JP2002134729A - Solid-state image pickup device and method for driving the same - Google Patents

Solid-state image pickup device and method for driving the same

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JP2002134729A
JP2002134729A JP2000327662A JP2000327662A JP2002134729A JP 2002134729 A JP2002134729 A JP 2002134729A JP 2000327662 A JP2000327662 A JP 2000327662A JP 2000327662 A JP2000327662 A JP 2000327662A JP 2002134729 A JP2002134729 A JP 2002134729A
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Japanese (ja)
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Kazuhiro Kawajiri
和廣 川尻
Takashi Mitsuida
▲高▼ 三井田
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INNOTECH CORP
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a MOS-type image sensor that can take an image produced by an optical signal with the whole light-receiving surface, can convert the optical signal into an electrical signal, and can output the electrical signal as an image signal to the outside. SOLUTION: The MOS-type image sensor includes a light-receiving diode 111, having a light-receiving region that is formed on a substrate 11, and produces light-producing electric charges, when light is applied thereto; an insulating gate type field effect transistor 112 for detecting optical signals which is provided with a region 25 for accumulating the light-producing electric charges, outputs a threshold voltage modulated by the accumulation of the light-producing electric charges as an optical signal, and is formed on the substrate 11; an electric charge carrying path for carrying the light-producing electric charges produced in the light-receiving region to the region 25; an electric charge discharging path for discharging the light-producing electric charges produced in the light-receiving region to the substrate 11; and a means 42 for controlling a potential barrier with respect to the light-producing electric charges of the electric charge discharging path.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置及び
その駆動方法に関し、より詳しくは、ビデオカメラ、電
子カメラ、画像入力カメラ、スキャナ又はファクシミリ
等に用いられる閾値電圧変調方式のMOS型イメージセ
ンサを用いた固体撮像装置及びその駆動方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state imaging device and a method of driving the same, and more particularly, to a threshold voltage modulation type MOS image sensor used for a video camera, an electronic camera, an image input camera, a scanner or a facsimile. The present invention relates to a solid-state imaging device using the same and a driving method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】CCD型イメージセンサやMOS型イメ
ージセンサなどの半導体イメージセンサは量産性に優れ
ているため、パターンの微細化技術の進展に伴い、ほと
んどの画像入力デバイス装置に適用されている。特に、
近年、CCD型イメージセンサと比べて、消費電力が小
さく、かつセンサ素子と周辺回路素子とを同じCMOS
技術によって作成できるという利点を生かして、MOS
型イメージセンサが見直されている。
2. Description of the Related Art Semiconductor image sensors such as CCD type image sensors and MOS type image sensors are excellent in mass productivity, and have been applied to most image input device devices with the development of finer pattern technology. In particular,
In recent years, the power consumption is smaller than that of a CCD image sensor, and the sensor element and the peripheral circuit element are the same CMOS.
With the advantage that it can be created by technology, MOS
Type image sensors are being reviewed.

【0003】このような世の中の動向に鑑み、本願出願
人はMOS型イメージセンサの改良を行い、光信号検出
用MOSトランジスタのチャネル領域下にキャリアポケ
ット(高濃度埋込層)25を有するセンサ素子に関する
特許出願(特願平10−186453号)を行って特許
(登録番号2935492号)を得ている。そのMOS
型イメージセンサは特許の図8に示す構造を有してい
る。その構造においては、図8に示すように、単位画素
は受光ダイオードと受光ダイオードに隣接する光信号検
出用MOSトランジスタとから構成される。受光ダイオ
ードと光信号検出用MOSトランジスタとはp型のウエ
ル領域によって繋がっている。光信号検出用MOSトラ
ンジスタにおいては、ゲート電極がリング状を有し、中
央部にn型のソース領域が形成され、ゲート電極の外周
を囲むようにn型のドレイン領域が形成されている。ゲ
ート電極下方、ソース領域の近傍のウエル領域内にソー
ス領域を囲むようにp型のホールポケットが設けられて
いる。
In view of such trends in the world, the present applicant has improved a MOS type image sensor, and has a sensor element having a carrier pocket (high concentration buried layer) 25 below a channel region of a MOS transistor for detecting an optical signal. (Japanese Patent Application No. 10-186453) has been filed to obtain a patent (registration number 2935492). That MOS
The type image sensor has a structure shown in FIG. 8 of the patent. In this structure, as shown in FIG. 8, the unit pixel is composed of a light receiving diode and a light signal detecting MOS transistor adjacent to the light receiving diode. The light receiving diode and the MOS transistor for detecting an optical signal are connected by a p-type well region. In the MOS transistor for detecting an optical signal, the gate electrode has a ring shape, an n-type source region is formed in the center, and an n-type drain region is formed so as to surround the outer periphery of the gate electrode. A p-type hole pocket is provided below the gate electrode and in the well region near the source region so as to surround the source region.

【0004】ところで、CCDセンサはメカニカルシャ
ッタ無しで全面同時シャッタを切って受光ダイオードに
より映像信号を受光した後、その映像信号を転送路に読
み出し、その後転送路に読み出した信号を外部に読み出
すことにより静止した歪のない映像信号を取り出すこと
ができる。これに対して、上記MOS型イメージセンサ
ではフォーカルプレイン型シャッタで受光ダイオードに
より画像を取り込む。そして、一連の繰り返し動作によ
り光電変換された映像信号を取り出す。例えば、初期化
期間に各電極に高い逆電圧を印加して空乏化させ、ホー
ルポケットに残る光発生正孔を放出させる。蓄積期間に
受光ダイオード部に光照射により光発生正孔を生じさ
せ、ホールポケットに転送させて蓄積させ、読出期間に
光発生正孔の蓄積量に比例して変調された光信号検出用
電界効果トランジスタの閾値を検出することにより光信
号を検出する。
[0004] By the way, the CCD sensor releases the simultaneous shutter without a mechanical shutter, receives a video signal by a light receiving diode, reads the video signal to a transfer path, and then reads the signal read to the transfer path to the outside. It is possible to extract a stationary video signal without distortion. On the other hand, in the MOS image sensor, a focal plane shutter captures an image using a light receiving diode. Then, a video signal that has been photoelectrically converted by a series of repetitive operations is extracted. For example, a high reverse voltage is applied to each electrode during the initialization period to deplete each electrode, and light-emitting holes remaining in hole pockets are emitted. In the accumulation period, light-emitting holes are generated by light irradiation on the light receiving diode portion, transferred to the hole pockets and accumulated, and in the readout period, the electric field effect for light signal detection modulated in proportion to the amount of accumulated light-generated holes. An optical signal is detected by detecting a threshold value of the transistor.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記画
像取り込み方式では、高速移動物体を撮影する場合、ま
たより多画素を有するイメージセンサで撮影する場合、
読み始めと読み終わりの時間差のため、画像に歪が生じ
るという問題がある。本発明は、上記従来技術の問題点
に鑑みて創作されたものであり、受光面全面で、かつ同
時に光信号による映像を取り込んで、その光信号を電気
信号に変換して映像信号として外部に取り出すことがで
きるMOS型イメージセンサ及びその駆動方法を提供す
るものである。
However, in the above-described image capturing system, when photographing a high-speed moving object or photographing with an image sensor having more pixels,
There is a problem that an image is distorted due to a time difference between the start of reading and the end of reading. The present invention has been made in view of the above-described problems of the related art, and takes in an image by an optical signal over the entire light receiving surface and simultaneously, converts the optical signal into an electric signal, and outputs the image as an image signal to the outside. An object of the present invention is to provide a MOS image sensor that can be taken out and a driving method thereof.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明は固体撮像装置に係り、その固体撮像装置
の基本構成として、基板上に形成された光照射により光
発生電荷を発生する受光領域を備えた受光ダイオード
と、前記光発生電荷の蓄積領域を備え、光発生電荷の蓄
積により変調された閾値電圧を光信号として出力する、
前記基板上に形成された光信号検出用絶縁ゲート型電界
効果トランジスタと、前記受光領域で発生した光発生電
荷を前記蓄積領域に転送する電荷転送経路と、前記受光
領域で発生した光発生電荷を前記基板に排出する電荷排
出経路と、前記電荷排出経路の前記光発生電荷に対する
電位障壁を制御する手段とを有している。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention relates to a solid-state imaging device, and as a basic configuration of the solid-state imaging device, a light-receiving device that generates light-generated charges by irradiating light formed on a substrate. A light-receiving diode having a region, and a storage region for the photo-generated charges, and outputting a threshold voltage modulated by the accumulation of the photo-generated charges as an optical signal,
An insulated gate field effect transistor for optical signal detection formed on the substrate, a charge transfer path for transferring light generated charges generated in the light receiving region to the storage region, and a light generated charge generated in the light receiving region. A charge discharging path for discharging to the substrate; and a means for controlling a potential barrier of the charge discharging path for the photo-generated charges.

【0007】即ち、図2(a)、図7(a)及び図11
(a)に示すように、受光ダイオード111と受光ダイ
オード111に隣接する光信号検出用の絶縁ゲート型電
界効果トランジスタ(MOSトランジスタ)112とを
含む単位画素101を有している。そして、受光ダイオ
ード111はp型の基板11上のn型層32a内に形成
されたp型の第1のウエル領域15a、43に形成さ
れ、MOSトランジスタ112はp型の基板11上のn
型層32b内に形成されたp型の第2のウエル領域15
bに形成されている。また、MOSトランジスタ112
のチャネル領域の下の第2のウエル領域15b内であっ
て、ソース領域16の周辺部に光発生電荷を蓄積する高
濃度埋込層(キャリアポケット:光発生電荷の蓄積領
域)25が形成されている。
That is, FIG. 2A, FIG. 7A and FIG.
As shown in FIG. 1A, a unit pixel 101 including a light receiving diode 111 and an insulated gate field effect transistor (MOS transistor) 112 for detecting an optical signal adjacent to the light receiving diode 111 is provided. The light receiving diode 111 is formed in the p-type first well regions 15a and 43 formed in the n-type layer 32a on the p-type substrate 11, and the MOS transistor 112 is formed on the n-type layer 11 on the p-type substrate 11.
P-type second well region 15 formed in mold layer 32b
b. Also, the MOS transistor 112
A high concentration buried layer (carrier pocket: photo-generated charge accumulation region) 25 for accumulating photo-generated charges is formed in the second well region 15b below the channel region of FIG. ing.

【0008】さらに、図2(a)、図7(a)、図9及
び図11(a)に示すように、受光ダイオード111部
のp型の第1のウエル領域15a、43の隣にn型層3
2aを挟んでp型の基板11と繋がっているp型のオー
バフロードレイン領域41が設けられている。また、第
1のウエル領域15a、43の端部領域の上方からオー
バフロードレイン領域41の上方にわたってオーバフロ
ードレインゲート(OFDG:光発生電荷に対する電位
障壁を制御する手段)42、42a、42bが絶縁膜1
8aを介して設けられている。オーバフロードレインゲ
ート42、42a、42bの下方であって、第1のウエ
ル領域15a、43の端部領域の表層及びn型層32a
の表層に、受光ダイオード111部のn型の不純物領域
17とp型のオーバフロードレイン領域41とをつなぐ
低濃度のn型領域又はp型領域(表層領域)17cが形
成されている。上記の第1のウエル領域15a、43か
らn型層32a及びオーバフロードレイン領域41を経
てp型の基板11に至る経路が電荷排出経路を構成し、
必要な場合オーバフロードレインゲート42、42a、
42bにより電荷排出経路の光発生電荷に対する電位障
壁が制御される。
Further, as shown in FIGS. 2 (a), 7 (a), 9 and 11 (a), n is located next to the p-type first well regions 15a, 43 of the light-receiving diode 111. Mold layer 3
A p-type overflow drain region 41 connected to the p-type substrate 11 with the interposition 2a therebetween is provided. Also, the overflow drain gates (OFDG: means for controlling a potential barrier for photo-generated charges) 42, 42a, 42b extend from above the end regions of the first well regions 15a, 43 to above the overflow drain region 41.
8a. Under the overflow drain gates 42, 42a, 42b, the surface layer and the n-type layer 32a in the end regions of the first well regions 15a, 43
A low-concentration n-type region or p-type region (surface region) 17c that connects the n-type impurity region 17 of the light-receiving diode 111 and the p-type overflow drain region 41 is formed in the surface layer. A path from the first well regions 15a and 43 to the p-type substrate 11 via the n-type layer 32a and the overflow drain region 41 constitutes a charge discharging path.
If necessary, overflow drain gates 42, 42a,
The potential barrier for the photo-generated charges in the charge discharging path is controlled by 42b.

【0009】特に、図8、図10に示すように、受光ダ
イオード111部のウエル領域15aが行と列に揃って
並ぶように保持しつつ、かつ、列方向(或いは行方向)
や斜め方向で隣接する第1のウエル領域15aに対して
共通のオーバフロードレイン領域41が設けられてい
る。オーバフロードレインゲート42a、42bはオー
バフロードレイン領域41の上方を通り、隣接する相互
の第1のウエル領域15aを橋渡しするように設けられ
ている。
In particular, as shown in FIGS. 8 and 10, the well regions 15a of the light-receiving diode 111 are held so as to be aligned in rows and columns, and in the column direction (or row direction).
A common overflow drain region 41 is provided for the first well region 15a which is obliquely adjacent to the first well region 15a. The overflow drain gates 42a and 42b pass over the overflow drain region 41 and are provided so as to bridge the adjacent first well regions 15a.

【0010】上記の構成において、キャリアポケット2
5への光発生電荷の流れを制御するため、受光領域から
キャリアポケット25に至る電荷転送経路で光発生電荷
に対する電位障壁を制御することができるように、以下
のような特徴を有している。第1に、図2(a)に示す
ように、電荷転送経路において、第1及び第2のウエル
領域15aと15bとは低濃度のp型領域15cを介し
て繋がっていることを特徴としている。
In the above configuration, the carrier pocket 2
In order to control the flow of the photo-generated charges to the photo-electric charges 5, the following characteristics are provided so that the potential barrier against the photo-generated charges can be controlled in the charge transfer path from the light receiving region to the carrier pocket 25. . First, as shown in FIG. 2A, the first and second well regions 15a and 15b are connected via a low-concentration p-type region 15c in the charge transfer path. .

【0011】第2に、図7(a)に示すように、受光ダ
イオード111部の第1のウエル領域43はMOSトラ
ンジスタ112部の第2のウエル領域15bよりもp型
の不純物濃度が高くなっていることを特徴としている。
第3に、図11(a)に示すように、第1及び第2のウ
エル領域15a、15b同士はn型層32aを挟んで配
置されており、トランスファゲート44は第1のウエル
領域15aの端部領域の上方からn型層32aの上方を
経て第2のウエル領域15bの端部領域の上方にわたっ
て設けられている。トランスファゲート44の下でn型
層32aの表層に低濃度のp型領域(表層領域)17d
が形成されている。場合により、p型領域17dを設け
ず、n型層32aが表面に露出していてもよい。
Second, as shown in FIG. 7A, the first well region 43 of the light receiving diode 111 has a higher p-type impurity concentration than the second well region 15b of the MOS transistor 112. It is characterized by having.
Third, as shown in FIG. 11A, the first and second well regions 15a and 15b are arranged with the n-type layer 32a interposed therebetween, and the transfer gate 44 is provided in the first well region 15a. The second well region 15b is provided from above the end region to above the end region of the second well region 15b through above the n-type layer 32a. Under the transfer gate 44, a low concentration p-type region (surface region) 17d is formed on the surface of the n-type layer 32a.
Are formed. In some cases, the n-type layer 32a may be exposed on the surface without providing the p-type region 17d.

【0012】次に、上記構造の固体撮像装置、特に光発
生電荷としてホール(正孔)を用いた場合において、本
発明の固体撮像装置の駆動方法を説明する。まず、初期
化動作を行なう。初期化動作では、全画素について少な
くとも受光領域及びキャリアポケット25から光発生電
荷を排出する動作を行なわせる。即ち、受光領域内の残
留電荷に対して電荷排出経路の電位障壁を低くし、及び
キャリアポケット25内の残留電荷に対してキャリアポ
ケット25から基板11に至る経路の電位障壁を低くし
て、受光領域及びキャリアポケット25内の残留電荷を
掃き出す。
Next, a method of driving the solid-state imaging device of the present invention in the case where a solid-state imaging device having the above-described structure, in particular, holes (holes) are used as photo-generated charges will be described. First, an initialization operation is performed. In the initialization operation, an operation of discharging the photo-generated charges from at least the light receiving region and the carrier pocket 25 is performed for all the pixels. That is, the potential barrier of the charge discharging path is reduced with respect to the residual charge in the light receiving region, and the potential barrier of the path from the carrier pocket 25 to the substrate 11 is reduced with respect to the residual charge in the carrier pocket 25, so that the light receiving The residual charges in the region and the carrier pocket 25 are swept out.

【0013】次いで、蓄積動作に移る。蓄積動作では、
全画素において光発生電荷を蓄積する動作を行なわせ
る。即ち、受光領域内の光発生電荷に対して電荷転送経
路と電荷排出経路とに電位障壁を形成して、受光面全面
で、かつ同時に映像に基づく光信号を取り込む。これに
より、受光領域で光発生電荷を発生させ、かつ受光領域
に光発生電荷を蓄積する。次いで、受光領域内の光発生
電荷に対して電荷排出経路に電位障壁を形成するととも
に電荷転送経路の電位障壁を低くして、光発生電荷をキ
ャリアポケット25に転送する。
Next, the operation proceeds to an accumulation operation. In the accumulation operation,
The operation of accumulating the photo-generated charges is performed in all the pixels. That is, a potential barrier is formed in the charge transfer path and the charge discharge path for the photo-generated charges in the light receiving region, and the light signal based on the image is taken in over the entire light receiving surface and simultaneously. As a result, photo-generated charges are generated in the light receiving region, and the photo-generated charges are accumulated in the light receiving region. Next, a potential barrier is formed in the charge discharge path for the photo-generated charges in the light receiving region and the potential barrier in the charge transfer path is lowered, and the photo-generated charges are transferred to the carrier pocket 25.

【0014】次いで、読出し動作に移る。読出し動作で
は、一行ずつ、光電変換された光信号を読み出す。この
ため、光発生電荷に基づく光信号読み出しのために選択
された行に並ぶ画素のすべてについて、光発生電荷に対
応する光信号読み出しのために選択された行に並ぶ画素
のすべてについて、受光領域内の光発生電荷に対して電
荷転送経路に電位障壁を形成するとともに電荷排出経路
の電位障壁を低くして、光発生電荷の蓄積量に対応する
閾値電圧の変化を読み出す。このとき、受光領域で引き
続き受光している場合に受光領域で発生する光発生電荷
は受光領域から電荷排出経路を通して基板11に排出さ
れる。一方、選択されない行(非選択行)の画素のすべ
てについて、キャリアポケット25の光発生電荷に対し
てキャリアポケット25から基板11に至る経路に電位
障壁を形成してキャリアポケット25に光発生電荷を蓄
積しておくとともに、受光領域で発生する光発生電荷に
対して電荷転送経路に電位障壁を形成し、かつ電荷排出
経路の電位障壁を低くして受光領域で発生する光発生電
荷を電荷排出経路を経て基板に排出するとともにキャリ
アポケット25内の光発生電荷が漏洩しないようにす
る。
Next, the operation proceeds to a read operation. In the reading operation, the photoelectrically converted optical signals are read out line by line. Therefore, for all the pixels arranged in the row selected for reading the optical signal based on the photo-generated charges, and for all the pixels arranged in the row selected for reading the optical signal corresponding to the photo-generated charges, A potential barrier is formed in the charge transfer path for the photo-generated charges in the cell and the potential barrier in the charge discharge path is lowered, and a change in the threshold voltage corresponding to the amount of accumulated photo-generated charges is read. At this time, the photo-generated charges generated in the light receiving region when the light is continuously received in the light receiving region are discharged from the light receiving region to the substrate 11 through the charge discharging path. On the other hand, for all the pixels in the unselected row (non-selected row), a potential barrier is formed in the path from the carrier pocket 25 to the substrate 11 for the photogenerated charge in the carrier pocket 25, and the photogenerated charge is stored in the carrier pocket 25. In addition to the accumulation, a potential barrier is formed in the charge transfer path for the photo-generated charges generated in the light receiving area, and the potential barrier of the charge discharging path is lowered to transfer the photo-generated charges generated in the light receiving area to the charge discharging path. And the photo-generated charges in the carrier pocket 25 are prevented from leaking.

【0015】このようにして、光発生電荷に対応する光
信号を行毎に順次読み出す。なお、光信号は雑音の原因
となる残留キャリアによるノイズ信号成分を含んでい
る。ノイズ信号成分を除くための特別の動作を行なって
もよい。即ち、図4、図5、図6に示すように、読出し
動作においては、選択行の光信号の読出し動作に続い
て、非選択行の画素への電位付与状態はそのままにし
て、その選択行の画素を上記と同じようにして初期化
し、引き続き、初期化した状態での閾値電圧を読み出
す。そして、光発生電荷量に対応する閾値電圧と初期化
した状態での閾値電圧の差の信号を算出し、正味の光信
号成分を映像信号として出力する。
In this manner, the optical signals corresponding to the photo-generated charges are sequentially read out for each row. Note that the optical signal contains a noise signal component due to a residual carrier that causes noise. A special operation for removing a noise signal component may be performed. That is, as shown in FIG. 4, FIG. 5, and FIG. 6, in the read operation, following the read operation of the optical signal of the selected row, the potential applied state to the pixels of the non-selected row is kept as it is, and Are initialized in the same manner as described above, and subsequently, the threshold voltage in the initialized state is read out. Then, a signal of the difference between the threshold voltage corresponding to the amount of light generated charge and the threshold voltage in the initialized state is calculated, and a net optical signal component is output as a video signal.

【0016】以下に、上記構成により奏される作用・効
果を説明する。この発明の固体撮像装置においては、受
光領域で発生した光発生電荷を基板11に排出する電荷
排出経路と、電荷排出経路の光発生電荷に対する電位障
壁を制御する手段とを有している。具体的には、電荷排
出経路は、受光ダイオード111の第1のウエル領域1
5aからn型層32a及びオーバフロードレイン領域4
1を経て基板11に至る経路である。また、電位障壁を
制御する手段は電荷排出経路上に設けられたオーバフロ
ードレインゲート42である。
The operation and effect achieved by the above configuration will be described below. The solid-state imaging device according to the present invention includes a charge discharging path for discharging the photo-generated charges generated in the light receiving region to the substrate 11, and means for controlling a potential barrier for the photo-generated charges in the charge discharging path. Specifically, the charge discharging path is the first well region 1 of the light receiving diode 111.
5a to n-type layer 32a and overflow drain region 4
1 is a path leading to the substrate 11. The means for controlling the potential barrier is the overflow drain gate 42 provided on the charge discharging path.

【0017】従って、必要なときに、受光領域から基板
11に向かう光発生電荷の流れを制御することができ
る。また、電荷転送経路のうち、受光ダイオード111
部の第1のウエル領域15aとMOSトランジスタ部の
第2のウエル領域15bとの接続領域に低濃度のp型領
域15cが介在している。
Therefore, when necessary, the flow of the photo-generated charges from the light receiving region toward the substrate 11 can be controlled. In the charge transfer path, the light receiving diode 111
A low-concentration p-type region 15c is interposed in a connection region between the first well region 15a of the MOS transistor portion and the second well region 15b of the MOS transistor portion.

【0018】低濃度のp型領域15cは周りの第1及び
第2のウエル領域15a、15bに比べて正孔に対する
電位が高くなる。この場合、ゲート電極19に印加する
電圧とドレイン領域17aに印加する電圧とを相対的に
調整することにより、p型領域15cの電位が光発生電
荷に対する障壁となるように調整することができる。こ
れにより、必要なときに、受光領域からキャリアポケッ
ト25に向かう光発生電荷の流れを制御することができ
る。
The low-concentration p-type region 15c has a higher potential for holes than the surrounding first and second well regions 15a and 15b. In this case, by relatively adjusting the voltage applied to the gate electrode 19 and the voltage applied to the drain region 17a, the potential of the p-type region 15c can be adjusted so as to be a barrier against the photo-generated charges. Thus, when necessary, the flow of the photo-generated charges from the light receiving region toward the carrier pocket 25 can be controlled.

【0019】さらに、受光ダイオード111部の第1の
ウエル領域43はMOSトランジスタ112部の第2の
ウエル領域15bよりもp型の不純物濃度が高くなって
いる。p型の不純物濃度が低い方の第2のウエル領域1
5bはp型の不純物濃度が高い方の第1のウエル領域4
3よりも光発生電荷に対する電位が高くなる。この場
合、ゲート電極19に印加する電圧とドレイン領域17
aに印加する電圧とを相対的に調整することにより、そ
の電位差が光発生電荷に対する障壁となるように調整す
ることができる。これにより、受光領域からキャリアポ
ケット25に向かう光発生電荷の流れを制御することが
できる。
Further, the first well region 43 of the light receiving diode 111 has a higher p-type impurity concentration than the second well region 15b of the MOS transistor 112. Second well region 1 having a lower p-type impurity concentration
5b is a first well region 4 having a higher p-type impurity concentration.
The potential with respect to the photo-generated charges becomes higher than 3. In this case, the voltage applied to the gate electrode 19 and the drain region 17
By relatively adjusting the voltage applied to a, it is possible to adjust the potential difference so that the potential difference acts as a barrier to the photo-generated charges. This makes it possible to control the flow of the photo-generated charges from the light receiving region toward the carrier pocket 25.

【0020】また、第1のウエル領域15aと第2のウ
エル領域15bとがn型層32aを介して接続され、か
つその接続領域上に絶縁膜18bを介してトランスファ
ゲート44が設けられている。場合により、トランスフ
ァゲート44の下でn型層32aの表層に低濃度のp型
領域17dが形成されてもよい。トランスファゲート4
4に印加する電圧により、その領域の電位が光発生電荷
に対する障壁となるように調整することができる。これ
により、受光領域からキャリアポケット25に向かう光
発生電荷の流れを制御することができる。
The first well region 15a and the second well region 15b are connected via an n-type layer 32a, and a transfer gate 44 is provided on the connection region via an insulating film 18b. . In some cases, a low-concentration p-type region 17d may be formed below the transfer gate 44 in the surface layer of the n-type layer 32a. Transfer gate 4
The voltage applied to the region 4 can be adjusted so that the potential of the region becomes a barrier against photo-generated charges. This makes it possible to control the flow of the photo-generated charges from the light receiving region toward the carrier pocket 25.

【0021】この発明の固体撮像装置の駆動方法におい
ては、初期化期間と蓄積期間と読出期間とをこの順に繰
り返している。特に、初期化期間と蓄積期間で全画素に
ついて、初期化とキャリアポケット25への蓄積とを行
ない、読出し動作において、選択行の画素から光信号を
読み出す際に、電荷転送経路の電位と、電荷排出経路の
電位とを制御して非選択行のキャリアポケット25に蓄
積されたキャリアが漏洩しないようにするとともに、読
出し動作中に受光領域で発生した光発生電荷をキャリア
ポケット25の方に移動させずに、基板11に排出でき
るようにすることができる。
In the driving method of the solid-state imaging device according to the present invention, the initialization period, the accumulation period, and the readout period are repeated in this order. In particular, initialization and accumulation in the carrier pocket 25 are performed for all the pixels in the initialization period and the accumulation period, and in the read operation, when the optical signal is read from the pixel in the selected row, the potential of the charge transfer path and the charge The potential of the discharge path is controlled to prevent the carriers accumulated in the carrier pockets 25 of the non-selected rows from leaking, and the photo-generated charges generated in the light receiving region during the read operation are moved to the carrier pockets 25. Instead, it can be discharged to the substrate 11.

【0022】これにより、受光面全面で、かつ同時に光
信号による映像を固体撮像装置に取り込んでその光信号
を電気信号に変換し、映像信号として固体撮像装置の外
部に取り出すことができる。なお、第1及び第2のウエ
ル領域15a,15b等が上記と逆の導電型の場合、即
ち高濃度埋込層25がn型の場合、高濃度埋込層25は
エレクトロンポケット(キャリアポケット)となり、光
発生電子を蓄積することになる。
Thus, an image based on an optical signal can be taken into the solid-state imaging device over the entire light receiving surface and simultaneously, the optical signal can be converted into an electric signal, and can be taken out of the solid-state imaging device as a video signal. When the first and second well regions 15a, 15b and the like are of the opposite conductivity type, that is, when the high-concentration buried layer 25 is an n-type, the high-concentration buried layer 25 becomes an electron pocket (carrier pocket). And the photo-generated electrons are accumulated.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。 (第1の実施の形態)図1は、本発明の第1の実施の形
態であるMOS型イメージセンサの単位画素内における
素子レイアウトについて示す平面図である。図2(a)
は、図1のI−I線に沿う断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a plan view showing an element layout in a unit pixel of a MOS image sensor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 (a)
FIG. 2 is a sectional view taken along line II of FIG. 1.

【0024】図1及び図2(a)に示すように、単位画
素101内に、受光ダイオード111と光信号検出用M
OSトランジスタ112とが隣接して設けられている。
MOSトランジスタ112としてnチャネルディプレッ
ションMOSトランジスタ(以下、単にMOSトランジ
スタと称する場合もある。)を用いている。単位画素1
01はほぼ長方形状を有し、列又は行方向に対して斜め
に向いている。単位画素101は一行内では特に分離さ
れていないが、p型のオーバフロードレイン領域41に
より行間が分離されている。
As shown in FIGS. 1 and 2A, a light receiving diode 111 and an optical signal detecting M
The OS transistor 112 is provided adjacent to the OS transistor 112.
As the MOS transistor 112, an n-channel depletion MOS transistor (hereinafter sometimes simply referred to as a MOS transistor) is used. Unit pixel 1
Numeral 01 has a substantially rectangular shape and is oblique to the column or row direction. The unit pixels 101 are not particularly separated in one row, but are separated by a p-type overflow drain region 41.

【0025】これら受光ダイオード111とMOSトラ
ンジスタ112は、それぞれ異なるウエル領域、即ち第
1のウエル領域15aと第2のウエル領域15bに形成
され、それらのウエル領域15a、15bは低濃度のp
型領域15cを介して互いに接続されている。受光ダイ
オード111の部分の第1のウエル領域15aは光照射
による電荷の発生領域の一部を構成している。MOSト
ランジスタ112の部分の第2のウエル領域15bはこ
の領域15bに付与するポテンシャルによってチャネル
の閾値電圧を変化させることができるゲート領域を構成
している。
The light-receiving diode 111 and the MOS transistor 112 are formed in different well regions, that is, a first well region 15a and a second well region 15b.
They are connected to each other via the mold region 15c. The first well region 15a in the portion of the light receiving diode 111 forms a part of a charge generation region by light irradiation. The second well region 15b in the portion of the MOS transistor 112 forms a gate region in which the threshold voltage of the channel can be changed by the potential applied to this region 15b.

【0026】受光ダイオード111の部分では、図2
(a)に示すように、p型の基板11上にn型層32a
が形成されており、上記した第1のウエル領域15aは
このn型層32a上に形成されている。また、第1のウ
エル領域15aの表層にn型の不純物領域(反対導電型
領域)17が形成されている。MOSトランジスタ11
2の部分では、図2(a)に示すように、p型の基板1
1は濃度の高いp型層11aを含み、受光ダイオード1
11部分よりも厚くなっている。そのp型層11a上に
n型層(反対導電型層)32bが形成されており、上記
したウエル領域15bはこのn型層32b上に形成され
ている。ウエル領域15bの上方の半導体基板の表面に
はゲート絶縁膜18を介してゲート電極19が形成され
ている。
In the part of the light receiving diode 111, FIG.
As shown in (a), an n-type layer 32a is formed on a p-type substrate 11.
Is formed, and the first well region 15a is formed on the n-type layer 32a. Further, an n-type impurity region (opposite conductivity type region) 17 is formed in the surface layer of the first well region 15a. MOS transistor 11
2, as shown in FIG. 2A, the p-type substrate 1
1 includes a high concentration p-type layer 11a,
It is thicker than 11 parts. An n-type layer (opposite conductivity type layer) 32b is formed on the p-type layer 11a, and the well region 15b is formed on the n-type layer 32b. On the surface of the semiconductor substrate above the well region 15b, a gate electrode 19 is formed via a gate insulating film 18.

【0027】ゲート電極19はリング状を有している。
リング状のゲート電極19の内縁に囲まれるようにウエ
ル領域15bの表層にソース領域16が形成されてい
る。リング状のゲート電極19の外縁を囲むように、か
つウエル領域15bからn型層32aにわたってそれら
の表層にドレイン領域17aが形成されている。受光ダ
イオード111側ではドレイン領域17aが延在して受
光ダイオード111の不純物領域17が形成されてい
る。即ち、不純物領域17とドレイン領域17aとは互
いに接続した第1及び第2のウエル領域15a,15b
の表層に大部分の領域がかかるように一体的に形成され
ている。なお、以下で、ドレイン領域という場合、ドレ
イン領域を示す符号として17aと記していても、不純
物領域17を含めた領域を意味することがある。
The gate electrode 19 has a ring shape.
A source region 16 is formed in the surface layer of the well region 15b so as to be surrounded by the inner edge of the ring-shaped gate electrode 19. A drain region 17a is formed on the surface of the ring-shaped gate electrode 19 so as to surround the outer edge and extend from the well region 15b to the n-type layer 32a. On the light receiving diode 111 side, the drain region 17a extends to form the impurity region 17 of the light receiving diode 111. That is, the impurity region 17 and the drain region 17a are connected to the first and second well regions 15a and 15b.
Are formed integrally so as to cover most of the surface layer. In the following description, the term “drain region” may refer to a region including the impurity region 17 even if the reference numeral 17a is used to indicate the drain region.

【0028】ソース領域16とドレイン領域17aの間
の領域がチャネル領域となる。通常の動作電圧におい
て、チャネル領域をディプレッション状態に保持するた
め、チャネル領域に適度な濃度のn型不純物を導入して
n型のチャネルドープ層17bを形成している。そのn
型のチャネルドープ層17b下のウエル領域15b内
に、ソース領域16を囲むようにキャリアポケット(高
濃度埋込層;光発生電荷の蓄積領域)25が形成されて
いる。キャリアポケット25では、キャリアポケット2
5周辺部の第1及び第2のウエル領域15a、15bに
比べてp型の不純物濃度を高くしているため、光発生電
荷のうち光発生正孔に対してキャリアポケット25内部
のポテンシャルが低くなる。これにより、光発生正孔を
このキャリアポケット25に集めることができる。
A region between the source region 16 and the drain region 17a becomes a channel region. At a normal operating voltage, in order to keep the channel region in a depletion state, an appropriate concentration of n-type impurity is introduced into the channel region to form an n-type channel doped layer 17b. That n
In the well region 15b under the channel dope layer 17b, a carrier pocket (high-concentration buried layer; a photo-generated charge accumulation region) 25 is formed so as to surround the source region 16. In the carrier pocket 25, the carrier pocket 2
Since the p-type impurity concentration is higher than that of the first and second well regions 15a and 15b at the periphery of the photovoltaic element 5, the potential inside the carrier pocket 25 with respect to the photogenerated holes in the photogenerated charges is low. Become. Thus, light-generated holes can be collected in the carrier pocket 25.

【0029】なお、第1及び第2のウエル領域15aと
15bの間に介在する低濃度のp型領域(一導電型領
域)15cは受光ダイオード111側のドレイン領域1
7aとチャネルドープ層17bの境界部分に当たる領域
に形成されている。第1のウエル領域15aと低濃度の
p型領域15cと第2のウエル領域15bとで構成され
る、受光領域からキャリアポケット25に至る経路が電
荷転送経路となる。
The low-concentration p-type region (one conductivity type region) 15c interposed between the first and second well regions 15a and 15b is a drain region 1 on the light-receiving diode 111 side.
It is formed in a region corresponding to a boundary portion between 7a and the channel dope layer 17b. The path from the light receiving area to the carrier pocket 25, which is composed of the first well region 15a, the low concentration p-type region 15c, and the second well region 15b, is a charge transfer path.

【0030】さらに、上記のように行間を分離している
p型のオーバフロードレイン領域41の隣に、n型層3
2aを介して受光ダイオード111部の第1のウエル領
域15aが設けられている。オーバフロードレイン領域
41は基板11と接続しており、行間を分離するととも
に過剰な光発生電荷を基板11に排出する機能を有す
る。
Further, next to the p-type overflow drain region 41 separating the rows as described above, the n-type layer 3
A first well region 15a of the light receiving diode 111 is provided via the second well 2a. The overflow drain region 41 is connected to the substrate 11 and has a function of separating rows and discharging excess photo-generated charges to the substrate 11.

【0031】第1のウエル領域15aからn型層32a
及びオーバフロードレイン領域41を経て基板に至る経
路が電荷排出経路となる。さらに、電荷排出経路のう
ち、第1のウエル領域15aの端部領域の上方からオー
バフロードレイン領域41上方にわたってオーバフロー
ドレインゲート42がゲート絶縁膜18aを介して設け
られている。オーバフロードレインゲート42下には第
1のウエル領域15aの端部領域の表層からn型層32
aの表層にわたって低濃度のn型領域(表層領域)17
cが形成されている。即ち、n型領域17cはオーバフ
ロードレイン領域41と不純物領域17とをつないでい
る。場合により、低濃度のn型領域17cの代わりに低
濃度のp型領域を用いてもよい。
From the first well region 15a to the n-type layer 32a
A path leading to the substrate via the overflow drain region 41 is a charge discharging path. Further, in the charge discharging path, an overflow drain gate 42 is provided from above the end region of the first well region 15a to above the overflow drain region 41 via the gate insulating film 18a. Below the overflow drain gate 42, the n-type layer 32 from the surface of the end region of the first well region 15a is formed.
Low concentration n-type region (surface region) 17 over the surface layer of a
c is formed. That is, the n-type region 17c connects the overflow drain region 41 and the impurity region 17. In some cases, a low-concentration p-type region may be used instead of the low-concentration n-type region 17c.

【0032】また、上記要素は絶縁膜26により被覆さ
れており、受光ダイオード111の受光窓24以外の領
域は絶縁膜26上に形成された金属層(遮光膜)23に
より遮光されている。次に、図2(b)を参照して、オ
ーバフロードレイン領域からキャリアポケット25に至
る表面に平行な平面内であって、一方向に沿う価電子帯
(Ev)の変化の様子、及びキャリアポケット25から
基板11に至る深さ方向に沿う価電子帯(Ev)の変化の
様子について説明する。図2(b)は図2(a)のII−
II線に沿う、価電子帯(Ev)の頂上の変化の様子を示
す図である。ソース領域16、ドレイン領域17a及び
不純物領域17よりわずかに深く、かつ図面の受光領域
を中心として、左側のキャリアポケット25に至る経路
が電荷転送経路内の価電子帯(Ev)の変化の様子を示
し、右側のオーバフロードレイン領域41に至る経路が
電荷排出経路内の価電子帯(Ev)の変化の様子を示
す。
The above elements are covered with an insulating film 26, and regions other than the light receiving window 24 of the light receiving diode 111 are shielded from light by a metal layer (light shielding film) 23 formed on the insulating film 26. Next, referring to FIG. 2B, the state of the change of the valence band (Ev) along one direction in a plane parallel to the surface from the overflow drain region to the carrier pocket 25, and the carrier pocket The state of the change of the valence band (Ev) along the depth direction from 25 to the substrate 11 will be described. FIG. 2 (b) is a cross-sectional view of FIG.
It is a figure which shows the mode of the change of the top of a valence band (Ev) along the II line. A path that is slightly deeper than the source region 16, the drain region 17a, and the impurity region 17 and that reaches the carrier pocket 25 on the left side with the light receiving region shown in the drawing as a center indicates how the valence band (Ev) in the charge transfer path changes. The path to the overflow drain region 41 on the right side shows how the valence band (Ev) in the charge discharging path changes.

【0033】受光領域としての第1のウエル領域15か
ら左側に、電荷転送経路を構成する、不純物領域17下
の第1のウエル領域15a、低濃度のp型領域15c、
ドレイン領域17a及びチャネル領域17b下の第2の
ウエル領域15b、キャリアポケット25、ソース領域
16下の第2のウエル領域15b、キャリアポケット2
5、チャネル領域17b及びドレイン領域17a下の第
2のウエル領域15bが配置されている。また、第1の
ウエル領域15から右側に、電荷排出経路を構成する、
不純物領域17下の第1のウエル領域15a、n型層3
2a、オーバフロードレイン領域41が並んでいる。こ
の場合、どの電極や領域にも電圧を印加していない状態
を示している。また、第1及び第2のウエル領域15a
と15bにおける価電子帯(Ev)の頂上を基準レベル
としている。
On the left side of the first well region 15 as a light receiving region, a first well region 15a below the impurity region 17, a low concentration p-type region 15c, which constitutes a charge transfer path,
Second well region 15b below drain region 17a and channel region 17b, carrier pocket 25, second well region 15b below source region 16, carrier pocket 2
5, a second well region 15b below the channel region 17b and the drain region 17a is arranged. Further, a charge discharging path is formed on the right side of the first well region 15.
First well region 15a below impurity region 17, n-type layer 3
2a, overflow drain regions 41 are arranged. In this case, a state is shown in which no voltage is applied to any electrode or region. Also, the first and second well regions 15a
And the top of the valence band (Ev) at 15b is the reference level.

【0034】受光領域とキャリアポケット25の間に、
低濃度のp型領域15cにより、及び受光領域とオーバ
フロードレイン領域41の間に、n型層32aにより、
それぞれ基準レベルよりも低いエネルギレベルの領域が
形成されている。このエネルギレベルの低い領域は光発
生正孔に対して障壁となる。また、高濃度のp型のキャ
リアポケット25では基準レベルよりも高くなってお
り、光発生ホールが集められ易くなっている。
Between the light receiving area and the carrier pocket 25,
Due to the low concentration p-type region 15c and between the light receiving region and the overflow drain region 41, the n-type layer 32a
Each region has an energy level lower than the reference level. The region having a low energy level serves as a barrier to light-generated holes. Further, in the high-concentration p-type carrier pocket 25, the level is higher than the reference level, so that light generation holes are easily collected.

【0035】ゲート19やオーバフロードレインゲート
42その他の領域に加える電圧を調整することにより電
位障壁の高低を調整して、キャリアポケット25やオー
バフロードレイン領域41への光発生正孔の移動を制御
することができる。次に、図3を参照して上記の構造の
単位画素を用いたMOS型イメージセンサの全体の構成
について説明する。図3は、本発明の第1の実施の形態
におけるMOS型イメージセンサの回路構成図を示す。
The height of the potential barrier is adjusted by adjusting the voltage applied to the gate 19, the overflow drain gate 42 and other regions to control the movement of the photo-generated holes to the carrier pocket 25 and the overflow drain region 41. Can be. Next, an overall configuration of a MOS image sensor using the unit pixels having the above structure will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a circuit configuration diagram of the MOS image sensor according to the first embodiment of the present invention.

【0036】図3に示すように、このMOS型イメージ
センサは、2次元アレーセンサの構成を採っており、上
記した構造の単位画素101が列方向及び行方向にマト
リクス状に配列されている。また、垂直走査信号(VS
CAN)の駆動走査回路102及びドレイン電圧(VD
D)の駆動走査回路103が画素領域を挟んでその左右
に配置されている。
As shown in FIG. 3, the MOS image sensor has a two-dimensional array sensor configuration, and the unit pixels 101 having the above-described structure are arranged in a matrix in the column direction and the row direction. In addition, the vertical scanning signal (VS
Drive scan circuit 102 and the drain voltage (VD
D) The drive scanning circuit 103 is disposed on the left and right sides of the pixel area.

【0037】垂直走査信号供給線(VSCAN供給線)
59a,59b,・・・は垂直走査信号の駆動走査回路
102から行毎に一つずつでている。各垂直走査信号供
給線59a,59b,・・・は、行方向に並ぶ全ての単
位画素101内のMOSトランジスタ112のゲート電
極19に接続されている。また、ドレイン電圧供給線
(VDD供給線)61a,61b,・・・はドレイン電
圧(VDD)の駆動走査回路103から行毎に一つずつ
でている。各ドレイン電圧供給線61a,61b,・・
・は、行方向に並ぶ全ての単位画素101内の光信号検
出用MOSトランジスタ112のドレイン領域17aに
接続されている。
Vertical scanning signal supply line (VSCAN supply line)
.. Are provided one by one from the drive scanning circuit 102 for the vertical scanning signal for each row. The vertical scanning signal supply lines 59a, 59b,... Are connected to the gate electrodes 19 of the MOS transistors 112 in all the unit pixels 101 arranged in the row direction. Also, one drain voltage supply line (VDD supply line) 61a, 61b,... Is provided for each row from the drive scanning circuit 103 of the drain voltage (VDD). Each drain voltage supply line 61a, 61b,.
Is connected to the drain regions 17a of the optical signal detection MOS transistors 112 in all the unit pixels 101 arranged in the row direction.

【0038】また、垂直出力線60a,60b,・・・
が列毎に一つずつ出ており、各垂直出力線60a,60
b,・・・は列方向に並ぶ全ての単位画素101内のM
OSトランジスタ112のソース領域16にそれぞれ接
続されている。また、MOSトランジスタ112のソー
ス領域16は列毎に昇圧電圧供給線73a,73b,・
・・を通して昇圧走査回路108と接続している。キャ
リアポケット25内、第1及び第2のウエル領域15
a、15b内に残る電荷を排出するための高電圧を供給
する。
The vertical output lines 60a, 60b,.
Are output one by one per column, and each vertical output line 60a, 60
b,... are M in all the unit pixels 101 arranged in the column direction.
Each of them is connected to the source region 16 of the OS transistor 112. The source region 16 of the MOS transistor 112 is connected to the boosted voltage supply lines 73a, 73b,.
Are connected to the step-up scanning circuit 108 through. First and second well regions 15 in carrier pocket 25
a, a high voltage for discharging the electric charge remaining in 15b is supplied.

【0039】さらに、MOSトランジスタ112のソー
ス領域16は列毎に垂直出力線60a,60b,・・・
を通して信号出力回路105と接続している。そして、
ソース領域16は信号出力回路105内の図示しないキ
ャパシタからなる対の第1及び第2のラインメモリと接
続している。第1のラインメモリにはキャリアポケット
25に光発生電荷が蓄積されているときの第1のソース
電位を記憶させ、かつ第2のラインメモリにはキャリア
ポケット25から光発生電荷を排出した後の第2のソー
ス電位を記憶させる。そして、図示しない差動増幅器等
を通して第1及び第2のソース電位の差の電圧を光信号
として出力する。なお、この実施の形態ではソース領域
16に定電流源などの能動負荷を接続していない。
Further, the source region 16 of the MOS transistor 112 has vertical output lines 60a, 60b,.
To the signal output circuit 105. And
The source region 16 is connected to a pair of first and second line memories including a capacitor (not shown) in the signal output circuit 105. The first line memory stores a first source potential when the photo-generated charges are accumulated in the carrier pocket 25, and the second line memory stores the photo-generated charges after the photo-generated charges are discharged from the carrier pocket 25. The second source potential is stored. Then, a voltage having a difference between the first and second source potentials is output as an optical signal through a differential amplifier or the like (not shown). In this embodiment, no active load such as a constant current source is connected to the source region 16.

【0040】水平走査信号(HSCAN)供給線72
a、72bは水平走査信号(HSCAN)入力走査回路
104から列毎に一つずつ出ている。各水平走査信号
(HSCAN)供給線72a、72bは信号出力回路1
05と接続されている。水平走査信号(HSCAN)入
力走査回路104は各水平走査信号(HSCAN)供給
線72a、72bを通して信号出力回路105内に水平
走査信号を供給し、光信号を出力するタイミングを制御
する。
Horizontal scanning signal (HSCAN) supply line 72
a and 72b are output one by one from the horizontal scanning signal (HSCAN) input scanning circuit 104 for each column. Each horizontal scanning signal (HSCAN) supply line 72a, 72b is a signal output circuit 1
05. The horizontal scanning signal (HSCAN) input scanning circuit 104 supplies a horizontal scanning signal to the signal output circuit 105 through each horizontal scanning signal (HSCAN) supply line 72a, 72b, and controls the timing of outputting an optical signal.

【0041】垂直走査信号(VSCAN)及び水平走査
信号(HSCAN)により、遂次、各単位画素101の
MOSトランジスタ112を駆動して光の入射量に比例
した、残留電荷によるノイズ成分を含まない映像信号
(Vout )が信号出力回路105から読み出される。次
に、図4、図5及び図6にしたがって、一連の連続した
固体撮像素子の光検出動作を簡単に説明する。
In accordance with the vertical scanning signal (VSCAN) and the horizontal scanning signal (HSCAN), the MOS transistor 112 of each unit pixel 101 is successively driven to produce an image which does not include a noise component due to residual charges, which is proportional to the amount of incident light. The signal (Vout) is read from the signal output circuit 105. Next, a light detection operation of a series of solid-state imaging devices will be briefly described with reference to FIGS.

【0042】図4は、本発明に係るMOS型イメージセ
ンサを動作させるための各入出力信号のタイミングチャ
ートを示す。また、図5及び図6は、各動作における、
受光ダイオード111、ウエル領域15a,15b、キ
ャリアポケット25、オーバフロードレイン領域41及
びそれらの周辺部のエネルギバンド、特に価電子帯の頂
上のエネルギレベル(Ev)の変化の様子を示す模式図
である。
FIG. 4 is a timing chart of each input / output signal for operating the MOS image sensor according to the present invention. FIG. 5 and FIG.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a state of a change in an energy level (Ev) at an energy band of a light receiving diode 111, well regions 15a and 15b, a carrier pocket 25, an overflow drain region 41 and a peripheral portion thereof, particularly, a top of a valence band.

【0043】この場合、光信号検出用MOSトランジス
タ112としてp型の第2のウエル領域15bに形成さ
れたnチャネルディプレッション型MOSトランジスタ
を用いる。光検出動作は、初期化期間(掃出期間)−蓄
積期間−読出期間−からなる一連の過程を繰り返し行
う。ここでは、都合上、初期化期間から説明を始める。
なお、一連の動作の間中、オーバフロードレイン領域4
1は接地されているとする。
In this case, an n-channel depletion type MOS transistor formed in the p-type second well region 15b is used as the optical signal detecting MOS transistor 112. In the light detection operation, a series of processes including an initialization period (sweep period), an accumulation period, and a readout period are repeatedly performed. Here, for convenience, the description starts from the initialization period.
During the series of operations, the overflow drain region 4
It is assumed that 1 is grounded.

【0044】まず、初期化動作を行なう。初期化動作に
おいては、全画素について、キャリアポケット25内、
第1及び第2のウエル領域15a,15b内に残る電荷
を排出する。即ち、図4に示すように、全画素について
ドレイン領域17a(不純物領域17)の電位(Vp
d)を約5Vとし、かつゲート電極19の電位(Vg)
を凡そ7Vとする。また、オーバフロードレインゲート
42の電位(Vofdg)を接地電位(零電位)とする。ド
レイン領域17aの電位はチャネル領域を通してソース
領域16にも及ぶ。
First, an initialization operation is performed. In the initialization operation, for all pixels,
The charge remaining in the first and second well regions 15a and 15b is discharged. That is, as shown in FIG. 4, the potential (Vp) of the drain region 17a (impurity region 17) is set for all the pixels.
d) is set to about 5 V, and the potential (Vg) of the gate electrode 19 is set.
Is approximately 7V. The potential (Vofdg) of the overflow drain gate 42 is set to the ground potential (zero potential). The potential of the drain region 17a extends to the source region 16 through the channel region.

【0045】このとき、ドレイン領域17a、ソース領
域16、不純物領域17のpn接合及び基板11側のp
n接合に電圧がかかるとともに、ゲート電極19に印加
した電圧によりチャネル領域17bは導通状態を保ち、
ソース領域16とドレイン領域17aに印加した電圧が
第2のウエル領域15b及びホールポケット25にかか
る。これにより、基板11の上部の領域は空乏化され、
このとき発生する高電界により、受光ダイオード111
部の第1のウエル領域15a内の残留正孔は直接に基板
11に排出されるとともに、キャリアポケット25を含
む第2のウエル領域15bから確実に残留正孔が排出さ
れる。また、図5(b)に示すように、電位の低いオー
バフロードレイン領域41を通しても受光ダイオード1
11部のウエル領域15a内の残留正孔が排出される。
At this time, the pn junction of the drain region 17a, the source region 16, and the impurity region 17 and the p
A voltage is applied to the n-junction, and the channel region 17b is kept conductive by the voltage applied to the gate electrode 19,
The voltage applied to the source region 16 and the drain region 17a is applied to the second well region 15b and the hole pocket 25. As a result, the upper region of the substrate 11 is depleted,
The high electric field generated at this time causes the light receiving diode 111
The remaining holes in the first well region 15a of the portion are directly discharged to the substrate 11, and the remaining holes are surely discharged from the second well region 15b including the carrier pocket 25. Further, as shown in FIG. 5B, the light receiving diode 1 is also passed through the overflow drain region 41 having a low potential.
Residual holes in the eleven well regions 15a are discharged.

【0046】次に、蓄積動作を行なう。この場合も、全
画素について、受光領域で光発生正孔を発生させ、それ
をキャリアポケット25に転送し、蓄積させる。全画素
について、光信号検出用MOSトランジスタ112のド
レイン領域17aに電圧、例えば約0.5V(Vpd)
を印加する。また、ゲート電極19にドレイン電位(V
pd)及びソース電位(Vps)に対してチャネル領域
が空乏化せず、十分な電子密度を持って電子が蓄積され
るようなゲート電圧(Vg)、例えば凡そ2V程度を印
加する。これにより、チャネル領域には十分な電子密度
の電子が蓄積され、ソース領域16はドレイン領域17
aとチャネル領域を通して繋がり、ソース領域16には
ドレイン領域17aの電圧(Vpd)と同じ電圧(Vp
s)約0.5Vが印加される。さらに、オーバフロード
レインゲート42に3V(Vofdg)を印加する。
Next, an accumulation operation is performed. Also in this case, for all pixels, light-generated holes are generated in the light receiving region, and transferred to the carrier pocket 25 for accumulation. For all the pixels, a voltage, for example, about 0.5 V (Vpd) is applied to the drain region 17 a of the optical signal detection MOS transistor 112.
Is applied. In addition, the drain potential (V
A gate voltage (Vg), for example, about 2 V, is applied so that the channel region is not depleted with respect to pd) and the source potential (Vps) and electrons are accumulated with a sufficient electron density. As a result, electrons having a sufficient electron density are accumulated in the channel region, and the source region 16 becomes the drain region 17.
a through the channel region, and the source region 16 has the same voltage (Vpd) as the voltage (Vpd) of the drain region 17a.
s) About 0.5V is applied. Further, 3 V (Vofdg) is applied to the overflow drain gate 42.

【0047】蓄積期間において、チャネル領域が空乏化
せず、十分な電子密度をもって電子が蓄積されるような
ゲート電圧(Vg)、例えば凡そ2V程度を印加するこ
とによりゲート絶縁膜18とチャネル領域の界面での界
面準位の正孔発生中心は非活性化されて、界面準位から
の正孔の放出、即ちリーク電流が抑制される。これによ
り、光発生電荷以外の正孔のキャリアポケット25への
蓄積が抑制され、映像画面において所謂白キズの発生を
防止することができる。
In the accumulation period, a gate voltage (Vg), for example, about 2 V, at which electrons are accumulated with a sufficient electron density without applying any depletion to the channel region, is applied to the gate insulating film 18 and the channel region. The hole generation center of the interface state at the interface is deactivated, and the emission of holes from the interface state, that is, the leak current is suppressed. Thus, accumulation of holes other than the photo-generated charges in the carrier pocket 25 is suppressed, and so-called white flaws can be prevented from occurring on the image screen.

【0048】続いて、全画素の受光面に、かつ同時に受
光ダイオード111に光を照射する。光照射により電子
−正孔対(光発生電荷)を発生させると、図5(c)に
示すように、受光領域からキャリアポケット25に至る
経路(電荷転送経路)中のp型領域15cの正孔に対す
る電位障壁、及び受光領域からオーバフロードレイン領
域41に至る経路(電荷排出経路)中のn型層32aの
正孔に対する電位障壁が高いので、光発生正孔は受光ダ
イオード111部に蓄積されることになる。
Subsequently, light is applied to the light receiving surfaces of all the pixels and simultaneously to the light receiving diode 111. When the electron-hole pairs (photo-generated charges) are generated by light irradiation, as shown in FIG. 5C, the positive side of the p-type region 15c in the path (charge transfer path) from the light receiving area to the carrier pocket 25 is formed. Since the potential barrier for the holes and the potential barrier for the holes of the n-type layer 32a in the path (charge discharging path) from the light receiving region to the overflow drain region 41 are high, the light generated holes are accumulated in the light receiving diode 111. Will be.

【0049】次に、図4、及び図5(d)、(e)、
(f)に示すように、全画素について、3段階で受光ダ
イオード111部の光発生正孔をキャリアポケット25
に転送し、蓄積する。このため、まず、図5(d)に示
すように、全画素について、光信号検出用MOSトラン
ジスタ112のドレイン領域17aの電位(Vpd)を
約0.5Vに、オーバフロードレインゲート42の電位
(Vofdg)を3Vにそれぞれ保持したまま、ゲート電極
19の電位(Vg)を接地電位とし、受光部のウエル領
域15aに対してキャリアポケット25を有するウエル
領域15bの電位を下げる。
Next, FIGS. 4 and 5 (d), (e),
As shown in (f), for all the pixels, the light-generated holes in the light receiving diode 111 are transferred to the carrier pocket 25 in three stages.
Transfer to and accumulate. Therefore, first, as shown in FIG. 5D, the potential (Vpd) of the drain region 17a of the optical signal detecting MOS transistor 112 is set to about 0.5 V and the potential (Vofdg) of the overflow drain gate 42 for all the pixels. ) Is maintained at 3 V, the potential (Vg) of the gate electrode 19 is set to the ground potential, and the potential of the well region 15b having the carrier pocket 25 is lowered with respect to the well region 15a of the light receiving portion.

【0050】続いて、ゲート電極19、ソース領域1
6、オーバフロードレインゲート42の電位(Vg、V
ps、Vofdg)を前の状態に保持したまま、ドレイン領
域17aの電位(Vpd)を3Vとして、キャリアポケ
ット25を有する第2のウエル領域15bの電位を受光
領域の第1のウエル領域15aに対して相対的にさらに
下げる。
Subsequently, the gate electrode 19 and the source region 1
6. The potential of the overflow drain gate 42 (Vg, V
ps, Vofdg), the potential (Vpd) of the drain region 17a is set to 3 V, and the potential of the second well region 15b having the carrier pocket 25 is changed with respect to the first well region 15a of the light receiving region. And lower it relatively further.

【0051】最後に、ゲート電極19の電位(Vg)を
前の状態に保持したまま、ドレイン領域17aの電位
(Vpd)を5Vとし、オーバフロードレインゲート4
2の電位(Vofdg)を5Vとして、キャリアポケット2
5を有する第2のウエル領域15bの電位を受光領域の
第1のウエル領域15aに対して相対的にさらに下げ
る。
Finally, while maintaining the potential (Vg) of the gate electrode 19 in the previous state, the potential (Vpd) of the drain region 17a is set to 5 V, and the overflow drain gate 4
The potential (Vofdg) of 5 is set to 5 V, and the carrier pocket 2
The potential of the second well region 15b having the fifth region 5 is further lowered relatively to the first well region 15a of the light receiving region.

【0052】次に、読出し動作を行なう。この読出期間
において、一行単位で各画素の閾値電圧、即ち光電変換
された光信号を読み出して信号出力回路105内の記憶
装置に記憶させ、引き続き映像信号として水平出力線7
1に出力させる。まず、第1行目の全画素について、V
SCAN駆動走査回路102から選択行のゲート電極1
9への出力線59aに約2Vを出力する。非選択行のゲ
ート電極19への出力線59bに接地電位を出力する。
一方、選択行及び非選択行ともにVDD駆動走査線61
aを凡そ3V(MOSトランジスタ112のドレイン電
位となる)に保つ。また、オーバフロードレインゲート
42は選択行及び非選択行ともに接地電位とする。
Next, a read operation is performed. In this readout period, the threshold voltage of each pixel, that is, the photoelectrically converted optical signal is read out for each row and stored in the storage device in the signal output circuit 105, and subsequently the horizontal output line 7
1 is output. First, for all pixels in the first row, V
From the SCAN drive scanning circuit 102, the gate electrode 1 of the selected row
9 to about 2V. The ground potential is output to an output line 59b to the gate electrode 19 of the non-selected row.
On the other hand, the VDD drive scanning line 61 is used for both the selected row and the unselected row.
a is kept at approximately 3 V (becomes the drain potential of the MOS transistor 112). The overflow drain gate 42 is set to the ground potential for both the selected and unselected rows.

【0053】このとき、選択行の画素内のキャリアポケ
ット25上方のチャネル領域の一部に低電界の反転領域
が形成され、チャネル領域の残りの部分に高電界領域が
形成される。MOSトランジスタ112のドレイン電圧
−電流特性は飽和特性を示す。これにより、第1のライ
ンメモリが充電されていき、充電が完了したところで、
第1のラインメモリに光変調された閾値電圧(ソース電
位VoutS)が記憶される。また、図6(g)の実線で示
すように、オーバフロードレインゲート42の電位が低
いため、電荷排出経路中に光発生正孔に対する障壁が存
在していない。このため、受光領域で光照射により発生
する光発生正孔はオーバフロードレイン領域41を通し
て基板11に排出される。
At this time, a low electric field inversion region is formed in a part of the channel region above the carrier pocket 25 in the pixel of the selected row, and a high electric field region is formed in the remaining part of the channel region. The drain voltage-current characteristic of the MOS transistor 112 shows a saturation characteristic. As a result, the first line memory is charged, and when the charging is completed,
The light-modulated threshold voltage (source potential VoutS) is stored in the first line memory. Further, as shown by the solid line in FIG. 6G, since the potential of the overflow drain gate 42 is low, there is no barrier against the photo-generated holes in the charge discharging path. Therefore, light-generated holes generated by light irradiation in the light receiving region are discharged to the substrate 11 through the overflow drain region 41.

【0054】一方、非選択行の画素では、図6(g)の
点線で示すようにエネルギレベルが変化し、キャリアポ
ケット25の電位はより低くなっている。このため、キ
ャリアポケット25に蓄積されている光発生正孔は選択
行の読出し動作中に漏洩しない。また、オーバフロード
レインゲート42の電位が低いため、受光領域で光照射
により発生する光発生正孔はオーバフロードレイン領域
41を通して基板11に排出される。
On the other hand, in the pixels in the non-selected rows, the energy level changes as shown by the dotted line in FIG. 6G, and the potential of the carrier pocket 25 becomes lower. Therefore, the light-generated holes stored in the carrier pocket 25 do not leak during the read operation of the selected row. Further, since the potential of the overflow drain gate 42 is low, light-generated holes generated by light irradiation in the light receiving region are discharged to the substrate 11 through the overflow drain region 41.

【0055】上記のように、読み出した閾値電圧には光
発生正孔のみによる電圧の他に光発生正孔によらない電
荷に起因した電圧(即ち雑音電圧(VoutN)と称す
る。)も含んでいる。光信号からこの雑音電圧を除くた
め、読出し動作を行なった選択行について、引き続き、
雑音電圧(VoutN)のみを読み出す動作を行なう。即
ち、VSCAN駆動走査回路102から選択行のゲート
電極19への出力線59aに約7Vを出力する。非選択
行のゲート電極19への出力線59bを接地電位に保持
する。また、選択行及び非選択行ともにVDD駆動走査
線61aを凡そ5Vに保つ。また、オーバフロードレイ
ンゲート42は選択行及び非選択行ともに接地電位のま
ま保持する。これにより、図6(h)の実線で示すよう
にエネルギレベルが変化し、選択行の画素では、図5
(b)で示す初期化動作と同様に、半導体内から残留電
荷が排出される。
As described above, the read threshold voltage includes not only the voltage due to the light-generated holes but also the voltage due to the charges not due to the light-generated holes (ie, the noise voltage (VoutN)). I have. In order to remove this noise voltage from the optical signal, for the selected row on which the read operation was performed,
An operation of reading only the noise voltage (VoutN) is performed. That is, about 7 V is output to the output line 59a from the VSCAN drive scanning circuit 102 to the gate electrode 19 of the selected row. The output line 59b to the gate electrode 19 in the non-selected row is held at the ground potential. In addition, the VDD drive scanning line 61a is kept at about 5 V in both the selected row and the non-selected row. The overflow drain gate 42 holds the selected row and the unselected row at the ground potential. As a result, the energy level changes as shown by the solid line in FIG.
As in the case of the initialization operation shown in (b), residual charges are discharged from the semiconductor.

【0056】一方、非選択行の画素では、図6(h)の
点線で示すようにエネルギレベルが変化し、キャリアポ
ケット25の電位はより低くなっている。このため、キ
ャリアポケット25に蓄積されている光発生正孔は選択
行の読出し動作中に漏洩しない。また、オーバフロード
レインゲート42の電位が低いため、受光領域で光照射
により発生する光発生正孔はオーバフロードレイン領域
41を通して基板11に排出される。
On the other hand, in the pixels in the non-selected rows, the energy level changes as shown by the dotted line in FIG. 6 (h), and the potential of the carrier pocket 25 becomes lower. Therefore, the light-generated holes stored in the carrier pocket 25 do not leak during the read operation of the selected row. Further, since the potential of the overflow drain gate 42 is low, light-generated holes generated by light irradiation in the light receiving region are discharged to the substrate 11 through the overflow drain region 41.

【0057】次いで、選択行の画素で、図6(g)のと
きと同様に、図6(i)の実線で示すようにエネルギレ
ベルを変化させて、MOSトランジスタ112を動作さ
せる。これにより、第2のラインメモリが充電されてい
き、充電が完了したところで、キャリアポケット25に
光発生正孔が蓄積されていない状態での閾値電圧(ソー
ス電位VoutN)が第2のラインメモリに記憶される。一
方、非選択行では、図6(g)のときと同様に、図6
(i)の点線で示すようにエネルギレベルを変化させ
て、キャリアポケット25に蓄積されている光発生正孔
が選択行の読出し動作中に漏洩しないようにする。
Next, as in the case of FIG. 6 (g), the energy level of the pixel in the selected row is changed as shown by the solid line in FIG. 6 (i), and the MOS transistor 112 is operated. As a result, the second line memory is charged, and when the charging is completed, the threshold voltage (source potential VoutN) in a state where the photo-generated holes are not accumulated in the carrier pocket 25 is stored in the second line memory. It is memorized. On the other hand, in the non-selected row, as in the case of FIG.
The energy level is changed as shown by the dotted line in (i) to prevent the light-generated holes stored in the carrier pocket 25 from leaking during the read operation of the selected row.

【0058】その後、図6(j)の実線で示すようにエ
ネルギレベルを変化させて、ソース電位VoutS、VoutN
の差の電圧を出力する動作を行う。このようにして、光
照射量に比例した映像信号(Vout=VoutS−VoutN)
を取り出すことができる。その後、図6(g)乃至図6
(j)の動作を繰り返して、一行毎に読み出し動作を行
なう。その間、いまだ読み出しを行なっていない非選択
行ではキャリアポケット25に光発生正孔が蓄積された
ままの状態が保持される。
Thereafter, as shown by the solid line in FIG. 6 (j), the energy level is changed to change the source potentials VoutS and VoutN.
An operation of outputting a voltage having a difference between the two is performed. Thus, a video signal (Vout = VoutS-VoutN) proportional to the light irradiation amount
Can be taken out. Thereafter, FIGS. 6 (g) to 6
The operation of (j) is repeated to perform the read operation for each row. In the meantime, the state in which the light-generated holes are accumulated in the carrier pocket 25 is maintained in the non-selected row where the reading has not been performed yet.

【0059】このようにしてすべての行の画素から光電
変換された光信号を読み出すことで一つの映像を画面に
映し出すことができる。以上のように、この発明の第1
の実施の形態である固体撮像装置の駆動方法において
は、初期化期間と蓄積期間と読出期間とをこの順に繰り
返している。特に、初期化期間と蓄積期間で全画素につ
いて、初期化とキャリアポケット25への蓄積とを行な
い、読出し動作において、選択行の画素から光信号を読
み出す際に、電荷転送経路のポテンシャルと、電荷排出
経路のポテンシャルとを制御して非選択行のキャリアポ
ケット25に蓄積された光発生電荷が漏洩しないように
するとともに、読出し動作中に受光領域で発生した光発
生電荷がキャリアポケット25の方に移動せずに、オー
バフロードレイン領域41から排出できるようにするこ
とができる。
By reading the photoelectrically converted optical signals from the pixels in all rows in this manner, one image can be displayed on the screen. As described above, the first aspect of the present invention
In the method of driving the solid-state imaging device according to the embodiment, the initialization period, the accumulation period, and the readout period are repeated in this order. In particular, initialization and accumulation in the carrier pocket 25 are performed for all the pixels in the initialization period and the accumulation period, and in the read operation, when the optical signal is read from the pixel in the selected row, the potential of the charge transfer path and the charge The potential of the discharge path is controlled so that the photo-generated charges stored in the carrier pockets 25 of the non-selected rows do not leak, and the photo-generated charges generated in the light receiving region during the read operation are transferred to the carrier pockets 25. It is possible to discharge from the overflow drain region 41 without moving.

【0060】これにより、受光面全面で、かつ同時に光
信号による映像をイメージセンサに取り込んで、その光
信号を電気信号に変換して映像信号としてイメージセン
サの外部に取り出すことができる。さらに、電荷発生領
域及び電荷転送領域が埋め込み構造を有するので、蓄積
動作−読出動作−初期化動作(掃出動作)の一連の過程
において、光発生正孔が移動するときに、半導体表面や
チャネル領域内の雑音源と相互作用しない理想的な光電
変換機構を実現することができる。
As a result, the image based on the optical signal can be taken into the image sensor over the entire light receiving surface and at the same time, and the optical signal can be converted into an electric signal and taken out of the image sensor as a video signal. Further, since the charge generation region and the charge transfer region have a buried structure, in a series of accumulation operation-read operation-initialization operation (sweeping operation), when the photo-generated holes move, the semiconductor surface and the channel are removed. An ideal photoelectric conversion mechanism that does not interact with a noise source in the region can be realized.

【0061】(第2の実施の形態)図7(a)は第2の
実施の形態である固体撮像素子の断面図である。図7
(b)は図7(a)のIII−III線に沿う価電子帯の頂上
のエネルギレベル(Ev)の変化の様子を示す図であ
る。図7(a)において、図2(a)と異なるところ
は、第1のウエル領域15aと第2のウエル領域15b
の間に低濃度のp型領域を設けないで、第1のウエル領
域15aのp型の不純物濃度を第2のウエル領域15b
のp型の不純物濃度よりも高くしている点である。な
お、図中、他の符号は図2(a)と同じ符号で示すもの
は図2(a)と同じものを示すので、説明を省略する。
(Second Embodiment) FIG. 7A is a sectional view of a solid-state imaging device according to a second embodiment. FIG.
FIG. 7B is a diagram showing how the energy level (Ev) at the top of the valence band changes along the line III-III in FIG. FIG. 7A is different from FIG. 2A in that the first well region 15a and the second well region 15b are different.
Without providing a low-concentration p-type region between the first well region 15a and the p-type impurity concentration of the second well region 15b.
Is higher than the p-type impurity concentration. In the figure, the other reference numerals are the same as those shown in FIG. 2A, and the description thereof is omitted because they are the same as those of FIG. 2A.

【0062】これにより、図7(b)に示すように、電
荷転送経路内で第1のウエル領域15aと第2のウエル
領域15bとの境界に、受光領域からキャリアポケット
25に向かう光発生正孔に対してエネルギレベルが低く
なるような、即ち電位が高くなるような正孔に対する電
位障壁を形成することができる。従って、図5(c)に
示す光発生正孔の蓄積動作において、キャリアポケット
25及びオーバフロードレイン領域41への光発生正孔
の移動を阻止して受光領域に光発生正孔を蓄積させるこ
とが可能である。
As a result, as shown in FIG. 7 (b), the light generation positive direction from the light receiving region toward the carrier pocket 25 is formed at the boundary between the first well region 15a and the second well region 15b in the charge transfer path. It is possible to form a potential barrier for holes such that the energy level is low for the holes, that is, the potential is high. Therefore, in the operation of accumulating the light-generated holes shown in FIG. 5C, the movement of the light-generated holes to the carrier pocket 25 and the overflow drain region 41 is prevented, and the light-generated holes are accumulated in the light receiving region. It is possible.

【0063】これにより、第1の実施の形態と同様に、
初期化動作と、蓄積動作と、読出し動作からなる一連の
動作を繰り返して、受光面全面で、かつ同時に光信号に
よる映像をイメージセンサに取り込んで、その光信号を
電気信号に変換して映像信号としてイメージセンサの外
部に取り出すことができる。 (第3の実施の形態)図8は、第3の実施の形態である
MOS型イメージセンサの単位画素内における素子レイ
アウトについて示す平面図である。図9は、図8のIV−
IV線に沿う断面図である。
Thus, similarly to the first embodiment,
A series of operations consisting of an initialization operation, a storage operation, and a read operation is repeated to capture an image by an optical signal over the entire light receiving surface and simultaneously to an image sensor, convert the optical signal into an electric signal, and convert the image signal into an image signal. Can be taken out of the image sensor. (Third Embodiment) FIG. 8 is a plan view showing an element layout in a unit pixel of a MOS image sensor according to a third embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view of FIG.
It is sectional drawing which follows the IV line.

【0064】第3の実施の形態において、第1の実施の
形態と異なるところは、図8に示すように、受光ダイオ
ード111部の第1のウエル領域15aが行と列に揃っ
て並ぶように保持しつつ、かつ、列方向(或いは行方
向)で隣接する受光ダイオード111部の第1のウエル
領域15a同士を接近させて設け、それらの第1のウエ
ル領域15a同士に共通のオーバフロードレイン領域4
1が設けられている点である。また、オーバフロードレ
インゲート(OFDG)42aはオーバフロードレイン
領域41の上方を通り、隣接する相互のウエル領域15
aを橋渡しするようにゲート絶縁膜18aを介して設け
られている点である。
The third embodiment differs from the first embodiment in that the first well regions 15a of the light receiving diode 111 are aligned in rows and columns as shown in FIG. The first well regions 15a of the light receiving diodes 111 adjacent to each other in the column direction (or the row direction) are provided close to each other while being held, and the overflow drain region 4 common to the first well regions 15a is provided.
1 is provided. The overflow drain gate (OFDG) 42a passes over the overflow drain region 41 and is located between the adjacent well regions 15a.
This is a point provided over the gate insulating film 18a so as to bridge the line a.

【0065】図9に示すように、オーバフロードレイン
ゲート42aの下方の構成は、図2(a)のオーバフロ
ードレインゲート42の下方における、オーバフロード
レイン領域41から受光ダイオード111の不純物領域
17に至る構成と同じ構成を、四角形状のオーバフロー
ドレイン領域41を中心にして2方向で2つ組合わせて
いることを特徴としている。
As shown in FIG. 9, the structure below the overflow drain gate 42a is different from the structure below the overflow drain gate 42 in FIG. 2A from the overflow drain region 41 to the impurity region 17 of the light receiving diode 111. A feature is that two of the same configurations are combined in two directions with the square overflow drain region 41 as the center.

【0066】また、図8に示すように、単位画素がほぼ
長方形状を有し、受光ダイオード111部の第1のウエ
ル領域15aとMOSトランジスタ112のゲート電極
19の並びの方向が列方向又は行方向に対して斜め方向
に向いていることは第1の実施の形態と同じである。一
方、上記の条件を満たすため、単位画素中の受光ダイオ
ード111部の第1のウエル領域15aとMOSトラン
ジスタ112のゲート電極19の並びの向きが隣接する
画素で逆になっている点が第1の実施の形態と異なって
いる。
As shown in FIG. 8, the unit pixel has a substantially rectangular shape, and the direction of arrangement of the first well region 15a of the light receiving diode 111 and the gate electrode 19 of the MOS transistor 112 is the column direction or the row direction. The oblique direction with respect to the direction is the same as in the first embodiment. On the other hand, in order to satisfy the above condition, the first well region 15a of the light receiving diode 111 portion in the unit pixel and the gate electrode 19 of the MOS transistor 112 are arranged in the opposite direction in the adjacent pixel. Is different from the embodiment of the present invention.

【0067】なお、図中、他の符号は図2(a)と同じ
符号で示すものは図2(a)と同じものを示すので、説
明を省略する。上記第3の実施の形態においては、受光
ダイオード111部の第1のウエル領域15aが行と列
に揃って並ぶように保持しつつ、かつ、列方向(或いは
行方向)で隣接する受光ダイオード111部の第1のウ
エル領域15a同士を接近させて設け、それらの第1の
ウエル領域15a同士に共通のオーバフロードレイン領
域41が設けられている。
In the figure, the other reference numerals are the same as those shown in FIG. 2A, and the description thereof is omitted because they are the same as those in FIG. 2A. In the third embodiment, the light receiving diodes 111 adjacent to each other in the column direction (or row direction) are held while the first well regions 15a of the light receiving diode 111 are aligned in rows and columns. The first well regions 15a are provided close to each other, and a common overflow drain region 41 is provided between the first well regions 15a.

【0068】これにより、第1の実施の形態と異なり、
特に第1のウエル領域15a相互を接続する、拡散分離
領域としても機能する帯状のオーバフロードレイン領域
41を行間にわたって設ける必要がなくなる。他の構成
は第1の実施の形態と同様なので、第2の実施の形態に
おいても、第1の実施の形態と同様な作用・効果を奏す
ることができる。
As a result, unlike the first embodiment,
In particular, there is no need to provide a strip-shaped overflow drain region 41 that also functions as a diffusion isolation region, connecting the first well regions 15a with each other, across the rows. Other configurations are the same as those of the first embodiment, so that the second embodiment can also provide the same operation and effects as those of the first embodiment.

【0069】(第4の実施の形態)図10は、第4の実
施の形態であるMOS型イメージセンサの単位画素内に
おける素子レイアウトについて示す平面図である。図1
1(a)は図10のV−V線に沿う断面図である。図1
1(b)は図11(a)のVI−VI線に沿う価電子帯の頂
上のエネルギレベル(Ev)の変化の様子を示す図であ
る第4の実施の形態において、受光ダイオード111部
の第1のウエル領域15aが行と列に揃って並ぶように
保持しつつ、かつ、隣接する受光ダイオード111部の
第1のウエル領域15a同士を接近させて設け、それら
の第1のウエル領域15a同士に共通のオーバフロード
レイン領域41が設けられている点は第3の実施の形態
と同じである。
(Fourth Embodiment) FIG. 10 is a plan view showing an element layout in a unit pixel of a MOS image sensor according to a fourth embodiment. FIG.
FIG. 1A is a sectional view taken along the line VV in FIG. FIG.
FIG. 1B is a diagram showing a state of a change in energy level (Ev) at the top of the valence band along the line VI-VI in FIG. 11A. The first well regions 15a of the adjacent light receiving diodes 111 are provided close to each other while the first well regions 15a are held so as to be aligned in rows and columns, and the first well regions 15a are provided. The point that a common overflow drain region 41 is provided for each other is the same as in the third embodiment.

【0070】一方、第4の実施の形態において、第3の
実施の形態と異なるところは、図11(a)に示すよう
に、チャネル領域17bに隣接する受光ダイオード11
1側のドレイン領域17aと受光ダイオード111部の
不純物領域17との境界部分には、絶縁膜18bを介し
てトランスファゲート(TG)44が設けられている点
である。この場合、第1及び第2のウエル領域15a、
15b同士はトランスファゲート44の下でn型層32
aを挟んで配置されており、トランスファゲート44は
第1のウエル領域15aの端部領域の上方から第2のウ
エル領域15bの端部領域の上方にわたって設けられて
いる。第1及び第2のウエル領域15aと15bとは、
トランスファゲート44の下でn型層32aの表層に形
成された低濃度のp型領域(表層領域)17dにより繋
がっている。
On the other hand, the fourth embodiment is different from the third embodiment in that, as shown in FIG. 11A, the light receiving diode 11 adjacent to the channel region 17b is different from the third embodiment.
The transfer gate (TG) 44 is provided at the boundary between the drain region 17a on the first side and the impurity region 17 of the light receiving diode 111 via the insulating film 18b. In this case, the first and second well regions 15a,
15b are located below the transfer gate 44 and in the n-type layer 32.
a, and the transfer gate 44 is provided from above the end region of the first well region 15a to above the end region of the second well region 15b. The first and second well regions 15a and 15b
It is connected by a low-concentration p-type region (surface region) 17d formed in the surface layer of the n-type layer 32a under the transfer gate 44.

【0071】第4の実施の形態における他の構成で、第
3の実施の形態と異なるところは、オーバフロードレイ
ン領域41を共通にする画素は、列方向又は行方向に対
して斜め方向に配置しているもの同士である点である。
また、第1のウエル領域15aが八角形状を有している
点である。なお、図中、他の符号は図2(a)と同じ符
号で示すものは図2(a)と同じものを示すので、説明
を省略する。
Another configuration of the fourth embodiment is different from that of the third embodiment in that the pixels sharing the overflow drain region 41 are arranged obliquely to the column or row direction. The point is that they are the same.
Another difference is that the first well region 15a has an octagonal shape. In the figure, the other reference numerals are the same as those shown in FIG. 2A, and the description thereof is omitted because they are the same as those of FIG. 2A.

【0072】また、上記では、第1及び第2のウエル領
域15aと15bとは、トランスファゲート44の下で
n型層32aの表層に形成された低濃度のp型領域17
dにより繋がっているが、図12に示すように、第1の
ウエル領域15aと第2のウエル領域15bとは、n型
層32aを挟むように形成されてもよい。以上のよう
に、この発明の第4の実施の形態においては、電荷転送
経路内で第1のウエル領域15aと第2のウエル領域1
5bとの接続領域上には、絶縁膜18bを介してトラン
スファゲート44が設けられている。
In the above description, the first and second well regions 15a and 15b correspond to the low-concentration p-type region 17 formed on the surface of the n-type layer 32a under the transfer gate 44.
Although connected by d, as shown in FIG. 12, the first well region 15a and the second well region 15b may be formed so as to sandwich the n-type layer 32a. As described above, in the fourth embodiment of the present invention, the first well region 15a and the second well region 1 in the charge transfer path.
The transfer gate 44 is provided on the connection region with the gate 5b via the insulating film 18b.

【0073】従って、トランスファゲート44に印加す
る電圧により、その接続領域のポテンシャルが光発生電
荷に対する障壁となるように調整することができる。こ
れにより、必要なときに、受光領域からキャリアポケッ
ト25に向かう光発生電荷の流れを制御することができ
る。次に、図13乃至図15を参照して図11に示す構
成のMOS型イメージセンサの駆動方法について説明す
る。図12に示すトランスファゲート44の周辺部の構
成を有するMOS型イメージセンサについても同様に適
用することができる。
Therefore, the potential of the connection region can be adjusted by the voltage applied to the transfer gate 44 so that the potential of the connection region becomes a barrier against the photo-generated charges. Thus, when necessary, the flow of the photo-generated charges from the light receiving region toward the carrier pocket 25 can be controlled. Next, a method of driving the MOS image sensor having the configuration shown in FIG. 11 will be described with reference to FIGS. The same can be applied to a MOS image sensor having a configuration around the transfer gate 44 shown in FIG.

【0074】図13は、図11に示すMOS型イメージ
センサを動作させるための各入出力信号のタイミングチ
ャートを示す。また、図14及び図15は、各動作にお
ける、受光ダイオード111、ウエル領域15a,15
b、キャリアポケット25、オーバフロードレイン領域
41及びそれらの周辺部のエネルギバンド、特に価電子
帯の頂上のエネルギレベル(Ev)の変化の様子を示す
模式図である。
FIG. 13 is a timing chart of each input / output signal for operating the MOS type image sensor shown in FIG. 14 and 15 show the light receiving diode 111 and the well regions 15a and 15a in each operation.
FIG. 7B is a schematic diagram showing a state of changes in the energy level (Ev) at the top of the valence band, especially at the energy band at b, the carrier pocket 25, the overflow drain region 41, and the periphery thereof.

【0075】この場合、光信号検出用MOSトランジス
タ112としてp型の第2のウエル領域15bに形成さ
れたnチャネルディプレッション型MOSトランジスタ
を用いる。次に、図13、図14及び図15にしたがっ
て、一連の連続した固体撮像素子の光検出動作を簡単に
説明する。光検出動作は、初期化期間(掃出期間)−蓄
積期間−読出期間−からなる一連の過程を繰り返し行
う。ここでは、都合上、初期化期間から説明を始める。
なお、一連の動作の間中、オーバフロードレイン領域4
1は接地されているとする。
In this case, an n-channel depletion type MOS transistor formed in the p-type second well region 15b is used as the optical signal detecting MOS transistor 112. Next, the light detection operation of a series of solid-state imaging devices will be briefly described with reference to FIGS. In the light detection operation, a series of processes including an initialization period (sweep period), an accumulation period, and a readout period are repeatedly performed. Here, for convenience, the description starts from the initialization period.
During the series of operations, the overflow drain region 4
It is assumed that 1 is grounded.

【0076】まず、初期化動作を行なう。初期化動作に
おいては、図14(a)乃至(d)の動作を経て、全画
素について、キャリアポケット25内、第1及び第2の
ウエル領域15a,15b内に残る電荷を排出する。図
14(a)に示すように、受光領域内の残留電荷をキャ
リアポケット25に転送する。即ち、図13に示すよう
に、ドレイン領域17a(不純物領域17)の電位(V
pd)を約3Vとし、かつゲート電極19の電位(V
g)を凡そ0Vとし、トランスファゲート(TG)44
の電位(Vtg)を凡そ0Vとし、オーバフロードレイ
ンゲート42の電位(Vofdg)を凡そ3Vとする。
First, an initialization operation is performed. In the initialization operation, the charges remaining in the carrier pocket 25 and the first and second well regions 15a and 15b are discharged for all the pixels through the operations of FIGS. 14A to 14D. As shown in FIG. 14A, the residual charges in the light receiving region are transferred to the carrier pocket 25. That is, as shown in FIG. 13, the potential of the drain region 17a (the impurity region 17) (V
pd) is set to about 3 V, and the potential (V
g) is set to approximately 0 V, and the transfer gate (TG) 44
Is set to about 0V, and the potential (Vofdg) of the overflow drain gate 42 is set to about 3V.

【0077】次いで、図14(b)に示すように、電荷
転送経路内の残留電荷をキャリアポケット25に転送す
る。即ち、図13に示すように、ドレイン領域17a
(不純物領域17)の電位(Vpd)、ゲート電極19
の電位(Vg)及びオーバフロードレインゲート42の
電位(Vofdg)を前の状態に保持したまま、トランスフ
ァゲート(TG)44の電位を凡そ3Vとする。
Next, as shown in FIG. 14B, the residual charges in the charge transfer path are transferred to the carrier pocket 25. That is, as shown in FIG.
(Impurity region 17) potential (Vpd), gate electrode 19
While the potential (Vg) of the overflow drain gate 42 and the potential (Vofdg) of the overflow drain gate 42 are maintained in the previous state, the potential of the transfer gate (TG) 44 is set to approximately 3V.

【0078】続いて、図14(c)に示すように、オー
バフロードレイン領域41の電位(Vofdg)を下げる。
次いで、図14(d)に示すように、キャリアポケット
25内、第1及び第2のウエル領域15a,15b内に
残る電荷を排出する。即ち、図13に示すように、全画
素についてドレイン領域17a(不純物領域17)の電
位(Vpd)を約6Vとし、かつゲート電極19の電位
(Vg)を凡そ8Vとする。また、トランスファゲート
(TG)44の電位(Vtg)を凡そ8Vとする。さら
に、オーバフロードレインゲート42の電位(Vofdg)
を接地電位(零電位)とする。ドレイン領域17aの電
位(Vpd)はチャネル領域を通してソース領域16に
も及ぶ。
Subsequently, as shown in FIG. 14C, the potential (Vofdg) of the overflow drain region 41 is lowered.
Next, as shown in FIG. 14D, the charges remaining in the carrier pocket 25 and the first and second well regions 15a and 15b are discharged. That is, as shown in FIG. 13, the potential (Vpd) of the drain region 17a (impurity region 17) is set to about 6 V and the potential (Vg) of the gate electrode 19 is set to about 8 V for all the pixels. Further, the potential (Vtg) of the transfer gate (TG) 44 is set to about 8V. Further, the potential of the overflow drain gate 42 (Vofdg)
Is the ground potential (zero potential). The potential (Vpd) of the drain region 17a extends to the source region 16 through the channel region.

【0079】このとき、ドレイン領域17a、ソース領
域16、不純物領域17のpn接合及び基板11側のp
n接合に電圧がかかるとともに、ゲート電極19に印加
した電圧(Vg)は第2のウエル領域15b及び第2の
ウエル領域15bの下のn型層32bにかかる。これに
より、基板11の上部の領域は空乏化され、このとき発
生する高電界により、受光ダイオード111部の第1の
ウエル領域15a内の残留正孔は直接に基板11に排出
されるとともに、キャリアポケット25を含む第2のウ
エル領域15bから確実に残留正孔が排出される。ま
た、図14(d)に示すように、電位の低いオーバフロ
ードレイン領域41を通しても受光領域の第1のウエル
領域15a内の残留正孔が排出される。
At this time, the pn junction of the drain region 17 a, the source region 16, the impurity region 17 and the p
A voltage is applied to the n-junction, and a voltage (Vg) applied to the gate electrode 19 is applied to the second well region 15b and the n-type layer 32b below the second well region 15b. As a result, the upper region of the substrate 11 is depleted, and the high electric field generated at this time causes the residual holes in the first well region 15a of the light receiving diode 111 to be directly discharged to the substrate 11 and the carrier to be removed. Residual holes are reliably discharged from the second well region 15b including the pocket 25. Further, as shown in FIG. 14D, the residual holes in the first well region 15a of the light receiving region are also discharged through the overflow drain region 41 having a low potential.

【0080】次に、蓄積動作を行なう。蓄積動作は、図
14(e)及び(f)、図15(a)及び(b)に示す
ように、全画素について、受光領域で光発生正孔を発生
させ、それをキャリアポケット25に転送し、蓄積させ
る。光信号検出用MOSトランジスタ112のドレイン
領域17aに電圧(Vpd)、例えば約1Vを印加す
る。また、ゲート電極19にドレイン電位(Vpd)及
びソース電位(Vps)に対してチャネル領域が空乏化
せず、十分な電子密度を持って電子が蓄積されるような
ゲート電圧(Vg)、例えば凡そ2V程度を印加する。
これにより、チャネル領域には十分な電子密度の電子が
蓄積され、ソース領域16はドレイン領域17aとチャ
ネル領域を通して繋がり、ソース領域16にはドレイン
領域17aの電圧(Vpd)と同じ電圧(Vps)約1
Vが印加される。さらに、オーバフロードレインゲート
42に3V(Vofdg)を印加する。
Next, an accumulation operation is performed. In the accumulation operation, as shown in FIGS. 14 (e) and (f), and FIGS. 15 (a) and (b), for all pixels, light-generated holes are generated in the light receiving region and transferred to the carrier pocket 25. And accumulate. A voltage (Vpd), for example, about 1 V is applied to the drain region 17a of the MOS transistor 112 for detecting an optical signal. In addition, a gate voltage (Vg) such that the channel region is not depleted with respect to the drain potential (Vpd) and the source potential (Vps) in the gate electrode 19 and electrons are accumulated with a sufficient electron density, for example, Apply about 2V.
As a result, electrons having a sufficient electron density are accumulated in the channel region, the source region 16 is connected to the drain region 17a through the channel region, and the source region 16 has the same voltage (Vps) as the voltage (Vpd) of the drain region 17a. 1
V is applied. Further, 3 V (Vofdg) is applied to the overflow drain gate 42.

【0081】続いて、全画素の受光面に、かつ同時に受
光ダイオード111に光を照射する。光照射により電子
−正孔対(光発生電荷)を発生させると、図14(e)
に示すように、受光領域からオーバフロードレイン領域
41に至る経路(電荷排出経路)中のn型層32aの正
孔に対する電位障壁が高いので、光発生正孔は受光ダイ
オード111部に蓄積されることになる。なお、受光領
域からキャリアポケット25に至る経路(電荷転送経
路)中のn型層32bの正孔に対する電位障壁が多少低
くなっているので、一部は、キャリアポケット25に転
送されはじめるものもある。
Subsequently, light is applied to the light receiving surfaces of all the pixels and simultaneously to the light receiving diodes 111. When electron-hole pairs (photo-generated charges) are generated by light irradiation, FIG.
As shown in (2), since the potential barrier for the holes of the n-type layer 32a in the path (charge discharging path) from the light receiving region to the overflow drain region 41 is high, the light generated holes are accumulated in the light receiving diode 111. become. Since the potential barrier for holes in the n-type layer 32b in the path (charge transfer path) from the light receiving region to the carrier pocket 25 is somewhat lower, some of the potential starts to be transferred to the carrier pocket 25. .

【0082】次に、図14(f)、及び図15(a)に
示すように、全画素について、2段階で受光ダイオード
111部の光発生正孔をキャリアポケット25に転送
し、蓄積する。このため、まず、図13に示すように、
全画素について、また、トランスファゲート44の電位
(Vtg)を接地電位に、かつ、オーバフロードレイン
ゲート42の電位(Vofdg)を3Vにそれぞれ保持した
まま、光信号検出用MOSトランジスタ112のドレイ
ン領域17aの電位(Vpd)を約3Vに高めるととも
に、ゲート電極19の電位(Vg)を接地電位とし、受
光領域の第1のウエル領域15aに対してキャリアポケ
ット25を有する第2のウエル領域15bの電位を下げ
る。これにより、受光領域の発生電荷を受光領域から電
荷転送領域を経てキャリアポケット25に向かわせる電
位分布が形成され、光発生正孔がキャリアポケット25
の方に導かれる。
Next, as shown in FIGS. 14 (f) and 15 (a), the light-generated holes of the light-receiving diode 111 are transferred to the carrier pocket 25 and accumulated in two steps for all the pixels. Therefore, first, as shown in FIG.
For all the pixels, while keeping the potential (Vtg) of the transfer gate 44 at the ground potential and the potential (Vofdg) of the overflow drain gate 42 at 3 V, the drain region 17a of the MOS transistor 112 for detecting an optical signal is maintained. The potential (Vpd) is increased to about 3 V, the potential (Vg) of the gate electrode 19 is set to the ground potential, and the potential of the second well region 15b having the carrier pocket 25 is changed with respect to the first well region 15a of the light receiving region. Lower. As a result, a potential distribution is formed in which the generated charges in the light receiving region are directed from the light receiving region to the carrier pocket 25 via the charge transfer region, and the photo-generated holes are formed in the carrier pocket 25.
It is led toward.

【0083】続いて、ドレイン領域17aの電位(Vp
d)、ゲート電極19の電位(Vg)、ソース領域16
の電位(Vps)、オーバフロードレインゲート42の
電位(Vofdg)を前の状態に保持したまま、トランスフ
ァゲート44の電位(Vtg)を3Vに高めて、電荷転
送経路途中の光発生正孔をキャリアポケット25に向か
わせる電界をさらに強める。
Subsequently, the potential of the drain region 17a (Vp
d), potential of gate electrode 19 (Vg), source region 16
The potential (Vtg) of the transfer gate 44 is increased to 3 V while the potential (Vofdg) of the overflow drain gate 42 and the potential (Vofdg) of the overflow drain gate 42 are maintained in the previous state, and the photo-generated holes in the charge transfer path are removed from the carrier pocket. The electric field directed to 25 is further strengthened.

【0084】最後に、図13に示すように、ドレイン領
域17aの電位(Vpd)、ゲート電極19の電位(V
g)、トランスファゲート44の電位(Vtg)、ソー
ス領域16の電位(Vps)を前の状態に保持したま
ま、オーバフロードレインゲート42の電位(Vofdg)
を接地電位とする。図15(b)に示すように、受光領
域に残留する光発生電荷はオーバフロードレイン領域4
1を経て基板11側に排出される。
Finally, as shown in FIG. 13, the potential (Vpd) of the drain region 17a and the potential (V
g), the potential (Vtdg) of the overflow drain gate 42 while keeping the potential (Vtg) of the transfer gate 44 and the potential (Vps) of the source region 16 in the previous state.
Is the ground potential. As shown in FIG. 15 (b), the photo-generated charges remaining in the light receiving region
After that, the light is discharged to the substrate 11 side.

【0085】次いで、電荷転送後、図13に示すよう
に、トランスファゲート44の電位(Vtg)、ソース
領域16の電位(Vps)、オーバフロードレインゲー
ト42の電位(Vofdg)を前の状態に保持したまま、ド
レイン領域17aの電位(Vpd)を凡そ1Vとし、ゲ
ート電極19の電位(Vg)を約2Vとする。次に、読
出し動作を行なう。この読出期間において、一行単位で
各画素の閾値電圧、即ち光電変換された光信号を読み出
して信号出力回路105内の記憶装置に記憶させ、引き
続き映像信号として水平出力線71に出力させる。
Next, after the charge transfer, as shown in FIG. 13, the potential (Vtg) of the transfer gate 44, the potential (Vps) of the source region 16, and the potential (Vofdg) of the overflow drain gate 42 were held in the previous state. As it is, the potential (Vpd) of the drain region 17a is set to about 1V, and the potential (Vg) of the gate electrode 19 is set to about 2V. Next, a read operation is performed. In this readout period, the threshold voltage of each pixel, that is, the photoelectrically converted optical signal is read out for each row, stored in the storage device in the signal output circuit 105, and subsequently output to the horizontal output line 71 as a video signal.

【0086】まず、図13に示すように、全画素につい
て、トランスファゲート44の電位(Vtg)及びオー
バフロードレインゲート42の電位(Vofdg)を前の状
態に保持したまま、ドレイン領域17aの電位(Vp
d)を3Vとする。さらに、選択された第1行目(選択
行)の全画素について、ゲート電極19の電位(Vg)
を約2Vに保持するとともに、非選択行のゲート電極1
9の電位(Vg)を接地電位とする。
First, as shown in FIG. 13, for all the pixels, the potential (Vpdg) of the transfer gate 44 and the potential (Vofdg) of the overflow drain gate 42 are maintained in the previous state, and the potential (Vpg) of the drain region 17a is maintained.
d) is set to 3V. Further, the potential (Vg) of the gate electrode 19 is set for all pixels in the selected first row (selected row).
Is maintained at about 2 V, and the gate electrode 1 in a non-selected row is
The potential (Vg) of No. 9 is a ground potential.

【0087】このとき、選択行の画素内のキャリアポケ
ット25上方のチャネル領域の一部に低電界の反転領域
が形成され、チャネル領域の残りの部分に高電界領域が
形成される。MOSトランジスタ112のドレイン電圧
−電流特性は飽和特性を示す。これにより、第1のライ
ンメモリが充電されていき、充電が完了したところで、
第1のラインメモリに光変調された閾値電圧(ソース電
位VoutS)が記憶される。また、図15(d)の実線で
示すように、オーバフロードレインゲート42の電位が
低いため、電荷排出経路中に光発生正孔に対する障壁が
存在していない。このため、受光領域で光照射により発
生する光発生正孔はオーバフロードレイン領域41を通
して基板11に排出される。
At this time, a low electric field inversion region is formed in a part of the channel region above the carrier pocket 25 in the pixel in the selected row, and a high electric field region is formed in the remaining part of the channel region. The drain voltage-current characteristic of the MOS transistor 112 shows a saturation characteristic. As a result, the first line memory is charged, and when the charging is completed,
The light-modulated threshold voltage (source potential VoutS) is stored in the first line memory. Further, as shown by the solid line in FIG. 15D, since the potential of the overflow drain gate 42 is low, there is no barrier against the photo-generated holes in the charge discharging path. Therefore, light-generated holes generated by light irradiation in the light receiving region are discharged to the substrate 11 through the overflow drain region 41.

【0088】一方、非選択行の画素では、図15(d)
の点線で示すようにエネルギレベルが変化し、キャリア
ポケット25の電位はより低くなっている。このため、
キャリアポケット25に蓄積されている光発生正孔は選
択行の読出し動作中に漏洩しない。また、オーバフロー
ドレインゲート42の電位が低いため、受光領域で光照
射により発生する光発生正孔はオーバフロードレイン領
域41を通して基板11に排出される。
On the other hand, in the pixels in the non-selected rows, FIG.
As shown by the dotted line, the energy level changes, and the potential of the carrier pocket 25 becomes lower. For this reason,
The light-generated holes stored in the carrier pocket 25 do not leak during the read operation of the selected row. Further, since the potential of the overflow drain gate 42 is low, light-generated holes generated by light irradiation in the light receiving region are discharged to the substrate 11 through the overflow drain region 41.

【0089】その後、図15(e)の実線で示すように
エネルギレベルを変化させて、ソース電圧(VoutS)を
出力する動作を行う。このようにして、光照射量に比例
した映像信号(Vout=VoutS)を取り出すことができ
る。その後、図15(d)乃至図15(e)の動作を繰
り返して、一行毎に読み出し動作を行なう。その間、い
まだ読み出しを行なっていない非選択行ではキャリアポ
ケット25に光発生正孔が蓄積されたままの状態が保持
される。
Thereafter, the operation of changing the energy level and outputting the source voltage (VoutS) is performed as shown by the solid line in FIG. In this way, a video signal (Vout = VoutS) proportional to the light irradiation amount can be extracted. Thereafter, the operation of FIGS. 15D to 15E is repeated to perform the read operation for each row. In the meantime, the state in which the light-generated holes are accumulated in the carrier pocket 25 is maintained in the non-selected row where the reading has not been performed yet.

【0090】このようにしてすべての行の画素から光電
変換された光信号を読み出すことで一つの映像を画面に
映し出すことができる。なお、上記では、第1の実施の
形態と異なり、光信号(VoutS)から雑音電圧(Vout
N)を除く動作を行なっていないが、必要な場合、第1
の実施の形態と同じように、図15(d)に示す光発生
正孔による光信号を読み出す動作の後に、キャリアポケ
ット25を初期化する動作と初期化した状態でのソース
電位、即ち雑音電圧のみを読み出す動作を行なう。そし
て、図15(e)に示すラインメモリから光信号を読み
出す動作のときに、ソース電位VoutS、VoutNの差の電
圧を出力する動作を行う。このようにして、光照射量に
比例した映像信号(Vout=VoutS−VoutN)を取り出
すことができる。
By reading the photoelectrically converted optical signals from the pixels in all rows in this manner, one image can be displayed on the screen. In the above, unlike the first embodiment, the noise signal (VoutS) is converted from the optical signal (VoutS).
No operations except for N) are performed, but if necessary,
Similarly to the embodiment, after the operation of reading the optical signal by the light-generated holes shown in FIG. 15D, the operation of initializing the carrier pocket 25 and the source potential in the initialized state, that is, the noise voltage Only the operation of reading out is performed. Then, in the operation of reading an optical signal from the line memory shown in FIG. 15E, an operation of outputting a voltage having a difference between the source potentials VoutS and VoutN is performed. In this way, a video signal (Vout = VoutS-VoutN) proportional to the light irradiation amount can be extracted.

【0091】以上のように、上記第4の実施の形態にお
いても、第1の実施の形態と同様に、初期化期間と蓄積
期間と読出期間とをこの順に繰り返している。特に、初
期化期間と蓄積期間で全画素について、初期化とキャリ
アポケット25への蓄積とを行ない、読出し動作におい
て、選択行の画素から光信号を読み出す際に、電荷転送
経路の電位と、電荷排出経路の電位とを制御して非選択
行のキャリアポケット25に蓄積されたキャリアが漏洩
しないようにするとともに、読出し動作中に受光領域で
発生した光発生電荷がキャリアポケット25の方に移動
せずに、オーバフロードレイン領域41を通して基板1
1に排出できるようにすることができる。
As described above, also in the fourth embodiment, as in the first embodiment, the initialization period, the accumulation period, and the read period are repeated in this order. In particular, initialization and accumulation in the carrier pocket 25 are performed for all the pixels in the initialization period and the accumulation period, and in the read operation, when the optical signal is read from the pixel in the selected row, the potential of the charge transfer path and the charge The potential of the discharge path is controlled to prevent the carriers accumulated in the carrier pockets 25 of the non-selected rows from leaking, and the photo-generated charges generated in the light receiving region during the read operation are moved to the carrier pockets 25. Instead of the substrate 1 through the overflow drain region 41,
1 can be discharged.

【0092】これにより、受光面全面で、かつ同時に光
信号による映像をイメージセンサに取り込んで、その光
信号を電気信号に変換して映像信号としてイメージセン
サの外部に取り出すことができる。また、第4の実施の
形態の他の構成については、第1の実施の形態と同様で
あるので、第4の実施の形態においても、第1の実施の
形態と同様な作用・効果を奏することができる。
As a result, an image based on an optical signal can be taken into the image sensor over the entire light receiving surface and simultaneously, and the optical signal can be converted into an electric signal and taken out of the image sensor as a video signal. In addition, since other configurations of the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment, the fourth embodiment has the same operation and effects as those of the first embodiment. be able to.

【0093】(第5の実施の形態)図16は、第5の実
施の形態であるMOS型イメージセンサの単位画素内に
おける素子レイアウトについて示す平面図である。第5
の実施の形態において、トランスファゲート44a及び
オーバフロードレイン領域41が設けられている点は第
4の実施の形態と同じであるが、オーバフロードレイン
領域41が画素毎に設けられている点が、第4の実施の
形態と異なる。
(Fifth Embodiment) FIG. 16 is a plan view showing an element layout in a unit pixel of a MOS image sensor according to a fifth embodiment. Fifth
In the fourth embodiment, the point that the transfer gate 44a and the overflow drain region 41 are provided is the same as that of the fourth embodiment, but the point that the overflow drain region 41 is provided for each pixel is the same as that of the fourth embodiment. This embodiment is different from the embodiment.

【0094】なお、図中、符号42Cは、第1のウエル
領域15aの端部領域上からオーバフロードレイン領域
41上にわたって設けられたオーバフロードレインゲー
トであり、17Cはオーバフロードレインゲート42c
の下の、第1のウエル領域15aの端部領域からオーバ
フロードレイン領域41に至る領域の表層に設けられた
低濃度のn型領域又はp型領域である。
In the figure, reference numeral 42C denotes an overflow drain gate provided from the end region of the first well region 15a to the overflow drain region 41, and 17C denotes an overflow drain gate 42c.
Is a low-concentration n-type region or a p-type region provided on the surface layer of a region from the end region of the first well region 15a to the overflow drain region 41.

【0095】以上のように、第5の実施の形態において
は、オーバフロードレイン領域41が画素毎に設けられ
ている点以外、第4の実施の形態と同様な構成を有する
ので、第5の実施の形態においても、第4の実施の形態
と同様な作用・効果を奏することができる。以上、実施
の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の
範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるも
のではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実
施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
As described above, the fifth embodiment has the same configuration as the fourth embodiment except that the overflow drain region 41 is provided for each pixel. In this embodiment, the same operation and effect as those of the fourth embodiment can be obtained. As described above, the present invention has been described in detail by the embodiment. However, the scope of the present invention is not limited to the example specifically shown in the embodiment, and the scope of the present invention is not limited to the scope of the present invention. Modifications of the form are included in the scope of the present invention.

【0096】例えば、上記の実施の形態では、信号出力
回路内でソース領域56に入力キャパシタからなるライ
ンメモリを直結しているが、ラインメモリに並列に定電
流源を接続し、ソースフォロワ接続としてもよい。この
場合、スイッチトキャパシタ回路を設けなくてもよい。
また、p型の基板11上のn型層32a,32b内に第
1及び第2のウエル領域15a、15bを形成している
が、n型層32a,32bの代わりに、p型のエピタキ
シャル層にn型不純物を導入してn型層を形成し、この
n型層内に第1及び第2のウエル領域15a、15bを
形成してもよい。
For example, in the above embodiment, the line memory consisting of the input capacitor is directly connected to the source region 56 in the signal output circuit, but a constant current source is connected in parallel to the line memory, and the source follower connection is made. Is also good. In this case, the switched capacitor circuit need not be provided.
Although the first and second well regions 15a and 15b are formed in the n-type layers 32a and 32b on the p-type substrate 11, instead of the n-type layers 32a and 32b, a p-type epitaxial layer is formed. To form an n-type layer, and the first and second well regions 15a and 15b may be formed in the n-type layer.

【0097】さらに、p型の基板11を用いているが、
代わりにn型の基板を用いてもよい。この場合、上記実
施の形態と同様な効果を得るためには、上記実施の形態
等で説明した各層及び各領域の導電型をすべて逆転させ
ればよい。この場合、キャリアポケット25に蓄積すべ
きキャリアは電子及び正孔のうち電子である。
Further, although the p-type substrate 11 is used,
Instead, an n-type substrate may be used. In this case, in order to obtain the same effect as in the above embodiment, the conductivity type of each layer and each region described in the above embodiment and the like may be all reversed. In this case, carriers to be accumulated in the carrier pocket 25 are electrons out of electrons and holes.

【0098】[0098]

【発明の効果】以上のように、この発明の固体撮像装置
においては、受光領域で発生した光発生電荷を基板に排
出する電荷排出経路と、電荷排出経路の光発生電荷に対
する電位障壁を制御する手段とを有している。従って、
必要なときに、受光領域から基板に向かう光発生電荷の
流れを制御することができる。
As described above, in the solid-state imaging device according to the present invention, the charge discharging path for discharging the photo-generated charges generated in the light receiving region to the substrate and the potential barrier of the charge discharging path for the photo-generated charges are controlled. Means. Therefore,
When necessary, it is possible to control the flow of the photo-generated charges from the light receiving region toward the substrate.

【0099】また、受光領域で発生した光発生電荷を光
信号検出用MOSトランジスタの蓄積領域に転送する電
荷転送経路内にも光発生電荷に対する電位障壁を制御す
る手段を有している。これにより、必要なときに、受光
領域から蓄積領域に向かう光発生電荷の流れを制御する
ことができる。この発明の固体撮像装置の駆動方法にお
いては、初期化動作と蓄積動作と読出し動作とをこの順
に繰り返している。特に、初期化動作と蓄積動作におい
て全画素について、初期化と蓄積領域への蓄積とを行な
い、読出し動作において、選択行の画素から光信号を読
み出す際に、電荷転送経路の電位と、電荷排出経路の電
位とを制御して非選択行の蓄積領域に蓄積されたキャリ
アが漏洩しないようにするとともに、読出し動作中に受
光領域で発生した光発生電荷を蓄積領域の方に移動させ
ずに、基板に排出できるようにすることができる。
Further, the charge transfer path for transferring the photo-generated charges generated in the light receiving region to the storage region of the MOS transistor for detecting a light signal has a means for controlling a potential barrier for the photo-generated charges. Thereby, when necessary, the flow of the photo-generated charges from the light receiving region to the accumulation region can be controlled. In the method for driving the solid-state imaging device according to the present invention, the initialization operation, the accumulation operation, and the read operation are repeated in this order. In particular, in the initialization operation and the accumulation operation, initialization and accumulation in the accumulation region are performed for all the pixels, and in the read operation, when the optical signal is read from the pixel in the selected row, the potential of the charge transfer path and the charge discharge By controlling the potential of the path and preventing the carriers accumulated in the accumulation region of the non-selected row from leaking, without moving the photo-generated charges generated in the light receiving region during the reading operation toward the accumulation region, It can be made to discharge to the substrate.

【0100】これにより、受光面全面で、かつ同時に光
信号による映像を固体撮像装置に取り込んでその光信号
を電気信号に変換し、映像信号として固体撮像装置の外
部に取り出すことができる。
As a result, an image based on an optical signal can be taken into the solid-state imaging device over the entire light-receiving surface and simultaneously, the optical signal can be converted into an electric signal, and can be taken out of the solid-state imaging device as a video signal.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態に係るMOS型イメ
ージセンサの単位画素内の素子レイアウトを示す平面図
である。
FIG. 1 is a plan view showing an element layout in a unit pixel of a MOS image sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】(a)は、同じく、図1のI−I線に沿う断面
図である。(b)は、 同図(a)のII−II線に沿う、
価電子帯(Ev)の頂上の変化の様子を示す図である。
FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. (B) is along the line II-II in FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating a state of a change at the top of a valence band (Ev).

【図3】図1のMOS型イメージセンサの全体の回路構
成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating an overall circuit configuration of the MOS image sensor of FIG. 1;

【図4】本発明の第1の実施の形態に係るMOS型イメ
ージセンサを動作させるための各入出力信号のタイミン
グチャートを示す。
FIG. 4 is a timing chart of each input / output signal for operating the MOS image sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図5】図4の各期間における受光ダイオード、ウエル
領域、キャリアポケット、オーバフロードレイン領域及
びその周辺部のエネルギバンド、特に価電子帯の頂上の
エネルギレベル(Ev)の変化の様子を示す模式図(そ
の1)である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a state of a change in an energy level (Ev) at an energy band of a light-receiving diode, a well region, a carrier pocket, an overflow drain region and a peripheral portion thereof, particularly a top of a valence band, in each period of FIG. (Part 1).

【図6】図4の各期間における受光ダイオード、ウエル
領域、キャリアポケット、オーバフロードレイン領域及
びその周辺部のエネルギバンド、特に価電子帯の頂上の
エネルギレベル(Ev)の変化の様子を示す模式図(そ
の2)である。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a state of a change in an energy level (Ev) at an energy band of a light receiving diode, a well region, a carrier pocket, an overflow drain region and a peripheral portion thereof, particularly a valence band at each period in FIG. (Part 2).

【図7】(a)は、本発明の第2の実施の形態に係るM
OS型イメージセンサの単位画素内の素子の構造を示
す、図1のI−I線に沿う断面図である。(b)は、同
図(a)のIII−III線に沿う、価電子帯(Ev)の頂上
の変化の様子を示す図である。
FIG. 7 (a) is a diagram showing an M according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 1, illustrating a structure of an element in a unit pixel of the OS-type image sensor. FIG. 3B is a diagram showing a state of a change in the top of the valence band (Ev) along the line III-III in FIG.

【図8】本発明の第3の実施の形態に係るMOS型イメ
ージセンサの単位画素内の素子レイアウトを示す平面図
である。
FIG. 8 is a plan view showing an element layout in a unit pixel of a MOS image sensor according to a third embodiment of the present invention.

【図9】同じく、図8のIV−IV線に沿う断面図である。FIG. 9 is a sectional view taken along the line IV-IV of FIG. 8;

【図10】本発明の第4の実施の形態に係るMOS型イ
メージセンサの単位画素内の素子レイアウトを示す平面
図である。
FIG. 10 is a plan view showing an element layout in a unit pixel of a MOS image sensor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図11】同じく、図10のV−V線に沿う断面図であ
る。
11 is a cross-sectional view along the line VV in FIG.

【図12】同じく、トランスファゲート及びその周辺部
の他の構成を示す断面図である。
FIG. 12 is also a cross-sectional view showing another configuration of the transfer gate and its peripheral portion.

【図13】同じく、図10及び図11に示すMOS型イ
メージセンサを動作させるための各入出力信号のタイミ
ングチャートを示す。
FIG. 13 is a timing chart of input / output signals for operating the MOS image sensor shown in FIGS. 10 and 11;

【図14】図13の各期間における受光ダイオード、ウ
エル領域、キャリアポケット、オーバフロードレイン領
域及びその周辺部のエネルギバンド、特に価電子帯の頂
上のエネルギレベル(Ev)の変化の様子を示す模式図
(その1)である。
FIG. 14 is a schematic diagram showing a change in energy level (Ev) at the energy band of a light-receiving diode, a well region, a carrier pocket, an overflow drain region and its surroundings, particularly the top of a valence band, in each period of FIG. (Part 1).

【図15】図13の各期間における受光ダイオード、ウ
エル領域、キャリアポケット、オーバフロードレイン領
域及びその周辺部のエネルギバンド、特に価電子帯の頂
上のエネルギレベル(Ev)の変化の様子を示す模式図
(その2)である。
FIG. 15 is a schematic diagram showing changes in the energy level (Ev) at the energy band of the light-receiving diode, well region, carrier pocket, overflow drain region and its surroundings, particularly at the top of the valence band, in each period of FIG. (Part 2).

【図16】本発明の第5の実施の形態に係るMOS型イ
メージセンサの単位画素内の素子レイアウトを示す平面
図である。
FIG. 16 is a plan view showing an element layout in a unit pixel of a MOS image sensor according to a fifth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,11a 基板 15a、43 第1のウエル領域 15b 第2のウエル領域 15c p型領域(一導電型領域) 16 ソース領域 17 不純物領域(反対導電型領域) 17a ドレイン領域 17b チャネルドープ層 17c、17d 表層領域 18、18a、18b ゲート絶縁膜 19 ゲート電極 25 キャリアポケット(高濃度埋込層;光発生電荷の
蓄積領域) 32a、32b n型層(反対導電型層) 41 オーバフロードレイン領域 42、42a、42b、42c オーバフロードレイン
ゲート 44、44a トランスファゲート 59a、59b VSCAN供給線 60a、60b 垂直出力線 61a、61b VSCAN供給線 62a、62b VDD供給線 71 水平出力線 72a、72b HSCAN供給線 73a、73b 昇圧電圧供給線 101 単位画素 102 VSCAN駆動走査回路 103 VDD駆動走査回路 104 HSCAN入力走査回路 105 信号出力回路 107 映像信号出力端子 108 昇圧走査回路 111 受光ダイオード 112 光信号検出用絶縁ゲート型電界効果トランジス
タ(光信号検出用MOSトランジスタ)
11, 11a Substrate 15a, 43 First well region 15b Second well region 15cp p-type region (one conductivity type region) 16 Source region 17 Impurity region (opposite conductivity type region) 17a Drain region 17b Channel dope layer 17c, 17d Surface layer region 18, 18a, 18b Gate insulating film 19 Gate electrode 25 Carrier pocket (high concentration buried layer; storage region for photogenerated charge) 32a, 32b N-type layer (opposite conductivity type layer) 41 Overflow drain region 42, 42a, 42b, 42c Overflow drain gate 44, 44a Transfer gate 59a, 59b VSCAN supply line 60a, 60b Vertical output line 61a, 61b VSCAN supply line 62a, 62b VDD supply line 71 Horizontal output line 72a, 72b HSCAN supply line 73a, 73b Boost voltage Supply Reference Signs List 101 unit pixel 102 VSCAN drive scan circuit 103 VDD drive scan circuit 104 HSCAN input scan circuit 105 signal output circuit 107 video signal output terminal 108 boost scan circuit 111 light receiving diode 112 optical signal detection insulated gate field effect transistor (for optical signal detection MOS transistor)

フロントページの続き Fターム(参考) 4M118 AA10 AB01 BA14 CA04 CA20 FA06 FA14 FA19 FA34 FA39 FA40 FA42 5C024 AX01 CX11 CX17 CY16 GX03 GX16 GY31 GZ04 HX35 HX40 HX41 HX47 JX21 Continued on front page F-term (reference) 4M118 AA10 AB01 BA14 CA04 CA20 FA06 FA14 FA19 FA34 FA39 FA40 FA42 5C024 AX01 CX11 CX17 CY16 GX03 GX16 GY31 GZ04 HX35 HX40 HX41 HX47 JX21

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に形成された光照射により光発生
電荷を発生する受光領域を備えた受光ダイオードと、前
記光発生電荷の蓄積領域を備え、光発生電荷の蓄積によ
り変調された閾値電圧を光信号として出力する、前記基
板上に形成された光信号検出用絶縁ゲート型電界効果ト
ランジスタと、前記受光領域で発生した光発生電荷を前
記蓄積領域に転送する電荷転送経路と、 前記受光領域で発生した光発生電荷を前記基板に排出す
る電荷排出経路と、 前記電荷排出経路の前記光発生電荷に対する電位障壁を
制御する手段とを有することを特徴とする固体撮像装
置。
1. A light-receiving diode having a light-receiving region formed on a substrate and generating light-generated charges by light irradiation, and a threshold voltage provided with a storage region for the light-generated charges and modulated by the accumulation of the light-generated charges. An optical signal detection insulated gate field effect transistor formed on the substrate, a charge transfer path for transferring light generated charges generated in the light receiving region to the storage region, A charge discharging path for discharging the photo-generated charges generated in step (c) to the substrate; and a means for controlling a potential barrier of the charge discharging path for the photo-generated charges.
【請求項2】 前記受光ダイオードは一導電型の前記基
板上に形成された反対導電型層内に形成された一導電型
の第1のウエル領域と、前記第1のウエル領域の表層に
形成された反対導電型領域とを有し、前記光信号検出用
絶縁ゲート型電界効果トランジスタは前記反対導電型層
内に形成された一導電型の第2のウエル領域と、リング
状のゲート電極と、該リング状のゲート電極の内縁に囲
まれた前記第2のウエル領域内に形成されたソース領域
と、前記リング状のゲート電極の外縁を囲む前記第2の
ウエル領域内に形成されたドレイン領域と、前記ドレイ
ン領域と前記ソース領域との間のチャネル領域と、前記
チャネル領域下の第2のウエル領域内であって、前記ソ
ース領域を囲むように形成された、前記第1及び第2の
ウエル領域よりも高い不純物濃度を有する高濃度埋込層
とを有し、前記受光領域は前記第1のウエル領域を含
み、前記光発生電荷の蓄積領域は前記高濃度埋込層であ
り、前記電荷転送経路は前記第1のウエル領域及び第2
のウエル領域を含むことを特徴とする請求項1記載の固
体撮像装置。
2. The light-receiving diode is formed in a first well region of one conductivity type formed in an opposite conductivity type layer formed on the substrate of one conductivity type, and in a surface layer of the first well region. The opposite conductivity type region, the insulated gate field effect transistor for optical signal detection is a second well region of one conductivity type formed in the opposite conductivity type layer, and a ring-shaped gate electrode. A source region formed in the second well region surrounded by an inner edge of the ring-shaped gate electrode, and a drain formed in the second well region surrounding an outer edge of the ring-shaped gate electrode A region, a channel region between the drain region and the source region, and the first and second regions formed in a second well region below the channel region and surrounding the source region. Higher than the well area of A lightly doped region having a high impurity concentration, the light receiving region includes the first well region, the photogenerated charge accumulation region is the high concentration buried layer, and the charge transfer path is The first well region and the second well region;
2. The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising:
【請求項3】 前記第1のウエル領域に前記反対導電型
層を介して隣接する、前記基板と接続した一導電型のオ
ーバフロードレイン領域と、前記第1のウエル領域の端
部領域上から前記オーバフロードレイン領域上にかけて
ゲート絶縁膜を介して形成されたオーバフロードレイン
ゲートとを有し、前記電荷排出経路は前記第1のウエル
領域の端部領域から前記反対導電型層を経て前記オーバ
フロードレイン領域に至る経路を含み、前記電荷排出経
路の光発生電荷に対する電位障壁を制御する手段は前記
オーバフロードレインゲートであることを特徴とする請
求項2記載の固体撮像装置。
3. An overflow drain region of one conductivity type, which is adjacent to the first well region via the opposite conductivity type layer and is connected to the substrate, and an end region of the first well region. An overflow drain gate formed over the overflow drain region via a gate insulating film, wherein the charge discharging path extends from an end region of the first well region to the overflow drain region through the opposite conductivity type layer. 3. The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising a path that leads to the charge drain path, and a unit that controls a potential barrier against light generated charges in the charge discharge path is the overflow drain gate.
【請求項4】 前記電荷排出経路内であって、少なくと
も前記第1のウエル領域から前記反対導電型層を経て前
記オーバフロードレイン領域に至る経路の表層に一導電
型領域が形成されていることを特徴とする請求項3記載
の固体撮像装置。
4. A one-conductivity-type region is formed at least in a surface layer of a path from the first well region to the overflow drain region through the opposite-conductivity-type layer in the charge discharging path. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein:
【請求項5】 前記電荷排出経路内であって、少なくと
も前記第1のウエル領域から前記反対導電型層を経て前
記オーバフロードレイン領域に至る経路の表層に反対導
電型領域が形成されていることを特徴とする請求項3記
載の固体撮像装置。
5. The semiconductor device according to claim 5, wherein an opposite conductivity type region is formed at least in a surface layer of a path from the first well region to the overflow drain region through the opposite conductivity type layer in the charge discharging path. The solid-state imaging device according to claim 3, wherein:
【請求項6】 前記第1のウエル領域と第2のウエル領
域の間に前記第1のウエル領域及び第2のウエル領域よ
りも低濃度の一導電型領域を介在させることにより前記
電荷転送経路内に前記光発生電荷に対する電位障壁が形
成されていることを特徴とする請求項2乃至5の何れか
一に記載の固体撮像装置。
6. The charge transfer path by interposing a one conductivity type region having a lower concentration than the first well region and the second well region between the first well region and the second well region. The solid-state imaging device according to any one of claims 2 to 5, wherein a potential barrier for the photo-generated charges is formed therein.
【請求項7】 前記第1のウエル領域と前記第2のウエ
ル領域は相互に接続し、かつ前記第1のウエル領域の不
純物濃度を前記第2のウエル領域の不純物濃度よりも高
くすることにより前記電荷転送経路内に前記光発生電荷
に対する電位障壁が形成されていることを特徴とする請
求項2乃至5の何れか一に記載の固体撮像装置。
7. The first well region and the second well region are connected to each other, and the impurity concentration of the first well region is made higher than the impurity concentration of the second well region. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein a potential barrier for the photo-generated charge is formed in the charge transfer path.
【請求項8】 前記電荷転送経路のうち前記第1のウエ
ル領域と前記第2のウエル領域とを接続する領域の前記
光発生電荷に対する電位障壁を制御する手段を有するこ
とを特徴とする請求項2乃至5の何れか一に記載の固体
撮像装置。
8. A device for controlling a potential barrier for the photo-generated charges in a region connecting the first well region and the second well region in the charge transfer path. 6. The solid-state imaging device according to any one of 2 to 5.
【請求項9】 前記第1のウエル領域と前記第2のウエ
ル領域とを接続する領域は前記反対導電型層であり、前
記光発生電荷に対する電位障壁を制御する手段は、前記
第1のウエル領域の表層に形成された反対導電型領域の
縁部から前記第1のウエル領域の端部領域、前記反対導
電型層及び前記第2のウエル領域の端部領域を経て前記
ドレイン領域の縁部に至る経路上にゲート絶縁膜を介し
て設けられたトランスファゲートであることを特徴とす
る請求項8記載の固体撮像装置。
9. A region connecting the first well region and the second well region is the opposite conductivity type layer, and the means for controlling a potential barrier for the photo-generated charge includes the first well region. An edge of the drain region from an edge of the opposite conductivity type region formed on a surface layer of the region through an edge region of the first well region, an edge region of the opposite conductivity type layer and an edge region of the second well region; 9. The solid-state imaging device according to claim 8, wherein the transfer gate is a transfer gate provided on a path leading to a gate insulating film.
【請求項10】 前記電荷転送経路内であって、少なく
とも前記第1のウエル領域から前記反対導電型層を経て
前記第2のウエル領域に至る経路の表層に一導電型領域
が形成されていることを特徴とする請求項9記載の固体
撮像装置。
10. A one conductivity type region is formed at least in a surface layer of a path from the first well region to the second well region via the opposite conductivity type layer in the charge transfer path. The solid-state imaging device according to claim 9, wherein:
【請求項11】 前記電荷転送経路内であって、少なく
とも前記第1のウエル領域から前記反対導電型層を経て
前記第2のウエル領域に至る経路の表層に反対導電型領
域が形成されていることを特徴とする請求項9記載の固
体撮像装置。
11. An opposite conductivity type region is formed in a surface layer of a path from at least the first well region to the second well region via the opposite conductivity type layer in the charge transfer path. The solid-state imaging device according to claim 9, wherein:
【請求項12】 請求項1乃至11の固体撮像装置の構
成を1つの画素とし、該画素が前記基板上に複数配列さ
れてなることを特徴とする固体撮像装置。
12. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the configuration of the solid-state imaging device according to claim 1 is one pixel, and a plurality of pixels are arranged on the substrate.
【請求項13】 隣接する複数の前記画素の各電荷排出
経路はともに、各々の前記第1のウエル領域から延びて
一カ所で前記基板と接続され、かつ前記各電荷排出経路
において前記光発生電荷に対する電位障壁を制御する手
段を有することを特徴とする請求項12記載の固体撮像
装置。
13. Each of the charge discharging paths of the plurality of adjacent pixels extends from each of the first well regions and is connected to the substrate at one location, and the photo-generated charges are provided in each of the charge discharging paths. The solid-state imaging device according to claim 12, further comprising a unit that controls a potential barrier with respect to the solid-state imaging device.
【請求項14】 前記複数の画素は列と行に配列されて
いることを特徴とする請求項12又は13の何れか一に
記載の固体撮像装置。
14. The solid-state imaging device according to claim 12, wherein the plurality of pixels are arranged in columns and rows.
【請求項15】 前記固体撮像装置は、前記光信号検出
用絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極に走
査信号を供給する垂直走査信号駆動走査回路と、 前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのドレイン領域
にドレイン電圧を供給するドレイン電圧駆動走査回路
と、 前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース領域の
電圧を記憶し、さらに前記ソース領域の電圧に対応した
光信号を出力する信号出力回路と、 前記光信号を読み出すタイミングを制御する走査信号を
供給する水平走査信号入力走査回路とを有することを特
徴とする請求項13記載の固体撮像装置。
15. The solid-state imaging device, further comprising: a vertical scanning signal drive scanning circuit that supplies a scanning signal to a gate electrode of the insulated gate field effect transistor for detecting an optical signal; A drain voltage drive scanning circuit that supplies a drain voltage; a signal output circuit that stores a voltage of a source region of the insulated gate field effect transistor, and further outputs an optical signal corresponding to the voltage of the source region; 14. The solid-state imaging device according to claim 13, further comprising: a horizontal scanning signal input scanning circuit for supplying a scanning signal for controlling a timing of reading the data.
【請求項16】 請求項14記載の固体撮像装置を用い
て、前記光発生電荷に基づく光信号を読み出し、映像信
号として出力する固体撮像装置の駆動方法であって、 (a)すべての前記画素について、前記受光領域内の残
留電荷に対して前記電荷排出経路の電位障壁を低くし、
及び前記光発生電荷の蓄積領域内の残留電荷に対して前
記蓄積領域から前記基板に至る経路の電位障壁を低くし
て、少なくとも前記受光領域内及び前記光発生電荷の蓄
積領域内の残留電荷を前記基板に掃き出し、 (b)次いで、前記すべての画素について、前記受光領
域内の光発生電荷に対して前記電荷転送経路と前記電荷
排出経路とに電位障壁を形成して、前記受光領域に光照
射により前記光発生電荷を発生させ、蓄積し、 (c)次いで、前記受光領域内の光発生電荷に対して前
記電荷排出経路に電位障壁を形成するとともに前記電荷
転送経路の電位障壁を低くして、前記光発生電荷を前記
電荷転送経路を通して前記蓄積領域に転送して蓄積し、 (d)次いで、前記光発生電荷に対応する光信号読み出
しのために選択された前記行に並ぶ画素のすべてについ
て、前記受光領域内の光発生電荷に対して前記電荷転送
経路に電位障壁を形成するとともに前記電荷排出経路の
電位障壁を低くして、前記光発生電荷の蓄積量に対応す
る閾値電圧の変化を読み出すとともに、前記受光領域で
発生する光発生電荷を前記受光領域から前記電荷排出経
路を通して前記基板に排出し、一方、前記選択された行
以外の他の前記行の画素のすべてについて、前記蓄積領
域の光発生電荷に対して前記光発生電荷の蓄積領域から
前記基板に至る経路に電位障壁を形成して前記蓄積領域
に前記光発生電荷を蓄積しておくとともに、前記受光領
域で発生する光発生電荷に対して前記電荷転送経路に電
位障壁を形成し、かつ前記電荷排出経路の電位障壁を低
くして前記受光領域で発生する光発生電荷を前記電荷排
出経路を経て前記基板に排出し、 (e)前記(d)の動作を繰り返して、前記画素に取り
込まれた光信号を前記すべての行について順次読み出す
ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
16. A driving method for a solid-state imaging device, wherein the solid-state imaging device according to claim 14 reads out an optical signal based on the photo-generated charges and outputs the signal as a video signal, wherein (a) all the pixels About, lowering the potential barrier of the charge discharging path with respect to the residual charges in the light receiving region,
And lowering the potential barrier of the path from the accumulation region to the substrate with respect to the residual charge in the photo-generated charge accumulation region, so that at least the residual charge in the light-receiving region and the photo-generated charge accumulation region is reduced. (B) forming a potential barrier between the charge transfer path and the charge discharge path for the photo-generated charges in the light receiving area for all the pixels, Generating and accumulating the photo-generated charges by irradiation; (c) forming a potential barrier in the charge discharge path for the photo-generated charges in the light receiving region and lowering a potential barrier in the charge transfer path; Transferring the photo-generated charges to the storage region through the charge transfer path and accumulating the photo-generated charges; (d) arranging the photo-generated charges in the row selected for reading the optical signal corresponding to the photo-generated charges For all of the elements, a potential barrier is formed in the charge transfer path for the photo-generated charges in the light-receiving region, and the potential barrier of the charge discharge path is lowered, so that a threshold corresponding to the amount of accumulated photo-generated charges is obtained. A voltage change is read out, and the photo-generated charges generated in the light receiving region are discharged from the light receiving region to the substrate through the charge discharging path, while all of the pixels in the other rows than the selected row are discharged. Forming a potential barrier on the path from the light-generated charge storage region to the substrate for the light-generated charge in the storage region and storing the light-generated charge in the storage region; A potential barrier is formed in the charge transfer path for the generated photo-generated charges, and the potential barrier of the charge discharging path is lowered to reduce the generated photo-generated charges in the light receiving region to the charges. And (e) repeating the operation of (d) to sequentially read out the optical signals taken in by the pixels for all the rows. .
【請求項17】 前記(e)の動作の前であって、前記
(d)における前記光発生電荷の蓄積量に対応する閾値
電圧の変化を読み出す動作の後に、前記行に並ぶ画素の
すべてについて、 (d1)前記光発生電荷の蓄積領域に蓄積された光発生
電荷を排出し、 (d2)次いで、前記光発生電荷の蓄積領域から前記光
発生電荷を排出した状態での閾値電圧の変化を読み出
し、 (d3)次いで、前記光発生電荷の蓄積量に対応する閾
値電圧の変化と、前記光発生電荷の蓄積領域から前記光
発生電荷を排出した状態での閾値電圧の変化との差の信
号を読み出すことを特徴とする請求項16記載の固体撮
像装置の駆動方法。
17. Before the operation of (e) and after the operation of reading out the change in the threshold voltage corresponding to the accumulation amount of the photo-generated electric charges in (d), for all the pixels arranged in the row (D1) discharging the photo-generated charges accumulated in the photo-generated charge storage region; and (d2) changing the threshold voltage when the photo-generated charges are discharged from the photo-generated charge storage region. (D3) Next, a signal representing a difference between a change in the threshold voltage corresponding to the amount of accumulation of the photo-generated charges and a change in the threshold voltage in a state where the photo-generated charges are discharged from the accumulation region of the photo-generated charges. 17. The method for driving a solid-state imaging device according to claim 16, wherein
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