JP2003142677A - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device

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JP2003142677A
JP2003142677A JP2001337918A JP2001337918A JP2003142677A JP 2003142677 A JP2003142677 A JP 2003142677A JP 2001337918 A JP2001337918 A JP 2001337918A JP 2001337918 A JP2001337918 A JP 2001337918A JP 2003142677 A JP2003142677 A JP 2003142677A
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JP
Japan
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solid
photodiode
semiconductor substrate
charge transfer
signal
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Application number
JP2001337918A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichi Ono
浩一 小野
Masayuki Hajiki
真幸 枦
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Filing date
Publication date
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable photographing with a high sensitivity without causing blooming. SOLUTION: When a subject is dark, a video signal output by a solid-state imaging device 4 is weak and the maximum value of the video signal is low, which makes a peak detection circuit 8 generate a lower substrate voltage Vsub and apply it to a semiconductor substrate of the solid-state imaging device 4. When the substrate voltage Vsub is low, an overflow barrier in each photo diode of the solid-state imaging device 4 is formed at a deeper place. Therefore, a signal charge generated by photoelectric transfer of light of long wavelengths to a relatively deep place of the semiconductor substrate is accumulated in a potential well and is effectively used, which increases a photo detection sensitivity of the solid-state imaging device 4. When the subject is bright, on the other hand, a high voltage is applied to the semiconductor substrate of the solid-state imaging device 4. Therefore, an overflow barrier is formed in a shallow place, which reduces a charge accumulation capacity of each photo diode and prevents blooming.

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に関
し、特に固体撮像装置の高感度化の技術に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state image pickup device, and more particularly to a technique for increasing the sensitivity of a solid-state image pickup device.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体撮像素子は、デジタルスチルカメラ
やビデオカメラの撮像手段として広く用いられている。
この種の固体撮像素子は、一般に、半導体基板の表面に
多数のフォトダイオードをマトリクス状に配列するとと
もに、フォトダイオードの各列ごとに垂直電荷転送レジ
スターを形成して、フォトダイオードが受光生成した信
号電荷をフォトダイオードの列ごとに転送し、さらに、
垂直電荷転送レジスターの一端部側に設けた水平電荷転
送レジスターにより、フォトダイオードの行ごとに信号
電荷を転送する構成となっている。
2. Description of the Related Art Solid-state image pickup devices are widely used as image pickup means for digital still cameras and video cameras.
In general, this type of solid-state image sensor has a large number of photodiodes arranged in a matrix on the surface of a semiconductor substrate, and a vertical charge transfer register is formed for each column of the photodiodes to generate signals received by the photodiodes. Transfer the charge column by column of the photodiode, and
The horizontal charge transfer register provided on one end side of the vertical charge transfer register transfers the signal charges for each row of the photodiodes.

【0003】このような固体撮像素子において、その感
度を決める重要な要因はフォトダイオードにおける光電
変換効率である。フォトダイオードに入射した光はフォ
トダイオードにより光電変換され、その結果、フォトダ
イオードは信号電荷を生成する。その際、波長の短い光
はフォトダイオード内での減衰が大きいため、フォトダ
イオードの比較的浅い箇所で光電変換される。一方、波
長の長い光は減衰が少ないため、フォトダイオードの比
較的深い箇所まで到達して、深い箇所においても光電変
換される。
In such a solid-state image sensor, an important factor that determines the sensitivity is the photoelectric conversion efficiency of the photodiode. The light incident on the photodiode is photoelectrically converted by the photodiode, and as a result, the photodiode generates a signal charge. At this time, since light having a short wavelength is greatly attenuated in the photodiode, it is photoelectrically converted at a relatively shallow portion of the photodiode. On the other hand, since light with a long wavelength has little attenuation, it reaches a relatively deep portion of the photodiode and is photoelectrically converted even in a deep portion.

【0004】図5はフォトダイオードの深さ方向におけ
るポテンシャルの変化を示すグラフである。図中、縦軸
がポテンシャルを表し、横軸が半導体基板表面からの深
さを表している。上述のように、光電変換は半導体基板
の種々の深さで起こるが、図5に示したオーバーフロー
バリア102より浅い箇所で生成された信号電荷はポテ
ンシャル井戸104に蓄積し、このポテンシャル井戸1
04に蓄積した信号電荷が垂直電荷転送レジスターに取
り込まれて転送されることになる。一方、オーバーフロ
ーバリア102より深い箇所で生成された信号電荷は、
ポテンシャル井戸104には蓄積せず、半導体基板側に
破棄される。
FIG. 5 is a graph showing changes in the potential of the photodiode in the depth direction. In the figure, the vertical axis represents the potential and the horizontal axis represents the depth from the surface of the semiconductor substrate. As described above, the photoelectric conversion occurs at various depths of the semiconductor substrate, but the signal charges generated at a position shallower than the overflow barrier 102 shown in FIG.
The signal charges accumulated in 04 are taken into the vertical charge transfer register and transferred. On the other hand, the signal charge generated at a position deeper than the overflow barrier 102 is
It is not accumulated in the potential well 104 and is discarded on the semiconductor substrate side.

【0005】したがって、フォトダイオードにおける深
い箇所で生成された信号電荷をも利用できるようにする
ためには、オーバーフローバリア102ができるだけ深
い位置に形成されるようにフォトダイオードを作製すれ
ばよく、そのようなフォトダイオードでは深い箇所に到
達した光も光電変換されるので全体として光電変換効率
が高まりフォトダイオードの感度が向上する。
Therefore, in order to be able to utilize the signal charge generated at a deep portion in the photodiode, the photodiode may be manufactured so that the overflow barrier 102 is formed at the deepest position. In such a photodiode, light reaching a deep portion is also photoelectrically converted, so that the photoelectric conversion efficiency is increased as a whole and the sensitivity of the photodiode is improved.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、オーバーフロ
ーバリア102が深い位置となるようにフォトダイオー
ドを形成した場合には、ポテンシャル井戸104の深さ
方向での範囲が広くなり、フォトダイオードにおける信
号電荷の蓄積容量も増大する。したがって、被写体が明
るい場合には、多量の信号電荷がフォトダイオードに蓄
積する結果、撮影画像にブルーミングが発生し易くな
る。
However, when the photodiode is formed so that the overflow barrier 102 is located at a deep position, the range of the potential well 104 in the depth direction is widened and the signal charge of the photodiode is increased. The storage capacity also increases. Therefore, when the subject is bright, a large amount of signal charge is accumulated in the photodiode, and blooming is likely to occur in the captured image.

【0007】本発明はこのような問題を解決するために
なされたもので、その目的は、ブルーミングを起こすこ
となく高感度撮影が可能な固体撮像装置を提供すること
にある。
The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a solid-state image pickup device capable of high-sensitivity image pickup without causing blooming.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、複数のフォトダイオードを表面部に配列した
n型の半導体基板を含み、前記半導体基板の表面側にp
型ウェル領域が形成され、前記フォトダイオードは前記
p型ウェル領域の上層部に形成したn型領域を含んで構
成されている固体撮像装置であって、前記フォトダイオ
ードが受光して生成した信号電荷より得られた電気信号
の大きさを検出するレベル検出回路と、同レベル検出回
路による前記電気信号の大きさの検出結果にもとづいて
前記半導体基板に印加する電圧を制御する基板電圧制御
回路とを備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention includes an n-type semiconductor substrate having a plurality of photodiodes arranged on the surface thereof, and the semiconductor substrate has a p-type semiconductor substrate on the front surface side.
A solid-state imaging device in which a type well region is formed, and the photodiode includes an n-type region formed in an upper layer portion of the p-type well region, and a signal charge generated by the photodiode receiving light. A level detection circuit that detects the magnitude of the electric signal obtained by the method, and a substrate voltage control circuit that controls the voltage applied to the semiconductor substrate based on the detection result of the magnitude of the electric signal by the level detection circuit. It is characterized by having.

【0009】本発明の固体撮像装置では、フォトダイオ
ードが受光して生成した信号電荷より得られた電気信号
の大きさをレベル検出回路が検出し、基板電圧制御回路
は、同レベル検出回路による電気信号の大きさの検出結
果にもとづいて半導体基板に印加する電圧を制御する。
そして、たとえば被写体が暗い場合、上記電気信号は弱
く、レベル検出回路が検出する電気信号の大きさは小さ
いものとなり、これにより基板電圧制御回路はより低い
基板電圧を半導体基板に印加することができる。その結
果、半導体基板の各フォトダイオードにおけるオーバー
フローバリアはより深い箇所に形成され、半導体基板の
比較的深い箇所にまで到達する長波長側の光の光電変換
により生成された信号電荷も、ポテンシャル井戸に蓄積
して有効に利用でき、フォトダイオード、したがって固
体撮像装置の光検出感度が向上する。一方、被写体が明
るい場合には、基板電圧制御回路は、レベル検出回路の
検出結果にもとづき高い電圧を半導体基板に印加するこ
とができ、その結果、オーバーフローバリアは浅い箇所
に形成されるので、フォトダイオードの電荷蓄積容量が
小さくなり、ブルーミングの発生を防止することができ
る。
In the solid-state image pickup device of the present invention, the level detection circuit detects the magnitude of the electric signal obtained from the signal charge generated by the photodiode receiving light, and the substrate voltage control circuit uses the level detection circuit. The voltage applied to the semiconductor substrate is controlled based on the detection result of the signal magnitude.
Then, for example, when the subject is dark, the electric signal is weak and the magnitude of the electric signal detected by the level detection circuit is small, whereby the substrate voltage control circuit can apply a lower substrate voltage to the semiconductor substrate. . As a result, the overflow barrier in each photodiode of the semiconductor substrate is formed at a deeper portion, and the signal charge generated by photoelectric conversion of light on the long wavelength side that reaches a relatively deep portion of the semiconductor substrate also enters the potential well. It can be accumulated and effectively used, and the photodetection sensitivity of the photodiode and thus the solid-state imaging device is improved. On the other hand, when the subject is bright, the substrate voltage control circuit can apply a high voltage to the semiconductor substrate based on the detection result of the level detection circuit, and as a result, the overflow barrier is formed in a shallow location, so The charge storage capacity of the diode is reduced, and blooming can be prevented from occurring.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態例につい
て図面を参照して説明する。図1は本発明による固体撮
像装置の一例を示すブロック図、図2は実施の形態例の
固体撮像装置を構成する固体撮像素子を示す概略平面
図、図3は図2におけるAA’線に沿った部分断面側面
図、図4は図2の固体撮像素子を構成するフォトダイオ
ードにおけるポテンシャルの変化を示すグラフである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an example of a solid-state image pickup device according to the present invention, FIG. 2 is a schematic plan view showing a solid-state image pickup element constituting the solid-state image pickup device of an embodiment, and FIG. 3 is taken along line AA ′ in FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional side view, and FIG. 4 is a graph showing a potential change in the photodiode constituting the solid-state image sensor of FIG.

【0011】本実施の形態例の固体撮像装置2は、図1
に示したように、CCD構造の固体撮像素子4、サンプ
ルホールド回路6(S/H)、ピーク検出回路8を含ん
で構成されている。まず、固体撮像装置2を構成する固
体撮像素子4について詳しく説明する。固体撮像素子4
は、図2に示したように、半導体基板10の上に設けた
多数のフォトダイオード12、垂直電荷転送レジスター
14、水平電荷転送レジスター16などにより構成され
ている。
The solid-state image pickup device 2 of this embodiment is shown in FIG.
As shown in FIG. 3, the solid-state image sensor 4 having the CCD structure, the sample hold circuit 6 (S / H), and the peak detection circuit 8 are included. First, the solid-state image sensor 4 that constitutes the solid-state image sensor 2 will be described in detail. Solid-state image sensor 4
As shown in FIG. 2, it is composed of a large number of photodiodes 12, a vertical charge transfer register 14, a horizontal charge transfer register 16 and the like provided on the semiconductor substrate 10.

【0012】フォトダイオード12はマトリクス状に配
列され、垂直電荷転送レジスター14は、フォトダイオ
ード12の各列ごとにフォトダイオード12の列に沿っ
て延設されている。水平電荷転送レジスター16は垂直
電荷転送レジスター14の一方の端部側に垂直電荷転送
レジスター14に直交して、すなわちフォトダイオード
12の行の方向に延設され、その出力端には電荷電圧変
換を行うフローティングディフュージョン部18(FD
部18)が設けられている。FD部18が生成した映像
信号は出力回路20を通じて低インピーダンスで固体撮
像素子4の外部に出力される。
The photodiodes 12 are arranged in a matrix, and the vertical charge transfer registers 14 are provided along the columns of the photodiodes 12 for each column of the photodiodes 12. The horizontal charge transfer register 16 is provided on one end side of the vertical charge transfer register 14 so as to be orthogonal to the vertical charge transfer register 14, that is, in the row direction of the photodiodes 12, and has a charge-voltage conversion at its output end. Floating diffusion part 18 (FD
Section 18) is provided. The video signal generated by the FD unit 18 is output to the outside of the solid-state image sensor 4 through the output circuit 20 with low impedance.

【0013】垂直電荷転送レジスター14および水平電
荷転送レジスター16の電荷転送路上には、トランスフ
ァー電極およびストレッジ電極の対から成る転送電極
(図2では省略されている)が、各転送レジスターにお
ける電荷転送方向に配列され、これらの電極に転送パル
スを印加することで信号電荷が転送レジスター上を転送
される。
On the charge transfer paths of the vertical charge transfer register 14 and the horizontal charge transfer register 16, transfer electrodes (not shown in FIG. 2) made of pairs of transfer electrodes and storage electrodes are provided in the charge transfer direction in each transfer register. The signal charges are transferred on the transfer register by applying transfer pulses to these electrodes.

【0014】各フォトダイオード12が受光して生成し
た信号電荷は、垂直電荷転送レジスター14の転送電極
に読み出し電圧を印加することによって、フォトダイオ
ード12の各列ごとに、垂直電荷転送レジスター14に
一斉に読み出される。その後、垂直電荷転送レジスター
14が、その転送電極に印加された、たとえば4相の転
送パルスにより駆動されることで、垂直電荷転送レジス
ター14に読み出されたフォトダイオード12の1列分
の信号電荷が水平電荷転送レジスター16に向けて順次
転送され、フォトダイオード12の1行分の信号電荷ご
とに水平電荷転送レジスター16に供給される。
The signal charges received by the photodiodes 12 are generated by applying a read voltage to the transfer electrodes of the vertical charge transfer registers 14 so that the vertical charge transfer registers 14 are simultaneously supplied to each column of the photodiodes 12. Read out. Thereafter, the vertical charge transfer register 14 is driven by, for example, four-phase transfer pulses applied to the transfer electrodes thereof, so that the signal charges for one column of the photodiodes 12 read out to the vertical charge transfer register 14 are read. Are sequentially transferred to the horizontal charge transfer register 16, and are supplied to the horizontal charge transfer register 16 for each signal charge of one row of the photodiode 12.

【0015】水平電荷転送レジスター16に供給された
フォトダイオード12の1行分の信号電荷は、水平電荷
転送レジスター16がたとえば2相の転送パルスにより
駆動されることで、水平電荷転送レジスター16上をF
D部18に向けて順次転送され、水平電荷転送レジスタ
ー16の端部よりFD部18に出力される。信号電荷は
FD部18において電圧に変換され、出力部より映像信
号として低インピーダンスで外部に出力される。
The signal charges for one row of the photodiodes 12 supplied to the horizontal charge transfer register 16 pass through the horizontal charge transfer register 16 when the horizontal charge transfer register 16 is driven by, for example, a two-phase transfer pulse. F
The data are sequentially transferred to the D section 18, and output from the end of the horizontal charge transfer register 16 to the FD section 18. The signal charge is converted into a voltage in the FD section 18, and is output from the output section as a video signal to the outside with low impedance.

【0016】次に、フォトダイオード12周辺の断面構
造について詳しく説明する。固体撮像素子4はn型の半
導体基板10により形成され、図3に示したように、半
導体基板10の表面側にはp型ウェル領域22が形成さ
れている。このp型ウェル領域22の上層部に、フォト
ダイオード12や、垂直電荷転送レジスター14の垂直
電荷転送路24が形成されている。
Next, the sectional structure around the photodiode 12 will be described in detail. The solid-state imaging device 4 is formed of an n-type semiconductor substrate 10, and a p-type well region 22 is formed on the front surface side of the semiconductor substrate 10 as shown in FIG. The photodiode 12 and the vertical charge transfer path 24 of the vertical charge transfer register 14 are formed in the upper layer portion of the p-type well region 22.

【0017】フォトダイオード12はn型領域26を含
み、このn型領域26と、その下に接するp型ウェル領
域22とによりフォトダイオードとしてのpn接合が形
成されている。フォトダイオード12はまた、その表面
部にノイズの低減を図るための、高濃度のp型不純物を
含むp+領域28を有している。
The photodiode 12 includes an n-type region 26, and the n-type region 26 and the p-type well region 22 in contact therewith form a pn junction as a photodiode. The photodiode 12 also has a p + region 28 containing a high concentration of p-type impurities on its surface for reducing noise.

【0018】垂直電荷転送レジスター14は、フォトダ
イオード12に隣接して設けられ、その垂直電荷転送路
24は半導体基板10の表面部に形成されたn型領域2
6およびp型領域30を含み、これらは垂直電荷転送レ
ジスター14における信号電荷の転送方向、すなわち図
3の紙面に直交する方向に延在している。n型領域26
の上には、半導体基板10の表面全体に形成された絶縁
膜32を介して、たとえばポリシリコンによる転送電極
34が形成され、転送電極34は絶縁膜33を介して遮
光膜36により覆われている。
The vertical charge transfer register 14 is provided adjacent to the photodiode 12, and the vertical charge transfer path 24 is provided in the n-type region 2 formed on the surface of the semiconductor substrate 10.
6 and a p-type region 30, which extend in the transfer direction of the signal charges in the vertical charge transfer register 14, that is, in the direction orthogonal to the paper surface of FIG. n-type region 26
A transfer electrode 34 made of, for example, polysilicon is formed on the above via an insulating film 32 formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10, and the transfer electrode 34 is covered with a light shielding film 36 via the insulating film 33. There is.

【0019】フォトダイオード12とn型領域26との
間の領域は信号電荷の読み出しゲート部38であり、図
3に示したように、転送電極34は読み出しゲート部3
8の上部にまで延出しており、フォトダイオード12か
ら信号電荷を読み出す際に、転送電極34に印加した読
み出し電圧が読み出しゲート部38に印加され、フォト
ダイオード12に蓄積している信号電荷が垂直電荷転送
路24に移動する構造となっている。なお、フォトダイ
オード12に電荷を蓄積している期間中は転送電極34
はグランド電位とされる。
A region between the photodiode 12 and the n-type region 26 is a signal charge read gate portion 38, and the transfer electrode 34 is provided in the read gate portion 3 as shown in FIG.
When the signal charges are read from the photodiode 12, the read voltage applied to the transfer electrode 34 is applied to the read gate unit 38 when the signal charges are read out from the photodiode 12, and the signal charges accumulated in the photodiode 12 are perpendicular to each other. The structure moves to the charge transfer path 24. It should be noted that while the charge is being accumulated in the photodiode 12, the transfer electrode 34
Is at ground potential.

【0020】垂直電荷転送路24を成すn型領域26
の、読み出しゲート部38と反対側の側部には、高濃度
のp型不純物を含むチャネルストップ領域40が形成さ
れている。このチャンネルストップ領域は半導体基板1
0上に形成された不図示の配線に接続され常時、グラン
ド電位となっている。
An n-type region 26 forming the vertical charge transfer path 24
A channel stop region 40 containing a high-concentration p-type impurity is formed on the side opposite to the read gate 38. This channel stop region is the semiconductor substrate 1
It is connected to a wiring (not shown) formed on the surface 0, and is always at the ground potential.

【0021】図4は、図2におけるBB’線に沿ったポ
テンシャル変化の概略を示し、縦軸がポテンシャル、横
軸が半導体基板表面からの深さをそれぞれ表している。
半導体基板10には基板電圧Vsubとしてたとえば1
0V程度の電圧がピーク検出回路8によって印加され、
そのとき図4に実線42で示したように、半導体基板1
0の上層部、具体的にはフォトダイオード12のおおむ
ねn型領域26の箇所にポテンシャル井戸44が形成さ
れ、ポテンシャル井戸44につづいてオーバーフローバ
リア46が形成される。フォトダイオード12が受光し
て生成した信号電荷はこのポテンシャル井戸44に蓄積
し、その後、上記読み出しゲート部38を通じて垂直電
荷転送レジスター14に読み出されることになる。
FIG. 4 shows the outline of the potential change along the line BB 'in FIG. 2, where the vertical axis represents the potential and the horizontal axis represents the depth from the surface of the semiconductor substrate.
The semiconductor substrate 10 has a substrate voltage Vsub of, for example, 1
A voltage of about 0V is applied by the peak detection circuit 8,
At that time, as indicated by the solid line 42 in FIG.
A potential well 44 is formed in the upper layer portion of 0, more specifically, in the n-type region 26 of the photodiode 12, and an overflow barrier 46 is formed following the potential well 44. The signal charge received by the photodiode 12 and generated is accumulated in the potential well 44, and then read out to the vertical charge transfer register 14 through the read gate section 38.

【0022】次に、サンプルホールド回路6およびピー
ク検出回路8について説明する。サンプルホールド回路
6は、固体撮像素子4の出力回路20が出力する映像信
号を、水平電荷転送レジスター16の駆動パルスに同期
してサンプリングし、保持する。サンプルホールド回路
6の出力信号は、信号処理回路48によって処理され、
信号レベルの調整や、同期信号の挿入などが行われてテ
レビジョン信号50として出力される。
Next, the sample hold circuit 6 and the peak detection circuit 8 will be described. The sample hold circuit 6 samples and holds the video signal output from the output circuit 20 of the solid-state image sensor 4 in synchronization with the drive pulse of the horizontal charge transfer register 16. The output signal of the sample hold circuit 6 is processed by the signal processing circuit 48,
The signal level is adjusted, the sync signal is inserted, and the like, which is output as the television signal 50.

【0023】ピーク検出回路8は、1画面の映像に相当
する周期で生成されるフレーム同期パルスに同期して動
作し、フレーム同期パルスの各周期ごとに、サンプルホ
ールド回路6の出力信号の最大値を検出し、検出した最
大値にもとづき基板電圧Vsubを生成して次のフレー
ム同期パルスの1周期の間、固体撮像素子4の半導体基
板10の本体部に印加する。ここで、ピーク検出回路8
は、サンプルホールド回路6の出力信号の最大値が小さ
いほど低い電圧を出力する。半導体基板10にはまた、
コンデンサー52を介して、通常の基板電圧より充分に
高い電圧のシャッターパルス54が印加される。これに
より、各フォトダイオード12に蓄積した電荷が半導体
基板10の本体部側へと破棄され、電子シャッターが作
用する。
The peak detection circuit 8 operates in synchronization with a frame sync pulse generated in a cycle corresponding to one screen image, and the maximum value of the output signal of the sample hold circuit 6 is obtained in each cycle of the frame sync pulse. Is generated and a substrate voltage Vsub is generated based on the detected maximum value, and is applied to the main body portion of the semiconductor substrate 10 of the solid-state imaging device 4 for one cycle of the next frame synchronization pulse. Here, the peak detection circuit 8
Outputs a lower voltage as the maximum value of the output signal of the sample hold circuit 6 is smaller. The semiconductor substrate 10 also has
A shutter pulse 54 having a voltage sufficiently higher than a normal substrate voltage is applied via the capacitor 52. As a result, the electric charge accumulated in each photodiode 12 is discarded to the main body side of the semiconductor substrate 10, and the electronic shutter operates.

【0024】次に、このように構成された固体撮像装置
2の動作について説明する。被写体からの光が固体撮像
素子4に入射すると、固体撮像素子4の各フォトダイオ
ード12はその光を光電変換して信号電荷を生成し、蓄
積する。各フォトダイオード12が生成した信号電荷
は、垂直電荷転送レジスター14および水平電荷転送レ
ジスター16により順次転送され、FD部18で電圧に
変換された後、出力回路20から映像信号として出力さ
れる。
Next, the operation of the solid-state image pickup device 2 thus constructed will be described. When the light from the subject enters the solid-state image sensor 4, each photodiode 12 of the solid-state image sensor 4 photoelectrically converts the light to generate and accumulate a signal charge. The signal charge generated by each photodiode 12 is sequentially transferred by the vertical charge transfer register 14 and the horizontal charge transfer register 16, converted into a voltage by the FD section 18, and then output from the output circuit 20 as a video signal.

【0025】サンプルホールド回路6は、この映像信号
を、水平電荷転送レジスター16の駆動パルスに同期し
てサンプリングし、保持する。そして、ピーク検出回路
8は、本発明に係るレベル検出回路として動作して、フ
レーム同期パルスの各周期ごとに、サンプルホールド回
路6の出力信号の最大値を検出し、さらに本発明に係る
基板電圧制御回路として動作して、検出した最大値にも
とづき基板電圧Vsubを生成し固体撮像素子4の半導
体基板10に印加する。
The sample and hold circuit 6 samples and holds this video signal in synchronization with the drive pulse of the horizontal charge transfer register 16. The peak detection circuit 8 operates as the level detection circuit according to the present invention, detects the maximum value of the output signal of the sample hold circuit 6 for each cycle of the frame synchronization pulse, and further detects the substrate voltage according to the present invention. It operates as a control circuit to generate a substrate voltage Vsub based on the detected maximum value and apply it to the semiconductor substrate 10 of the solid-state imaging device 4.

【0026】ここで、被写体が暗く、各フォトダイオー
ド12が充分な信号電荷を生成しない場合には、出力回
路20から出力される映像信号は弱く、したがって、そ
の最大値も小さいので、ピーク検出回路8は、より低い
基板電圧Vsubを生成して固体撮像素子4の半導体基
板10に印加する。そして基板電圧Vsubが低くなる
と、フォトダイオード12におけるポテンシャルは図4
にたとえば点線56によって示したようなものとなり、
通常のオーバーフローバリア46より深い箇所にオーバ
ーフローバリア58が形成される。そのため、ポテンシ
ャル井戸44は深さ方向での範囲が広がり、フォトダイ
オード12のより深い箇所で生成された信号電荷もポテ
ンシャル井戸44に蓄積することになる。そのため、半
導体基板10の比較的深い箇所にまで到達する、たとえ
ば波長が500nm〜600nm程度の光を光電変換し
て生成された信号電荷も、ポテンシャル井戸44に蓄積
して有効に利用できるようになり、固体撮像素子4の光
検出感度が向上して、被写体が暗い場合でも良好な撮影
が可能となる。
Here, when the subject is dark and each photodiode 12 does not generate sufficient signal charge, the video signal output from the output circuit 20 is weak, and therefore its maximum value is also small, so the peak detection circuit. 8 generates a lower substrate voltage Vsub and applies it to the semiconductor substrate 10 of the solid-state imaging device 4. Then, when the substrate voltage Vsub becomes low, the potential in the photodiode 12 becomes as shown in FIG.
, As shown by the dotted line 56,
An overflow barrier 58 is formed at a position deeper than the normal overflow barrier 46. Therefore, the potential well 44 has a wider range in the depth direction, and the signal charge generated at a deeper portion of the photodiode 12 is also accumulated in the potential well 44. Therefore, signal charges that reach a relatively deep portion of the semiconductor substrate 10, for example, generated by photoelectric conversion of light having a wavelength of about 500 nm to 600 nm can be accumulated in the potential well 44 and can be effectively used. The light detection sensitivity of the solid-state image pickup device 4 is improved, and good photographing can be performed even when the subject is dark.

【0027】一方、被写体が明るく、各フォトダイオー
ド12が充分な信号電荷を生成する場合には、出力回路
20から出力される映像信号は強く、したがって、その
最大値も大きいので、ピーク検出回路8は、より高い基
板電圧Vsubを生成して固体撮像素子4の半導体基板
10に印加する。そして基板電圧Vsubが高くなる
と、フォトダイオード12におけるポテンシャルは図4
に、たとえば実線42によって示したようなものとな
り、より浅い箇所にオーバーフローバリア46が形成さ
れる。そのため、この場合には、フォトダイオード12
の比較的浅い箇所で生成された信号電荷のみがポテンシ
ャル井戸44に蓄積されることになり、波長の長い光が
半導体基板10の比較的深い箇所にまで到達して光電変
換されても、生成された信号電荷はポテンシャル井戸4
4に蓄積されず、半導体基板10の本体側に破棄され
る。したがって、被写体が明るい場合には、フォトダイ
オード12に多量の信号電荷が蓄積するといったことが
なく、ブルーミングの発生が防止される。すなわち、本
実施の形態例の固体撮像装置2では、ブルーミングを起
こすことなく高感度の撮影が可能となる。
On the other hand, when the subject is bright and each photodiode 12 generates a sufficient signal charge, the video signal output from the output circuit 20 is strong and therefore its maximum value is large, so that the peak detection circuit 8 is provided. Generates a higher substrate voltage Vsub and applies it to the semiconductor substrate 10 of the solid-state imaging device 4. Then, when the substrate voltage Vsub becomes higher, the potential in the photodiode 12 becomes as shown in FIG.
In addition, the overflow barrier 46 is formed at a shallower position, for example, as shown by the solid line 42. Therefore, in this case, the photodiode 12
Only the signal charges generated at the relatively shallow portion of the above are accumulated in the potential well 44, and even if the light having a long wavelength reaches the relatively deep portion of the semiconductor substrate 10 and is photoelectrically converted, it is generated. Signal charge is potential well 4
4 is stored in the main body side of the semiconductor substrate 10 without being accumulated. Therefore, when the subject is bright, a large amount of signal charge is not accumulated in the photodiode 12, and blooming is prevented. That is, the solid-state imaging device 2 according to the present embodiment can perform high-sensitivity shooting without blooming.

【0028】なお、本実施の形態例では、サンプルホー
ルド回路6の出力信号の最大値を検出して基板電圧Vs
ubを制御するとしたが、たとえば、サンプルホールド
回路6の出力信号の、たとえばフレーム同期パルスの1
周期における平均的なレベルを検出し、その結果にもと
づいて基板電圧を制御する構成としてもよく、その場合
にも被写体の明るさに応じて基板電圧を適切に制御して
同様の効果を得ることができる。
In this embodiment, the maximum value of the output signal of the sample and hold circuit 6 is detected to detect the substrate voltage Vs.
Although ub is controlled, for example, 1 of the frame synchronization pulse of the output signal of the sample hold circuit 6 is used.
The structure may be such that the average level in the cycle is detected and the substrate voltage is controlled based on the result. Even in that case, the substrate voltage is appropriately controlled according to the brightness of the subject to obtain the same effect. You can

【0029】また、半導体基板としてp型のものを用い
た場合には、技術的にフォトダイオード12のn型領域
26を深く形成し易いことから、長波長光の光電変換結
果も有効に利用して感度向上を図ることが可能である。
しかし、p型の半導体基板を用いた固体撮像素子には、
半導体基板にシャッターパルスを印加して電子シャッタ
ーを行うことができないという重大な欠点がある。した
がって、本発明のようにn型の半導体基板による固体撮
像素子において高感度化を図る技術が有効である。
When a p-type semiconductor substrate is used, it is technically easy to form the n-type region 26 of the photodiode 12 deeply. Therefore, the photoelectric conversion result of long-wavelength light can be effectively used. It is possible to improve the sensitivity.
However, a solid-state image sensor using a p-type semiconductor substrate has
There is a serious drawback in that a shutter pulse cannot be applied to a semiconductor substrate to perform an electronic shutter. Therefore, the technique of increasing the sensitivity in the solid-state image pickup device using the n-type semiconductor substrate as in the present invention is effective.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像装
置では、フォトダイオードが受光して生成した信号電荷
より得られた電気信号の大きさをレベル検出回路が検出
し、基板電圧制御回路は、同レベル検出回路による電気
信号の大きさの検出結果にもとづいて半導体基板に印加
する電圧を制御する。そして、たとえば被写体が暗い場
合、上記電気信号は弱く、レベル検出回路が検出する電
気信号の大きさは小さいものとなり、これにより基板電
圧制御回路はより低い基板電圧を半導体基板に印加する
ことができる。その結果、半導体基板の各フォトダイオ
ードにおけるオーバーフローバリアはより深い箇所に形
成され、半導体基板の比較的深い箇所にまで到達する長
波長側の光の光電変換により生成された信号電荷も、ポ
テンシャル井戸に蓄積して有効に利用でき、フォトダイ
オード、したがって固体撮像装置の光検出感度が向上す
る。一方、被写体が明るい場合には、基板電圧制御回路
は、レベル検出回路の検出結果にもとづき高い電圧を半
導体基板に印加することができ、その結果、オーバーフ
ローバリアは浅い箇所に形成されるので、フォトダイオ
ードの電荷蓄積容量が小さくなり、ブルーミングの発生
を防止することができる。
As described above, in the solid-state image pickup device of the present invention, the level detection circuit detects the magnitude of the electric signal obtained from the signal charge generated by the photodiode receiving light, and the substrate voltage control circuit The voltage applied to the semiconductor substrate is controlled based on the detection result of the magnitude of the electric signal by the same level detection circuit. Then, for example, when the subject is dark, the electric signal is weak and the magnitude of the electric signal detected by the level detection circuit is small, whereby the substrate voltage control circuit can apply a lower substrate voltage to the semiconductor substrate. . As a result, the overflow barrier in each photodiode of the semiconductor substrate is formed at a deeper portion, and the signal charge generated by photoelectric conversion of light on the long wavelength side that reaches a relatively deep portion of the semiconductor substrate also enters the potential well. It can be accumulated and effectively used, and the photodetection sensitivity of the photodiode and thus the solid-state imaging device is improved. On the other hand, when the subject is bright, the substrate voltage control circuit can apply a high voltage to the semiconductor substrate based on the detection result of the level detection circuit, and as a result, the overflow barrier is formed in a shallow location, so The charge storage capacity of the diode is reduced, and blooming can be prevented from occurring.

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

【図1】本発明による固体撮像装置の一例を示すブロッ
ク図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a solid-state imaging device according to the present invention.

【図2】実施の形態例の固体撮像装置を構成する固体撮
像素子を示す概略平面図である。
FIG. 2 is a schematic plan view showing a solid-state image sensor that constitutes the solid-state image sensor according to the embodiment.

【図3】図2におけるAA’線に沿った部分断面側面図
である。
3 is a partial cross-sectional side view taken along the line AA ′ in FIG.

【図4】図2の固体撮像素子を構成するフォトダイオー
ドにおけるポテンシャルの変化を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a change in potential in a photodiode constituting the solid-state image sensor of FIG.

【図5】フォトダイオードの深さ方向におけるポテンシ
ャルの変化を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing changes in the potential of the photodiode in the depth direction.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2……固体撮像装置、4……固体撮像素子、6……サン
プルホールド回路、8……ピーク検出回路、10……半
導体基板、12……フォトダイオード、14……垂直電
荷転送レジスター、16……水平電荷転送レジスター、
18……フローティングディフュージョン部(FD
部)、20……出力回路、22……p型ウェル領域、2
4……垂直電荷転送路。
2 ... Solid-state imaging device, 4 ... Solid-state imaging device, 6 ... Sample hold circuit, 8 ... Peak detection circuit, 10 ... Semiconductor substrate, 12 ... Photodiode, 14 ... Vertical charge transfer register, 16 ... … Horizontal charge transfer register,
18: Floating diffusion part (FD
Part), 20 ... Output circuit, 22 ... P-type well region, 2
4 ... Vertical charge transfer path.

フロントページの続き Fターム(参考) 4M118 AA01 AA05 AB01 BA10 CA04 CA18 DB06 DB08 DD09 FA06 FA13 FA26 FA35 5C024 CX12 CX41 EX03 GX03 GX06 GZ05 HX13 HX20 Continued front page    F-term (reference) 4M118 AA01 AA05 AB01 BA10 CA04                       CA18 DB06 DB08 DD09 FA06                       FA13 FA26 FA35                 5C024 CX12 CX41 EX03 GX03 GX06                       GZ05 HX13 HX20

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数のフォトダイオードを表面部に配列
したn型の半導体基板を含み、前記半導体基板の表面側
にp型ウェル領域が形成され、前記フォトダイオードは
前記p型ウェル領域の上層部に形成したn型領域を含ん
で構成されている固体撮像装置であって、 前記フォトダイオードが受光して生成した信号電荷より
得られた電気信号の大きさを検出するレベル検出回路
と、 同レベル検出回路による前記電気信号の大きさの検出結
果にもとづいて前記半導体基板に印加する電圧を制御す
る基板電圧制御回路とを備えたことを特徴とする固体撮
像装置。
1. A p-type well region is formed on the front surface side of the semiconductor substrate including an n-type semiconductor substrate in which a plurality of photodiodes are arranged on a surface portion, and the photodiode is an upper layer portion of the p-type well region. A solid-state image pickup device including an n-type region formed in the above, wherein a level detection circuit for detecting a magnitude of an electric signal obtained from a signal charge received by the photodiode and having the same level. A substrate voltage control circuit that controls a voltage applied to the semiconductor substrate based on a detection result of the magnitude of the electric signal by the detection circuit.
【請求項2】 前記基板電圧制御回路は、レベル検出回
路が検出した前記電気信号の大きさが小さいほど低い電
圧を前記半導体基板に印加することを特徴とする請求項
1記載の固体撮像装置。
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the substrate voltage control circuit applies a lower voltage to the semiconductor substrate as the magnitude of the electric signal detected by the level detection circuit is smaller.
【請求項3】 前記フォトダイオードは前記半導体基板
の表面に形成された、高濃度のp型不純物を含むp+領
域を有し、前記n型領域は前記p+領域の下側に形成さ
れていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装
置。
3. The photodiode has a p + region formed on the surface of the semiconductor substrate and containing a high concentration of p-type impurities, and the n-type region is formed below the p + region. The solid-state imaging device according to claim 1.
【請求項4】 前記レベル検出回路は、各フォトダイオ
ードの前記信号電荷から生成された前記電気信号のう
ち、最も大きい前記電気信号の大きさを検出結果とする
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
4. The level detection circuit uses the largest magnitude of the electric signal among the electric signals generated from the signal charge of each photodiode as a detection result. Solid-state imaging device.
【請求項5】 前記レベル検出回路は、各フォトダイオ
ードの前記信号電荷から生成された前記電気信号の平均
的な大きさを検出結果とすることを特徴とする請求項1
記載の固体撮像装置。
5. The level detection circuit uses the average magnitude of the electric signal generated from the signal charge of each photodiode as a detection result.
The solid-state imaging device described.
【請求項6】 前記フォトダイオードは前記半導体基板
上にマトリクス状に配列され、前記半導体基板は、前記
フォトダイオードの各列ごとに前記フォトダイオードの
列に隣接して形成された垂直電荷転送レジスターと、前
記垂直電荷転送レジスターの一方の端部側に形成された
水平電荷転送レジスタと、電荷電圧変換部とを含み、各
垂直電荷転送レジスターは対応するフォトダイオード列
が受光して生成した前記信号電荷を取り込んで水平電荷
転送レジスターに向けて転送し、前記水平電荷転送レジ
スターは前記垂直電荷転送レジスターにより転送され
た、前記フォトダイオードの行ごとの前記信号電荷を転
送し、前記電荷電圧変換部は前記水平電荷転送レジスタ
ーにより転送された前記信号電荷を前記水平電荷転送レ
ジスターより受け取り電圧に変換して電気信号を生成
し、レベル検出手段はこの電気信号の大きさを検出する
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
6. The photodiodes are arranged in a matrix on the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate has a vertical charge transfer register formed adjacent to the photodiode column for each column of the photodiode. , A horizontal charge transfer register formed at one end of the vertical charge transfer register, and a charge-voltage converter, each vertical charge transfer register receiving the signal charge generated by a corresponding photodiode array. Are transferred to the horizontal charge transfer register, the horizontal charge transfer register transfers the signal charges transferred by the vertical charge transfer register for each row of the photodiodes, and the charge-voltage conversion unit transfers the signal charges. Receives the signal charge transferred by the horizontal charge transfer register from the horizontal charge transfer register 2. The solid-state image pickup device according to claim 1, wherein the level detecting means detects the magnitude of the electric signal by converting the voltage into an electric signal.
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