JP4678270B2 - Solid-state image sensor - Google Patents
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Description
本発明は固体撮像素子に係り、特に被写体像を撮影する固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor, and more particularly to a solid-state image sensor that captures a subject image.
被写体像を撮影する固体撮像素子の中には、全画素の蓄積の開始、終了のタイミングを同時とする固体撮像素子が従来から知られている(例えば、特許文献1参照)。図5はこの種の従来の固体撮像素子の1画素分の等価回路図を示す。図5に示す従来の固体撮像素子の画素1は、被写体光を光電変換するフォトダイオード2の蓄積電荷を全画素一斉に、PチャネルMOS型電界効果トランジスタである転送トランジスタ3を通して、NチャネルMOS型電界効果トランジスタである増幅トランジスタ5のウェル拡散層15に転送する。転送された電荷量に応じてウェル拡散層15の電位が変わるので、増幅トランジスタ5のソースから、しきい値電圧の変化あるいはオン抵抗の変化として画素信号出力線16に画素信号を取り出す。
Among solid-state imaging devices that capture a subject image, a solid-state imaging device that simultaneously starts and ends the accumulation of all pixels is known (for example, see Patent Document 1). FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram for one pixel of this type of conventional solid-state imaging device. The
次に、図5の固体撮像素子の駆動方法を図6のタイミングチャートに従って説明する。ここで各MOS型電界効果トランジスタの特性として、転送トランジスタ3はゲート配線13の電位がハイレベル(High)のときオフ、ローレベル(Low)のときオンとなり、PチャネルMOS型電界効果トランジスタであるリセットトランジスタ4は、ゲート配線12の電位がLowのときオン、中間レベル(Middle)、及びハイレベル(High)のときオフ、NチャネルMOS型電界効果トランジスタである増幅トランジスタ5はゲート配線12の電位がLow、Middleのときはオフ、Highのときにオンとなるようにしきい値電圧が設定されているものとする。
Next, a method for driving the solid-state imaging device of FIG. 5 will be described with reference to the timing chart of FIG. Here, as a characteristic of each MOS type field effect transistor, the transfer transistor 3 is turned off when the potential of the
リセットトランジスタ4と増幅トランジスタ5の両ゲートはゲート配線12に共通接続され、増幅トランジスタ5のソースは画素信号出力線16に接続されている。また、転送トランジスタ3は、ゲートがゲート配線13に接続され、ソースがリセットトランジスタ4のドレインと増幅トランジスタ5のバックゲートを構成するウェル拡散層15に接続されている。また、画素信号出力線16には負荷10がつながっており、負荷10には、スイッチ6とキャパシタ7とからなる第1の直列回路と、スイッチ8とキャパシタ9とからなる第2の直列回路とが並列に接続されている。これにより、光信号出力時とリセット信号出力時の負荷電圧をキャパシタ7、9に記憶できるようになっている。
Both gates of the
まず、図6(A)、(B)に示すように全画素のゲート配線13、12の電位がそれぞれLowになり、転送トランジスタ3とリセットトランジスタ4とがそれぞれオンとなり、フォトダイオード2とウェル拡散層15の両方の電荷が基板に排出されリセットされる。その後、図6(A)に示すように全画素のゲート配線13の電位がHigh、同図(B)に示すように全画素のゲート配線12の電位がMiddleとなり、転送トランジスタ3とリセットトランジスタ4とがそれぞれオフとなり、全画素一斉にフォトダイオード2による光信号電荷の蓄積が開始される。
First, as shown in FIGS. 6A and 6B, the potentials of the
所定の蓄積時間終了後、図6(A)に示すように全画素のゲート配線13の電位がLowとなり、全画素でフォトダイオード2の光信号電荷が、オンとされた転送トランジスタ3を通して増幅トランジスタ5のウェル拡散層15へ転送され、転送終了後、ゲート配線13の電位はHighになり、転送トランジスタ3がオフとされる。この後読み出し処理は全画素から各行毎の順次読み出しとなる。
After the predetermined accumulation time, as shown in FIG. 6A, the potentials of the
この行順次読み出しの際には、まず、図6(B)に示すように、ゲート配線12の電位をHighにすると、増幅トランジスタ5がオンとなり、ウェル拡散層15の光信号電荷に応じた出力を、増幅トランジスタ5を通して画素信号出力線16に出し、図6(D)にハイレベルで模式的に示すようにオンとされたスイッチ6を通して、キャパシタ7に記憶する(このときスイッチ8はオフである。)。続いて、図6(B)に示すように、ゲート配線12の電位がLowになり、増幅トランジスタ5がオフ、リセットトランジスタ4がオンとなり、ウェル拡散層15の光信号電荷がリセットトランジスタ4を通して基板に排出される(リセット)。
In this row sequential reading, first, as shown in FIG. 6B, when the potential of the
続いて、再び図6(B)に示すようにゲート配線12の電位をHighにすると、増幅トランジスタ5がオン、リセットトランジスタ4がオフとなり、画素信号出力線16にリセット時の信号出力が、増幅トランジスタ5を通して出力され、その信号出力は、図6(C)にハイレベルで模式的に示すようにオンとされたスイッチ8を通してキャパシタ9に記憶される(このときスイッチ6はオフである。)。これで画素からの読み出し処理は終わり、図示されていない減算処理手段を用いて、キャパシタ7、9に記憶された信号を減算処理し、センサ外に出力する。
Subsequently, as shown in FIG. 6B again, when the potential of the
図7は図5におけるフォトダイオード2、転送トランジスタ(PMOSFET)3、増幅トランジスタ(NMOSFET)5の部分に対応する素子断面図である。図7において、N型基板20上にP型拡散領域21が形成されており、これらにより図5のフォトダイオード2を構成する。また、基板20上のP型拡散領域21に近接した位置にP型拡散領域24が形成され、そのP型拡散領域24内にはN型拡散領域25が形成されている。P型拡散領域21、24をドレイン拡散層、ソース拡散層とし、それらの上方に形成されたゲート電極22とにより図5の転送トランジスタ3が構成される。
FIG. 7 is an element cross-sectional view corresponding to the
また、上記のN型拡散領域25、基板20上に形成されたN型拡散領域26は、それらをソース拡散層、ドレイン拡散層とし、それらの上方に形成されたゲート電極23とにより図5の増幅トランジスタ5が構成される。上記のP型拡散領域24は図5のウェル拡散層15に相当する。N型拡散領域25には図5の画素信号出力線16が接続され、また、N型拡散領域26には図5の電源ライン11が接続される。
Further, the N-
ここで、P型拡散領域24(ウェル拡散層15)には、ポテンシャルポケット30が存在し、これはソース近傍でウェル拡散層と同じP型で不純物濃度が高くなっているので、ポテンシャルが一番低くなり、ここにホールがたまりやすくなる。従って、ポテンシャルポケット30がない場合より、しきい値の変動の影響が大きくなるので、信号の変換効率が向上する。
Here, a
しかしながら、上記従来の固体撮像素子では、1画素当りトランジスタを3つ(転送トランジスタ3、リセットトランジスタ4、増幅トランジスタ5)使っているので、トランジスタに使用する面積が多くなり、開口率が減少するという課題がある。
However, since the conventional solid-state imaging device uses three transistors per pixel (transfer transistor 3,
また、図7に示したポテンシャルポケット30はP型拡散領域24よりも原理的に高濃度になるため、不純物濃度調整範囲がその分限られてしまう。一方、ポテンシャルポケット30を省くと、転送されたホールがゲート電極23の下全面に広がるため、変換効率が低下する。
Further, since the
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、開口率を向上できると共に、ポテンシャルポケットのような高濃度な領域を作らずにソース近傍にフォトダイオードから転送されたホールを局在させることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and can improve the aperture ratio and localize holes transferred from the photodiode in the vicinity of the source without forming a high-concentration region such as a potential pocket. An object is to provide a solid-state imaging device.
上記の目的を達成するため、本発明は、入力された電荷の量をしきい値の変化として出力する増幅用トランジスタと、光を電荷に変換して蓄積する光電変換領域と、光電変換領域に蓄積された電荷を増幅用トランジスタに転送する電荷転送手段とを含む単位画素が規則的に複数配列された固体撮像素子であって、増幅用トランジスタは、基板上のゲート電極と、基板に形成された第1の導電型で高濃度不純物のソース領域及びドレイン領域と、ソース領域の近傍に設けられた第2の導電型のソース近傍領域とから構成され、ソース領域とドレイン領域は、ゲート電極の下方位置において分離されると共に、ゲート電極の下方位置以外ではソース近傍領域により分離されており、ソース近傍領域は、ゲート電極下においてはドレイン領域と接触しておらず、電荷転送手段は光電変換領域に蓄積された電荷をソース近傍領域へ転送することを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention provides an amplifying transistor that outputs the amount of input charge as a change in threshold value, a photoelectric conversion region that converts light into charge, and a photoelectric conversion region. A solid-state imaging device in which a plurality of unit pixels including a charge transfer means for transferring accumulated charges to an amplification transistor are regularly arranged. The amplification transistor is formed on a gate electrode on the substrate and the substrate. The source region and the drain region of the first conductivity type and the high-concentration impurity, and the source vicinity region of the second conductivity type provided in the vicinity of the source region. together are separated in the lower position, except a position below the gate electrode are separated by a source region near the vicinity of the source region is in contact with the drain region under the gate electrode And yet not, charge transfer means is characterized by transferring the charge accumulated in the photoelectric conversion region to the vicinity of the source region.
この発明では、光電変換領域に蓄積された電荷をソース近傍領域へ転送し、リセット時にはソース近傍領域から基板に排出する構成をとることができるので、画素内に従来必要としたリセットトランジスタを有しない構造とすることができ、また、第1の導電型で高濃度のソース領域の近傍だけに第2の導電型のソース近傍領域を作成するようにしたため、ポテンシャルポケットのような高濃度な領域の作成を不要にできる。 In the present invention, the charge accumulated in the photoelectric conversion region can be transferred to the source vicinity region and discharged from the source vicinity region to the substrate at the time of resetting. Therefore, the pixel does not have a conventionally required reset transistor. In addition, since the second conductivity type source vicinity region is created only in the vicinity of the first conductivity type and high concentration source region, the high concentration region such as the potential pocket is formed. Creation can be made unnecessary.
本発明によれば、画素内に従来必要としたリセットトランジスタを有しない構造とするようにしたので、画素内のトランジスタ数を1つ減らすことにより、従来よりも開口率をあげることができる。 According to the present invention, since the pixel does not have a conventionally required reset transistor in the pixel, the aperture ratio can be increased as compared with the conventional one by reducing the number of transistors in the pixel by one.
また、本発明によれば、第1の導電型で高濃度のソース領域の近傍だけに第2の導電型のソース近傍領域を作成することにより、ポテンシャルポケットのような高濃度な領域の作成を不要にしたため、ソース近傍領域に電荷蓄積手段から転送されたホールを局在させることができ、また、ソース近傍領域の濃度は自由に設定することができる。 In addition, according to the present invention, a high-concentration region such as a potential pocket can be created by creating a second-conductivity-type source vicinity region only in the vicinity of the first-conduction type high-concentration source region. Since it is not necessary, holes transferred from the charge storage means can be localized in the source vicinity region, and the concentration in the source vicinity region can be freely set.
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図1(A)は本発明になる固体撮像素子の第1の実施の形態の上面図、図1(B)は同図(A)のX−X’線に沿う縦断面図を示す。図1(A)、(B)に示すように、本実施の形態の固体撮像素子は、p+型基板41上にp−型エピタキシャル層42を成長させてある。このエピタキシャル層42の層内にnウェル43がある。nウェル43上にはゲート酸化膜44を挟んで、図1(A)に示すように、第1のゲート電極として平面形状がU字形のゲート電極45が形成されている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A is a top view of a first embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention, and FIG. 1B is a longitudinal sectional view taken along line XX ′ of FIG. As shown in FIGS. 1A and 1B, in the solid-state imaging device of the present embodiment, a p −
ゲート電極45の上面図両端の一方にはn+型のドレイン領域48があり、もう一方にはn+型のソース領域46がある。n+型のソース領域46に隣接して、ソース領域46を取り囲むようにp型のソース近傍領域(ソース近傍p型領域)47がある。ソース近傍p型領域47は、ゲート電極45の他端のドレイン領域48に、少なくとも全てのゲート幅方向では達していない。ソース近傍p型領域47は、ゲー卜電極45の一端であるソース領域46と同じ側のドレイン領域48には接しており、ソース領域46とドレイン領域48を分離している。
The
ソース領域46とソース近傍p型領域47の外側の離間した位置に形成されているn+型のドレイン領域48の下のnウェル43中には、埋め込みのp−型領域49がある。この埋め込みのp−型領域49とnウェル43とは、図1(A)に示す埋め込みフォトダイオード50を構成している。
There is a buried p − type region 49 in the n well 43 below the n +
埋め込みフォトダイオード50とゲート電極45との間には、第2のゲート電極である転送ゲート電極51がある。ドレイン領域48、ゲート電極45、ソース領域46、転送ゲート電極51には、それぞれメタル配線であるドレイン電極配線52、ソース電極配線(出力線)54、転送ゲート電極配線55が接続されている。また、上記の各構成の上方には、図1(B)に示すように遮光膜56が形成されており、その遮光膜56の埋め込みフォトダイオード50に対応した位置には開口部57が穿設されている。この遮光膜56は金属、あるいは有機膜等で形成される。光は、開口部57を通して埋め込みフォトダイオード50に達して光電変換される。
Between the embedded
この第1の実施の形態では、ゲート電極45と、高濃度不純物であるn+型のソース領域46及びドレイン領域48と、ソース近傍p型領域47とからなる増幅用MOSFETは、ソース近傍p型領域47がゲート電極45の下方の基板位置においてドレイン領域48と接触しておらず、また、ソース領域46とドレイン領域48との分離は、nウェル43のゲート電極45の下方の部分(ゲート電極45による分離部)と、ソース近傍p型領域47とにより行われている。
In the first embodiment, the amplifying MOSFET comprising the
従って、この第1の実施の形態では、ソース領域46とドレイン領域48との分離には、素子分離を用いていないので、素子分離領域で発生する欠陥に起因する雑音が発生しないという特長がある。
Therefore, in the first embodiment, since element isolation is not used for the separation of the
次に、本発明の固体撮像素子の第2の実施の形態の構造について説明する。図2(A)は本発明になる固体撮像素子の第2の実施の形態の上面図、図2(B)は同図(A)のY−Y’線に沿う縦断面図を示す。図2(A)、(B)に示すように、本実施の形態の固体撮像素子は、p+型基板41上にp−型エピタキシャル層42を成長させてある。このエピタキシャル層42の層内にnウェル43がある。nウェル43上にはゲート酸化膜44を挟んで、図2(A)に示すように、第1のゲート電極として平面形状がU字形のゲート電極45が形成されている。
Next, the structure of the second embodiment of the solid-state imaging device of the present invention will be described. 2A is a top view of the second embodiment of the solid-state imaging device according to the present invention, and FIG. 2B is a longitudinal sectional view taken along line YY ′ of FIG. As shown in FIGS. 2A and 2B, in the solid-state imaging device of this embodiment, a p −
ゲート電極45の上面図両端の一方にはn+型のドレイン領域48があり、もう一方にはn+型のソース領域46がある。n+型のソース領域46に隣接してp型のソース近傍領域(ソース近傍p型領域)47がある。ソース近傍p型領域47は、ゲート電極45の他端のドレイン領域48に、少なくとも全てのゲート幅方向では達していない。以上の構造は図1に示した第1の実施の形態の構造と同じであるが、本実施の形態では、ソース領域46と同じ側のドレイン領域48の間には、図2(A)、(B)に示すように、絶縁分離領域60が存在している点に特徴があり、この絶縁分離領域60でソース領域46及びソース近傍p型領域47とドレイン領域48とを分離している。この絶縁分離領域60はフィールド酸化膜、あるいはSTI(Sallow Trench Isolation)などで形成する。
The
なお、第1の実施の形態と同様に、ソース領域46とソース近傍p型領域47の外側の離間した位置に形成されているn+型のドレイン領域48の下のnウェル43中には、埋め込みのp−型領域49があり、この埋め込みのp−型領域49と、その上のドレイン領域48とは、図2(A)に示す埋め込みフォトダイオード50を構成している。
As in the first embodiment, in the n well 43 below the n +
埋め込みフォトダイオード50とゲート電極45との間には、第2のゲート電極である転送ゲート電極51がある。ドレイン領域48、ソース領域46、転送ゲート電極51には、それぞれメタル配線であるドレイン電極配線52、ソース電極配線(出力線)54、転送ゲート電極配線55が接続されている。また、上記の各構成の上方には、第1の実施の形態と同様に、図2(B)に示すように遮光膜56が形成されており、その遮光膜56の埋め込みフォトダイオード50に対応した位置には開口部57が穿設されている。
Between the embedded
この第2の実施の形態では、ゲート電極45と、高濃度不純物であるn+型のソース領域46及びドレイン領域48と、ソース近傍p型領域47とからなる増幅用MOSFETは、ソース近傍p型領域47がゲート電極45の下方の基板位置においてドレイン領域48と接触しておらず、また、ソース領域46とドレイン領域48との分離は、nウェル43のゲート電極45の下方の部分(ゲート電極45による分離部)と、絶縁分離領域60とにより行われている。
In the second embodiment, the amplifying MOSFET comprising the
従って、この第2の実施の形態では、ソース領域46とドレイン領域48との分離には、絶縁分離領域60を用いているため、絶縁分離領域を用いない第1の実施の形態に比べて、電気的に安定した分離を行うことができるという特長がある。なお、図1、図2では図示を省略したが、ゲート電極45にはゲート電極配線が接続される。
Therefore, in the second embodiment, since the
次に、本発明になる固体撮像素子の画素構造と撮像素子全体の構造について、電気回路で表現した図3と共に説明する。同図において、画素は画素敷き詰め領域61にm行n列で配置されている。図3ではこれらm行n列の画素のうち、s行t列の一画素62を代表として等価回路で表現している。この画素62は、増幅用MOSFET63と、フォトダイオード64と、転送ゲートMOSFET65とからなり、増幅用MOSFET63のドレインがフォトダイオード64のn側端子とドレイン電極配線66(図1、図2の52に相当)に接続され、転送ゲートMOSFET65のソースがフォトダイオード64のp側端子に接続され、ドレインが増幅用MOSFET63のバックゲート(図1、図2のソース近傍p型領域47)に接続されている。
Next, the pixel structure of the solid-state image sensor according to the present invention and the structure of the entire image sensor will be described with reference to FIG. In the figure, pixels are arranged in a pixel spread area 61 in m rows and n columns. In FIG. 3, one pixel 62 of s rows and t columns among these m rows and n columns pixels is represented by an equivalent circuit. The pixel 62 includes an amplification MOSFET 63, a
なお、上記の増幅用MOSFET63は、図1(B)、図2(B)ではゲート電極45直下のソース近傍p型領域47をゲート領域とし、n+型のソース領域46及びn+型のドレイン領域48を有するnチャネルMOSFETである。また、上記の転送ゲートMOSFET65は、図1(B)、図2(B)では転送ゲート電極51直下のnウェル43をゲート領域、フォトダイオード50の埋め込みのp−型領域49をソース領域、ソース近傍p型領域47をドレインとするpチャネルMOSFETである。
In FIG. 1B and FIG. 2B, the amplifying MOSFET 63 has an n + -
図3において、m行n列の各画素から1フレーム分の信号を読み出すために、まず読み出しを始める合図を出すフレームスタート信号を発生させる回路67がある。このフレームスタート信号は撮像素子の外から与えられてもよい。このフレームスタート信号は垂直シフトレジスタ68に供給される。垂直シフトレジスタ68は、m行n列の各画素のうちの何行目の画素を読み出すかを指示する信号を出力する。
In FIG. 3, in order to read a signal for one frame from each pixel of m rows and n columns, there is a
s行目のゲート電位制御回路70は、増幅用ゲート電極配線69を通してs行目の各画素内の増幅用MOSFET63のゲート電極(図1、図2の45に相当)に接続され、s行目の転送ゲート電位制御回路72は転送ゲート電極配線71(図1、図2の55に相当)を通して転送ゲートMOSFET65のゲート電極(図1、図2の51に相当)と接続され、s行目のドレイン電位制御回路73はドレイン電極配線66(図1、図2の52に相当)を通して増幅用MOSFET63のドレイン、フォトダイオード64のn側端子と接続されている。
The gate
また、ゲート電位制御回路70は垂直シフトレジスタ68から信号を受け、転送ゲート電位制御回路72はフレームスタート信号発生回路67から信号を受け、ドレイン電位制御回路73はフレームスタート信号発生回路67と垂直シフトレジスタ68から信号を受けて、演算処理し、ゲート電極配線69、転送ゲート電極配線71、ドレイン電極配線66の各電位を制御する。
The gate
増幅用MOSFET63のゲート電極は行毎に制御するので、ゲート電極配線69は横方向に配線する。転送ゲートMOSFET65のゲート電極は全画素一斉に制御するので、縦方向の配線でもよいが、ここでは横方向で表現している。ドレイン電位制御は、全画素一斉に制御する場合と、行毎に制御する場合とがあり、ドレイン電極配線66は、ここでは横方向で表現している。
Since the gate electrode of the amplification MOSFET 63 is controlled for each row, the gate electrode wiring 69 is wired in the horizontal direction. Since the gate electrodes of the
画素62の増幅用MOSFET63のソース電極につながるソース電極配線74(図1、図2の54に相当)は縦方向に配線され、配線の一方はスイッチSW1を介してソース電位制御回路75に接続され、もう一方はスイッチSW2を介して、信号読み出し回路76に接続されている。信号を読み出すときにはSW1をオフ、SW2をオンにし、ソース電位を制御するときにはSW1をオン、SW2をオフにする。
A source electrode wiring 74 (corresponding to 54 in FIGS. 1 and 2) connected to the source electrode of the amplification MOSFET 63 of the pixel 62 is wired in the vertical direction, and one of the wirings is connected to the source
信号読み出し回路76には負荷77があり、また、ソース電極配線74を通じて増幅用MOSFET63のソース電極と接続されており、ソースフォロア回路を形成する。負荷77は例えば電流源である。負荷(電流源)77の一端は接地されており、他端はスイッチsc1、sc2を介してキャパシタC1,C2の一端と接続されている。キャパシタC1,C2の他端は接地され、またその一端は差動アンプ78の反転入力端子、非反転入力端子にそれぞれ接続されC1,C2の電位差を出力するようになっている。 The signal readout circuit 76 has a load 77, and is connected to the source electrode of the amplifying MOSFET 63 through the source electrode wiring 74 to form a source follower circuit. The load 77 is a current source, for example. One end of a load (current source) 77 is grounded, and the other end is connected to one ends of capacitors C1 and C2 via switches sc1 and sc2. The other ends of the capacitors C1 and C2 are grounded, and one end thereof is connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the differential amplifier 78, respectively, so as to output the potential difference between C1 and C2.
このような信号読み出し回路76はCDS回路と呼ばれ、ここに描かれた以外にも種々の回路が開示されており、この回路に限るわけではない。信号読み出し回路76から出力された信号は、水平シフトレジスタ79により制御されるスイッチswtを介して出力される。 Such a signal readout circuit 76 is called a CDS circuit, and various circuits other than those described here are disclosed, and the present invention is not limited to this circuit. The signal output from the signal readout circuit 76 is output via the switch swt controlled by the horizontal shift register 79.
次に、図3に示す等価回路の駆動方法について、図4のタイミングチャートと共に説明する。代表してs行t列の画素62に注目する。まず、図4(1)に示す期間では、埋め込みのフォトダイオード64(図1(A)、図2(A)の50)に光が入射し、光電変換効果により電子・ホール対が発生し、フォトダイオード64の埋め込みp−型領域(図1、図2の49)にホールが蓄積される。このとき転送ゲート電極配線71の電位はドレイン電位Vddと同じになっており、転送ゲートMOSFET65はオフ状態である。これらの蓄積は、前フレームの読み出し操作が行われている時に同時に実行されている。
Next, a method for driving the equivalent circuit shown in FIG. 3 will be described with reference to the timing chart of FIG. As a representative, attention is paid to the pixel 62 in s rows and t columns. First, in the period shown in FIG. 4A, light is incident on the embedded photodiode 64 (50 in FIGS. 1A and 2A), and an electron-hole pair is generated by the photoelectric conversion effect. Holes are accumulated in the buried p − -type region (49 in FIGS. 1 and 2) of the
前フレームの読み出しが終了すると、図4(A)に示すように、フレームスタート信号発生回路67からパルスが出力される。続く、図4に示す期間(2)では、全画素で電荷が一斉にフォトダイオード64から増幅用MOSFET63のバックゲートへ、ホール電荷を転送するために、図4(B)に示すように、転送ゲート電位制御回路72の制御信号電位がVddからLow2に下がり、転送ゲートMOSFET65がオン状態にされる。
When the reading of the previous frame is completed, a pulse is output from the frame start
このとき、ゲート電位制御回路70により制御されるゲート電極配線69の電位は、図4(C)に示すように、LowからLow1になるが、Low2の方がLow1よりも大きい。Low1はLowと同じでもよい。最も簡便にはLow1=Low=0(V)に設定する。
At this time, the potential of the gate electrode wiring 69 controlled by the gate
一方、ソース電位制御回路75からスイッチSW1を介してソース電極配線74から増幅用MOSFET63のソースに供給されるソース電位をはじめとする、全画素のソース電位は図4(D)に示すように電位S1に設定される。S1>Low1であり、これにより、増幅用MOSFET63がオフのままであり、電流が流れないようにする。この結果、全画素のフォトダイオードに蓄積された電荷(ホール)が、対応する画素の増幅用MOSFETのゲート電極の下に一斉に転送される。
On the other hand, the source potential of all the pixels including the source potential supplied from the source
図1(B)、図2(B)に示すゲート電極45の下の領域で、ソース近傍p型領域47が最もポテンシャルが低いので、フォトダイオード64に蓄積されていたホールは、増幅用MOSFET63のバックゲート(ソース近傍p型領域47)に達し、そこに蓄積される。ホールが蓄積される結果、ソース近傍p型領域47の電位が上昇する。
In the region below the
続いて、図4(3)に示す期間では、同図(B)に示すように転送ゲート電極が再びVddになり、転送ゲートMOSFET65がオフになる。これにより、フォトダイオード64では再び光電変換効果により電子・ホール対が発生し、フォトダイオード64の埋め込みp−型領域49にホールが蓄積され始める。この蓄積動作は次の電荷転送時まで続けられる。
Subsequently, in the period shown in FIG. 4 (3), as shown in FIG. 4 (B), the transfer gate electrode becomes Vdd again, and the
一方、読み出し操作は行単位で順番に行われるので、1行目〜(s−1)行目を読み出す期間(3)では、増幅用MOSFET63のゲート電極の電位は図4(C)に示すようにLowの状態で、バックゲート(ソース近傍p型領域47)にホールを蓄積したまま待機状態となる。ソース電位は他の行からの信号読み出しが行われている間、その画素からの信号の値により、様々な値をとり得る。また、増幅用MOSFET63のゲート電極電位は行毎に様々な値をとり得るが、s行目ではLowに設定され、増幅用MOSFET63がオフ状態である。 On the other hand, since the read operation is performed in units of rows, the potential of the gate electrode of the amplification MOSFET 63 is as shown in FIG. 4C in the period (3) in which the first to (s-1) th rows are read. In the low state, a standby state is entered while holes are accumulated in the back gate (source-side p-type region 47). The source potential can take various values depending on the value of the signal from the pixel while the signal is read from another row. The gate electrode potential of the amplifying MOSFET 63 can take various values for each row, but is set to Low in the sth row, and the amplifying MOSFET 63 is off.
続く図4(4)〜(6)に示す期間では、s行t列目の画素62からの信号読み出しが行われる。まず、増幅用MOSFET63がバックゲート(ソース近傍p型領域47)にホールを蓄積した状態で、図4(E)に示す垂直シフトレジスタ68の出力信号が、同図(H)に示すようにローレベルである期間(4)において、ゲート電位制御回路70からゲート電極配線69に出力される制御信号により、増幅用MOSFET63のゲート電極45の電位を図4(K)に示すように、LowからVg1に上げる。
In the subsequent period shown in FIGS. 4 (4) to (6), signal readout from the pixel 62 in the s row and t column is performed. First, with the amplification MOSFET 63 accumulating holes in the back gate (p-
ここで、上記の電位Vg1は、前述した各電位Low、Low1、Vddとの間に
Low≦Low1≦Vg1≦Vdd (ただし、Low<Vdd)
なる不等式が成立する電位である。また、上記の期間(4)ではスイッチSW1が図4(I)に示すようにオフ、スイッチSW2が同図(J)に示すようにオン、スイッチsc1が同図(M)に示すようにオン、スイッチsc2が同図(N)に示すようにオフとされる。この結果、増幅用MOSFET63のソースに接続されたソースフォロア回路が働き、増幅用MOSFET63のソース電位は、図4(L)に示すように期間(4)ではS2(=Vg1−Vth1)となる。ここで、Vth1とはバックゲート(ソース近傍p型領域47)にホールがある状態での、増幅用MOSFET63のしきい値電圧である。このソース電位S2がオンとされているスイッチsc1を通してキャパシタC1に記憶される。
Here, the potential Vg1 is between the potentials Low, Low1, and Vdd described above.
Low ≦ Low1 ≦ Vg1 ≦ Vdd (where Low <Vdd)
Is an electric potential that holds the inequality. In the period (4), the switch SW1 is turned off as shown in FIG. 4I, the switch SW2 is turned on as shown in FIG. 4J, and the switch sc1 is turned on as shown in FIG. The switch sc2 is turned off as shown in FIG. As a result, the source follower circuit connected to the source of the amplifying MOSFET 63 works, and the source potential of the amplifying MOSFET 63 is S2 (= Vg1−Vth1) in the period (4) as shown in FIG. Here, Vth1 is the threshold voltage of the amplifying MOSFET 63 in a state where there is a hole in the back gate (p-
続く図4(5)に示す期間では、ゲート電位制御回路70からゲート電極配線69に出力される制御信号により、増幅用MOSFET63のゲート電極の電位を図4(K)に示すようにHigh1に上げると同時に、同図(I)、(J)に示すようにスイッチSW1をオン、スイッチSW2をオフとすると共に、ソース電位制御回路75から出力されるソース電位を同図(L)に示すようにHighsに上げる。ここで、High1、Highs>Low1である。
In the subsequent period shown in FIG. 4 (5), the potential of the gate electrode of the amplifying MOSFET 63 is raised to High1 as shown in FIG. 4 (K) by the control signal output from the gate
上記の電位High1及びHighsの値は同じであっても異なっていてもよいが、設計の簡単のためにはHigh1、Highs≦Vddが望ましい。簡便な設定では、High1=Highs=Vddとする。また、増幅用MOSFET63がオンして電流が流れないような電位設定にすることが望ましい。この結果、ソース近傍p型領域47のポテンシャルが上昇し、nウェル43のバリアを越えてホールがエピタキシャル層42に排出される(リセット)。
The values of the potentials High1 and Highs may be the same or different, but High1 and Highs ≦ Vdd are desirable for simplicity of design. In a simple setting, High1 = Highs = Vdd. It is desirable to set the potential so that the amplification MOSFET 63 is turned on and no current flows. As a result, the potential of the p-
続く図4(6)に示す期間では、再び前記期間(4)と同じ信号読み出し状態にする。ただし、期間(4)とは異なり、図4(M)、(N)に示すように、スイッチsc1はオフ、スイッチsc2はオンとする。リング状ゲート電極は図4(K)に示すように期間(4)と同じVg1とする。しかし、この期間(6)では直前の期間(5)でホールが基板に排出されていて、ソース近傍p型領域47にはホールが存在しないので、増幅用MOSFET63のソース電位は、図4(L)に示すように期間(6)ではS0(=Vg1−Vth0)となる。ここでVth0は、バックゲート(ソース近傍p型領域47)にホールがない状態での増幅用MOSFET63のしきい値電圧である。このソース電位S0はオンとされたスイッチsc2を介してキャパシタC2に記憶される。
In the subsequent period shown in FIG. 4 (6), the same signal readout state as in the period (4) is set again. However, unlike the period (4), as shown in FIGS. 4M and 4N, the switch sc1 is turned off and the switch sc2 is turned on. The ring-shaped gate electrode is set to Vg1 which is the same as that in the period (4) as shown in FIG. However, in this period (6), holes are discharged to the substrate in the immediately preceding period (5), and no holes are present in the p-
図3に示す差動アンプ78はキャパシタC1とC2の電位差を出力する。すなわち、差動アンプ78は(Vth0−Vth1)を出力する。この出力値(Vth0−Vth1)は、ホール電荷によるしきい値変化分である。その後、水平シフトレジスタ79から出力される図4(F)に示すパルスのうち、同図(O)に示すt列目の出力パルスに基づき、図3の出力スイッチswtがオンとされ、このswtのオン期間に図4(P)にハッチングにより模式的に示すように、差動アンプ78からのホール電荷によるしきい値変化分が画素62の出力信号Voutとしてセンサ外へ出力される。 The differential amplifier 78 shown in FIG. 3 outputs the potential difference between the capacitors C1 and C2. That is, the differential amplifier 78 outputs (Vth0−Vth1). This output value (Vth0-Vth1) is a change in threshold value due to hole charge. Thereafter, among the pulses shown in FIG. 4F output from the horizontal shift register 79, the output switch swt in FIG. 3 is turned on based on the output pulse in the t-th column shown in FIG. During the ON period, as schematically shown by hatching in FIG. 4 (P), the threshold value change due to the Hall charge from the differential amplifier 78 is output to the outside of the sensor as the output signal Vout of the pixel 62.
続いて、図4に(7)で示す期間では、再びリング状ゲート電極45の電位を図4(B)に示すようにLowにし、ソース近傍p型領域47にはホールがない状態で、全ての行の信号処理が終了するまで(s+1行〜n行の画素の読み出しが終了するまで)待機する。これらの読み出し期間中、フォトダイオード64では光電変換効果によるホールの蓄積が進行している。その後、前記期間(1)に戻って、ホールの転送から繰り返す。これにより、各画素から図4(G)に示す出力信号が読み出される。すべての画素から信号を読み出すと、再び次のフレームが開始される。
Subsequently, in the period indicated by (7) in FIG. 4, the potential of the ring-shaped
このように、図1、図2に示した本発明の固体撮像素子の第1、第2の実施の形態では、図3に示したようにその画素52内のトランジスタは、増幅用MOSFET63及び転送ゲートMOSFET65の2つであり、フォトダイオード64に蓄積された電荷は、基板であるエピタキシャル層42に排出してリセットすることで、リセットトランジスタを有しない構造としたため、トランジスタ数が従来よりも1つ少なくなった分だけ開口率を上げることができる。
As described above, in the first and second embodiments of the solid-state imaging device of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the transistor in the
また、図1、図2に示した本発明の固体撮像素子の第1、第2の実施の形態では、p型半導体拡散層をソース近傍p型領域47として、ソース領域46の近傍だけに作るようにしているので、図7のポテンシャルポケット30のような高濃度な領域を作らずにソース領域46の近傍にフォトダイオード64から転送されたホールを局在させることができ、また、ソース近傍p型領域47の濃度は自由に設定することができる。
In the first and second embodiments of the solid-state imaging device of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, the p-type semiconductor diffusion layer is formed as the source vicinity p-
なお、図4の期間(5)のリセット時のソース電極配線74の電位供給はソース電位制御回路75から供給する以外の方法もある。期間(5)でスイッチSW1、SW2を共にオフとして、ソース電極配線74をフローティングにする。ここでゲート電極配線69の電位をHigh1とすると増幅用MOSFET63がオン状態となり、ソース電極にドレインから電流が供給され、ソース電極電位が上昇する。この結果、ソース近傍p型領域47のポテンシャルが持ち上げられ、nウェル43のバリアを越えて、ホールがp型エピタキシャル層42に排出される(リセット)。ホールが完全に排出されたときの増幅用MOSFET63のソース電極電位は、High1−Vth0になる。この方法では、ソース電位制御回路75のうち、Highsを供給するトランジスタを削減することができ、チップ面積を減らすことができる。
Note that there is a method other than the supply of the potential of the source electrode wiring 74 from the source
なお、図3の画素62の回路構成は簡略化して示してある。画素62の回路は、厳密には、増幅用MOSFET65のソースと増幅用MOSFET63のバックゲートとの間に、ゲート電極配線69と転送ゲート電極配線71の各電位に連動したスイッチが設けられる構成である。このスイッチは、ゲート電極配線69の電位Low1と、転送ゲート電極配線71の電位Low2との間に、Low1≦Low2の関係があるときはオン状態になり、Low1>Low2の関係があるときにはオフ状態になる。
Note that the circuit configuration of the pixel 62 in FIG. 3 is simplified. Strictly speaking, the circuit of the pixel 62 is configured such that a switch linked to each potential of the gate electrode wiring 69 and the transfer gate electrode wiring 71 is provided between the source of the
このスイッチを設けることにより、ゲート電極45(電位Low1)の下の基板電位が、転送ゲート電極61(電位Low2)の下の基板電位よりも高くなっていて、ゲート電極45(電位Low1)の下の基板電位がバリアとして働き、ホールがソース近傍p型領域47に達することができないという現象を回路的に表現できる。しかしながら、転送時は上記のLow1≦Low2の条件は、電位制御回路70、72等により常に満たされているので、図3ではこのスイッチを省略して図示している。
By providing this switch, the substrate potential below the gate electrode 45 (potential Low1) is higher than the substrate potential below the transfer gate electrode 61 (potential Low2), and below the gate electrode 45 (potential Low1). The phenomenon that the substrate potential acts as a barrier and holes cannot reach the p-
43 nウェル
45 ゲート電極
46 n+型ソース領域
47 ソース近傍p型領域
48 n+型ドレイン領域
49 埋め込みp−型領域
50、64 フォトダイオード
51 転送ゲート電極
52、66 ドレイン電極配線
54、74 ソース電極配線(出力線)
55、71 転送ゲート電極配線
60 絶縁分離領域
61 画素敷き詰め領域
62 画素
63 増幅用MOSFET
65 転送ゲートMOSFET
43 n well 45 gate electrode 46 n +
55, 71 Transfer
65 Transfer gate MOSFET
Claims (2)
前記増幅用トランジスタは、基板上のゲート電極と、前記基板に形成された第1の導電型で高濃度不純物のソース領域及びドレイン領域と、前記ソース領域の近傍に設けられた第2の導電型のソース近傍領域とから構成され、
前記ソース領域と前記ドレイン領域は、前記ゲート電極の下方位置において分離されると共に、前記ゲート電極の下方位置以外では前記ソース近傍領域により分離されており、
前記ソース近傍領域は、前記ゲート電極下においては前記ドレイン領域と接触しておらず、前記電荷転送手段は前記光電変換領域に蓄積された前記電荷を前記ソース近傍領域へ転送することを特徴とする固体撮像素子。 An amplification transistor that outputs the amount of input charge as a change in threshold value, a photoelectric conversion region that converts light into charge and accumulates, and the charge accumulated in the photoelectric conversion region to the amplification transistor A solid-state imaging device in which a plurality of unit pixels including a charge transfer means for transferring are regularly arranged,
The amplifying transistor includes a gate electrode on a substrate, a source region and a drain region of high-concentration impurities of a first conductivity type formed on the substrate, and a second conductivity type provided in the vicinity of the source region. And a source neighborhood region of
The source region and the drain region are separated at a position below the gate electrode, and are separated by the source vicinity region except at a position below the gate electrode,
The source vicinity region is not in contact with the drain region under the gate electrode, and the charge transfer means transfers the charge accumulated in the photoelectric conversion region to the source vicinity region. Solid-state image sensor.
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