show one example. In this example, as the pixel structure, the surface current also increases the channel current of the pixel to the same extent as the sensor potential φ SN is distributed such that the signal charges are strongly concentrated at the center of the gate of the pixel due to the narrow channel effect of the element isolation gate. The structure is devised so that it gathers strongly at the center of the gate. Pixel 2 having the above basic structure
In FIG. 1, the pixel gate, that is, the channel length under the gate electrode 30 was constant in all portions, whereas in the pixel 41 in the example of FIG. Section shorter than the section. For example, the width of the gate electrode 30 is formed so as to gradually increase from the center to the end, and the gate length gradually increases from the center of the pixel gate toward the end near the element isolation gate electrode 26. Configure.
【0048】図7〜図9において、図1〜図3と対応す
る部分には同一符号を付して重複説明を省略するも、本
例においても、p型のシリコン半導体基板22上に、オ
ーバーフローバリア領域となるn型の半導体ウエル領域
23が形成され、このn型半導体ウエル領域23上にi
型又は之に近い半導体ウエル領域(例えばp--領域)、
本例ではi型半導体(真性半導体)ウエル領域24が形
成され、このi型半導体ウエル領域24に、光電変換、
信号電荷蓄積及び電荷−電圧変換の機能を合わせ持つ画
素(受光素子)41としてのMOSトランジスタが形成
され、この画素41を取り囲むようにi型半導体ウエル
領域24上にゲート絶縁膜25を介して素子分離のため
の素子分離ゲート電極26を形成してなるMOS構造の
素子分離領域27が一周して形成されて成る。7 to 9, parts corresponding to those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In this embodiment, too, overflow occurs on the p-type silicon semiconductor substrate 22. An n-type semiconductor well region 23 serving as a barrier region is formed, and i-type semiconductor well region 23 is formed on n-type semiconductor well region 23.
A semiconductor well region (e.g., p - region) of the type or close to it,
In this example, an i-type semiconductor (intrinsic semiconductor) well region 24 is formed.
A MOS transistor as a pixel (light receiving element) 41 having both functions of signal charge accumulation and charge-voltage conversion is formed, and an element is formed on the i-type semiconductor well region 24 via the gate insulating film 25 so as to surround the pixel 41. An element isolation region 27 having a MOS structure in which an element isolation gate electrode 26 for isolation is formed is formed around the circumference.
【0049】画素41は、i型半導体ウエル領域24に
形成されたp型半導体領域28上にゲート絶縁膜29を
介して直線状のゲート電極30が形成され、このゲート
電極30を挟む例えば垂直方向の両側に夫々n型のソー
ス領域31及びドレイン領域32が形成されてnチャネ
ル型のMOSトランジスタとして構成される。In the pixel 41, a linear gate electrode 30 is formed on a p-type semiconductor region 28 formed in an i-type semiconductor well region 24 via a gate insulating film 29, and the gate electrode 30 is sandwiched therebetween, for example, in a vertical direction. An n-type source region 31 and a drain region 32 are respectively formed on both sides of the transistor to form an n-channel MOS transistor.
【0050】素子分離ゲート電極26は第1層目の電極
(例えば第1層多結晶シリコン)で形成され、画素21
のゲート電極30は第2層目の電極(例えば第2層多結
晶シリコン)で形成される。The element isolation gate electrode 26 is formed of a first layer electrode (for example, first layer polycrystalline silicon), and
The gate electrode 30 is formed of a second layer electrode (for example, second layer polycrystalline silicon).
【0051】ゲート電極30は、入射光を透過し得るよ
うに薄く形成され、光が透過しゲート電極30下のp型
半導体領域28に入射することで、光電変換による信号
電荷(本例ではホール)が発生し、そのp型半導体領域
28に蓄積されるようになされる。The gate electrode 30 is formed to be thin so that incident light can be transmitted. When the light is transmitted and enters the p-type semiconductor region 28 below the gate electrode 30, signal charges (holes in this example) by photoelectric conversion are generated. ) Occurs and is accumulated in the p-type semiconductor region 28.
【0052】ソース領域31には、メタル配線による垂
直信号線33が接続されドレイン領域32には、同様の
メタル配線による電源線34が接続される。The source region 31 is connected to a vertical signal line 33 made of metal wiring, and the drain region 32 is connected to a power supply line 34 made of similar metal wiring.
【0053】しかして、本例においては、特に、図7に
示すように、ゲート電極30が、ゲート電極中央部(即
ちポイントPQ)から素子分離ゲート電極26(即ちポ
イントP2 )に向かって幅が漸次広がる形状に形成さ
れ、之によってチャネル長が中心から素子分離ゲート電
極26に向かって徐々に長くなるように形成される。Thus, in this example, as shown in FIG. 7, in particular, the gate electrode 30 has a width from the center of the gate electrode (ie, point PQ) toward the element isolation gate electrode 26 (ie, point P 2 ). Are formed so that the channel length gradually increases from the center toward the element isolation gate electrode 26.
【0054】そして、かかる画素41がp型半導体基板
22、オーバーフローバリア領域となるn型半導体ウエ
ル領域23及びi型半導体ウエル領域24からなる共通
基板上に、複数個、1次元又は2次元配列され、本例で
は図10に示すように、マトリックス状に配列形成され
て増幅型固体撮像素子38が構成される。A plurality of such pixels 41 are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a common substrate comprising a p-type semiconductor substrate 22, an n-type semiconductor well region 23 serving as an overflow barrier region, and an i-type semiconductor well region 24. In this example, as shown in FIG. 10, the amplification type solid-state imaging device 38 is formed by being arranged in a matrix.
【0055】各画素21のゲート電極30は行毎に共通
に形成され、各画素21のソース領域31にソースコン
タクト部37を介して列毎に共通の垂直信号線33が接
続され、且つドレイン領域32にドレインコンタクト部
36を介して列毎に共通の電源線34が接続される。The gate electrode 30 of each pixel 21 is formed commonly for each row, a common vertical signal line 33 is connected to the source region 31 of each pixel 21 via a source contact portion 37 for each column, and the drain region A common power supply line 34 is connected to the column 32 via a drain contact portion 36 for each column.
【0056】次に、この増幅型固体撮像素子38の画素
41の動作について説明する。Next, the operation of the pixel 41 of the amplification type solid-state imaging device 38 will be described.
【0057】図10Aは、図7のP−P′線上に沿った
センサポテンシャルφSNと表面チャネルポテンシャルφ
CHを示し、図10Bは図7のQ−Q′線上に沿った表面
チャネルポテンシャルφCHを示す。FIG. 10A shows the sensor potential φ SN and the surface channel potential φ along the line PP ′ in FIG.
CH and FIG. 10B shows the surface channel potential φ CH along the line QQ ′ in FIG.
【0058】図7に示す本例の画素41は、そのゲート
電極30の形状により、ゲート電極30の中央部では素
子分離ゲート電極26に近いところに比べて短チャネル
効果が強く働き、表面ポテンシャルφCHが高くなる。こ
の結果、図10のポテンシャル図の表面チャネルポテン
シャルφCHとセンサポテンシャルφSNの分布で示すよう
に、素子分離ゲート電極26による狭チャネル効果に加
えて、画素41のゲート中央部では短チャネル効果が強
く働くため、チャネル電流11が画素41のゲート中央
付近に、より強く集中するような表面チャネルポテンシ
ャルφCHの分布が得られる。図10Bに示す図7のQ−
Q′に平行なチャネル方向の表面ポテンシャルφCHは、
ポイントPQとポイントP1 を通る2つの場合につい
て、短チャネル効果により図1の例と比較してより大き
く差が付き、画素のゲート中央部(ポイントPQ)に電
流が流れやすい分布になっている。In the pixel 41 of this example shown in FIG. 7, the short channel effect is stronger at the center of the gate electrode 30 than at the portion near the element isolation gate electrode 26 due to the shape of the gate electrode 30, and the surface potential φ CH rises. As a result, as shown by the distribution of the surface channel potential φ CH and the sensor potential φ SN in the potential diagram of FIG. 10, in addition to the narrow channel effect due to the element isolation gate electrode 26, the short channel effect occurs at the gate central portion of the pixel 41. Because of the strong operation, a distribution of the surface channel potential φ CH is obtained such that the channel current 11 is more strongly concentrated near the center of the gate of the pixel 41. Q- of FIG. 7 shown in FIG.
The surface potential φ CH in the channel direction parallel to Q ′ is
For the case of two, which passes through the point PQ and the point P 1, the short channel effect per difference larger as compared with the example of FIG. 1, has a distribution of current easily flows in the gate center portion (point PQ) of the pixel .
【0059】図7〜図9に示す本例の画素41によれ
ば、ゲート絶縁膜と半導体間の界面準位や、ゲート絶縁
膜中の固定電荷および半導体中の不純物濃度などの不均
一性が原因して、表面チャネルポテンシャルφCHやセン
サポテンシャルφSNの画素ゲート内での不均一性が多少
発生していても、チャネル電流11が画素41のゲート
中央付近に集中するような表面チャネルポテンシャルφ
CHの分布が大きく崩れることが無く、また、信号電荷が
画素のゲート中央付近に集中して蓄積するようなセンサ
ポテンシャルφSNの分布も図6Aの場合と同じになり大
きく崩れることがない。よって、チャネル電流と信号電
荷の蓄積位置がずれることによる信号電荷の少ない時に
発生する感度の低下のばらつきがほとんどなくなり、低
照度時の固定パターンノイズが抑圧される。According to the pixel 41 of this example shown in FIGS. 7 to 9, non-uniformities such as the interface state between the gate insulating film and the semiconductor, the fixed charge in the gate insulating film and the impurity concentration in the semiconductor are reduced. cause to, even non-uniformity in the pixel gate surface channel potential phi CH or sensor potential phi SN is somewhat occurred, the surface channel potential as the channel current 11 is concentrated in the vicinity of the gate center of the pixel 41 phi
The distribution of CH does not significantly collapse, and the distribution of the sensor potential φ SN in which signal charges concentrate and accumulate near the center of the gate of the pixel is the same as in FIG. 6A and does not significantly collapse. Therefore, there is almost no variation in the reduction in sensitivity that occurs when the signal charge is small due to the shift of the storage position of the signal charge from the channel current, and the fixed pattern noise at low illuminance is suppressed.
【0060】上述したように、本発明によれは、光電変
換、信号電荷蓄積及び電荷−電圧変換の機能を合わせ持
つ画素を取り囲んで、MOS構造の素子分離領域を形成
することにより、リング状ゲート電極を有して光電変
換、信号電荷蓄積及び電荷−電圧変換の機能を合わせ持
つ画素を用いた増幅型固体撮像素子で発生しやすい、小
信号電荷量時の各画素における感度ばらつきによる固定
パターンノイズを抑圧することができる。As described above, according to the present invention, a ring-shaped gate is formed by forming an element isolation region of a MOS structure surrounding a pixel having both functions of photoelectric conversion, signal charge accumulation and charge-voltage conversion. Fixed pattern noise due to variation in sensitivity in each pixel when the amount of small signal charge is easy to occur in an amplification type solid-state imaging device using pixels that have electrodes and also have functions of photoelectric conversion, signal charge accumulation and charge-voltage conversion Can be suppressed.
【0061】しかも、画素のゲート中央部からゲート端
部に向けてチャネル長を変化させる構成とすることによ
り、MOS構造の素子分離領域による狭チャネル効果で
チャネル電流と信号電荷を画素のゲート中央部に集中さ
せる効果を、特に、表面を流れるチャネル電流について
強くすることができ、小信号電荷量時の各画素における
感度ばらつきによる固定パターンノイズを抑圧すること
ができる。Further, by employing a configuration in which the channel length is changed from the central portion of the gate of the pixel to the gate end portion, the channel current and the signal charge are reduced by the narrow channel effect of the element isolation region having the MOS structure. In particular, the effect of concentrating on the channel current can be enhanced with respect to the channel current flowing on the surface, and fixed pattern noise caused by sensitivity variations in each pixel when the amount of signal charge is small can be suppressed.
【0062】尚、上例ではp型半導体基板を用いてnチ
ャネル型MOSトランジスタを基本とした画素を形成し
た場合について説明したが、p型とn型を反転した画
素、即ち、p型チャネル型MOSトランジスタを基本と
する画素についても適用することができ、この場合も同
様の効果を奏する。In the above example, a case has been described in which a pixel based on an n-channel MOS transistor is formed using a p-type semiconductor substrate. However, a pixel in which p-type and n-type are inverted, that is, a p-type channel type is used. The present invention can also be applied to a pixel based on a MOS transistor, and in this case, the same effect can be obtained.
【0063】[0063]
【発明の効果】本発明によれば、光電変換、信号電荷蓄
積及び電荷−電圧変換の機能を合わせ持つ画素につい
て、界面準位等の影響で画素内のポテンシャル分布に少
しのうねりが生じ、そのうねりが各画素でばらつきを持
っていても、蓄積している信号電荷が少ない時(低照度
時、小信号時)に発生し易い感度の線形性の劣化や各画
素における線形性のばらつきによる固定パターンノイズ
の発生を抑制することができる。According to the present invention, for a pixel having the functions of photoelectric conversion, signal charge accumulation, and charge-voltage conversion, a slight swell occurs in the potential distribution in the pixel due to the influence of interface states and the like. Even if the undulation varies in each pixel, degradation of sensitivity linearity that tends to occur when the accumulated signal charge is small (low illuminance, small signal) and fixation due to linearity variation in each pixel Generation of pattern noise can be suppressed.
【0064】隣り合う画素、即ち受光素子間を電気的に
分離するための素子分離電極を有することにより、この
素子分離電極下のポテンシャルによる狭チャネル効果に
よって、平面的にみて同じ位置で、信号電荷が蓄積され
易く且つ表面チャネル電流が流れ易くなるような、ポテ
ンシャル分布を持たせることができ、少ない信号電荷に
おいても、信号電荷の蓄積するところとチャネル電流の
流れるところが平面的に離れることがなく、上記の効果
を奏し得る。By having an element isolation electrode for electrically isolating adjacent pixels, that is, light receiving elements, signal charges are generated at the same position in plan view due to a narrow channel effect caused by a potential under the element isolation electrode. Can easily be accumulated and the surface channel current can easily flow, and a potential distribution can be provided. Even with a small signal charge, the place where the signal charge is stored and the place where the channel current flows are not separated in a plane, The above effects can be obtained.
【0065】しかも、画素ゲートの中央部のチャネル長
を他部より短くなるように、例えばチャネル長をチャネ
ル中心から端部に向かって漸次長くなるように構成する
ので、特にチャネル電流がゲート中央部に流れ易くな
り、小信号電荷量時の各画素における感度ばらつきによ
る固定パターンノイズを抑圧することができる。In addition, since the central portion of the pixel gate is configured to have a shorter channel length than the other portion, for example, the channel length is gradually increased from the center of the channel toward the end, the channel current is particularly reduced at the central portion of the gate. Thus, the fixed pattern noise due to the sensitivity variation in each pixel at the time of the small signal charge amount can be suppressed.
【図1】本発明に係る固体撮像素子の画素構造の基本を
示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing the basic pixel structure of a solid-state imaging device according to the present invention.
【図2】図1のA−A線上の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
【図3】図1のB−B線上の断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken on line BB of FIG. 1;
【図4】本発明の動作説明に供する画素の平面図であ
る。FIG. 4 is a plan view of a pixel used for describing the operation of the present invention.
【図5】A 図4のP−P′線上の1次元ポテンシャル
分布図である。 B 図4のQ−Q′線上の1次元ポテンシャル分布図で
ある。FIG. 5A is a one-dimensional potential distribution diagram on the line PP ′ of FIG. 4; B is a one-dimensional potential distribution diagram on the line QQ 'in FIG.
【図6】A 図4のP−P′線上のポテンシャル分布図
である。 B 図4のQ−Q′線上のポテンシャル分布図である。6 is a potential distribution diagram on the line PP ′ in FIG. 4; FIG. B is a potential distribution diagram on the line QQ 'in FIG.
【図7】本発明に係る固体撮像素子の画構造の他の実施
例を示す平面図である。FIG. 7 is a plan view showing another embodiment of the image structure of the solid-state imaging device according to the present invention.
【図8】図7のQ−Q′線上の断面図である。FIG. 8 is a sectional view taken along line QQ ′ of FIG. 7;
【図9】図7のP−P′線上の断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line PP ′ of FIG. 7;
【図10】図7のP−P′線上のポテンシャル分布図で
ある。FIG. 10 is a potential distribution diagram on line PP ′ of FIG. 7;
【図11】従来の増幅型画素の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a conventional amplification type pixel.
【図12】A 従来の画素のゲート下のポテンシャルが
均一な場合の説明図である。 B 従来の画素のゲート下のポテンシャルが不均一な場
合の説明図である。FIG. 12A is an explanatory diagram in the case where the potential under the gate of a conventional pixel is uniform. B is an explanatory diagram in the case where the potential under the gate of a conventional pixel is non-uniform.
【図13】図12BのポイントAとポイントBの1次元
ポテンシャル図である。FIG. 13 is a one-dimensional potential diagram of point A and point B in FIG. 12B.
【図14】図12BのポイントAとポイントBの信号電
荷量−信号出力特性図である。FIG. 14 is a signal charge-signal output characteristic diagram at points A and B in FIG. 12B.
21,41 画素(MOS型トランジスタ)、22 p
型シリコン半導体基板、23 オーバーフローバリア領
域、24 i型半導体ウエル領域、26 素子分離ゲー
ト電極、27 素子分離領域、28 p型半導体領域、
30 ゲート電極、31 ソース領域、32 ドレイン
領域、38 増幅型固体撮像素子21, 41 pixels (MOS transistor), 22 p
Type silicon semiconductor substrate, 23 overflow barrier region, 24 i-type semiconductor well region, 26 device isolation gate electrode, 27 device isolation region, 28 p-type semiconductor region,
Reference Signs List 30 gate electrode, 31 source region, 32 drain region, 38 amplification type solid-state imaging device
Claims (2)
により得られた信号電荷を蓄積し、蓄積した信号電荷の
電荷量に応じて信号電圧を出力する機能を合わせ持つ受
光素子が、同一基板上に複数配列されてなる固体撮像素
子であって、 隣り合う前記受光素子を電気的に分離するための素子分
離電極を有し、 前記受光素子の動作を制御する画素ゲートの中央部のチ
ャネル長が他部より短いことを特徴とする固体撮像素
子。A light receiving element having a function of performing photoelectric conversion by incident light, accumulating signal charges obtained by the photoelectric conversion, and outputting a signal voltage in accordance with the amount of the accumulated signal charges, is provided on the same substrate. A solid-state imaging device having a plurality of arrayed elements thereon, comprising: an element separation electrode for electrically separating adjacent light receiving elements; and a channel length at a central portion of a pixel gate for controlling an operation of the light receiving elements. Is shorter than other parts.
中心から端部に向かって漸次長くなることを特徴とする
請求項1に記載の固体撮像素子。2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a channel length of the pixel gate gradually increases from a center of the channel toward an end.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8295303A JPH10144902A (en) | 1996-11-07 | 1996-11-07 | Solid-state imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8295303A JPH10144902A (en) | 1996-11-07 | 1996-11-07 | Solid-state imaging device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10144902A true JPH10144902A (en) | 1998-05-29 |
Family
ID=17818867
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8295303A Pending JPH10144902A (en) | 1996-11-07 | 1996-11-07 | Solid-state imaging device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10144902A (en) |
-
1996
- 1996-11-07 JP JP8295303A patent/JPH10144902A/en active Pending
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