JP2001197368A - イメージセンサ - Google Patents

イメージセンサ

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JP2001197368A JP2000322608A JP2000322608A JP2001197368A JP 2001197368 A JP2001197368 A JP 2001197368A JP 2000322608 A JP2000322608 A JP 2000322608A JP 2000322608 A JP2000322608 A JP 2000322608A JP 2001197368 A JP2001197368 A JP 2001197368A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ブルーミング効果を抑制または防止すること
によって光感度を向上させることができるイメージセン
サを提供すること。 【解決手段】 本発明のイメージセンサは、多数の単位
画素を有しており、各単位画素は、入射光を感知して光
電荷を生成する光感知手段210と、前記光電荷を感知ノ
ードに伝送する伝送手段220と、前記光感知手段内に完
全空乏領域を生成させ電源電圧を前記感知ノードに供給
することにより前記感知ノードをリセットさせる第１リ
セット手段230Aと、前記感知ノードがリセットされる時
に前記光感知手段に生成された過剰電荷を電源ラインに
伝送する第２リセット手段230Bとを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、イメージセンサに
関し、特に、ブルーミング効果を防止できる多数の単位
画素を有するイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、イメージセンサは、物体
から反射される光を感知してイメージデータを生成する
装置である。特に、ＣＭＯＳ(complementary metal oxi
de semiconductor)技術を利用して製造されたイメージ
センサをＣＭＯＳイメージセンサという。
【０００３】一般に、ＣＭＯＳイメージセンサは、多数
の単位画素を含んでおり、各単位画素は、一つの光感知
素子と多数のトランジスタとからなる。フォトダイオー
ドのような光感知素子は、物体から反射される入射光を
感知して光電荷を蓄積し、トランジスタは蓄積された光
電荷の伝送を制御する。
【０００４】図１Ａは、ＣＭＯＳイメージセンサに含ま
れた従来の単位画素を示す回路図である。ここで、符号
１６０は、単位画素の出力信号を安定化させる役割をす
る負荷トランジスタである。図１Ｂは、図１Ａに示した
従来の単位画素に対するレイアウトを示す図面である。
【０００５】図示したように、従来の単位画素は、一つ
のフォトダイオード１１０と四つのｎＭＯＳトランジス
タとからなる。四つのｎＭＯＳトランジスタは、それぞ
れ伝達トランジスタ１２０、リセットトランジスタ１３
０、増幅トランジスタ１４０、及びスイッチングトラン
ジスタ１５０の機能を備えている。
【０００６】フォトダイオード１１０は、入射光を感知
して光電荷を生成する。伝達トランジスタ１２０は、感
知ノードＮsに連結されており、伝達制御信号ＴＸに応
答して光電荷を感知ノードＮsに伝達する。
【０００７】リセットトランジスタ１３０は、感知ノー
ドＮsに連結されており、リセット制御信号に応答して
フォトダイオード１１０内に完全空乏領域を形成させ、
リセット電圧を感知ノードに供給する。増幅トランジス
タ１４０は、感知ノードＮsの電圧レベルを増幅して増
幅された信号（ＤＸ）を生成する。スイッチングトラン
ジスタ１５０は、増幅トランジスタ１４０と出力端Ｎou
tとに連結されており、スイッチング制御信号ＳＸに応
答してスイッチング動作をすることによって出力端Ｎou
tを介して増幅された信号をイメージデータとして出力
する。
【０００８】四つのｎＭＯＳトランジスタの中で、電荷
伝達効率を向上させ、イメージデータの電圧損失または
電圧降下を減少させるために、伝達トランジスタ１２０
及びリセットトランジスタ１３０は、空乏モード(deple
tion mode)ｎＭＯＳトランジスタまたは低いしきい電圧
を有するネガティブｎＭＯＳトランジスタで具現されて
いる。
【０００９】かかる単位画素で、感知ノードＮsをリセ
ットさせる過程は、伝達トランジスタ１２０及びリセッ
トトランジスタ１３０により行われるため、飽和領域で
過剰電荷の経路は、伝達トランジスタ１２０及びリセッ
トトランジスタ１３０から電源ラインＶＤＤに形成され
るべきである。従って、伝達トランジスタ１２０及びリ
セットトランジスタ１３０の電圧障壁に対する制御が極
めて重要である。もし、伝達トランジスタ１２０とリセ
ットトランジスタ１３０のいずれか一つでも正しく制御
されなければ、過剰電荷は、隣接した単位画素に流れる
こととになって誤動作を誘発することとなる。かかる現
象をブルーミング効果(blooming effect)という。
【００１０】ブルーミング効果によって、正確なイメー
ジデータを獲得することが困難になり、ＣＭＯＳイメー
ジセンサの光感度を低下させるという問題点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した問
題点を解決するために案出されたものであり、ブルーミ
ング効果を抑制または防止することにより、光感度を増
大させることのできるイメージセンサを提供することに
その目的がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明のイメージセンサは、多数の単位画素を備え
ており、各単位画素が、入射光を感知して光電荷を生成
する光感知手段と、前記光電荷を感知ノードに伝送する
伝送手段と、前記光感知手段内に完全空乏領域を生成さ
せ電源電圧を前記感知ノードに供給することにより該感
知ノードをリセットさせる第１リセット手段と、前記感
知ノードがリセットされる時に前記光感知手段に生成さ
れた過剰電荷を電源ラインに伝送する第２リセット手段
とを備えていることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明が属する技術分野に
おける通常の知識を有する者が本発明を容易に実施でき
る程度に詳細に説明するため、本発明の好ましい実施の
形態を、添付した図面を参照して説明する。
【００１４】図２Ａは、本発明に係るＣＭＯＳイメージ
センサに含まれている単位画素を示す回路図である。符
号２６０は、単位画素の出力信号を安定化させるために
用いられる負荷トランジスタを示す。図２Ｂは、図２Ａ
に図示した単位画素のレイアウトを示す図面である。
【００１５】図２Ａを参照すれば、本発明に係る単位画
素は、光感知素子として一つのフォトダイオード２１０
と制御手段としての五つのｎＭＯＳトランジスタとから
なる。五つのｎＭＯＳトランジスタとは、伝達トランジ
スタ２２０、第１リセットトランジスタ２３０Ａ、第２
リセットトランジスタ２３０Ｂ、増幅トランジスタ２４
０、及びスイッチングトランジスタ２５０である。
【００１６】フォトダイオード２１０は、入射光を感知
して光電荷を生成する。伝達トランジスタ２２０は、フ
ォトダイオード２１０と感知ノードＮsとの間に連結さ
れて、伝達制御信号ＴＸに応答して光電荷を感知ノード
Ｎsに伝達する。
【００１７】第１リセットトランジスタ２３０Ａは、感
知ノードＮsと電源ラインＶＤＤとの間に連結されて、
リセット制御信号ＲＸに応答してフォトダイオード２１
０内に完全空乏領域を形成させ、リセット電圧を感知ノ
ードＮsに供給することにより、リセット動作を遂行す
る。
【００１８】第２リセットトランジスタ２３０Ｂは、フ
ォトダイオード２１０と電源ラインＶＤＤとの間に連結
されて、フォトダイオード２１０で生成された過剰電荷
を電源ラインＶＤＤに伝達する。この場合、第２リセッ
トトランジスタ２３０Ｂのしきい電圧を、第１リセット
トランジスタ２３０Ａのしきい電圧より低く形成するこ
とによって、過剰電荷が電源ラインＶＤＤに容易に伝達
されるようにする。
【００１９】増幅トランジスタ２４０は、感知ノードＮ
sの電圧レベルを増幅して増幅された信号（ＤＸ）を生
成する。スイッチングトランジスタ２５０は、増幅トラ
ンジスタ２４０と出力端Ｎoutとの間に連結されて、ス
イッチング制御信号ＳＸに応答してスイッチング動作を
することによって出力端Ｎoutを介して増幅された信号
をイメージデータで出力する。
【００２０】図２Ｂに図示したように、第１リセットト
ランジスタ２３０ＡのゲートＧ１と第２リセットトラン
ジスタ２３０ＢのゲートＧ２とは、同一の導電層に連結
されている。
【００２１】図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、図２Ｂに
示したＡ’−Ａ線とＡ”−Ａ線により切断した断面図で
ある。図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、本発明に係るフ
ォトダイオード２１０は、半導体基板３０１上にｎ型ド
ーピング領域３０２及びｐ型ドーピング領域３０３を順
に形成することによって提供される。また、伝達トラン
ジスタ２２０のように、第２リセットトランジスタ２３
０Ｂのチャネル領域がフォトダイオード２１０のｎ型ド
ーピング領域３０２と直接的に連結されている。
【００２２】半導体基板３０１は、ｐ型基板上にｐ型エ
ピタキシャル層を形成することによって提供されるのが
好ましい。この場合、ｐ型エピタキシャル層の不純物濃
度は、ｐ型基板の不純物濃度より低くする。また、ｐ型
ドーピング領域３０３が半導体基板３０１と直接的に接
触するように形成することによって、５Ｖまたは３．３
ないし２．５Ｖの電源電圧でも、完全空乏領域がフォト
ダイオード内に形成されるようにすることができる。
【００２３】図４は、リセット動作後の単位画素の電位
を示す図面である。図面から分かるように、第２リセッ
トトランジスタ２３０Ｂのしきい電圧が第１リセットト
ランジスタ２３０Ａのしきい電圧より低いため、過剰電
荷４０１が電源ラインＶＤＤに容易に伝達されてブルー
ミング効果を防止でき、ＣＭＯＳイメージセンサの光感
度が向上する。
【００２４】本発明の技術思想を上記好ましい実施例に
よって記述したが、請求項で限定した本発明の範囲内
で、種々の変更、追加及び置換が可能であることは当業
者において明白である。
【００２５】
【発明の効果】本発明のイメージセンサは、従来の単位
画素構造に一つのリセットトランジスタが追加されてお
り、フォトダイオードが容易に完全空乏化され、またフ
ォトダイオードで生成された過剰電荷の隣接単位画素へ
の移動が抑制されるようになっている。そのために、光
感度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 ＣＭＯＳイメージセンサに含まれている従
来の単位画素を示す回路図である。
【図１Ｂ】 図１Ａに示した単位画素のレイアウトを示
す図面である。
【図２Ａ】 本発明に係るＣＭＯＳイメージセンサに含
まれている単位画素を示す回路図である。
【図２Ｂ】 図２Ａに示した単位画素のレイアウトを示
す図面である。
【図３Ａ】 図２ＢにおけるＡ’−Ａ線断面図である。
【図３Ｂ】 図２ＢにおけるＡ”−Ａ線断面図である。
【図４】 リセット動作における、単位画素の電位を示
す図面である。
【符号の説明】
２１０ フォトダイオード ２２０ 伝達トランジスタ ２３０Ａ 第１リセットトランジスタ ２３０Ｂ 第２リセットトランジスタ ２４０ 増幅トランジスタ ２５０ スイッチングトランジスタ ３０２ ｎ型ドーピング領域 ３０３ ｐ型ドーピング領域

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多数の単位画素を有するイメージセンサ
    において、 各単位画素は、 入射光を感知して光電荷を生成する光感知手段と、 前記光電荷を感知ノードに伝送する伝送手段と、 前記光感知手段内に完全空乏領域を生成させ電源電圧を
    前記感知ノードに供給することにより、前記感知ノード
    をリセットさせる第１リセット手段と、 前記感知ノードがリセットされる時に前記光感知手段に
    生成された過剰電荷を電源ラインに伝送する第２リセッ
    ト手段とを備えていることを特徴とするイメージセン
    サ。
  2. 【請求項２】 前記感知ノードの電圧レベルを増幅し
    て、その増幅された信号を生成する増幅手段と、 スイッチング動作を遂行して前記増幅された信号を出力
    端に出力するスイッチング手段とをさらに備えているこ
    とを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 【請求項３】 前記伝送手段は、前記光感知手段と前記
    感知ノードとの間に連結されたものであることを特徴と
    する請求項１に記載のイメージセンサ。
  4. 【請求項４】 前記第１リセット手段は、前記感知ノー
    ドと前記電源ラインとの間に連結されたものであること
    を特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
  5. 【請求項５】 前記第２リセット手段は、前記光感知手
    段と前記電源ラインとの間に連結されたものであること
    を特徴とする請求項４に記載のイメージセンサ。
  6. 【請求項６】 前記光感知手段は、フォトダイオードで
    あることを特徴とする請求項５に記載のイメージセン
    サ。
  7. 【請求項７】 前記伝達手段は、ｎＭＯＳトランジスタ
    であることを特徴とする請求項６に記載のイメージセン
    サ。
  8. 【請求項８】 前記第１及び第２リセット手段は、ｎＭ
    ＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項７に記
    載のイメージセンサ。
  9. 【請求項９】 前記第２リセット手段のしきい電圧が前
    記第１リセット手段のしきい電圧より低いことを特徴と
    する請求項８に記載のイメージセンサ。
  10. 【請求項１０】 前記フォトダイオードは、第１伝導型
    の半導体基板と、 前記第１伝導型の半導体基板上に形成された第２伝導型
    の第１ドーピング領域と、 該第１ドーピング領域上に形成された第１伝導型の第２
    ドーピング領域とを備えていることを特徴とする請求項
    ９に記載のイメージセンサ。
  11. 【請求項１１】 前記第２ドーピング領域のチャネル領
    域が、第１ドーピング領域と直接連結されていることを
    特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサ。
  12. 【請求項１２】 前記第２ドーピング領域が、前記半導
    体基板と接触していることを特徴とする請求項１１に記
    載のイメージセンサ。
  13. 【請求項１３】 前記第１伝導型がｐ型であり、前記第
    ２伝導型がｎ型であることを特徴とする請求項１２に記
    載のイメージセンサ。
  14. 【請求項１４】 前記半導体基板は、前記半導体基板上
    に形成され、半導体基板の不純物濃度より低い不純物濃
    度を有するエピタキシャル層をさらに備えていることを
    特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサ。
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