JP2004056048A - Solid imaging device - Google Patents

Solid imaging device Download PDF

Info

Publication number
JP2004056048A
JP2004056048A JP2002215009A JP2002215009A JP2004056048A JP 2004056048 A JP2004056048 A JP 2004056048A JP 2002215009 A JP2002215009 A JP 2002215009A JP 2002215009 A JP2002215009 A JP 2002215009A JP 2004056048 A JP2004056048 A JP 2004056048A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
charge
unit
imaging device
solid
state imaging
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002215009A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keiichiro Kagawa
香川 景一郎
Atsushi Ota
太田 淳
Koji Yamamoto
山本 幸司
Kokukan Watanabe
渡辺 國寛
Takeshi Yamamoto
山本 猛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MICROSIGNAL KK
Original Assignee
MICROSIGNAL KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MICROSIGNAL KK filed Critical MICROSIGNAL KK
Priority to JP2002215009A priority Critical patent/JP2004056048A/en
Publication of JP2004056048A publication Critical patent/JP2004056048A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Studio Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a dynamic range in a solid imaging device provided with two charge storage parts in one photoelectric conversion part in a pixel and having constitution assigning charges to the two charge storage parts in synchronization with intensity modulation of light. <P>SOLUTION: A solid imaging device is provided with a photo-gate 11, and a MOS transistor 16 for setting potential of a parasitic n<SP>+</SP>diffusion layer 15 produced between transfer gates 131 and 132 for transferring charge generated therein. Prior to transfer of signal charge, the parasitic diffusion layer 15 is set at prescribed potential through the MOS transistor 16. Since a potential pocket due to the parasitic diffusion layer 15 is buried, the signal charge transferred from the photo-gate 11 to floating diffusion layers 121 and 122 is not captured with the parasitic diffusion layer 15. As a result, a signal to very weak light can be taken out to improve the dynamic range. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に関し、更に詳しくは、CMOS半導体プロセスを用いて作製される固体撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、固体撮像素子は、デジタルカメラ、カメラ一体型VTR、ファクシミリ、カメラ機能付き携帯電話などの様々な電子機器に利用されており、その性能の進歩は著しいものがある。こうした状況の下で、本願発明者は、特願平11−328400号(特開2001−148808号公報参照)において新規の構成の固体撮像素子を提案している。ここで、この固体撮像素子の原理について、図8及び図9により簡単に説明する。
【0003】
図8はこの固体撮像素子によるイメージセンサを利用した画像撮影装置の概略構成を示す概念図、図9はその動作の説明図である。本画像撮影装置100は、光信号を電気信号に変換して出力するイメージセンサ110のほかに、到来する光を結像するレンズ光学系101と、目的とする被写体200に向けて補助光L2を照射する発光部102と、発光部102及びイメージセンサ110の動作を制御するタイミング制御部103と、イメージセンサ110からの出力信号を受けて画像を形成する画像処理部104とを備える。
【0004】
イメージセンサ110には二次元状に画素回路が配置されているが、ここでは簡略化するために1個の画素回路111の概略構成のみを描いている。すなわち、画素回路111内において1個の光電変換部112に蓄積された信号電荷は、2個の電荷転送部113により適宜選択的に2個の電荷蓄積部114に振り分けられる。電荷蓄積部114では複数回に亘って転送されてくる信号電荷を加算蓄積し、両蓄積電荷は所定のタイミングで画素回路111の外側に、各画素回路111に共通に設けられた差分器115へと送られる。差分器115は、時分割で各画素回路111に含まれる2つの電荷蓄積部114の出力電圧の差電圧を出力する。画像処理部104への画像信号の出力は、通常1フレーム単位で行われる。なお、差分器115は全ての画素回路に対して共通でなくとも、例えば、二次元状に配置された画素回路の列方向毎にそれぞれ別の差分器を設けたり、画素回路毎にそれぞれ差分器を設けたりしても同様の処理を達成できる。
【0005】
タイミング制御部103の制御の下に、発光部102は1フレーム周期よりも遙かに短い一定周期で点滅駆動(つまり変調)され、一方、イメージセンサ110の電荷転送部113はその周期に同期して信号電荷を振り分ける。従って、発光部102が点灯している期間には、背景光L1と補助光L2とが被写体200に当たり、その反射光L1R、L2Rとがレンズ光学系101を介して光電変換部112に入射する。このとき、被写体200の背後に存在する背景物201にも背景光が当たっているから、反射光L1Rには背景物201による反射光も含む。一方、発光部102から照射される補助光L2の到達距離は比較的短いため、背景物201が被写体200よりもずっと後方に在るとすれば、補助光L2は背景物201にまで到達しないから、反射光L2Rには背景物201による反射光を含まない。これに対し、発光部102が消えている期間には、補助光L2は存在しないから、被写体200及び背景物201からの背景光による反射光L1Rのみがレンズ光学系101を介して光電変換部112に入射する。
【0006】
こうしたことから、補助光点灯期間に対応する信号電荷のみに基づいて画像を作成したとすると図9(A)に示すようになり、補助光消灯期間に対応する信号電荷のみに基づいて画像を作成したとすると図9(B)に示すようになる。背景物201に対する像201aは両者とも同様であるが、被写体200に対する像200a又は200bは、補助光L2による反射光を含む図9(A)においてより鮮明になる(光電変換部112においては受光強度が高くなる)。イメージセンサ110においては差分器115により各画素回路111毎に両者の差がとられることになるから、イメージセンサ110から出力される信号に基づいて得られる画像では、図9(C)に示すように背景物201による像は相殺されて殆ど現れず、被写体200の像200cのみが鮮明に得られる。
【0007】
このように、上記固体撮像素子を用いることにより、背景光の影響を殆ど受けることなく目的とする被写体を明瞭に画像化することができる。なお、以下の説明では、上記のような手法による固体撮像素子を振分け転送方式センサと呼ぶこととする。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、こうした固体撮像素子を製造する際に、一般的なCMOS半導体プロセスを用いれば、信号処理回路等の周辺回路を一体化(1チップ化)できる等、その利点は非常に大きい。こうしたCMOS型の固体撮像素子については、従来より、各種の提案がなされている(例えば特開平9−65210号公報、特開平11−145444号公報など)。CMOS型の固体撮像素子の基本的な画素構造の一例としては、光電変換部としてのフォトゲートと、電荷を蓄積する浮遊拡散層(フローティングデフュージョン)と、フォトゲートの直下に蓄積された電荷を浮遊拡散層に転送するための転送ゲートと、浮遊拡散層に蓄積された電荷信号を電圧又は電流に変換して出力するソースフォロワアンプと、を備える。
【0009】
上記振分け転送方式センサにおいても、こうしたCMOS型構造を採用することは有用であり、本発明者らは汎用的なCMOS半導体プロセスを用いて振分け転送方式センサを具現化する検討を鋭意行っている。その過程で、振分け転送方式センサを具現化する際のいくつかの問題点が明らかになってきたが、特に、CMOS半導体プロセスを用いた場合に充分なダイナミックレンジを確保することが難しいことが判明した。これについては、主として2つの要素が考えられる。その1つは、フォトゲートで発生した信号電荷を転送ゲートを通して浮遊拡散層に転送しようとしたときの、電荷の転送効率が低いことであり、他の1つは、転送ゲートを閉じているにも拘わらず、フォトゲートで発生した信号電荷が浮遊拡散層へ漏れ出して蓄積されてしまうという、信号電荷の漏出の問題である。
【0010】
また、上記説明で明らかなように、振分け転送方式センサでは、2つの電荷蓄積部に振り分けた後の信号電圧(又は電流)の差をとることにより、共通の信号成分、つまり背景光成分を相殺している。その前提は、信号電荷の振分け部から差分をとるまでの2つの信号経路に関する諸特性が同一であることである。その両者の特性に差があると、その分が出力誤差となり、画質を劣化させることになる。
【0011】
本発明はかかる課題に鑑みて成されたものであり、その主たる目的とするところは、CMOS型の固体撮像素子、特に上記のような振分け転送方式センサにおいて、ダイナミックレンジの改善を図ることである。また、本発明の他の目的とするところは、振分け転送方式センサにおいて信号電荷を振分ける以降の二つの信号経路の特性を揃えることにより、信号の誤差を少なくすることができる固体撮像素子を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段、及び効果】
本発明者らの検討の結果によれば、上記のようにダイナミックレンジを悪化させる1つの要因である電荷の転送効率の低さは、フォトゲート等の光電変換部と転送ゲートとの間に寄生的に生じるn拡散層に、信号電荷を捕捉する一種の電位ポケットが形成され、転送しようとする信号電荷の一部がその電位ポケットに捕捉されてしまうためであると推測できる。このように信号電荷の一部が転送されないと、光電変換部で受ける光が微弱であるときには電圧出力が得られず、ダイナミックレンジを低下させてしまう。
【0013】
そこで、こうした問題を解消するために、第1発明に係る固体撮像素子は、光を受けて信号電荷を発生する光電変換部と、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、外部からの制御信号に応じて前記光電変換部から電荷蓄積部へと信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷蓄積部の蓄積電荷に応じた電圧を出力する出力部と、を含んで1個の画素が構成され、該画素を複数備えた固体撮像素子において、前記光電変換部と電荷転送部との間に形成される寄生的な拡散層に対して所定電圧を印加する電圧印加手段を備えることを特徴としている。
【0014】
本発明の一態様として、上記電圧印加手段は、オン動作により上記寄生的な拡散層と電圧供給部とを導通するスイッチ手段、具体的にはトランジスタ等と、電荷転送前の適宜の時点で前記スイッチ手段をオンさせる制御手段とを含む構成とすることができる。
【0015】
電圧印加手段により上記寄生拡散層に対して外部から適宜の電位を与えたときに、寄生拡散層で生じる現象については完全に解明されている訳ではないが、この電圧印加によって上述したような電位ポケットが埋まり、つまり満杯になるか或いは満杯にまでならずとも底が浅くなるものと推測できる。従って、その後に信号電荷を転送する際に、この電位ポケットにその信号電荷が捕捉されなくなるか、又は捕捉されたとしてもその捕捉量は少なくて済む。これにより、第1発明に係る固体撮像素子によれば、寄生拡散層による信号電荷の捕捉が回避又は軽減できるので、少量の信号電荷でも電荷蓄積部により確実に転送することが可能となる。その結果、従来は出力部から出力電圧として取り出せなかったような微弱な光に対する信号も得ることができ、本素子のダイナミックレンジを改善することができる。
【0016】
また、上述した通り、寄生拡散層の電位ポケットを埋めることで信号電荷の転送効率を改善することができると考えられるが、本発明者らの検討によれば、その電位ポケットを埋める際の電位が高すぎると電荷蓄積部の電位自体が変動し、つまり電荷蓄積部が予めバイアスされたような状態となり、その後に信号電荷の転送を受けても正確な電圧を出力するのに支障をきたす、という現象が確認できている。これは、寄生拡散層へ印加する電圧に依っては、電位ポケットが埋まるのみならず溢れ出た電荷が電荷蓄積部に流れ込み、その電位を変動させるものと推測できる。そこで、こうした現象を抑えるため、第1発明に係る固体撮像素子において、前記電圧印加手段により印加される電圧は、電荷転送前における前記電荷蓄積部の電位に影響を及ぼさないような電圧とすることが好ましい。
【0017】
このような電圧の具体的な数値は各種の条件に依存するものと思われるが、一例として、電圧印加手段が上記スイッチ手段としてMOSトランジスタを使用している場合に、そのトランジスタのサブスレショルド電圧付近、0.5〜0.6V程度とするのがよい。
【0018】
また、CMOS型の固体撮像素子では、理想的には転送ゲートを閉じているときには光電変換部で発生した信号電荷は拡散することなくそこに保持され、転送ゲートを開くと一斉に電荷蓄積部へと流れることが好ましい。しかしながら、本発明者らの検討によれば、光電変換部であるフォトゲート直下及びその近傍で発生した信号電荷の一部は、転送ゲートを閉じているにも拘わらず、拡散して電荷蓄積部へと流れ込み、その電位を変化させてしまうことが判明した。これが、上記のようにダイナミックレンジを悪化させる別の要因であると考えられる。
【0019】
そこで、こうした問題を解消するために、第2発明に係る固体撮像素子は、1個の光電変換部と、第1、第2なる2個の電荷蓄積部と、前記光電変換部から第1及び第2電荷蓄積部へ電荷を選択的に転送するための第1、第2なる2個の電荷転送部と、前記第1、第2電荷蓄積部の蓄積電荷に応じた電圧を出力する第1、第2なる2個の出力部と、を含んで1個の画素が構成され、該画素を複数備えた固体撮像素子において、
前記画素を半導体基板上に形成した回路パターンにあって、前記光電変換部は或る1つの直辺部の略中央から突出した突出片部を有し、該突出片部の略中心線を挟んで両側に前記第1、第2電荷蓄積部を略対称に配置し、且つ、該第1、第2電荷蓄積部と前記光電変換部との間に、前記突出片部を挟んで両側に分離した電荷掃出し層を形成して成ることを特徴としている。
【0020】
この固体撮像素子の構成によれば、例えば電荷転送部が閉じているときに光電変換部から漏れ出した信号電荷は、電荷蓄積部へ到達する前に電荷掃出し層に捕捉され、外部へと排出されてしまう。従って、電荷転送部が開いていない側の電荷蓄積部に外部から不所望に信号電荷が流れ込んでくることがなくなる又は軽減される。それによって、その電荷蓄積部における本来の信号電荷によらない電位変動が解消され、ダイナミックレンジを改善することができる。
【0021】
また、第2発明に係る固体撮像素子では、光電変換部から共通の突出片部を通して信号電荷を案内し、それから左右の2個の電荷転送部を介して両側に振り分けるので、光電変換部を含めてそれ以降の2つの信号経路の条件を同一又はそれに近くすることができる。そのため、例えば、第1電荷蓄積部に背景光成分と補助光成分による信号電荷を転送し、第2電荷蓄積部に背景光成分のみによる信号電荷を転送し、第1及び第2出力部の差をとる場合に、補助光成分以外の要素がほぼ同一になって背景光成分が確実に相殺される。従って、上述したように振り分け転送方式センサとしての特性、つまり出力信号により構成される画像の質を大きく向上させることができる。
【0022】
【実施例】
以下、本発明に係る固体撮像素子の一実施例について、図面を参照して説明する。
【0023】
本実施例の固体撮像素子は、半導体基板上に一次元的又は二次元的に配置された多数の画素を備えるが、本固体撮像素子の特徴は1個の画素における構成又は構造にあるので、その点について詳細に説明する。図1は本実施例の固体撮像素子の1個の画素回路10の概略構成図である。この図では、主として光源変換部及び電荷蓄積部を縦断面図で示し、他を回路として描いている。
【0024】
1個の画素回路10は、光電変換部である1個のフォトゲート(PG:Photo Gate)11と、フォトゲート11で発生した信号電荷を蓄積するための2個の電荷蓄積部である第1、第2浮遊拡散層(FD:Floating Diffusion)121、122と、フォトゲート11に蓄積された信号電荷を所定のタイミングで第1及び第2浮遊拡散層121、122へと転送するための2個の転送部としての第1、第2転送ゲート(TG:Transfer Gate)131、132と、第1及び第2浮遊拡散層121、122に加算蓄積した信号電荷を増幅して電圧として出力するための出力部である第1、第2ソースフォロワアンプ141、142と、を備える。
【0025】
図1において、フォトゲート11を含んで左方の構成要素は、後述するように背景光成分と変調光成分とを処理するための第1ユニット〔I〕であり、同じくフォトゲート11を含んで右方の構成要素は、背景光成分のみを処理するための第2ユニット〔II〕である。また、PXはフォトゲート11直下に発生した信号電荷を蓄積するか否かを制御するための制御信号、TX1及びTX2はそれぞれ第1、第2転送ゲート131、132の開閉を制御するための制御信号、RSTは第1及び第2浮遊拡散層121、122の電位を電源電圧Vddにリセットするための制御信号、Xは第1及び第2浮遊拡散層121、122に貯まった電荷による電圧を第1及び第2ソースフォロワアンプ141、142を介して出力するか否かを制御するための制御信号である。
【0026】
この固体撮像素子に含まれる多数の画素中のフォトゲート11には、所定周期で強度変調を受けた光が入射する。具体的には、例えば図8で説明したように、所定周期で点滅する補助光L2が被写体200に照射され、その被写体200で反射する光L2Rや背景光などが固体撮像素子に到来することを想定すればよい。この場合には、変調光は「有り」又は「無し」の2状態で考えればよく、第1状態では変調光成分+背景光成分が得られ、第2状態では背景光成分のみが得られる。
【0027】
図2は本実施例の固体撮像素子の動作を説明するためのタイミングチャートである。上記構成の画素回路10では、変調光の強度変調、つまり点滅の周期と同期して回路を動作させる。図2において、CKはその変調(点滅)周期であり、CK=0で消灯、CK=1で点灯する。まず、点灯期間(上記第1状態)では、フォトゲート11に変調光成分+背景光成分が入射し、この受光強度に応じた信号電荷がフォトゲート11の直下に発生する。点灯期間が終了する直前にTX1を印加して第1転送ゲート131を開き、第1浮遊拡散層121に信号電荷を転送して蓄積する。一方、消灯期間には、フォトゲート11に背景光成分のみが入射し、この受光強度に応じた信号電荷がフォトゲート11の直下に発生する。そして、消灯期間が終了する直前にTX2を印加することにより第2転送ゲート132を開き、フォトゲート11から第2浮遊拡散層122に信号電荷を転送して蓄積する。
【0028】
1フレームの期間中に上記動作を点滅周期と同期して多数回繰り返すことにより、第1浮遊拡散層121には変調光成分+背景光成分に対応した信号電荷が、第2浮遊拡散層122には背景光成分のみに対応した信号電荷が加算蓄積されてゆく。そして、1フレーム期間が終了した後に、第1及び第2ソースフォロワアンプ141、142を通してそれぞれの加算蓄積電荷を電圧として取り出し、外部の差分器により両出力電圧の差電圧を求める。すると、両出力電圧に共通である背景光成分が除去されて、変調光成分による信号のみが残る。
【0029】
しかしながら、一般的なCMOSプロセスでは、図1に描いたように、フォトゲート11と第1、第2転送ゲート131、132との間に寄生的なn拡散層(以下、ここでは「寄生拡散層」と呼ぶ)15が形成されてしまう。この寄生拡散層15の影響を調べるために、デバイスシミュレータを用い、図3(A)に示すような構造モデルにおける電荷転送時の電位形状を求めた結果が図3(B)である。このときの条件は、Vdd=3.5V、PX=0V、TX2=0V、TX1=1.4Vであり、フォトゲート11に蓄積した信号電荷を第1転送ゲート131を介して第1浮遊拡散層121へ転送するときを想定している。
【0030】
図3(B)で明らかなように、寄生拡散層15の影響によって、フォトゲート11と転送ゲート131、132との間には電位のポケットが形成される。そのため、フォトゲート11から第1転送ゲート131を介して第1浮遊拡散層121に信号電荷を転送しようとした場合、一部の信号電荷はこの電位ポケットに捕捉され、換言すれば電位ポケットを埋めるために使用されてしまい、その分だけ第1浮遊拡散層121に到達し得る信号電荷が減少すると考えられる。
【0031】
最も好ましいのは寄生拡散層15を形成しないようにすることであるが、汎用的なCMOSプロセスを用いた場合には、寄生拡散層15が形成されることは回避しがたい。そこで、本実施例の固体撮像素子では、この寄生拡散層15の電位ポケットをなくすか、或いは完全になくならないまでも底を浅くするために、寄生拡散層15をドレイン(又はソース)とし、リセット電源ラインVrsにソース(又はドレイン)を接続したMOSトランジスタ16を設け、このMOSトランジスタ16のゲート端子に外部よりNDRSなる制御信号を入力する構成としている。
【0032】
このMOSトランジスタ16による作用は完全には解明されていないものの、ほぼ次のようなメカニズムであると考えられる。
【0033】
図4は電位の状態変化を模擬的に示す概念図である。信号電荷を蓄積し始める前には、PXとしてハイレベルの制御信号をフォトゲート11に与え、図4(B)に示すように、フォトゲート11の直下に信号電荷を蓄積するための空乏層を形成する。その後、フォトゲート11に光が当たってその直下に信号電荷が発生して貯まると、図4(C)に示すようにフォトゲート11直下の電位は上昇する。このときに、MOSトランジスタ16のゲート端子に制御信号NDRSを印加してMOSトランジスタ16を導通させると、寄生拡散層15の電位はほぼVrsに近い値にセットされる。
【0034】
フォトゲート11直下に信号電荷が充分に蓄積された後に、その信号電荷を第2浮遊拡散層122に転送するために、制御信号TX2を与えて第2転送ゲート132を開く。すると、第2転送ゲート132直下の電位は下がるが、このとき、先に寄生拡散層15の電位が上げられていたことによって、その部分の電位ポケットはなくなるか又はなくならないまでも底が浅くなる。これにより、第2転送ゲート132が開いた際に信号電荷は電位ポケットに捕捉されないか又は捕捉されたとしても少量で済む。従って、フォトゲート11から第2浮遊拡散層122へと円滑に信号電荷が流れ、第2浮遊拡散層122に蓄積してゆく。
【0035】
上記MOSトランジスタ16による電位設定の効果を検証するために、本発明者らは実際に画素回路を試作し、MOSトランジスタ16を介した電位設定の有無による変調光光量と差分出力電圧との関係を測定した。その結果を図5に示す。MOSトランジスタ16による電位設定を行わない(図5中のNDRS無しの)場合、つまり従来通り、寄生拡散層15に底の深い電位ポケットが形成される状態では、変調光量が小さい場合(照度が低い場合)、例えば0.3nW程度以下では、差分出力電圧は殆ど得られない。
【0036】
これに対し、MOSトランジスタ16を用いてそのゲート電圧を1.0Vとし、Vrs(図5中のNDRS)=0.38Vとしたとき(つまり、ゲート−ソース間電圧VGS=0.62Vとしたとき)には、0.3nW以下の低照度においても差分出力電圧が得られている。これは、低照度である場合、つまりフォトゲート11で発生する信号電荷量が相対的に少ない場合でも、信号電荷転送時に電位ポケットに殆ど捕捉されることなく、浮遊拡散層121、122まで到達可能となった結果であると考えられる。すなわち、MOSトランジスタ16により適宜のタイミングで寄生拡散層15の電位設定を行うことにより、微弱光に対しても出力信号が得られ、ダイナミックレンジが改善されることになる。
【0037】
また、MOSトランジスタ16による電位設定を行う場合でも、その際のゲート−ソース間電圧VGSが高過ぎる場合、すなわち、MOSトランジスタ16のゲート電圧を1.0Vとし、Vrs(図5中のNDRS)=0.34Vとしたとき(つまりVGS=0.66Vとしたとき)には、図5に示すように、変調光量が大きい領域において差分出力電圧が低下してしまうという現象がみられる。このような状態のとき、図4(E)に示すように、信号電荷を転送する以前に既に第2浮遊拡散層122の電位が上昇してしまう(電圧としては0Vに近づく)ことが実験によって明らかになっている。これは、電位ポケットを埋めるために注入した電荷が溢れ出て、第2浮遊拡散層122に流れ込み、その電位を底上げしてしまったためであると推測できる。このような現象が発生すると、浮遊拡散層121、122は予めバイアスされた状態となり、転送ゲート131、132が開いたときにフォトゲート11からの信号電荷を受け入れる余地が小さくなる。その結果、差分出力が大きく減じることになる。こうしたことから、MOSトランジスタ16による寄生拡散層15の電位設定は大きな効果があるものの、その電位を適切に設定することが望ましいことがわかる。なお、具体的な電位は各種の条件に依存するが、一般的にはMOSトランジスタ16のゲート−ソース間電圧VGSをそのトランジスタのサブスレショルド電圧近傍の電圧とすることが望ましいと思われる。
【0038】
図6は本実施例の固体撮像素子における1個の画素の回路パターンの概略図である。図示したように、フォトゲート11はほぼ長方形状であるが、その長辺のほぼ中央に舌状に突出片部11aを設け、その突出片部11aの中心線Cを挟んで両側に第1及び第2浮遊拡散層121、122を対称的に配置している。第1及び第2転送ゲート131、132は第1及び第2浮遊拡散層121、122を取り囲むように配置されているが、実質的には中心線Cに面している部分が電荷転送に最も寄与する。すなわち、フォトゲート11直下に貯まった信号電荷を第1又は第2浮遊拡散層121、122に転送する際には、信号電荷は主として突出片部11aから出て中心線Cの周囲から浮遊拡散層121、122に流れ込む。なお、浮遊拡散層121、122の外側には第1、第2ソースフォロワアンプ141、142を配置している。
【0039】
このように、中心線Cを挟んで両側に第1ユニット〔I〕と第2ユニット〔II〕とをほぼ対称に配置することによって、両ユニットの電気的特性を揃えることができる。また、第1、第2浮遊拡散層121、122のいずれに信号電荷を転送する際にも、フォトゲート11からの信号電荷の流出位置はほぼ同じであるため、その点においても、両ユニットの電気的条件が同一になり、両出力電圧の差をとる際に背景光成分を確実に相殺することが可能となる。
【0040】
本実施例の固体撮像素子では、更に、フォトゲート11と第1、第2浮遊拡散層121、122との間に、突出片部11aを挟んで両側に分離された電荷掃出し層17を設けている。図示しないものの、この電荷掃出し層17にはそれぞれ外部より所定電位を印加できるようになっている。この電荷掃出し層17の機能は次の通りである。
【0041】
すなわち、上述したような光電変換動作を行う期間中、常に、上記電荷掃出し層17には所定の直流電圧を印加しておく。フォトゲート11に光が入射して、その直下の空乏層に蓄積された電荷は、理想的には、第1、第2転送ゲート131、132が開かない限り第1、第2浮遊拡散層121、122へは転送されない筈であるが、実際には、第1、第2転送ゲート131、132が閉じていても徐々に周囲に拡散し、第1、第2浮遊拡散層121、122に蓄積されてしまう。そこで、電荷掃出し層17に或る電位を与えておくと、フォトゲート11直下から漏れ出した信号電荷は電荷掃出し層17に捕捉され、その層の延伸方向に沿って横方向に排出される。すなわち、電荷掃出し層は一種の横型オーバーフロードレインとして機能し、浮遊拡散層121、122に流れ込むことを防止することができる。
【0042】
図7は上記電荷掃出し層17の効果を検証するための測定結果を示す図であり、(A)は電荷掃出し層17を設けた場合の出力波形、(B)は電荷掃出し層17を設けない場合の出力波形である。ここでは背景光成分をほぼゼロとしており、変調光成分は第1浮遊拡散層121にのみ蓄積されるので、本来ならば、第2浮遊拡散層122側の出力電圧OUT2は一定である筈であるが、図7(B)では、第2浮遊拡散層122側の出力電圧OUT2も減少している。これは、変調光成分を受けたときにフォトゲート11に貯まった信号電荷の一部が漏れ出し、第2浮遊拡散層122に流れ込んだ貯まってしまうためであると考えられる。
【0043】
これに対し、電荷掃出し層17を設けた場合の出力波形では、信号電荷を転送していない側の出力電圧OUT2は殆ど減少しておらず、電荷掃出し層17によって信号電荷の漏れ込みの影響が除去できていることがわかる。これにより、フォトゲート11からの信号電荷の漏出の影響を最小限に抑えることができるので、こうして漏れ込んだ電荷による浮遊拡散層121、122の電位の上昇がなくなり、それだけダイナミックレンジの改善にも有効である。
【0044】
なお、上記各実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正を行えることは明らかである。例えば、上記実施例では光電変換部としてフォトゲートを用いているが、フォトゲート以外のフォトダイオードなどを光電変換部として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である固体撮像素子の1個の画素回路の概略構成図。
【図2】本実施例の固体撮像素子の動作を説明するためのタイミングチャート。
【図3】本実施例の固体撮像素子のシミュレーションのための構造モデル(A)及び電荷転送時の電位形状のシミュレーション結果を示す図(B)。
【図4】本実施例の固体撮像素子における電位の状態変化を模擬的に示す概念図。
【図5】寄生拡散層の電位設定による効果を示す測定結果を示す図。
【図6】本実施例の固体撮像素子の1個の画素の回路パターンの概略図。
【図7】電荷掃出し層の効果を示す測定結果を示す図。
【図8】この固体撮像素子によるイメージセンサを利用した画像撮影装置の概略構成を示す概念図。
【図9】図8に示した画像撮影装置の動作説明図。
【符号の説明】
10…画素回路
11…フォトゲート
121、122…浮遊拡散層
131、132…転送ゲート
141、142…ソースフォロワアンプ
15…寄生拡散層
16…MOSトランジスタ
17…電荷掃出し層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device, and more particularly, to a solid-state imaging device manufactured using a CMOS semiconductor process.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, solid-state imaging devices have been used in various electronic devices such as digital cameras, camera-integrated VTRs, facsimiles, and mobile phones with a camera function, and the performance of the devices has been remarkably improved. Under such circumstances, the inventor of the present application has proposed a solid-state imaging device having a novel configuration in Japanese Patent Application No. 11-328400 (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-148808). Here, the principle of the solid-state imaging device will be briefly described with reference to FIGS.
[0003]
FIG. 8 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of an image photographing device using an image sensor using a solid-state image sensor, and FIG. 9 is an explanatory diagram of its operation. The image photographing apparatus 100 includes an image sensor 110 that converts an optical signal into an electric signal and outputs the electric signal, a lens optical system 101 that forms an image of incoming light, and an auxiliary light L2 that is directed toward a target object 200. The light emitting unit 102 includes a light emitting unit 102 that emits light, a timing control unit 103 that controls operations of the light emitting unit 102 and the image sensor 110, and an image processing unit 104 that receives an output signal from the image sensor 110 and forms an image.
[0004]
Although pixel circuits are arranged two-dimensionally in the image sensor 110, only a schematic configuration of one pixel circuit 111 is illustrated here for simplification. That is, the signal charges stored in one photoelectric conversion unit 112 in the pixel circuit 111 are appropriately and selectively distributed to the two charge storage units 114 by the two charge transfer units 113. The charge accumulating unit 114 accumulates and accumulates the signal charges transferred a plurality of times, and the two accumulated charges are supplied to a differentiator 115 provided outside the pixel circuits 111 at a predetermined timing and provided in common to the pixel circuits 111. Is sent. The differentiator 115 outputs a difference voltage between the output voltages of the two charge accumulation units 114 included in each pixel circuit 111 in a time-division manner. Output of the image signal to the image processing unit 104 is usually performed in units of one frame. Note that the differentiator 115 may not be common to all pixel circuits. For example, a differentiator may be provided for each column direction of two-dimensionally arranged pixel circuits, or a differentiator may be provided for each pixel circuit. The same processing can be achieved by providing
[0005]
Under the control of the timing control unit 103, the light-emitting unit 102 is driven to blink (i.e., is modulated) at a constant period much shorter than one frame period, while the charge transfer unit 113 of the image sensor 110 is synchronized with the period. To distribute the signal charge. Therefore, while the light emitting unit 102 is on, the background light L1 and the auxiliary light L2 hit the subject 200, and the reflected lights L1R and L2R enter the photoelectric conversion unit 112 via the lens optical system 101. At this time, since the background light is also applied to the background object 201 present behind the subject 200, the reflected light L1R includes the light reflected by the background object 201. On the other hand, since the reaching distance of the auxiliary light L2 emitted from the light emitting unit 102 is relatively short, if the background object 201 is far behind the subject 200, the auxiliary light L2 does not reach the background object 201. , The reflected light L2R does not include the light reflected by the background object 201. On the other hand, since the auxiliary light L2 does not exist during the period when the light emitting unit 102 is off, only the reflected light L1R due to the background light from the subject 200 and the background object 201 is transmitted via the lens optical system 101 to the photoelectric conversion unit 112. Incident on.
[0006]
For this reason, if an image is created based on only the signal charges corresponding to the auxiliary light lighting period, the result is as shown in FIG. 9A, and the image is created based on only the signal charges corresponding to the auxiliary light extinguishing period. If so, the result is as shown in FIG. The image 201a with respect to the background object 201 is the same in both cases, but the image 200a or 200b with respect to the subject 200 becomes clearer in FIG. 9A including the reflected light by the auxiliary light L2. Is higher). In the image sensor 110, the difference between the two is obtained for each pixel circuit 111 by the differentiator 115. Therefore, in an image obtained based on a signal output from the image sensor 110, as shown in FIG. Therefore, the image of the background object 201 is canceled out and hardly appears, and only the image 200c of the subject 200 is clearly obtained.
[0007]
As described above, by using the solid-state imaging device, a target subject can be clearly imaged without being substantially affected by the background light. In the following description, a solid-state imaging device using the above-described method will be referred to as a distribution transfer type sensor.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when manufacturing such a solid-state imaging device, if a general CMOS semiconductor process is used, the advantage is very large, for example, peripheral circuits such as a signal processing circuit can be integrated (one chip). Various proposals have heretofore been made for such a CMOS solid-state imaging device (for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 9-65210 and 11-145444). As an example of a basic pixel structure of a CMOS solid-state imaging device, a photogate as a photoelectric conversion unit, a floating diffusion layer (floating diffusion) for accumulating electric charges, and an electric charge stored immediately below the photogate are used. A transfer gate for transferring the charge signal to the floating diffusion layer; and a source follower amplifier for converting a charge signal accumulated in the floating diffusion layer into a voltage or a current and outputting the voltage or current.
[0009]
It is useful to adopt such a CMOS type structure also in the above-mentioned distribution transfer type sensor, and the present inventors are keenly studying to realize the distribution transfer type sensor using a general-purpose CMOS semiconductor process. In the process, some problems in realizing the distribution transfer type sensor have been clarified, but it has been found that it is particularly difficult to secure a sufficient dynamic range when using a CMOS semiconductor process. did. In this regard, there are mainly two factors. One is that the transfer efficiency of the charge is low when trying to transfer the signal charge generated at the photogate to the floating diffusion layer through the transfer gate, and the other is that the transfer gate is closed. Nevertheless, there is a problem of signal charge leakage that signal charges generated in the photogate leak to the floating diffusion layer and are accumulated.
[0010]
Further, as is apparent from the above description, in the distribution transfer type sensor, a common signal component, that is, a background light component is canceled by calculating a difference between signal voltages (or currents) after distribution to the two charge storage units. are doing. The premise is that the characteristics of the two signal paths from the signal charge distribution unit to the difference are the same. If there is a difference between the two characteristics, an output error corresponding to the difference will occur, and the image quality will be degraded.
[0011]
The present invention has been made in view of such a problem, and a main object thereof is to improve a dynamic range in a CMOS solid-state imaging device, particularly, in the above-described distribution transfer type sensor. . Another object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of reducing a signal error by aligning characteristics of two signal paths after signal charges are distributed in a distribution transfer type sensor. It is to be.
[0012]
[Means for Solving the Problems and Effects]
According to the results of the study by the present inventors, the low charge transfer efficiency, which is one of the factors that degrade the dynamic range as described above, is due to the occurrence of a parasitic between a photoelectric conversion unit such as a photogate and the transfer gate. N + It can be assumed that a kind of potential pocket for trapping signal charges is formed in the diffusion layer, and a part of the signal charges to be transferred is trapped in the potential pocket. If a part of the signal charge is not transferred as described above, a voltage output cannot be obtained when the light received by the photoelectric conversion unit is weak, and the dynamic range is reduced.
[0013]
Therefore, in order to solve such a problem, the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention includes a photoelectric conversion unit that receives light to generate a signal charge, a charge storage unit that stores the signal charge, and an external control signal. Accordingly, one pixel is configured including a charge transfer unit that transfers a signal charge from the photoelectric conversion unit to the charge storage unit, and an output unit that outputs a voltage corresponding to the charge stored in the charge storage unit. A solid-state imaging device having a plurality of the pixels, further comprising a voltage applying unit for applying a predetermined voltage to a parasitic diffusion layer formed between the photoelectric conversion unit and the charge transfer unit. .
[0014]
As one embodiment of the present invention, the voltage application unit includes a switch unit that conducts the parasitic diffusion layer and the voltage supply unit by an ON operation, specifically, a transistor or the like, and an appropriate time before charge transfer. And control means for turning on the switch means.
[0015]
The phenomenon that occurs in the parasitic diffusion layer when an appropriate potential is externally applied to the parasitic diffusion layer by the voltage applying means has not been completely elucidated. It can be assumed that the pockets are filled, that is to say they are full or shallow without having to be full. Therefore, when the signal charge is transferred thereafter, the signal charge is not trapped in the potential pocket, or even if trapped, the trapped amount is small. Thus, according to the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention, trapping of signal charges by the parasitic diffusion layer can be avoided or reduced, so that even a small amount of signal charges can be reliably transferred to the charge storage unit. As a result, it is possible to obtain a signal for weak light that could not be conventionally taken out as an output voltage from the output unit, and it is possible to improve the dynamic range of the present element.
[0016]
As described above, it is considered that the transfer efficiency of signal charges can be improved by filling the potential pocket of the parasitic diffusion layer. However, according to the study of the present inventors, the potential at the time of filling the potential pocket is considered. Is too high, the potential itself of the charge storage unit fluctuates, that is, the charge storage unit is in a state where it is pre-biased, which hinders output of an accurate voltage even if signal charges are transferred thereafter. That phenomenon has been confirmed. This is presumed that, depending on the voltage applied to the parasitic diffusion layer, not only the potential pocket is filled but also the overflowing charge flows into the charge storage portion and fluctuates the potential. Therefore, in order to suppress such a phenomenon, in the solid-state imaging device according to the first invention, the voltage applied by the voltage applying unit is set to a voltage that does not affect the potential of the charge storage unit before charge transfer. Is preferred.
[0017]
It is considered that the specific numerical value of such a voltage depends on various conditions. For example, when the voltage applying unit uses a MOS transistor as the switch unit, the voltage near the sub-threshold voltage of the transistor is used. , About 0.5 to 0.6 V.
[0018]
In a CMOS type solid-state imaging device, ideally, when the transfer gate is closed, signal charges generated in the photoelectric conversion unit are held there without being diffused, and when the transfer gate is opened, the signal charges are simultaneously transferred to the charge storage unit. It is preferable to flow. However, according to the study of the present inventors, part of the signal charges generated immediately below and near the photogate, which is the photoelectric conversion unit, diffuses and spreads despite the transfer gate being closed. And the potential was changed. This is considered to be another factor that deteriorates the dynamic range as described above.
[0019]
Therefore, in order to solve such a problem, the solid-state imaging device according to the second aspect of the present invention provides a single photoelectric conversion unit, first and second two charge storage units, and first and second photoelectric conversion units. First and second two charge transfer units for selectively transferring charge to the second charge storage unit, and a first for outputting a voltage corresponding to the charge stored in the first and second charge storage units. , A second two output units, and a solid-state imaging device including a plurality of pixels.
In the circuit pattern in which the pixel is formed on a semiconductor substrate, the photoelectric conversion unit has a projecting piece projecting from substantially the center of a certain right side, and sandwiches a substantially center line of the projecting piece. And the first and second charge storage portions are disposed substantially symmetrically on both sides, and are separated on both sides with the protruding piece portion interposed between the first and second charge storage portions and the photoelectric conversion portion. It is characterized by forming a charge sweeping layer formed as described above.
[0020]
According to the configuration of the solid-state imaging device, for example, signal charges leaked from the photoelectric conversion unit when the charge transfer unit is closed are captured by the charge sweeping layer before reaching the charge storage unit, and are discharged to the outside. Will be done. Therefore, it is possible to prevent or reduce the undesired flow of the signal charge from the outside into the charge storage portion on the side where the charge transfer portion is not opened. As a result, potential fluctuations due to the original signal charge in the charge storage section are eliminated, and the dynamic range can be improved.
[0021]
In the solid-state imaging device according to the second aspect of the present invention, the signal charges are guided from the photoelectric conversion unit through the common projecting piece, and then distributed to both sides via the two charge transfer units on the left and right. Therefore, the conditions of the two signal paths thereafter can be made the same or close. Therefore, for example, the signal charge based on the background light component and the auxiliary light component is transferred to the first charge storage unit, the signal charge based on only the background light component is transferred to the second charge storage unit, and the difference between the first and second output units is determined. In this case, the elements other than the auxiliary light component are substantially the same, and the background light component is reliably canceled. Therefore, as described above, the characteristics of the distribution transfer type sensor, that is, the quality of the image formed by the output signal can be greatly improved.
[0022]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
The solid-state imaging device of the present embodiment includes a large number of pixels arranged one-dimensionally or two-dimensionally on a semiconductor substrate, but the solid-state imaging device has a feature in the configuration or structure of one pixel. This will be described in detail. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of one pixel circuit 10 of the solid-state imaging device of the present embodiment. In this figure, the light source conversion unit and the charge storage unit are mainly shown in a longitudinal sectional view, and the others are drawn as circuits.
[0024]
One pixel circuit 10 includes one photo gate (PG: Photo Gate) 11 that is a photoelectric conversion unit and a first charge storage unit that stores two signal charges generated in the photo gate 11. A second floating diffusion layer (FD: Floating Diffusion) 121, 122 and two for transferring the signal charge stored in the photogate 11 to the first and second floating diffusion layers 121, 122 at a predetermined timing. For amplifying the signal charges added and accumulated in the first and second floating diffusion layers 121 and 122 as first and second transfer gates (TG: Transfer Gate) 131 and 132 as a transfer section of FIG. First and second source follower amplifiers 141 and 142 as output units.
[0025]
In FIG. 1, the left component including the photogate 11 is a first unit [I] for processing a background light component and a modulated light component as described later. The right component is the second unit [II] for processing only the background light component. PX is a control signal for controlling whether or not to accumulate signal charges generated immediately below the photogate 11, and TX1 and TX2 are controls for controlling the opening and closing of the first and second transfer gates 131 and 132, respectively. A signal RST is a control signal for resetting the potentials of the first and second floating diffusion layers 121 and 122 to the power supply voltage Vdd, and X is a voltage based on charges accumulated in the first and second floating diffusion layers 121 and 122. This is a control signal for controlling whether or not to output via the first and second source follower amplifiers 141 and 142.
[0026]
Light that has been intensity-modulated at a predetermined cycle enters the photogates 11 in a number of pixels included in the solid-state imaging device. Specifically, for example, as described with reference to FIG. 8, the subject 200 is irradiated with the auxiliary light L2 that blinks at a predetermined cycle, and the light L2R or background light reflected by the subject 200 arrives at the solid-state imaging device. It should be assumed. In this case, the modulated light may be considered in two states of “present” or “absent”. In the first state, the modulated light component + the background light component is obtained, and in the second state, only the background light component is obtained.
[0027]
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the solid-state imaging device of the present embodiment. In the pixel circuit 10 having the above configuration, the circuit operates in synchronization with the intensity modulation of the modulated light, that is, the blinking cycle. In FIG. 2, CK is the modulation (flashing) cycle, and is turned off when CK = 0 and turned on when CK = 1. First, in the lighting period (the first state), the modulated light component + the background light component is incident on the photogate 11, and a signal charge corresponding to the received light intensity is generated immediately below the photogate 11. Immediately before the lighting period ends, TX1 is applied to open the first transfer gate 131, and the signal charge is transferred and accumulated in the first floating diffusion layer 121. On the other hand, during the light-off period, only the background light component is incident on the photogate 11, and a signal charge corresponding to the received light intensity is generated immediately below the photogate 11. Then, the second transfer gate 132 is opened by applying TX2 immediately before the end of the light-off period, and the signal charge is transferred from the photogate 11 to the second floating diffusion layer 122 and accumulated.
[0028]
By repeating the above operation many times in synchronization with the blinking period during one frame period, the first floating diffusion layer 121 receives signal charges corresponding to the modulated light component + background light component in the second floating diffusion layer 122. The signal charge corresponding to only the background light component is added and accumulated. Then, after one frame period ends, the respective accumulated charges are taken out as voltages through the first and second source follower amplifiers 141 and 142, and a difference voltage between the two output voltages is obtained by an external differentiator. Then, the background light component common to both output voltages is removed, and only the signal due to the modulated light component remains.
[0029]
However, in a general CMOS process, as illustrated in FIG. 1, a parasitic n between the photogate 11 and the first and second transfer gates 131 and 132. + A diffusion layer (hereinafter referred to as “parasitic diffusion layer”) 15 is formed. FIG. 3B shows the result of obtaining the potential shape at the time of charge transfer in a structural model as shown in FIG. 3A by using a device simulator in order to investigate the influence of the parasitic diffusion layer 15. The conditions at this time are Vdd = 3.5V, PX = 0V, TX2 = 0V, TX1 = 1.4V, and the signal charges accumulated in the photogate 11 are transferred to the first floating diffusion layer via the first transfer gate 131. It is assumed that the data is to be transferred to the C.121.
[0030]
As is apparent from FIG. 3B, a potential pocket is formed between the photogate 11 and the transfer gates 131 and 132 due to the influence of the parasitic diffusion layer 15. Therefore, when an attempt is made to transfer signal charges from the photogate 11 to the first floating diffusion layer 121 via the first transfer gate 131, some of the signal charges are trapped in this potential pocket, in other words, fill the potential pocket. Therefore, it is considered that the signal charge that can reach the first floating diffusion layer 121 is reduced by that amount.
[0031]
It is most preferable not to form the parasitic diffusion layer 15, but it is difficult to avoid the formation of the parasitic diffusion layer 15 when a general-purpose CMOS process is used. Therefore, in the solid-state imaging device of the present embodiment, in order to eliminate the potential pocket of the parasitic diffusion layer 15 or to make the bottom shallow even if it does not completely disappear, the parasitic diffusion layer 15 is used as a drain (or source) and reset. A MOS transistor 16 having a source (or drain) connected to the power supply line Vrs is provided, and a control signal NDRS is externally input to the gate terminal of the MOS transistor 16.
[0032]
Although the function of the MOS transistor 16 has not been completely elucidated, it is considered that the mechanism is substantially as follows.
[0033]
FIG. 4 is a conceptual diagram schematically showing a potential state change. Before starting to accumulate signal charges, a high-level control signal is applied to the photogate 11 as PX, and a depletion layer for accumulating signal charges is provided immediately below the photogate 11 as shown in FIG. Form. Thereafter, when light is applied to the photogate 11 and signal charges are generated and stored immediately below the photogate 11, the potential immediately below the photogate 11 increases as shown in FIG. 4C. At this time, when the control signal NDRS is applied to the gate terminal of the MOS transistor 16 to make the MOS transistor 16 conductive, the potential of the parasitic diffusion layer 15 is set to a value close to Vrs.
[0034]
After the signal charges are sufficiently accumulated immediately below the photogate 11, the control signal TX2 is applied to open the second transfer gate 132 in order to transfer the signal charges to the second floating diffusion layer 122. Then, the potential immediately below the second transfer gate 132 decreases, but at this time, since the potential of the parasitic diffusion layer 15 has been raised first, the potential pocket at that portion disappears or the bottom becomes shallow even if it does not disappear. . As a result, when the second transfer gate 132 is opened, the signal charge is not trapped in the potential pocket, or even if it is trapped, the signal charge is small. Therefore, signal charges flow smoothly from the photogate 11 to the second floating diffusion layer 122 and accumulate in the second floating diffusion layer 122.
[0035]
In order to verify the effect of the potential setting by the MOS transistor 16, the present inventors actually prototyped a pixel circuit and determined the relationship between the amount of modulated light and the differential output voltage depending on whether or not the potential was set via the MOS transistor 16. It was measured. The result is shown in FIG. In the case where the potential setting by the MOS transistor 16 is not performed (no NDRS in FIG. 5), that is, in the state where the deep bottom potential pocket is formed in the parasitic diffusion layer 15 as in the conventional case, the modulated light amount is small (the illuminance is low). Case), for example, at about 0.3 nW or less, almost no difference output voltage is obtained.
[0036]
On the other hand, when the gate voltage of the MOS transistor 16 is set to 1.0 V and Vrs (NDRS in FIG. 5) = 0.38 V (that is, when the gate-source voltage VGS = 0.62 V) ), A differential output voltage is obtained even at a low illuminance of 0.3 nW or less. This is because even when the illuminance is low, that is, even when the amount of signal charges generated in the photogate 11 is relatively small, it is possible to reach the floating diffusion layers 121 and 122 without being almost trapped in the potential pocket when transferring the signal charges. It is considered that the result was as follows. That is, by setting the potential of the parasitic diffusion layer 15 at an appropriate timing by the MOS transistor 16, an output signal can be obtained even for weak light, and the dynamic range is improved.
[0037]
Even when the potential is set by the MOS transistor 16, if the gate-source voltage VGS at that time is too high, that is, the gate voltage of the MOS transistor 16 is set to 1.0 V, and Vrs (NDRS in FIG. 5) = When the voltage is set to 0.34 V (that is, when VGS = 0.66 V), as shown in FIG. 5, a phenomenon that the differential output voltage decreases in a region where the modulated light amount is large is observed. In such a state, as shown in FIG. 4E, it has been experimentally confirmed that the potential of the second floating diffusion layer 122 has already risen (the voltage approaches 0 V) before the signal charge is transferred. It is clear. It can be inferred that this is because the charge injected to fill the potential pocket overflowed, flowed into the second floating diffusion layer 122, and raised the potential. When such a phenomenon occurs, the floating diffusion layers 121 and 122 are in a pre-biased state, and there is less room for receiving signal charges from the photogate 11 when the transfer gates 131 and 132 are opened. As a result, the difference output is greatly reduced. From this, it can be seen that although setting the potential of the parasitic diffusion layer 15 by the MOS transistor 16 has a great effect, it is desirable to set the potential appropriately. Although the specific potential depends on various conditions, it is generally considered that it is desirable to set the gate-source voltage VGS of the MOS transistor 16 to a voltage near the sub-threshold voltage of the transistor.
[0038]
FIG. 6 is a schematic diagram of a circuit pattern of one pixel in the solid-state imaging device of the present embodiment. As shown in the figure, the photogate 11 is substantially rectangular, but has a tongue-shaped projecting piece 11a substantially at the center of its long side, and the first and the first sides are located on both sides of the center line C of the projecting piece 11a. The second floating diffusion layers 121 and 122 are symmetrically arranged. Although the first and second transfer gates 131 and 132 are arranged so as to surround the first and second floating diffusion layers 121 and 122, the portion facing the center line C is substantially the most effective for charge transfer. Contribute. That is, when the signal charges stored immediately below the photogate 11 are transferred to the first or second floating diffusion layers 121 and 122, the signal charges mainly come out of the protruding pieces 11a and move from the periphery of the center line C to the floating diffusion layers. It flows into 121 and 122. The first and second source follower amplifiers 141 and 142 are disposed outside the floating diffusion layers 121 and 122.
[0039]
In this way, by arranging the first unit [I] and the second unit [II] substantially symmetrically on both sides of the center line C, the electrical characteristics of both units can be made uniform. Also, in transferring the signal charge to any of the first and second floating diffusion layers 121 and 122, the outflow position of the signal charge from the photogate 11 is almost the same. The electrical conditions are the same, and it is possible to reliably cancel the background light component when taking the difference between the two output voltages.
[0040]
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, a charge sweeping layer 17 is provided between the photogate 11 and the first and second floating diffusion layers 121 and 122. I have. Although not shown, a predetermined potential can be applied to the charge sweeping layer 17 from the outside. The function of the charge sweeping layer 17 is as follows.
[0041]
That is, a predetermined DC voltage is always applied to the charge sweeping layer 17 during the period in which the above-described photoelectric conversion operation is performed. Light incident on the photogate 11 and the electric charge accumulated in the depletion layer immediately below the photogate 11 are ideally charged by the first and second floating diffusion layers 121 unless the first and second transfer gates 131 and 132 are opened. , 122, but actually, even if the first and second transfer gates 131, 132 are closed, they gradually diffuse to the surroundings and accumulate in the first and second floating diffusion layers 121, 122. Will be done. Therefore, when a certain potential is applied to the charge sweeping layer 17, signal charges leaking from immediately below the photogate 11 are captured by the charge sweeping layer 17 and are discharged in the horizontal direction along the extending direction of the layer. That is, the charge sweeping layer functions as a kind of horizontal overflow drain, and can be prevented from flowing into the floating diffusion layers 121 and 122.
[0042]
FIGS. 7A and 7B are diagrams showing measurement results for verifying the effect of the charge sweeping layer 17, wherein FIG. 7A shows an output waveform when the charge sweeping layer 17 is provided, and FIG. 7B shows a case where the charge sweeping layer 17 is not provided. It is an output waveform in the case. Here, the background light component is substantially zero, and the modulated light component is accumulated only in the first floating diffusion layer 121. Therefore, the output voltage OUT2 on the second floating diffusion layer 122 side should be constant. However, in FIG. 7B, the output voltage OUT2 on the second floating diffusion layer 122 side also decreases. This is considered to be because a part of the signal charges stored in the photogate 11 when receiving the modulated light component leaks out and flows into the second floating diffusion layer 122 and is stored.
[0043]
On the other hand, in the output waveform in the case where the charge sweeping layer 17 is provided, the output voltage OUT2 to which the signal charge is not transferred hardly decreases, and the influence of the leak of the signal charge by the charge sweeping layer 17 is reduced. It can be seen that it has been removed. As a result, the influence of the leakage of the signal charge from the photogate 11 can be minimized, so that the potential of the floating diffusion layers 121 and 122 due to the leaked charge does not increase, and the dynamic range can be improved accordingly. It is valid.
[0044]
It should be noted that each of the above embodiments is merely an example, and it is apparent that modifications and modifications can be made as appropriate within the spirit of the invention. For example, although a photogate is used as the photoelectric conversion unit in the above embodiment, a photodiode or the like other than the photogate may be used as the photoelectric conversion unit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of one pixel circuit of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the solid-state imaging device according to the embodiment.
3A and 3B are diagrams illustrating a structural model (A) for simulating the solid-state imaging device according to the present embodiment and a simulation result of a potential shape during charge transfer (B).
FIG. 4 is a conceptual diagram schematically showing a potential state change in the solid-state imaging device according to the embodiment.
FIG. 5 is a graph showing measurement results showing the effect of setting the potential of a parasitic diffusion layer.
FIG. 6 is a schematic diagram of a circuit pattern of one pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment.
FIG. 7 is a graph showing measurement results showing the effect of a charge sweeping layer.
FIG. 8 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of an image photographing apparatus using an image sensor using the solid-state imaging device.
FIG. 9 is an operation explanatory diagram of the image photographing apparatus shown in FIG. 8;
[Explanation of symbols]
10 ... Pixel circuit
11 Photo gate
121, 122: floating diffusion layer
131, 132 ... transfer gate
141, 142: Source follower amplifier
15 Parasitic diffusion layer
16 ... MOS transistor
17 ... Charge sweeping layer

Claims (5)

光を受けて信号電荷を発生する光電変換部と、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、外部からの制御信号に応じて前記光電変換部から電荷蓄積部へと信号電荷を転送する電荷転送部と、前記電荷蓄積部の蓄積電荷に応じた電圧を出力する出力部と、を含んで1個の画素が構成され、該画素を複数備えた固体撮像素子において、
前記光電変換部と電荷転送部との間に形成される寄生的な拡散層に対して所定電圧を印加する電圧印加手段を備えることを特徴とする固体撮像素子。
A photoelectric conversion unit that receives light to generate a signal charge; a charge storage unit that stores the signal charge; and a charge transfer unit that transfers the signal charge from the photoelectric conversion unit to the charge storage unit in response to an external control signal. And an output unit that outputs a voltage corresponding to the charge stored in the charge storage unit, wherein one pixel is configured, and in a solid-state imaging device including a plurality of pixels,
A solid-state imaging device comprising: voltage applying means for applying a predetermined voltage to a parasitic diffusion layer formed between the photoelectric conversion unit and the charge transfer unit.
前記電圧印加手段は、オン動作により前記寄生的な拡散層と電圧供給部とを導通するスイッチ手段と、電荷転送前の適宜の時点で該スイッチ手段をオンさせる制御手段と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。The voltage applying unit includes a switch unit that conducts the parasitic diffusion layer and the voltage supply unit by an on operation, and a control unit that turns on the switch unit at an appropriate time before charge transfer. The solid-state imaging device according to claim 1. 前記電圧印加手段により印加される電圧は、電荷転送前における前記電荷蓄積部の電位に影響を及ぼさないような電圧であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像素子。The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the voltage applied by the voltage application unit is a voltage that does not affect the potential of the charge storage unit before charge transfer. 前記1個の画素にあっては、1個の光電変換部に対し2個の電荷転送部及び電荷蓄積部を有し、前記光電変換部と各電荷転送部との間の寄生的な拡散層に同一電圧を印加することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の固体撮像素子。The one pixel has two charge transfer units and two charge storage units for one photoelectric conversion unit, and a parasitic diffusion layer between the photoelectric conversion unit and each charge transfer unit. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the same voltage is applied to the solid-state imaging device. 1個の光電変換部と、第1、第2なる2個の電荷蓄積部と、前記光電変換部から第1及び第2電荷蓄積部へ電荷を選択的に転送するための第1、第2なる2個の電荷転送部と、前記第1、第2電荷蓄積部の蓄積電荷に応じた電圧を出力する第1、第2なる2個の出力部と、を含んで1個の画素が構成され、該画素を複数備えた固体撮像素子において、
前記画素を半導体基板上に形成した回路パターンにあって、前記光電変換部は或る1つの直辺部の略中央から突出した突出片部を有し、該突出片部の略中心線を挟んで両側に前記第1、第2電荷蓄積部を略対称に配置し、且つ、該第1、第2電荷蓄積部と前記光電変換部との間に、前記突出片部を挟んで両側に分離した電荷掃き出し層を形成して成ることを特徴とする固体撮像素子。
One photoelectric conversion unit, first and second charge storage units, and first and second charge transfer units for selectively transferring charges from the photoelectric conversion unit to the first and second charge storage units. One pixel includes two charge transfer units, and two first and second output units that output voltages according to the charges stored in the first and second charge storage units. In a solid-state imaging device having a plurality of the pixels,
In the circuit pattern in which the pixel is formed on a semiconductor substrate, the photoelectric conversion unit has a projecting piece projecting from substantially the center of a certain right side, and sandwiches a substantially center line of the projecting piece. And the first and second charge storage portions are disposed substantially symmetrically on both sides, and are separated on both sides with the protruding piece portion interposed between the first and second charge storage portions and the photoelectric conversion portion. A solid-state imaging device comprising a charge sweeping layer formed as described above.
JP2002215009A 2002-07-24 2002-07-24 Solid imaging device Pending JP2004056048A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002215009A JP2004056048A (en) 2002-07-24 2002-07-24 Solid imaging device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002215009A JP2004056048A (en) 2002-07-24 2002-07-24 Solid imaging device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004056048A true JP2004056048A (en) 2004-02-19

Family

ID=31937144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002215009A Pending JP2004056048A (en) 2002-07-24 2002-07-24 Solid imaging device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004056048A (en)

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007083704A1 (en) * 2006-01-18 2007-07-26 National University Corporation Shizuoka University Solid-state image pick-up device and pixel signal readout method
JP2008089346A (en) * 2006-09-29 2008-04-17 Brainvision Inc Solid-state imaging element
JP2008141737A (en) * 2006-11-07 2008-06-19 Nippon Signal Co Ltd:The Charge detector
JP2008252814A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 National Univ Corp Shizuoka Univ Solid-state imaging device and driving method thereof
JPWO2008023806A1 (en) * 2006-08-25 2010-01-14 京セラ株式会社 Sensitivity correction method and imaging apparatus
JP2010081609A (en) * 2008-09-25 2010-04-08 Samsung Electronics Co Ltd Solid image sensor
US7825970B2 (en) 2006-07-19 2010-11-02 Samsung Electronics Co., Ltd. CMOS image sensor and image sensing method using the same
JP2010267720A (en) * 2009-05-13 2010-11-25 Denso Corp Light receiving device and method of controlling the same
GB2477083A (en) * 2010-01-13 2011-07-27 Cmosis Nv Pixel structure with multiple transfer gates to improve dynamic range
KR101094246B1 (en) * 2009-03-16 2011-12-19 이재웅 Wide Dynamic Range CMOS Image Sensor
WO2012047057A2 (en) * 2010-10-08 2012-04-12 주식회사 지안 Cmos image sensor having wide dynamic range and image sensing method
EP2445008A1 (en) * 2008-08-11 2012-04-25 Honda Motor Co., Ltd. Imaging device and image forming method
US8345136B2 (en) 2007-07-31 2013-01-01 Samsung Electronics Co., Ltd. CMOS image sensor
JP2013031116A (en) * 2011-07-29 2013-02-07 National Univ Corp Shizuoka Univ Solid state imaging device and pixel
JP2013149743A (en) * 2012-01-18 2013-08-01 Canon Inc Imaging device and imaging system
JP2013211785A (en) * 2012-03-30 2013-10-10 Honda Motor Co Ltd Image generation device and image generation method
EP1760793B1 (en) * 2005-08-31 2014-09-10 E2V Technologies (UK) Limited Energy selective X-ray radiation sensor
US10879282B2 (en) 2017-06-29 2020-12-29 Canon Kabushiki Kaisha Imaging sensor, imaging system, and moving body
JPWO2020039531A1 (en) * 2018-08-23 2021-08-26 国立大学法人東北大学 Optical sensor and its signal reading method and optical area sensor and its signal reading method

Cited By (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1760793B1 (en) * 2005-08-31 2014-09-10 E2V Technologies (UK) Limited Energy selective X-ray radiation sensor
US8319166B2 (en) 2006-01-18 2012-11-27 National University Corporation Shizuoka University Solid-state image pick-up device and pixel signal readout method having dual potential well, dual transfer gate electrode and dual floating-diffusion region for separately transferring and storing charges respectively
JP4649623B2 (en) * 2006-01-18 2011-03-16 国立大学法人静岡大学 Solid-state imaging device and pixel signal reading method thereof
WO2007083704A1 (en) * 2006-01-18 2007-07-26 National University Corporation Shizuoka University Solid-state image pick-up device and pixel signal readout method
JPWO2007083704A1 (en) * 2006-01-18 2009-06-11 国立大学法人静岡大学 Solid-state imaging device and pixel signal reading method thereof
US7825970B2 (en) 2006-07-19 2010-11-02 Samsung Electronics Co., Ltd. CMOS image sensor and image sensing method using the same
JP4620780B2 (en) * 2006-08-25 2011-01-26 京セラ株式会社 Sensitivity correction method and imaging apparatus
JPWO2008023806A1 (en) * 2006-08-25 2010-01-14 京セラ株式会社 Sensitivity correction method and imaging apparatus
US8049796B2 (en) 2006-08-25 2011-11-01 Kyocera Corporation Method of correcting sensitivity and imaging apparatus
JP2008089346A (en) * 2006-09-29 2008-04-17 Brainvision Inc Solid-state imaging element
JP2008141737A (en) * 2006-11-07 2008-06-19 Nippon Signal Co Ltd:The Charge detector
JP2008252814A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 National Univ Corp Shizuoka Univ Solid-state imaging device and driving method thereof
JP4644825B2 (en) * 2007-03-30 2011-03-09 国立大学法人静岡大学 Solid-state imaging device and driving method thereof
US8345136B2 (en) 2007-07-31 2013-01-01 Samsung Electronics Co., Ltd. CMOS image sensor
EP2445008A1 (en) * 2008-08-11 2012-04-25 Honda Motor Co., Ltd. Imaging device and image forming method
US8860861B2 (en) 2008-08-11 2014-10-14 Honda Motor Co., Ltd. Pixel, pixel forming method, imaging device and imaging forming method
JP2010081609A (en) * 2008-09-25 2010-04-08 Samsung Electronics Co Ltd Solid image sensor
KR101094246B1 (en) * 2009-03-16 2011-12-19 이재웅 Wide Dynamic Range CMOS Image Sensor
JP2010267720A (en) * 2009-05-13 2010-11-25 Denso Corp Light receiving device and method of controlling the same
GB2477083A (en) * 2010-01-13 2011-07-27 Cmosis Nv Pixel structure with multiple transfer gates to improve dynamic range
US9001245B2 (en) 2010-01-13 2015-04-07 Cmosis Nv Pixel structure with multiple transfer gates
WO2012047057A3 (en) * 2010-10-08 2012-06-28 주식회사 지안 Cmos image sensor having wide dynamic range and image sensing method
KR101728713B1 (en) 2010-10-08 2017-04-21 (주) 지안 Wide Dynamic Range CMOS Image Sensor and Image Sensing Method
US9407828B2 (en) 2010-10-08 2016-08-02 Zeeann Co., Ltd. Wide dynamic range CMOS image sensor and image sensing method
WO2012047057A2 (en) * 2010-10-08 2012-04-12 주식회사 지안 Cmos image sensor having wide dynamic range and image sensing method
US9307171B2 (en) 2011-07-29 2016-04-05 National University Corporation Shizuoka University Solid state image pick-up device, and pixel
WO2013018623A1 (en) * 2011-07-29 2013-02-07 国立大学法人静岡大学 Solid state image pick-up device, and pixel
JP2013031116A (en) * 2011-07-29 2013-02-07 National Univ Corp Shizuoka Univ Solid state imaging device and pixel
JP2013149743A (en) * 2012-01-18 2013-08-01 Canon Inc Imaging device and imaging system
JP2013211785A (en) * 2012-03-30 2013-10-10 Honda Motor Co Ltd Image generation device and image generation method
US10879282B2 (en) 2017-06-29 2020-12-29 Canon Kabushiki Kaisha Imaging sensor, imaging system, and moving body
JPWO2020039531A1 (en) * 2018-08-23 2021-08-26 国立大学法人東北大学 Optical sensor and its signal reading method and optical area sensor and its signal reading method
JP7333562B2 (en) 2018-08-23 2023-08-25 国立大学法人東北大学 Optical sensor and its signal readout method and optical area sensor and its signal readout method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2004056048A (en) Solid imaging device
US10263032B2 (en) Photodiode with different electric potential regions for image sensors
CN102208424B (en) The manufacture method of solid camera head, solid camera head and electronic installation
CN102790864B (en) Solid camera head
TWI552601B (en) Exposure control for image sensors
US7342271B2 (en) CMOS image sensor providing uniform pixel exposure and method of fabricating same
CN101582979B (en) Drive method of solid-state imaging apparatus and solid-state imaging apparatus
US7956392B2 (en) Imaging element and imaging device
CN101981918B (en) Driving method for solid-state imaging apparatus, and imaging system
US7381936B2 (en) Self-calibrating anti-blooming circuit for CMOS image sensor having a spillover protection performance in response to a spillover condition
US6566697B1 (en) Pinned photodiode five transistor pixel
JP3827145B2 (en) Solid-state imaging device
CN101719992B (en) Image pickup method
JP2006311515A (en) Solid-state image-sensing device
US20100188541A1 (en) Solid-state image capturing device, method of driving solid-state image capturing device, and image capturing apparatus
JP2006050544A (en) Solid state imaging device and camera with the same
US8223240B2 (en) Image pickup device and image pickup apparatus
KR20080113398A (en) Method and apparatus for providing a rolling double reset timing for global storage in image sensors
CN101809744A (en) Method and apparatus providing shared pixel straight gate architecture
WO2016047474A1 (en) Solid state imaging device, and electronic device
CN104465689A (en) High-dynamic range image sensor pixel unit and preparation method thereof
JP7507152B2 (en) Solid-state imaging device, imaging device and imaging method
JP2016144135A (en) Photoelectric conversion device, imaging system, and method for driving photoelectric conversion device
KR20180011562A (en) Unit Pixel Apparatus and Operation Method Thereof
CN105991943A (en) Solid-state imaging device, method of driving the solid-state imaging device, and imaging system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050721

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080904

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080909

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20090120