JP2006121140A - Drive method of solid-state imaging apparatus, and imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a drive method of a solid-state imaging apparatus which realizes a CDS function capable of dividedly transferring photo electric charges from a photoelectric conversion section and reading a noise component in advance. <P>SOLUTION: The drive method of the solid-state imaging apparatus configured with the arrangement of a plurality of unit pixels each including: a storage well 2 for storing optically generated electric charges; a floating diffusion 8 to which the optically generated electric charges are transferred; an amplifier means for outputting an amplified pixel signal on the basis of the optically generated electric charges transferred to the floating diffusion 8; and a transfer control element 4 with an electric charge storage region 6 for controlling a potential barrier of a transfer path between the storage well 2 and the floating diffusion 8 and storing the optically generated electric charges, includes a first transfer step of the transfer control element 4 for controlling the potential barrier of the transfer path for all the pixels at the same time to dividedly transfer the optically generated electric charges stored in the storage well 2 to the electric charge storage region. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体撮像装置の駆動方法及び撮像装置に関する。   The present invention relates to a method for driving a solid-state imaging device and an imaging device.

従来より、携帯電話、デジタルカメラ等に搭載される固体撮像装置として、CMOS型のイメージセンサ(以下、CMOSセンサという)と、CCD(電荷結合素子)型のイメージセンサ(以下、CCDセンサという)と、がある。
CMOSセンサである固体撮像装置のいわゆるダイナミックレンジを拡大するために、CMOSセンサにおいて、光電変換部からの光電荷を例えば2回に分けてフローティングディフュージョンに転送し、例えば2系統に分けて信号を読み出すために出力するようにした技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
Conventionally, as a solid-state imaging device mounted on a mobile phone, a digital camera or the like, a CMOS type image sensor (hereinafter referred to as a CMOS sensor) and a CCD (charge coupled device) type image sensor (hereinafter referred to as a CCD sensor) There is.
In order to expand the so-called dynamic range of the solid-state imaging device which is a CMOS sensor, in the CMOS sensor, the photoelectric charge from the photoelectric conversion unit is transferred to the floating diffusion, for example, twice, and the signal is read, for example, divided into two systems. For this reason, a technique has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

しかし、この提案に係る技術によると、光電変換部からの光電荷を2回に分けて読み出すために、信号を読み出すための時間が長くなるという問題がある。そのため、そのような固体撮像装置においてノイズ低減のための相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling。以下、CDSという)を行うためには、回路を高速駆動させなければならないという課題がある。   However, according to the technique according to this proposal, there is a problem that it takes a long time to read out a signal because the photoelectric charge from the photoelectric conversion unit is read out twice. Therefore, in order to perform correlated double sampling (hereinafter referred to as CDS) for noise reduction in such a solid-state imaging device, there is a problem that the circuit must be driven at high speed.

さらに、その提案に係る技術によれば、出力系統が、信号の読み出し回数分だけ必要になるため、全体の回路規模が大きくなるという問題もある。
そこで、全体の回路規模が大きくすることがないように、光電変換部からの出力信号を1系統に出力するようにした技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。その提案に係る技術によれば、光電変換部からフローティングディフュージョン領域に光電荷を2回に分けて読み出し、フローティングディフュージョン領域に溜まった電荷が1系統で読み出される。
特開2001-17775号公報 特開2003-219277号公報
Further, according to the technique related to the proposal, since the output system is required for the number of times of signal reading, there is a problem that the entire circuit scale is increased.
Therefore, a technique has been proposed in which an output signal from the photoelectric conversion unit is output to one system so that the entire circuit scale is not increased (see, for example, Patent Document 2). According to the technique related to the proposal, the photoelectric charge is read from the photoelectric conversion unit into the floating diffusion region in two portions, and the charge accumulated in the floating diffusion region is read out in one system.
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-17775 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-219277

しかし、後者の提案に係る分割転送の技術の場合、1系統に信号を出力させることができるが、ノイズ成分読み出しが、フローティングディフュージョンに転送された信号電荷のリセット後に行われるため、ノイズ成分が、信号成分に含まれるノイズ成分とは相関しないという問題がある。もしもノイズ成分の先行読み出しのノイズ抑制機能を実現しようとすれば、周辺回路としてフレームメモリを設け、全画素の信号を保持するようにしなければならず、全体として回路規模が大きくなってしまうという課題がある。   However, in the case of the divided transfer technique according to the latter proposal, it is possible to output a signal to one system, but since the noise component readout is performed after resetting the signal charge transferred to the floating diffusion, the noise component is There is a problem that it does not correlate with the noise component included in the signal component. If a noise suppression function for pre-reading noise components is to be realized, a frame memory must be provided as a peripheral circuit to hold the signals of all pixels, resulting in an increase in the circuit scale as a whole. There is.

そこで、本発明は、光電変換部からの光電荷を分割転送でき、かつノイズ成分を先行して読み出すCDS機能を実現する固体撮像装置の駆動方法を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a driving method of a solid-state imaging device that realizes a CDS function that can divide and transfer photoelectric charges from a photoelectric conversion unit and read out a noise component in advance.

本発明の固体撮像装置の駆動方法は、入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された前記光発生電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、前記蓄積ウェルと前記フローティングディフュージョン領域との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ前記光発生電荷を保持する電荷保持領域を有する転送制御素子と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置の駆動方法であって、前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による前記光発生電荷を前記転送経路を介して前記電荷保持領域には流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる蓄積手順と、前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を分割して前記電荷保持領域に転送させる第1の転送手順と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流さない状態で前記フローティングディフュージョン領域の雑音成分を読み出すノイズ成分読み出し手順と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記電荷保持領域に蓄積された前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送させる第2の転送手順と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記フローティングディフュージョン領域から前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分読み出し手順と、を含む。   The solid-state imaging device driving method of the present invention includes an accumulation well for accumulating photogenerated charges generated by photoelectric conversion elements in response to incident light, a floating diffusion region to which the photogenerated charges are transferred, and the floating diffusion region. Amplifying means for outputting a pixel signal amplified on the basis of the photogenerated charge transferred to the light source, controlling a potential barrier of a transfer path between the storage well and the floating diffusion region, and generating the light A solid-state imaging device configured by arranging a plurality of unit pixels each including a transfer control element having a charge holding region for holding charge, wherein all the pixels are simultaneously transferred by the transfer control element. A potential barrier of the path is controlled, and the photo-generated charge by the photoelectric conversion element is transferred to the charge via the transfer path. An accumulation procedure for accumulating in the accumulation well while preventing it from flowing through the holding region, and simultaneously controlling the potential barrier of the transfer path by the transfer control element for all the pixels, and the light accumulated in the accumulation well A first transfer procedure in which the generated charge is divided and transferred to the charge holding region; and a potential barrier of the transfer path is controlled by the transfer control element so that the photogenerated charge does not flow to the floating diffusion region. A noise component reading procedure for reading a noise component in the floating diffusion region and a potential barrier of the transfer path are controlled by the transfer control element to transfer the photogenerated charge accumulated in the charge holding region to the floating diffusion region. A second transfer procedure and the transfer process by the transfer control element; By controlling the potential barrier including a signal component read procedure for outputting a pixel signal corresponding to the light-generated charge from the floating diffusion region in a state of being held to the light-generated electric charges in the modulation well.

このような構成によれば、光電変換部からの光電荷を分割転送でき、かつノイズ成分を先行して読み出すCDS機能を実現する固体撮像装置の駆動方法を実現することができる。   According to such a configuration, it is possible to realize a driving method of a solid-state imaging device that realizes a CDS function that can divide and transfer photoelectric charges from the photoelectric conversion unit and read out noise components in advance.

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法において、さらに、前記蓄積手順の前に、全画素をリセットするリセット手順を有することが望ましい。
このような構成によれば、固体撮像装置において、一括電子シャッター機能を実現することができる。
In the driving method of the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that a reset procedure for resetting all pixels is further included before the accumulation procedure.
According to such a configuration, the collective electronic shutter function can be realized in the solid-state imaging device.

本発明の撮像装置は、入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された前記光発生電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、前記蓄積ウェルと前記フローティングディフュージョン領域との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ前記光発生電荷を保持する電荷保持領域を有する転送制御素子と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置と、前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による前記光発生電荷を前記転送経路を介して前記電荷保持領域には流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる蓄積タイミング信号と、前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を分割して前記電荷保持領域に転送させる第1の転送タイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流さない状態で前記フローティングディフュージョン領域の雑音成分を読み出すノイズ成分読み出しタイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記電荷保持領域に蓄積された前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送させる第2の転送タイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記フローティングディフュージョン領域から前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分読み出しタイミング信号とを出力するタイミング制御回路と、を具備する。
このような構成によれば、光電変換部からの光電荷を分割転送でき、かつノイズ成分を先行して読み出すCDS機能を実現する撮像装置を実現することができる。
In the imaging device of the present invention, an accumulation well for accumulating photogenerated charges generated by photoelectric conversion elements in response to incident light, a floating diffusion region to which the photogenerated charges are transferred, and the floating diffusion region are transferred to the floating diffusion region Amplifying means for outputting a pixel signal amplified based on the photogenerated charge, a potential barrier of a transfer path between the storage well and the floating diffusion region, and holding the photogenerated charge A solid-state imaging device configured by arranging a plurality of unit pixels including a transfer control element having a charge holding region, and simultaneously controlling the potential barrier of the transfer path by the transfer control element for all the pixels, Do not let the photo-generated charge generated by the photoelectric conversion element flow to the charge holding region via the transfer path. The storage timing signal to be accumulated in the accumulation well and the potential barrier of the transfer path are simultaneously controlled by the transfer control element for all the pixels to divide the photogenerated charge accumulated in the accumulation well to A first transfer timing signal to be transferred to the charge holding region, and a noise component of the floating diffusion region in a state in which the transfer control element controls the potential barrier of the transfer path and does not flow the photogenerated charge to the floating diffusion region. And a second transfer timing for transferring the photogenerated charge accumulated in the charge holding region to the floating diffusion region by controlling the potential barrier of the transfer path by the transfer control element. Signal and the transfer control element A signal component readout timing signal for outputting a pixel signal corresponding to the photogenerated charge from the floating diffusion region while controlling the potential barrier of the transfer path and holding the photogenerated charge in the modulation well. A timing control circuit.
According to such a configuration, it is possible to realize an imaging apparatus that can divide and transfer photocharges from the photoelectric conversion unit and realize a CDS function that reads a noise component in advance.

また、本発明の撮像装置において、さらに、前記固体撮像装置は、前記蓄積ウェルにおいて過剰となった前記電荷を排出する排出手段を有することが望ましい。
このような構成によれば、光電変換部において発生した余剰電荷を排出することができる。
In the imaging device of the present invention, it is preferable that the solid-state imaging device further includes a discharging unit that discharges the excess charge in the accumulation well.
According to such a configuration, surplus charges generated in the photoelectric conversion unit can be discharged.

また、本発明の撮像装置において、前記増幅手段は、前記フローティングディフュージョン領域に保持された前記電荷によってチャネルの閾値電圧が制御され、前記電荷に応じた前記画素信号を出力する変調トランジスタを含むことが望ましい。
このような構成によれば、いわゆる基板変調型の固体撮像装置を用いた撮像装置において、光電変換部からの光電荷を分割転送でき、かつノイズ成分を先行して読み出すCDS機能を実現することができる。
In the imaging device of the present invention, the amplifying unit includes a modulation transistor that controls a channel threshold voltage by the charge held in the floating diffusion region and outputs the pixel signal corresponding to the charge. desirable.
According to such a configuration, in an image pickup apparatus using a so-called substrate modulation type solid-state image pickup apparatus, it is possible to realize a CDS function capable of dividing and transferring photocharges from the photoelectric conversion unit and reading out noise components in advance. it can.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
(第1の実施の形態)
以下、図面を参照して本発明の第1の実施の形態を詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係る固体撮像装置の平面形状を示す平面図である。図2は図1のA−A'線に沿った断面図である。ただし、配線及びその上層構造の断面は図示せず。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a planar shape of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. However, the cross section of the wiring and its upper layer structure is not shown.

本実施の形態の固体撮像装置は、図1に示すように、複数のセンサセルが基板平面上に2次元マトリックス状に配置されたセンサセルアレイを有している。図1において破線で示した範囲が、単位画素である1つのセンサセルCである。本実施の形態に係る固体撮像装置は、CMOS−APS(Active Pixel Sensor)型センサである。各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。センサセルをマトリクス状に配列することで1画面の画素信号が得られる。   As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device of the present embodiment has a sensor cell array in which a plurality of sensor cells are arranged in a two-dimensional matrix on a substrate plane. A range indicated by a broken line in FIG. 1 is one sensor cell C that is a unit pixel. The solid-state imaging device according to the present embodiment is a CMOS-APS (Active Pixel Sensor) type sensor. Each sensor cell accumulates photogenerated charges generated according to incident light and outputs a pixel signal at a level based on the accumulated photogenerated charges. A pixel signal of one screen can be obtained by arranging the sensor cells in a matrix.

本実施の形態に係る固体撮像装置は、CDS機能と一括電子シャッター機能の双方を達成するものである。図1は4つのセンサセルのみを示している。4つのセンサセルが、それぞれフォトダイオード形成領域PDを有している。各センサセルの構造は相互に同一である。なお、本実施の形態は光発生電荷として電子を用いる例を示している。光発生電荷として正孔を用いる場合でも同様に構成可能である。   The solid-state imaging device according to the present embodiment achieves both the CDS function and the collective electronic shutter function. FIG. 1 shows only four sensor cells. Each of the four sensor cells has a photodiode formation region PD. Each sensor cell has the same structure. Note that this embodiment shows an example in which electrons are used as photogenerated charges. Even when holes are used as the photo-generated charges, the same configuration can be adopted.

図2に示すように、固体撮像装置は、フォトダイオード形成領域PD、転送トランジスタ形成領域TT、リセットトランジスタ形成領域RSTを有し、さらに図2には示さないが、増幅トランジスタTA形成領域及び選択トランジスタTS形成領域を有する。   As shown in FIG. 2, the solid-state imaging device includes a photodiode formation region PD, a transfer transistor formation region TT, and a reset transistor formation region RST. Although not shown in FIG. 2, the amplification transistor TA formation region and the selection transistor Has a TS formation region.

リセットトランジスタ形成領域RSTには、フローティングディフュージョン8が形成されている。転送トランジスタ形成領域TT内には電荷保持領域TCPが形成されている。電荷保持領域TCPには、転送された光発生電荷を一時保持するための不純物領域、すなわち不純物層6が形成されている。   A floating diffusion 8 is formed in the reset transistor formation region RST. A charge holding region TCP is formed in the transfer transistor formation region TT. In the charge holding region TCP, an impurity region for temporarily holding the transferred photogenerated charge, that is, an impurity layer 6 is formed.

本実施の形態において、全画素一括して(すなわち全センサセルについて同時に)、かつ分割して複数回、ここでは2回に分けて各フォトダイオード形成領域PDに蓄積された光発生電荷を、各センサセルの電荷保持領域TCPに転送して不純物層6に一旦保持し、その後、選択ライン毎に電荷保持領域TCPからリセットトランジスタ形成領域RST内のフローティングディフュージョン8に転送する。   In the present embodiment, the photogenerated charges accumulated in each photodiode formation region PD are divided into a plurality of times, that is, divided into a plurality of times in this case, all at once for all pixels (that is, all sensor cells at the same time). Is transferred to the charge holding region TCP and temporarily held in the impurity layer 6, and then transferred from the charge holding region TCP to the floating diffusion 8 in the reset transistor formation region RST for each selected line.

図1と図2を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を、より詳細に説明する。なお、図2及びその説明中、N,Pの添え字の−,+はその数によって不純物濃度のより薄い部分(添え字−−)からより濃い部分(添え字++)の状態を示している。   The configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2. In FIG. 2 and the description thereof, the subscripts-and + of N and P indicate the state from the lighter portion (subscript-) to the darker portion (subscript ++) depending on the number. .

図2に示すように、センサセルは、P型半導体領域1a上に形成される。本実施の形態では、P型半導体領域はP型半導体基板であるがこれに限らず、半導体基板内にP型不純物領域を設けた形態でもよい。フォトダイオード形成領域PDには、P型基板1a上にN型不純物層2が形成されている。P型半導体領域1aとN型不純物層2とによりフォトダイオードが形成される。光電変換素子は、P型半導体領域1aとN型不純物層2とを含む。光電変換素子を構成するN型不純物層2は光発生電荷を蓄積する蓄積ウェル2として機能する。フォトダイオード形成領域PDの基板表面側には、基板1aに電気的に接続されたP型不純物層3が形成されている。この不純物層3は、ピニング層として機能する。フォトダイオード形成領域PDにおいては、基板表面に開口領域が形成され、蓄積ウェル2はこの開口領域の下方に形成されている。なお、図1に示すように、フォトダイオード形成領域PDは、基板表面に略L字状に形成される。   As shown in FIG. 2, the sensor cell is formed on the P-type semiconductor region 1a. In the present embodiment, the P-type semiconductor region is a P-type semiconductor substrate. However, the present invention is not limited to this, and a P-type impurity region may be provided in the semiconductor substrate. In the photodiode formation region PD, an N-type impurity layer 2 is formed on a P-type substrate 1a. A photodiode is formed by the P-type semiconductor region 1 a and the N-type impurity layer 2. The photoelectric conversion element includes a P-type semiconductor region 1 a and an N-type impurity layer 2. The N-type impurity layer 2 constituting the photoelectric conversion element functions as an accumulation well 2 for accumulating photogenerated charges. A P-type impurity layer 3 electrically connected to the substrate 1a is formed on the substrate surface side of the photodiode formation region PD. The impurity layer 3 functions as a pinning layer. In the photodiode formation region PD, an opening region is formed on the substrate surface, and the accumulation well 2 is formed below the opening region. As shown in FIG. 1, the photodiode formation region PD is formed in a substantially L shape on the substrate surface.

一方、リセットトランジスタ形成領域RSTのP型基板1a上には、基板表面に一対のN型の不純物層が形成されている。これらの一対の不純物層のうちフォトダイオード形成領域PD側の不純物層が不純物領域としてのフローティングディフュージョン8を構成し、他方の不純物層10は固定電位点、例えばVDDに接続される。   On the other hand, on the P-type substrate 1a in the reset transistor formation region RST, a pair of N-type impurity layers are formed on the substrate surface. Of these pair of impurity layers, the impurity layer on the photodiode formation region PD side forms a floating diffusion 8 as an impurity region, and the other impurity layer 10 is connected to a fixed potential point, for example, VDD.

リセットトランジスタ形成領域RSTの基板表面には、ゲート絶縁膜(図示省略)を介してリセットゲート(単にゲートともいう)9が形成されている。リセットゲート9下の基板表面にはチャネルが形成されるようになっている。リセットゲート9に端子を介して所定の電圧を印加することによって、チャネルを導通させ、フローティングディフュージョン8内の電荷を、他方の不純物層10を介して排出して、フローティングディフュージョン8の電位を初期化することができるようになっている。   A reset gate (also simply referred to as a gate) 9 is formed on the substrate surface of the reset transistor formation region RST via a gate insulating film (not shown). A channel is formed on the substrate surface under the reset gate 9. By applying a predetermined voltage to the reset gate 9 via a terminal, the channel is made conductive, the charge in the floating diffusion 8 is discharged through the other impurity layer 10, and the potential of the floating diffusion 8 is initialized. Can be done.

フォトダイオードの開口領域下方においては、不純物層3と蓄積ウェル2との境界面から空乏層が蓄積ウェル2の全体及びその周囲に広がっている。空乏層の領域において、開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。そして、発生した光発生電荷は蓄積ウェル2に収集される。   Below the opening region of the photodiode, a depletion layer extends from the boundary surface between the impurity layer 3 and the accumulation well 2 to the entire accumulation well 2 and its periphery. In the region of the depletion layer, photogenerated charges due to light incident through the opening region are generated. The generated photogenerated charges are collected in the accumulation well 2.

蓄積ウェル2に蓄積された電荷は、次に説明する転送トランジスタ形成領域TTを介してフローティングディフュージョン8に転送されて保持される。フローティングディフュージョン8は増幅トランジスタTA(後述)のゲートTAgに接続されている。増幅トランジスタTAのドレインは電源端子に接続されており、増幅トランジスタTAの出力は、フローティングディフュージョン8の電位、即ち、フォトダイオードとして機能するフォトダイオード形成領域PDへの入射光に応じたものとなる。   The charges accumulated in the accumulation well 2 are transferred to and held in the floating diffusion 8 via a transfer transistor formation region TT described below. The floating diffusion 8 is connected to a gate TAg of an amplification transistor TA (described later). The drain of the amplification transistor TA is connected to the power supply terminal, and the output of the amplification transistor TA corresponds to the potential of the floating diffusion 8, that is, the incident light to the photodiode formation region PD functioning as a photodiode.

転送トランジスタ形成領域TTについて説明する。転送トランジスタ形成領域TTは、図2に示すように、光発生電荷を一時保持するための電荷保持領域TCPを、基板1a内に有する。   The transfer transistor formation region TT will be described. As shown in FIG. 2, the transfer transistor formation region TT has a charge holding region TCP in the substrate 1a for temporarily holding photogenerated charges.

具体的には、1つのセンサセル内のフォトダイオード形成領域PDとリセットトランジスタ形成領域RSTとの間に、基板表面側において、転送トランジスタ領域TTが形成される。転送トランジスタ領域TTは、基板表面にチャネルが形成されるように、基板表面にゲート絶縁層5を介して転送ゲート4を有する。転送ゲート4の下方には、電荷保持領域TCPが設けられる。電荷保持領域TCPにおいて、基板表面近傍に不純物層6が形成されている。N型の不純物層6は、転送ゲート4と容量結合している。転送ゲート4には端子を介して転送パルスが供給される。   Specifically, the transfer transistor region TT is formed on the substrate surface side between the photodiode formation region PD and the reset transistor formation region RST in one sensor cell. The transfer transistor region TT has a transfer gate 4 via a gate insulating layer 5 on the substrate surface so that a channel is formed on the substrate surface. A charge holding region TCP is provided below the transfer gate 4. In the charge holding region TCP, an impurity layer 6 is formed in the vicinity of the substrate surface. The N-type impurity layer 6 is capacitively coupled to the transfer gate 4. A transfer pulse is supplied to the transfer gate 4 via a terminal.

不純物層6とリセットトランジスタ形成領域RSTのフローティングディフュージョン8との間には、不純物領域としてのN-不純物層7が形成されている。転送トランジスタ領域TTのチャネル、すなわち転送経路は、転送ゲート4の印加電圧によって制御される。これにより、転送ゲート4下の不純物層6とリセットトランジスタ下のフローティングディフュージョン8との間に形成される不純物層7の電位障壁を効果的に制御できるようになる。 An N impurity layer 7 as an impurity region is formed between the impurity layer 6 and the floating diffusion 8 in the reset transistor formation region RST. The channel of the transfer transistor region TT, that is, the transfer path is controlled by the voltage applied to the transfer gate 4. Thereby, the potential barrier of the impurity layer 7 formed between the impurity layer 6 under the transfer gate 4 and the floating diffusion 8 under the reset transistor can be effectively controlled.

図1に示すように、転送トランジスタ領域TTの転送ゲート4は、略L字状のフォトダイオード形成領域PDの一辺の端部に隣り合って略矩形形状に形成される。
本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域PDに隣り合って、フォトダイオード形成領域PDからオーバーフローした電荷(余剰電荷)を排出するためのオーバーフロードレイン領域OFDが形成されている。オーバーフロードレイン領域OFDには、基板表面に不純物領域としてのN型の不純物層12が形成され、不純物層12はリセットトランジスタ形成領域RSTの他方の不純物層10と共に、所定の固定電位点に接続されている。
As shown in FIG. 1, the transfer gate 4 in the transfer transistor region TT is formed in a substantially rectangular shape adjacent to the end of one side of the substantially L-shaped photodiode formation region PD.
In the present embodiment, an overflow drain region OFD is formed adjacent to the photodiode formation region PD for discharging charges overflowing from the photodiode formation region PD (excess charge). In the overflow drain region OFD, an N-type impurity layer 12 as an impurity region is formed on the substrate surface, and the impurity layer 12 is connected to a predetermined fixed potential point together with the other impurity layer 10 of the reset transistor formation region RST. Yes.

フォトダイオード形成領域PD内の蓄積ウェル2と不純物層12との間には、不純物領域としてのN-不純物層11が形成されている。転送トランジスタ形成領域TTにおける電位障壁を高く設定した期間においては、N-不純物層11による電位障壁は転送トランジスタ形成領域TTにおける電位障壁よりも低くなっている。これにより、N-不純物層11は、フォトダイオード形成領域PDからの余剰電荷を転送するための余剰電荷排出経路(以下、OFD経路ともいう)を構成し、フォトダイオード形成領域PDにおいて発生した余剰電荷をオーバーフロードレイン領域OFDに排出するようになっている。 An N impurity layer 11 as an impurity region is formed between the accumulation well 2 and the impurity layer 12 in the photodiode formation region PD. In a period in which the potential barrier in the transfer transistor formation region TT is set high, the potential barrier due to the N impurity layer 11 is lower than the potential barrier in the transfer transistor formation region TT. As a result, the N impurity layer 11 forms a surplus charge discharge path (hereinafter also referred to as an OFD path) for transferring surplus charges from the photodiode formation region PD, and the surplus charges generated in the photodiode formation region PD. Is discharged to the overflow drain region OFD.

即ち、転送トランジスタ形成領域TTに接していない蓄積ウェル2の縁辺の一部に隣り合って、N-不純物層11が形成されている。N-不純物層11は、蓄積ウェル2の他の縁辺部よりもポテンシャルが低く、フォトダイオード形成領域PDからの余剰電荷は、転送トランジスタ領域TTに流出することなく、オーバーフロードレイン領域OFDに流れるようになっている。 That is, the N impurity layer 11 is formed adjacent to a part of the edge of the storage well 2 not in contact with the transfer transistor formation region TT. The N impurity layer 11 has a lower potential than the other edge of the storage well 2 so that surplus charges from the photodiode formation region PD do not flow into the transfer transistor region TT but flow into the overflow drain region OFD. It has become.

図3は本実施の形態に係る固体撮像装置のセンサセルの等価回路を説明するための回路図である。センサセルCは、フォトダイオード形成領域PDにおいて実現されるフォトダイオードPdと、リセットトランジスタ形成領域RSTにおいて実現され、容量を構成するフローティングディフュージョン容量C2及びリセットトランジスタTRSと、電荷保持領域TCPを含む転送トランジスタ形成領域TTにおいて実現される転送蓄積部Tsと、増幅手段としての増幅トランジスタTAと選択トランジスタTSとを有している。転送蓄積部Tsは、転送トランジスタ形成領域TTに形成される転送制御素子であるトランジスタTrと、トランジスタTrの下に設けられた転送蓄積のための容量C1とを有している。容量C1は、上述した不純物層6における蓄積容量に相当する。   FIG. 3 is a circuit diagram for explaining an equivalent circuit of the sensor cell of the solid-state imaging device according to the present embodiment. The sensor cell C is formed in the photodiode formation region PD, the photodiode Pd realized in the reset transistor formation region RST, the floating diffusion capacitor C2 and the reset transistor TRS constituting the capacitance, and the transfer transistor formation including the charge holding region TCP. The transfer accumulation unit Ts realized in the region TT, an amplification transistor TA as an amplification unit, and a selection transistor TS are included. The transfer storage unit Ts includes a transistor Tr that is a transfer control element formed in the transfer transistor formation region TT and a capacitor C1 for transfer storage provided under the transistor Tr. The capacitor C1 corresponds to the storage capacitor in the impurity layer 6 described above.

リセットトランジスタTRSのゲート9にはリセット線15aが接続される。トランジスタTrの転送ゲート4は転送線15bが接続される。リセットトランジスタTRSのドレイン及び増幅トランジスタTAのドレインは、VDD線15cに接続されている。VDD線15cには、例えば3.3Vの電圧が印加されている。選択トランジスタTSのソースは、出力線15dに接続されている。この出力線15dは、CDS回路16に接続され、CDS回路16の出力信号は、水平走査回路17へ出力される。選択トランジスタTSのゲートTSgは、選択線15eに接続されている。   A reset line 15a is connected to the gate 9 of the reset transistor TRS. A transfer line 15b is connected to the transfer gate 4 of the transistor Tr. The drain of the reset transistor TRS and the drain of the amplification transistor TA are connected to the VDD line 15c. For example, a voltage of 3.3 V is applied to the VDD line 15c. The source of the selection transistor TS is connected to the output line 15d. The output line 15 d is connected to the CDS circuit 16, and the output signal of the CDS circuit 16 is output to the horizontal scanning circuit 17. The gate TSg of the selection transistor TS is connected to the selection line 15e.

光電変換を行うフォトダイオードPdで発生した電荷(光発生電荷)は、転送線15bに接続されたトランジスタTrの転送ゲート4を所定の第1の電圧になるように制御することで、容量C1に一時保持される。この容量C1への電荷の転送は、分割して、ここでは2回に分けて行われる。その後、トランジスタTrの転送ゲート4を所定の第2の電圧になるように制御することによって、容量C1に保持された電荷が、リセットトランジスタTRSのフローティングディフュージョン8に転送される。   The charge (photogenerated charge) generated in the photodiode Pd that performs photoelectric conversion is controlled in the capacitor C1 by controlling the transfer gate 4 of the transistor Tr connected to the transfer line 15b to a predetermined first voltage. Temporarily retained. The transfer of charge to the capacitor C1 is divided and performed here twice. Thereafter, the charge held in the capacitor C1 is transferred to the floating diffusion 8 of the reset transistor TRS by controlling the transfer gate 4 of the transistor Tr to have a predetermined second voltage.

リセットトランジスタTRSは、フローティングディフュージョン8に電荷が保持されることで、増幅トランジスタTAのゲート電位を変化させ、フローティングディフュージョン8内の電荷量に基づくゲート電位に応じた出力を増幅トランジスタTAから出力させる。こうして、増幅トランジスタTAの出力電圧VOは、フローティングディフュージョン8の電位に応じたもの、即ち、フォトダイオードPdへの入射光の明るさに対応したものとなる。増幅トランジスタTAの出力は選択トランジスタTSを介して出力線15dに出力される。   The reset transistor TRS changes the gate potential of the amplification transistor TA by holding the electric charge in the floating diffusion 8, and outputs an output corresponding to the gate potential based on the amount of charge in the floating diffusion 8 from the amplification transistor TA. Thus, the output voltage VO of the amplification transistor TA corresponds to the potential of the floating diffusion 8, that is, corresponds to the brightness of the incident light to the photodiode Pd. The output of the amplification transistor TA is output to the output line 15d via the selection transistor TS.

リセットトランジスタTRSのゲートに所定の電圧が印加されると、リセットトランジスタTRSが導通し、フローティングディフュージョン8に蓄積された電荷は固定電位点に流れる。これにより、フローティングディフュージョン8内の光発生電荷の排出(初期化)が行われて、フローティングディフュージョン8の電位は所定の初期値となる。   When a predetermined voltage is applied to the gate of the reset transistor TRS, the reset transistor TRS becomes conductive, and the charge accumulated in the floating diffusion 8 flows to a fixed potential point. Thereby, discharge (initialization) of the photogenerated charges in the floating diffusion 8 is performed, and the potential of the floating diffusion 8 becomes a predetermined initial value.

従って、所定のタイミングで所定の電圧を有する各種タイミング信号が、リセット線15a、転送線15b、及び選択線15eに供給されることによって、電荷の転送等の動作が行われる。   Accordingly, various timing signals having a predetermined voltage at a predetermined timing are supplied to the reset line 15a, the transfer line 15b, and the selection line 15e, whereby operations such as charge transfer are performed.

更に、図3には示していないが、フォトダイオードPdの一端にOFD用の抵抗が接続されている。このOFD用の抵抗は、OFD経路を構成するN-不純物層11に相当する。抵抗OFDの他端は、固定電位点に接続されている。これにより、フォトダイオード形成領域PDにおいて発生した余剰電荷を、抵抗OFDを介して排出することができる。 Further, although not shown in FIG. 3, an OFD resistor is connected to one end of the photodiode Pd. This OFD resistance corresponds to the N impurity layer 11 constituting the OFD path. The other end of the resistor OFD is connected to a fixed potential point. Thereby, surplus charges generated in the photodiode formation region PD can be discharged via the resistor OFD.

図4は、固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図である。図4は、上から、第1蓄積モード(M1)、第1一括転送モード(M2)、第2蓄積モード(M3)、第2一括転送モード(M4)、リセットモード(M5)、ノイズ成分読み出しモード(M6)、転送モード(M7)、及び信号成分読み出しモード(M8)におけるポテンシャルを示す。なお、図4においては、各モードにおけるポテンシャルの関係を光発生電荷である電子のポテンシャルが高くなる向きを正側にとって示す。図示しないタイミング制御回路から、転送線15b等に所定のタイミング信号が供給されることによって、固体撮像装置は各モード状態となる。   FIG. 4 is a potential diagram showing a potential state in each mode of the solid-state imaging device. FIG. 4 shows, from the top, the first accumulation mode (M1), the first batch transfer mode (M2), the second accumulation mode (M3), the second batch transfer mode (M4), the reset mode (M5), and the noise component readout. The potential in the mode (M6), the transfer mode (M7), and the signal component readout mode (M8) is shown. In FIG. 4, the potential relationship in each mode is shown with the positive direction being the direction in which the potential of an electron that is a photo-generated charge increases. When a predetermined timing signal is supplied from a timing control circuit (not shown) to the transfer line 15b or the like, the solid-state imaging device enters each mode state.

図4は、横軸に図2と同様に、図1のA−A'線に沿った位置をとり、縦軸に電子を基準にしたポテンシャルをとって、各位置のポテンシャルの関係を示している。図4の左側から右側に向かって、リセットトランジスタTRSの他の不純物層10、ゲート9、フローティングディフュージョン8、不純物層7,電荷保持領域TCPの不純物層6、転送ゲート4、蓄積ウェル2、OFD経路としての不純物層11及びオーバーフロードレイン領域OFDの不純物層12の位置の基板内のポテンシャルを示している。   In FIG. 4, the horizontal axis indicates the position along the line AA ′ in FIG. 1, and the vertical axis indicates the potential based on the electrons, and shows the potential relationship at each position. Yes. From the left side to the right side of FIG. 4, another impurity layer 10 of the reset transistor TRS, the gate 9, the floating diffusion 8, the impurity layer 7, the impurity layer 6 of the charge holding region TCP, the transfer gate 4, the storage well 2, and the OFD path The potential in the substrate at the position of the impurity layer 11 and the impurity layer 12 in the overflow drain region OFD is shown.

第1蓄積モード(M1)、すなわち初回蓄積モードのときは、転送トランジスタTrの転送ゲート4には、蓄積ウェル2と電荷保持領域6との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。OFD経路を構成する不純物層11のポテンシャルは、転送ゲート4の領域のポテンシャルよりも低い。これは、蓄積ウェル2から溢れた電荷がOFD領域の不純物層12へ排出するようにするためである。すなわち、蓄積手順として、全画素について同時に、転送トランジスタTrのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、光電変換素子による光発生電荷を少なくとも転送経路を介して電荷保持領域TCPの不純物層6には流さないようにしながら蓄積ウェル2に蓄積させる手順が行われる。   In the first accumulation mode (M1), that is, the initial accumulation mode, a voltage is applied to the transfer gate 4 of the transfer transistor Tr so that a high potential barrier is formed between the accumulation well 2 and the charge holding region 6. Applied. The potential of the impurity layer 11 constituting the OFD path is lower than the potential of the transfer gate 4 region. This is because the charges overflowing from the accumulation well 2 are discharged to the impurity layer 12 in the OFD region. That is, as an accumulation procedure, the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of the transfer transistor Tr at the same time for all the pixels, and the photo-generated charge by the photoelectric conversion element is at least transmitted through the impurity path 6 of the charge holding region TCP via the transfer path. The procedure of accumulating in the accumulation well 2 is performed while preventing the flow of the gas.

第1一括転送モード(M2)、すなわち初回の一括転送モードのときは、転送トランジスタTrの転送ゲート4には、蓄積ウェル2と不純物層6との間に、電位障壁が形成されないように高い、所定の電圧が印加される。このとき、不純物層6のポテンシャルは蓄積ウェル2よりも低いので、蓄積ウェル2に蓄積された電荷は、不純物層6へ流れ込む。すなわち、一括転送手順として、全画素について同時に、転送トランジスタTrのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル2に蓄積された光発生電荷を不純物層6に転送させる手順が行われる。   In the first batch transfer mode (M2), that is, the first batch transfer mode, the transfer gate Tr of the transfer transistor Tr is high so that no potential barrier is formed between the accumulation well 2 and the impurity layer 6. A predetermined voltage is applied. At this time, since the potential of the impurity layer 6 is lower than that of the accumulation well 2, the charge accumulated in the accumulation well 2 flows into the impurity layer 6. That is, as a batch transfer procedure, a procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the gate voltage of the transfer transistor Tr and transferring the photogenerated charges accumulated in the accumulation well 2 to the impurity layer 6 is performed simultaneously for all pixels. .

第2蓄積モード(M3)、すなわち2回目の蓄積モードのときは、第1蓄積モード(M1)と同様の動作が行われる。図4に示すように、蓄積手順として、全画素について同時に、転送トランジスタTrのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、光電変換素子による光発生電荷を少なくとも転送経路を介して電荷保持領域TCPの不純物層6には流さないようにしながら蓄積ウェル2に蓄積させる手順が行われる。   In the second accumulation mode (M3), that is, the second accumulation mode, an operation similar to that in the first accumulation mode (M1) is performed. As shown in FIG. 4, as the accumulation procedure, the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of the transfer transistor Tr simultaneously for all the pixels, and the photo-generated charge by the photoelectric conversion element is at least charged through the transfer path. A procedure for accumulating in the accumulation well 2 while not flowing in the impurity layer 6 of TCP is performed.

第2一括転送モード(M4)、すなわち2回目の一括転送モードのときは、第1一括転送モード(M2)と同様の動作が行われる。一括転送手順として、全画素について同時に、転送トランジスタTrのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル2に蓄積された光発生電荷を不純物層6に転送させる手順が行われる。その結果、図4に示すように、初回の転送と第2回目の転送の両方によって転送された電荷が不純物層6に蓄積される。
なお、ここでは、蓄積と一括転送を分割して2回行っているが、3回以上に分割して行ってもよい。
In the second batch transfer mode (M4), that is, the second batch transfer mode, the same operation as in the first batch transfer mode (M2) is performed. As a batch transfer procedure, a procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the gate voltage of the transfer transistor Tr and transferring the photogenerated charges accumulated in the accumulation well 2 to the impurity layer 6 is performed simultaneously for all the pixels. As a result, as shown in FIG. 4, the charges transferred by both the first transfer and the second transfer are accumulated in the impurity layer 6.
Here, accumulation and batch transfer are divided and performed twice, but may be performed three or more times.

リセットモード(M5)のときは、転送トランジスタTrの転送ゲート4には、蓄積ウェル2と不純物層6との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、不純物層6とフローティングディフュージョン8との間にも高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。これにより、不純物層6へ流れ込んだ電荷は、不純物層6に保持される。この状態で、後述するように、リセットが行われる。フローティングディフュージョン8には、暗電流等により、上述した蓄積、転送モード(M1からM4)の間に不要電荷が溜まるおそれがあるため、リセットモード(M5)では、フローティングディフュージョン8内の不要電荷が行われる。すなわち、リセットトランジスタTRSのゲート9に所定の電圧が印加され、リセットトランジスタRSTが導通し、フローティングディフュージョン8に蓄積された電荷は固定電位点に流れる。よって、フローティングディフュージョン8内の光発生電荷の排出が行われて、フローティングディフュージョン8内には、ノイズ成分以外は、電荷がないことになる。   In the reset mode (M5), a high potential barrier is formed between the accumulation well 2 and the impurity layer 6 in the transfer gate 4 of the transfer transistor Tr, and between the impurity layer 6 and the floating diffusion 8. In addition, a voltage is applied so that a high potential barrier is formed. Thereby, the charge flowing into the impurity layer 6 is held in the impurity layer 6. In this state, reset is performed as will be described later. The floating diffusion 8 may accumulate unnecessary charges during the above-described accumulation and transfer modes (M1 to M4) due to dark current or the like. Therefore, in the reset mode (M5), unnecessary charges in the floating diffusion 8 are transferred. Is called. That is, a predetermined voltage is applied to the gate 9 of the reset transistor TRS, the reset transistor RST becomes conductive, and the charge accumulated in the floating diffusion 8 flows to the fixed potential point. Therefore, the photogenerated charges in the floating diffusion 8 are discharged, and there are no charges in the floating diffusion 8 except for noise components.

ノイズ成分読み出しモード(M6)のときも、転送トランジスタTrの転送ゲート4には、蓄積ウェル2と不純物層6との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、不純物層6とフローティングディフュージョン8との間にも高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。この状態で、ノイズ成分の読み出しが行われる。すなわち、ノイズ成分変調手順として、転送トランジスタTrのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷をフローティングディフュージョン8に流さない状態でフローティングディフュージョン8の雑音成分を読み出す手順が行われる。フローティングディフュージョン8のノイズ成分を読み出す。これは、電荷が無い状態のフローティングディフュージョン8に応じて、増幅トランジスタTAのゲート電位を変化するので、増幅トランジスタTAの出力電圧VOは、フローティングディフュージョン8の電位の無い状態に応じたもの、即ち、ノイズ成分に対応したものとなる。ノイズ成分の信号は、増幅トランジスタTAの出力は選択トランジスタTSを介して出力線15dに出力される。   Also in the noise component readout mode (M6), a high potential barrier is formed between the accumulation well 2 and the impurity layer 6 in the transfer gate 4 of the transfer transistor Tr, and the impurity layer 6 and the floating diffusion 8 are A voltage is applied so that a high potential barrier is also formed between them. In this state, the noise component is read out. That is, as a noise component modulation procedure, a procedure is performed in which the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of the transfer transistor Tr, and the noise component of the floating diffusion 8 is read in a state where no photo-generated charge flows through the floating diffusion 8. The noise component of the floating diffusion 8 is read out. This changes the gate potential of the amplifying transistor TA in accordance with the floating diffusion 8 in a state where there is no charge, so that the output voltage VO of the amplifying transistor TA corresponds to the state in which the floating diffusion 8 has no potential. It corresponds to the noise component. As for the signal of the noise component, the output of the amplification transistor TA is output to the output line 15d via the selection transistor TS.

転送モード(M7)のときは、転送トランジスタTrの転送ゲート4には、不純物層6とフローティングディフュージョン8との間に、電位障壁が形成されないように高い、所定の電圧が印加される。このとき、不純物層6よりもフローティングディフュージョン8のポテンシャルは低いので、不純物層6に蓄積された電荷は、フローティングディフュージョン8へ流れ込む。すなわち、ライン毎の転送手順として、転送トランジスタTrのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、不純物層6に蓄積された光発生電荷をフローティングディフュージョン8に転送させる手順が行われる。   In the transfer mode (M7), a high predetermined voltage is applied to the transfer gate 4 of the transfer transistor Tr so as not to form a potential barrier between the impurity layer 6 and the floating diffusion 8. At this time, since the potential of the floating diffusion 8 is lower than that of the impurity layer 6, the charge accumulated in the impurity layer 6 flows into the floating diffusion 8. That is, as a transfer procedure for each line, a procedure is performed in which the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of the transfer transistor Tr and the photogenerated charges accumulated in the impurity layer 6 are transferred to the floating diffusion 8.

信号成分読み出しモード(M8)のときは、転送トランジスタTrの転送ゲート4には、不純物層6とフローティングディフュージョン8との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。これにより、フローティングディフュージョン8へ流れ込んだ電荷は、フローティングディフュージョン8に保持される。さらに、この状態で、後述するように、信号成分の読み出しが行われる。すなわち、信号成分変調手順として、転送トランジスタTrのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷をフローティングディフュージョン8に保持させた状態で光発生電荷に応じた画素信号を出力させる手順が行われる。   In the signal component readout mode (M8), a voltage is applied to the transfer gate 4 of the transfer transistor Tr so that a high potential barrier is formed between the impurity layer 6 and the floating diffusion 8. Thereby, the electric charge flowing into the floating diffusion 8 is held in the floating diffusion 8. Further, in this state, signal components are read out as described later. That is, as the signal component modulation procedure, there is a procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the gate voltage of the transfer transistor Tr and outputting a pixel signal corresponding to the photogenerated charge in a state where the photogenerated charge is held in the floating diffusion 8. Done.

次に、以上の構成に係る固体撮像装置において、CDS機能と一括電子シャッター機能を実現させる駆動方法を動作シーケンスに従って説明する。   Next, a driving method for realizing the CDS function and the collective electronic shutter function in the solid-state imaging device according to the above configuration will be described according to an operation sequence.

図5は本実施の形態の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。図5に示すように、1フレーム期間は、リセット期間R1、第1蓄積期間A1、第1(初回)一括転送期間T1、第2蓄積期間A2、第2一括転送期間T2、及び画素信号の読み出し期間Sの6つの期間を含む。   FIG. 5 is a timing chart showing a driving sequence of the solid-state imaging device according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, in one frame period, the reset period R1, the first accumulation period A1, the first (initial) batch transfer period T1, the second accumulation period A2, the second batch transfer period T2, and the reading of the pixel signal Six periods of period S are included.

リセット期間R1は、1フレームの開始時に全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時にリセットするための全セル同時リセット期間である。また、このリセット期間において行われるリセット動作は、全画素について、蓄積ウェル2、一時蓄積拡散領域である不純物層6及びフローティングディフュージョン8から、残存する電荷を排出させるための動作である。リセット動作後、各センサセルの蓄積ウェル2に対する電荷の蓄積が開始される。   The reset period R1 is an all-cell simultaneous reset period for simultaneously resetting all the pixels at the start of one frame, that is, all the sensor cells. The reset operation performed in this reset period is an operation for discharging remaining charges from the storage well 2, the impurity layer 6 as the temporary storage diffusion region, and the floating diffusion 8 for all pixels. After the reset operation, charge accumulation in the accumulation well 2 of each sensor cell is started.

リセット期間R1に続く蓄積期間A1は、各センサセルが蓄積モード(M1)となり、光を受けてフォトダイオード形成領域PDにおいて発生した光発生電荷を蓄積ウェル2に蓄積するための期間である。   The accumulation period A1 subsequent to the reset period R1 is a period for storing each photocell generated in the photodiode formation region PD in the accumulation well 2 by receiving light in the accumulation mode (M1).

蓄積期間A1に続く一括転送期間T1は、各センサセルが一括転送モード(M2)となり、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域PDに蓄積された電荷を、各センサセルの電荷保持領域TCPに転送する一括転送が行われる期間である。この一括転送期間における一括転送動作は、上述した転送トランジスタTrの転送ゲート4に所定の第1の電圧を同時に印加することによって行われる。   During the collective transfer period T1 following the accumulation period A1, each sensor cell is in the collective transfer mode (M2), and the charges accumulated in the respective photodiode formation regions PD are simultaneously collected for all the pixels, that is, for all the sensor cells. This is a period in which batch transfer for transferring to the charge holding region TCP is performed. The batch transfer operation in this batch transfer period is performed by simultaneously applying a predetermined first voltage to the transfer gate 4 of the transfer transistor Tr described above.

極めて強い光がフォトダイオード形成領域PDに入射することによって、蓄積期間及び一括転送期間においてオーバーフロー電荷が発生することがある。フォトダイオード形成領域PDからの余剰電荷は、OFD経路を構成するN-不純物層11を介してオーバーフロードレイン領域OFDに転送されて排出される。即ち、信号電荷(光発生電荷)が電荷保持領域TCP内に保持されると同時に、余剰電荷はオーバーフロードレイン領域OFDを介して排出される。 When extremely intense light is incident on the photodiode formation region PD, an overflow charge may be generated in the accumulation period and the batch transfer period. Excess charge from the photodiode formation region PD is transferred to the overflow drain region OFD through the N impurity layer 11 constituting the OFD path and discharged. That is, signal charges (photogenerated charges) are held in the charge holding region TCP, and at the same time, surplus charges are discharged through the overflow drain region OFD.

一括転送期間T1の後に、第2蓄積期間A2が続く。第2蓄積期間A2は、第1蓄積期間A1と同様に、光を受けてフォトダイオード形成領域PDにおいて発生した光発生電荷を蓄積ウェル2に蓄積するための期間である。   After the batch transfer period T1, a second accumulation period A2 follows. Similar to the first accumulation period A1, the second accumulation period A2 is a period for accumulating photogenerated charges generated in the photodiode formation region PD in the accumulation well 2 upon receiving light.

第2蓄積期間A2の後に、第2一括転送期間T2が続く。第2一括転送期間2は、第1一括転送期間T1と同様に、各センサセルが一括転送モードとなり、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域PDに蓄積された電荷を、各センサセルの電荷保持領域TCPに転送する一括転送が行われる期間である。   A second batch transfer period T2 follows the second accumulation period A2. In the second batch transfer period 2, as in the first batch transfer period T 1, each sensor cell enters the batch transfer mode, and the charges accumulated in each photodiode formation region PD are collectively transferred to all pixels, that is, all the sensor cells simultaneously. This is a period in which batch transfer for transferring to the charge holding region TCP of each sensor cell is performed.

ここまでで、電荷保持領域TCPに電荷が保持された状態となるので、図5に示すように、第2一括転送期間T2後の画素信号読み出し期間S1は、電荷保持領域TCPに保持された電荷を、選択ライン毎にリセットトランジスタ形成領域TRSのフローティングディフュージョン8へ転送する水平ブランキング期間を有する。すなわち、図5に示すように、画素信号読み出し期間においては、第1行目L1から最終行目Lnまでのnラインについて、水平ブランキング期間が順次すなわち時間的にずれて連続的に発生する。水平ブランキング期間は、図6に示すように、リセット期間とノイズ成分・信号成分読み出し期間を含む。   Up to this point, since the charge is held in the charge holding region TCP, as shown in FIG. 5, the pixel signal readout period S1 after the second batch transfer period T2 is the charge held in the charge holding region TCP. Is transferred to the floating diffusion 8 in the reset transistor formation region TRS for each selected line. That is, as shown in FIG. 5, in the pixel signal readout period, the horizontal blanking period occurs sequentially, that is, with a time lag, for the n lines from the first row L1 to the last row Ln. As shown in FIG. 6, the horizontal blanking period includes a reset period and a noise component / signal component readout period.

図6は水平ブランキング期間における、リセット、ノイズ成分読み出し、電荷転送、及び信号成分読み出しのタイミングを示すタイミングチャートである。
まず、リセット期間R3において、フローティングディフュージョン8内の電荷が排出されて、フローティングディフュージョン8の電位は初期値となっている。リセット期間R3に続いて、ノイズ及び信号成分読み出し期間S2が設けられている。
ノイズ成分読み出しのタイミングにおいて、まず、ノイズ成分が読み出される。続いて、電荷転送のタイミングにおいて、不純物層6からフローティングディフュージョン8に電荷が転送される。次に、信号成分読み出しタイミングにおいて、信号成分が読み出される。
FIG. 6 is a timing chart showing the timing of reset, noise component readout, charge transfer, and signal component readout in the horizontal blanking period.
First, in the reset period R3, the charge in the floating diffusion 8 is discharged, and the potential of the floating diffusion 8 has an initial value. Subsequent to the reset period R3, a noise and signal component readout period S2 is provided.
At the noise component readout timing, first, the noise component is read out. Subsequently, charges are transferred from the impurity layer 6 to the floating diffusion 8 at the timing of charge transfer. Next, the signal component is read at the signal component read timing.

従って、本実施の形態に係る固体撮像装置によれば、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルからの光発生電荷を、分割して転送トランジスタTr下の不純物層6へ転送するようにして、CMOSセンサのいわゆるダイナミックレンジが拡大されている。さらに、本実施の形態に係る固体撮像装置は、不純物層6の電荷を読み出す前に、フローティングディフュージョン8内のノイズ成分を読み出し、その後に、不純物層6からフローティングディフュージョン8へ電荷を転送し、信号成分を読み出すようにしたので、ノイズ先行読み出しによるCDS機能を実現している。さらに、本実施の形態に係る固体撮像装置は、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルからの光発生電荷を、分割して転送トランジスタTr下の不純物層6へ転送する前に、全画素についてリセットしてから光発生電荷の蓄積を行っているので、一括電子シャッター機能も実現している。   Therefore, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, the photo-generated charge from the accumulation well in the photodiode formation region is divided and transferred to the impurity layer 6 below the transfer transistor Tr, so that the CMOS sensor The so-called dynamic range has been expanded. Furthermore, the solid-state imaging device according to the present embodiment reads out the noise component in the floating diffusion 8 before reading out the charge in the impurity layer 6, and then transfers the charge from the impurity layer 6 to the floating diffusion 8. Since the component is read out, the CDS function by the noise advance reading is realized. Furthermore, the solid-state imaging device according to the present embodiment resets all pixels before dividing and transferring the photogenerated charges from the accumulation well in the photodiode formation region to the impurity layer 6 below the transfer transistor Tr. Since the photo-generated charges are accumulated from the above, a batch electronic shutter function is also realized.

従って、結果として、本実施の形態に係る固体撮像装置によれば、高画質の画像信号を得ることができる。   Therefore, as a result, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, a high-quality image signal can be obtained.

(第2の実施の形態)
まず、本発明の第2の実施の形態に係わる固体撮像装置の構成について説明する。図7は、本実施の形態に係わる固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図である。図8は、図7のA1−A1'線に沿った断面図である。ただし、配線及びその上層構造の断面は図示せず。
(Second Embodiment)
First, the configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a plan view showing a planar shape of the solid-state image sensor device according to the present embodiment. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line A1-A1 ′ of FIG. However, the cross section of the wiring and its upper layer structure is not shown.

図7に示すように、本実施の形態の固体撮像装置も、第1の実施の形態に係る固体撮像装置と同様に、複数のセンサセルが基板平面上に2次元マトリックス状に配置されたセンサセルアレイである。各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。センサセルをマトリクス状に配列することで1画面の画素信号が得られる。図7において、点線で示した範囲が、単位画素である1つのセンサセルCである。各センサセルは、フォトダイオード形成領域を有する。本実施の形態に係る固体撮像装置は、基板変調型センサである。図7では、その中で4つのセンサセルが示されている。4つのセンサセルが、それぞれフォトダイオード形成領域PDa、PDb、PDc、PDd(以下、本実施の形態においては、個々のフォトダイオード形成領域をPD1という)を有している。各センサセルの構造は同じであるので、以下の説明では、フォトダイオード形成領域PDaの部分について説明する。なお、本実施の形態は光発生電荷として電子を用いる例を示している。光発生電荷として正孔を用いる場合でも同様に構成可能である。   As shown in FIG. 7, the solid-state imaging device according to the present embodiment also has a sensor cell array in which a plurality of sensor cells are arranged in a two-dimensional matrix on the substrate plane, similarly to the solid-state imaging device according to the first embodiment. It is. Each sensor cell accumulates photogenerated charges generated according to incident light and outputs a pixel signal at a level based on the accumulated photogenerated charges. A pixel signal of one screen can be obtained by arranging the sensor cells in a matrix. In FIG. 7, a range indicated by a dotted line is one sensor cell C which is a unit pixel. Each sensor cell has a photodiode formation region. The solid-state imaging device according to the present embodiment is a substrate modulation type sensor. In FIG. 7, four sensor cells are shown therein. Each of the four sensor cells has photodiode formation regions PDa, PDb, PDc, and PDd (hereinafter, each photodiode formation region is referred to as PD1 in the present embodiment). Since the structure of each sensor cell is the same, in the following description, the photodiode forming region PDa will be described. Note that this embodiment shows an example in which electrons are used as photogenerated charges. Even when holes are used as the photo-generated charges, the same configuration can be adopted.

図8に示すように、フォトダイオード形成領域PD1に対応して変調トランジスタ形成領域TM1が設けられている。フォトダイオード形成領域PD1から変調トランジスタ形成領域TM1へ電荷を転送するための転送トランジスタ形成領域TT1が、それぞれフォトダイオード形成領域PD1と変調トランジスタ形成領域TM1間に設けられている。   As shown in FIG. 8, a modulation transistor formation region TM1 is provided corresponding to the photodiode formation region PD1. Transfer transistor formation regions TT1 for transferring charges from the photodiode formation region PD1 to the modulation transistor formation region TM1 are provided between the photodiode formation region PD1 and the modulation transistor formation region TM1, respectively.

本実施の形態では、転送トランジスタ形成領域TT1に、電荷を一時保持するための電荷保持領域としてのキャリアポケット領域TCP1を有する。本実施の形態では、全画素一括して(すなわち全センサセルについて同時に)、かつ分割して複数回、ここでは2回に分けて各フォトダイオード形成領域PD1に蓄積された電荷(光発生電荷)を、各センサセルのキャリアポケット領域TCP1に転送して一旦保持し、その後、選択ライン毎にキャリアポケット領域TCP1から変調トランジスタ形成領域TM1へ転送する。   In the present embodiment, the transfer transistor formation region TT1 has a carrier pocket region TCP1 as a charge holding region for temporarily holding charges. In the present embodiment, the charges (photogenerated charges) accumulated in each photodiode formation region PD1 are divided into all the pixels at once (that is, all sensor cells simultaneously) and divided into a plurality of times, here twice. Then, the data is transferred to the carrier pocket region TCP1 of each sensor cell and temporarily held, and then transferred from the carrier pocket region TCP1 to the modulation transistor formation region TM1 for each selected line.

図7と図8を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を、より詳細に説明する。図7に示すように、フォトダイオード形成領域PD1は、略矩形をしている。フォトダイオード形成領域PD1は、2次元マトリックスの縦方向に沿って設けられたソース線S及びドレイン線Dと、横方向に沿って設けられた転送ゲート線Tx及びゲート線Gとの間に形成されている。ゲート線Gは、横方向に直線状に設けられるが、略リング状のゲート105(後述する)の部分では、ゲート105の形状に沿って曲がって形成されている。   The configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. As shown in FIG. 7, the photodiode formation region PD1 has a substantially rectangular shape. The photodiode formation region PD1 is formed between the source line S and drain line D provided along the vertical direction of the two-dimensional matrix and the transfer gate line Tx and gate line G provided along the horizontal direction. ing. Although the gate line G is provided in a straight line in the lateral direction, the substantially ring-shaped gate 105 (described later) is bent along the shape of the gate 105.

図8に示すように、センサセルは、N型基板101a上に形成される。フォトダイオード形成領域PD1のN型基板101a上には、基板の深い位置にP-のP型ウェル2が形成されている。一方、変調トランジスタTM1形成領域のN型基板101a上には、基板の比較的浅い位置にP-のP型ウェル103が形成されている。なお、図8及びその説明中、N,Pの添え字の−,+はその数によって不純物濃度のより薄い部分(添え字−−)からより濃い部分(添え字++)の状態を示している。尚、本実施の形態は、電子を信号電荷とした場合であるが、正孔を信号電荷とした場合は、N型とP型の極性を逆にすることにより実現できる。 As shown in FIG. 8, the sensor cell is formed on an N-type substrate 101a. On the N-type substrate 101a in the photodiode formation region PD1, a P P-type well 2 is formed at a deep position of the substrate. On the other hand, on the N-type substrate 101a in the modulation transistor TM1 formation region, a P P-type well 103 is formed at a relatively shallow position of the substrate. In FIG. 8 and the description thereof, the subscripts-and + of N and P indicate the state from the lighter portion (subscript-) to the darker portion (subscript ++) depending on the number. . This embodiment is a case where electrons are used as signal charges, but when holes are used as signal charges, this can be realized by reversing the polarities of the N-type and P-type.

フォトダイオード形成領域PD1のP型ウェル102上には、略フォトダイオード形成領域PD1の略全面に渡ってN層が形成され、そのN層は蓄積ウェル104として機能する。フォトダイオード形成領域PD1の基板表面側には略全面に渡って、ピニング層として機能するP+不純物層108が形成されている。フォトダイオード形成領域PD1においては、基板101の表面に開口領域が形成され、その開口領域よりも広い領域のN型のウェルである蓄積ウェル104が形成されている。 On the P-type well 102 in the photodiode formation region PD1, an N layer is formed over substantially the entire surface of the photodiode formation region PD1, and the N layer functions as the storage well 104. A P + impurity layer 108 functioning as a pinning layer is formed on the substrate surface side of the photodiode formation region PD1 over substantially the entire surface. In the photodiode formation region PD1, an opening region is formed on the surface of the substrate 101, and an accumulation well 104 that is an N-type well in a region wider than the opening region is formed.

光電変換素子の機能を有するフォトダイオード形成領域PD1の下方の基板101上に形成されたP型ウェル102とN型の蓄積ウェル104との境界領域には空乏領域が形成され、この空乏領域において、フォトダイオード形成領域の光を受ける開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。その発生した光発生電荷は蓄積ウェル104に蓄積される。   A depletion region is formed in the boundary region between the P-type well 102 and the N-type accumulation well 104 formed on the substrate 101 below the photodiode formation region PD1 having the function of the photoelectric conversion element. In this depletion region, Photogenerated charges are generated by the light incident through the aperture region that receives light in the photodiode formation region. The generated photogenerated charge is accumulated in the accumulation well 104.

変調トランジスタ形成領域TM1に形成される増幅手段としての変調トランジスタTm1としては、例えば、PチャネルディプレッションMOSトランジスタが用いられる。変調トランジスタ形成領域TM1のP型ウェル103上には、基板101表面にゲート絶縁膜110を介して略リング状(図7では8角形)のゲート(以下、リングゲート又は単にゲートともいう)105が形成されている。リングゲート105下の基板表面にはチャネルを構成するP+不純物層111が形成される。リングゲート105の開口部分の中央の基板表面にはP++不純物層が形成されてソース領域(以下、単にソースともいう)112が形成されている。変調トランジスタ形成領域TM1のP型ウェル103上には、変調トランジスタを構成するリングゲート105の略外周形状に合わせてN層が形成され、そのN層が変調用ウェル106として機能する。この変調用ウェル106内には、リングゲート105のリング形状に沿って形成されたリング状の、N+拡散によるフローティングディフュージョン領域であるN型の高濃度領域のキャリアポケット107が形成されている
また、リングゲート105の周囲の基板表面にはP+不純物層が形成されてドレイン領域(以下、単にドレインともいう)113を構成する。チャネルを構成するP+不純物層111はソース領域112とドレイン領域113とに接続される。
For example, a P-channel depletion MOS transistor is used as the modulation transistor Tm1 as amplification means formed in the modulation transistor formation region TM1. On the P-type well 103 in the modulation transistor formation region TM1, a substantially ring-shaped (octagonal in FIG. 7) gate (hereinafter also referred to as a ring gate or simply a gate) 105 is formed on the surface of the substrate 101 via a gate insulating film 110. Is formed. A P + impurity layer 111 constituting a channel is formed on the substrate surface under the ring gate 105. A P ++ impurity layer is formed on the surface of the substrate at the center of the opening of the ring gate 105 to form a source region (hereinafter also simply referred to as a source) 112. An N layer is formed on the P-type well 103 in the modulation transistor formation region TM1 in accordance with the substantially outer peripheral shape of the ring gate 105 constituting the modulation transistor, and the N layer functions as the modulation well 106. In this modulation well 106, a ring-shaped carrier pocket 107 of an N type high concentration region which is a floating diffusion region by N + diffusion formed along the ring shape of the ring gate 105 is formed. A P + impurity layer is formed on the substrate surface around the ring gate 105 to form a drain region (hereinafter also simply referred to as a drain) 113. The P + impurity layer 111 constituting the channel is connected to the source region 112 and the drain region 113.

変調用ウェル106は変調トランジスタTm1のチャネルの閾値電圧を制御するものである。変調トランジスタTm1は、変調用ウェル106、リングゲート105、ソース領域112及びドレイン領域113によって構成されて、キャリアポケット107に蓄積された電荷に応じてチャネルの閾値電圧が変化するようになっている。   The modulation well 106 controls the threshold voltage of the channel of the modulation transistor Tm1. The modulation transistor Tm1 includes a modulation well 106, a ring gate 105, a source region 112, and a drain region 113, and the channel threshold voltage changes according to the charge accumulated in the carrier pocket 107.

また、図7に示すように、リングゲート105の所定位置には、基板101表面近傍にP+層のゲートコンタクト領域105aが形成される。ソース領域112の所定位置には、基板101表面近傍にP+層のソースコンタクト領域112aが形成される。ドレイン領域113の所定位置には、基板101表面近傍にP+層のドレインコンタクト領域113aが形成される。 Further, as shown in FIG. 7, a P + layer gate contact region 105 a is formed near the surface of the substrate 101 at a predetermined position of the ring gate 105. At a predetermined position of the source region 112, a P + layer source contact region 112a is formed in the vicinity of the substrate 101 surface. At a predetermined position of the drain region 113, a drain contact region 113a of a P + layer is formed in the vicinity of the surface of the substrate 101.

蓄積ウェル104に蓄積された電荷は、次に説明する転送トランジスタ形成領域TT1を介して変調用ウェル106に転送されてキャリアポケット107に保持される。変調トランジスタとして機能する変調トランジスタ形成領域TM1のソース電位は、変調用ウェル106に転送された電荷の量、即ち、フォトダイオードとして機能するフォトダイオード形成領域PD1への入射光に応じたものとなる。   The charges accumulated in the accumulation well 104 are transferred to the modulation well 106 via the transfer transistor formation region TT1 described below and held in the carrier pocket 107. The source potential of the modulation transistor formation region TM1 functioning as the modulation transistor is in accordance with the amount of charge transferred to the modulation well 106, that is, incident light to the photodiode formation region PD1 functioning as a photodiode.

蓄積ウェル104近傍の基板101表面には、高濃度N++型不純物層によってオーバーフロー電荷を含む不要電荷排出用の拡散領域(以下、OFD領域という)114が形成されている。蓄積ウェルの不要な過剰電荷を排出する排出手段としてのOFD領域114は、蓄積ウェル104に蓄積されずに該蓄積ウェル104からオーバーフローし、かつ、画素信号に寄与しない不要な電荷(以下、不要電荷という)を、基板へ排出するための領域である。 On the surface of the substrate 101 in the vicinity of the accumulation well 104, a diffusion region (hereinafter referred to as an OFD region) 114 for discharging unnecessary charges including overflow charges is formed by a high concentration N ++ type impurity layer. The OFD region 114 serving as a discharging means for discharging unnecessary excess charges from the accumulation well overflows from the accumulation well 104 without being accumulated in the accumulation well 104 and does not contribute to the pixel signal (hereinafter referred to as unnecessary charge). Is an area for discharging to the substrate.

転送トランジスタ形成領域TT1について説明する。転送トランジスタ形成領域TT1は、図8に示すように、電荷を一時保持するためのキャリアポケット領域TCP1を、基板内に有する。   The transfer transistor formation region TT1 will be described. As shown in FIG. 8, the transfer transistor formation region TT1 has a carrier pocket region TCP1 for temporarily holding charges in the substrate.

具体的には、1つのセンサセル内のフォトダイオード形成領域PD1と変調トランジスタ形成領域TM1との間に、基板表面側において、転送トランジスタ領域TT1が形成される。転送トランジスタ領域TT1は、基板表面にチャネルが形成されるように、基板表面にゲート絶縁膜121を介して転送ゲート122を有する。この転送トランジスタ領域TT1のチャネル、すなわち転送経路は、転送ゲート122の印加電圧及びP+不純物層125に与えられる電圧によって制御される。 Specifically, the transfer transistor region TT1 is formed on the substrate surface side between the photodiode formation region PD1 and the modulation transistor formation region TM1 in one sensor cell. The transfer transistor region TT1 has a transfer gate 122 on the substrate surface via a gate insulating film 121 so that a channel is formed on the substrate surface. The channel of the transfer transistor region TT1, that is, the transfer path, is controlled by the voltage applied to the transfer gate 122 and the voltage applied to the P + impurity layer 125.

転送ゲート122の下には、キャリアポケット領域TCP1が設けられる。キャリアポケット領域TCP1は、変調トランジスタ形成領域TM1のP型ウェル103上に、N層が形成され、そのN層は、転送用蓄積ウェル123として機能する。この転送用蓄積ウェル123内には、N+拡散による転送用キャリアポケット124が形成されている。 A carrier pocket region TCP1 is provided under the transfer gate 122. In the carrier pocket region TCP1, an N layer is formed on the P-type well 103 in the modulation transistor formation region TM1, and the N layer functions as a transfer accumulation well 123. In this transfer accumulation well 123, a transfer carrier pocket 124 is formed by N + diffusion.

また、転送ゲート122は、基板の表面側において形成され、基板を、基板の表面に対して直交する方向からみたときに一部が蓄積ウェル104の上を覆うように(図8の104aで示す)、表面にゲート絶縁膜121を介して設けられている。   Further, the transfer gate 122 is formed on the surface side of the substrate, and a part of the transfer gate 122 covers the accumulation well 104 when viewed from the direction orthogonal to the surface of the substrate (shown by 104a in FIG. 8). ), And is provided on the surface via a gate insulating film 121.

さらに、転送用蓄積ウェル123と変調トランジスタ形成領域TM1の間において、基板表面側には略全面に渡って、P+不純物層125が形成されている。そのP+不純物層125の下には、N型の不純物層126が形成されている。このP+不純物層125により、転送ゲート122下のキャリアポケット124と変調トランジスタ下のキャリアポケット107間でできる転送経路126の電位障壁を効果的に制御できるようになる。同時に不純物層126をP+不純物層125下に埋め込むことができるので、P+不純物層125は、ピニング層としての機能を発揮し、暗電流の発生を抑えることができる。 Further, between the transfer accumulation well 123 and the modulation transistor formation region TM1, a P + impurity layer 125 is formed over the entire surface of the substrate. Under the P + impurity layer 125, an N-type impurity layer 126 is formed. This P + impurity layer 125 makes it possible to effectively control the potential barrier of the transfer path 126 formed between the carrier pocket 124 under the transfer gate 122 and the carrier pocket 107 under the modulation transistor. Since at the same time can be embedded impurity layer 126 under P + impurity layer 125, P + impurity layer 125 may exhibit a function as a pinning layer, suppress the generation of dark current.

図7に示すように、転送トランジスタ領域TT1の転送ゲート122は、矩形のフォトダイオード形成領域PD1の一辺に沿った略矩形形状を有する。なお、本実施の形態では、図7に示すように、フォトダイオード形成領域PD1の1つの角の近傍にリングゲート105が設けられているので、転送トランジスタ領域TT1の転送ゲート122の、リングゲート105側の部分は、一部がリングゲートの形状に沿って切り取られた形状となっている。   As shown in FIG. 7, the transfer gate 122 of the transfer transistor region TT1 has a substantially rectangular shape along one side of the rectangular photodiode formation region PD1. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, since the ring gate 105 is provided in the vicinity of one corner of the photodiode formation region PD1, the ring gate 105 of the transfer gate 122 in the transfer transistor region TT1. The side portion has a shape that is partially cut off along the shape of the ring gate.

また、基板表面に対して直交する方向から見たときに、図7の転送ゲート122の内側に、キャリアポケット124(図7では図示せず)が形成されている。
さらに、図7に示すように、転送ゲート122の所定位置には、基板101表面近傍にP+層のゲートコンタクト領域122aが形成される。
なお、基板表面には図示しない層間絶縁膜を介して、上述した転送ゲート線Tx、ソース線S等の配線層が形成される。転送ゲート122、ソースコンタクト領域112a等は、層間絶縁膜に開孔したコンタクトホールによって配線層の各配線に電気的に接続される。各配線は例えばアルミニウム等の金属材料で構成される。
Further, when viewed from a direction perpendicular to the substrate surface, a carrier pocket 124 (not shown in FIG. 7) is formed inside the transfer gate 122 of FIG.
Further, as shown in FIG. 7, a P + layer gate contact region 122 a is formed near the surface of the substrate 101 at a predetermined position of the transfer gate 122.
Note that wiring layers such as the transfer gate line Tx and the source line S described above are formed on the substrate surface via an interlayer insulating film (not shown). The transfer gate 122, the source contact region 112a, and the like are electrically connected to each wiring in the wiring layer through a contact hole opened in the interlayer insulating film. Each wiring is made of a metal material such as aluminum.

図9は、本実施の形態に係る固体撮像装置のセンサセルの等価回路である。センサセルCは、フォトダイオード形成領域PD1において実現されるフォトダイオードPd1と、変調トランジスタ形成領域TM1において実現される変調トランジスタTm1と、転送トランジスタ形成領域TT1において実現される転送蓄積部Ts1とからなる。転送蓄積部Ts1は、領域TT1に形成される転送制御素子であるトランジスタTr1と、トランジスタTr1の下に設けられた容量C11とからなる。容量C11は、上述したキャリアポケット124に対応する電荷保持領域に対応する。   FIG. 9 is an equivalent circuit of the sensor cell of the solid-state imaging device according to the present embodiment. The sensor cell C includes a photodiode Pd1 realized in the photodiode formation region PD1, a modulation transistor Tm1 realized in the modulation transistor formation region TM1, and a transfer accumulation unit Ts1 realized in the transfer transistor formation region TT1. The transfer accumulation unit Ts1 includes a transistor Tr1 that is a transfer control element formed in the region TT1, and a capacitor C11 provided under the transistor Tr1. The capacitor C11 corresponds to the charge holding region corresponding to the carrier pocket 124 described above.

光電変換を行うフォトダイオードPd1で発生した電荷(光発生電荷)は、トランジスタTr1の転送ゲート122を所定の第1の電圧になるように制御することで、容量C11に一時保持される。その後、トランジスタTr1の転送ゲート122を所定の第2の電圧になるように制御することによって、容量C11に保持された電荷が、変調トランジスタTm1のキャリアポケット107に転送される。   The charge (photogenerated charge) generated in the photodiode Pd1 that performs photoelectric conversion is temporarily held in the capacitor C11 by controlling the transfer gate 122 of the transistor Tr1 to be a predetermined first voltage. Thereafter, the charge held in the capacitor C11 is transferred to the carrier pocket 107 of the modulation transistor Tm1 by controlling the transfer gate 122 of the transistor Tr1 to have a predetermined second voltage.

変調トランジスタTm1は、キャリアポケット107に電荷が保持されることでバックゲートバイアスが変化したことと等価となり、キャリアポケット107内の電荷量に応じてチャネルの閾値電圧が変化する。これにより、変調トランジスタTm1の出力電圧VO1は、キャリアポケット107内の電荷に応じたもの、即ち、フォトダイオードPd1への入射光の明るさに対応したものとなる。   The modulation transistor Tm1 is equivalent to a change in the back gate bias due to the charge held in the carrier pocket 107, and the channel threshold voltage changes according to the amount of charge in the carrier pocket 107. As a result, the output voltage VO1 of the modulation transistor Tm1 corresponds to the charge in the carrier pocket 107, that is, corresponds to the brightness of light incident on the photodiode Pd1.

さらに、図9においては、フォトダイオードPd1の一端に接続された可変抵抗OFD1が示されている。OFD領域114は、与えられる電位に対応してポテンシャルを変化させるために、可変抵抗OFD1により示されている。   Further, FIG. 9 shows a variable resistor OFD1 connected to one end of the photodiode Pd1. The OFD region 114 is indicated by a variable resistor OFD1 in order to change the potential corresponding to the applied potential.

図10は、固体撮像装置の各モードにおけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図である。図10は、上から、第1蓄積モード(M1)、第1一括転送モード(M2)、第2蓄積モード(M3)、第2一括転送モード(M4)、リセットモード(M5)、ノイズ成分読み出しモード(M6)、転送モード(M7)、及び信号成分読み出しモード(M8)におけるポテンシャルを示す。なお、図10においては、各モードにおけるポテンシャルの関係を電子のポテンシャルが高くなる向きを正側にとって示す。図示しないタイミング制御回路から、転送ゲート線Tx等に所定のタイミング信号が供給されることによって、固体撮像装置は各モード状態となる。   FIG. 10 is a potential diagram illustrating a potential state in each mode of the solid-state imaging device. FIG. 10 shows, from the top, the first accumulation mode (M1), the first batch transfer mode (M2), the second accumulation mode (M3), the second batch transfer mode (M4), the reset mode (M5), and the noise component readout. The potential in the mode (M6), the transfer mode (M7), and the signal component readout mode (M8) is shown. In FIG. 10, the potential relationship in each mode is shown with the direction in which the potential of the electron becomes higher on the positive side. When a predetermined timing signal is supplied from a timing control circuit (not shown) to the transfer gate line Tx and the like, the solid-state imaging device enters each mode state.

図10は、横軸に図8と同様に、図7のA1−A1'線に沿った位置をとり、縦軸にホールを基準にしたポテンシャルをとって、各位置のポテンシャルの関係を示している。図10の左側から右側に向かって、リングゲート105の一端側、ソース領域112、リングゲート105の他端側、転送トランジスタTr1の転送ゲート122、蓄積ウェル104、及びOFD領域114の位置の基板内のポテンシャルを示している。   In FIG. 10, the horizontal axis indicates the position along the line A1-A1 ′ in FIG. 7 and the vertical axis indicates the potential based on the hole, and shows the potential relationship at each position. Yes. From the left side to the right side of FIG. 10, one end side of the ring gate 105, the source region 112, the other end side of the ring gate 105, the transfer gate 122 of the transfer transistor Tr1, the storage well 104, and the OFD region 114 are within the substrate. Shows the potential.

蓄積モード(M1)のときは、転送トランジスタTr1の転送ゲート122には、蓄積ウェル104とキャリアポケット124との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。OFD領域114のポテンシャルは、転送ゲート122の領域のポテンシャルよりも低い。これは、蓄積ウェル104から溢れた電荷がOFD領域114へ排出するようにするためである。すなわち、蓄積手順として、全画素について同時に、転送トランジスタTrのゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、光電変換素子による光発生電荷を少なくとも転送経路を介してキャリアポケット124には流さないようにしながら蓄積ウェル104に蓄積させる手順が行われる。   In the accumulation mode (M1), a voltage is applied to the transfer gate 122 of the transfer transistor Tr1 so that a high potential barrier is formed between the accumulation well 104 and the carrier pocket 124. The potential of the OFD region 114 is lower than the potential of the transfer gate 122 region. This is because the electric charge overflowing from the accumulation well 104 is discharged to the OFD region 114. That is, as an accumulation procedure, the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of the transfer transistor Tr for all the pixels at the same time so that the photo-generated charges due to the photoelectric conversion elements do not flow into the carrier pocket 124 through at least the transfer path. The procedure for accumulating in the accumulation well 104 is performed.

第1一括転送モード(M2)、すなわち初回の一括転送モードのときは、転送トランジスタTr1の転送ゲート122には、蓄積ウェル104とキャリアポケット124との間に、電位障壁が形成されないように低い、所定の第1の電圧が印加される。このとき、キャリアポケット124のポテンシャルは蓄積ウェル104よりも低いので、蓄積ウェル104に蓄積された電荷は、キャリアポケット124へ流れ込む。すなわち、一括転送手順として、全画素について同時に、転送トランジスタTr1のゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル104に蓄積された光発生電荷をキャリアポケット124に転送させる手順が行われる。   In the first batch transfer mode (M2), that is, the first batch transfer mode, the transfer gate 122 of the transfer transistor Tr1 is low so that no potential barrier is formed between the storage well 104 and the carrier pocket 124. A predetermined first voltage is applied. At this time, since the potential of the carrier pocket 124 is lower than that of the accumulation well 104, the charge accumulated in the accumulation well 104 flows into the carrier pocket 124. That is, as a batch transfer procedure, a procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the gate voltage of the transfer transistor Tr1 and transferring the photogenerated charges accumulated in the accumulation well 104 to the carrier pocket 124 is performed simultaneously for all pixels. .

第2蓄積モード(M3)、すなわち2回目の蓄積モードのときは、第1蓄積モード(M1)と同様の動作が行われる。図10に示すように、蓄積手順として、全画素について同時に、転送トランジスタTr1のゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、光電変換素子による光発生電荷を少なくとも転送経路を介して電荷保持領域TCP1のキャリアポケット124には流さないようにしながら蓄積ウェル104に蓄積させる手順が行われる。   In the second accumulation mode (M3), that is, the second accumulation mode, an operation similar to that in the first accumulation mode (M1) is performed. As shown in FIG. 10, as an accumulation procedure, the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of the transfer transistor Tr1 at the same time for all the pixels, and the photo-generated charge by the photoelectric conversion element is at least charged through the transfer path. A procedure for accumulating in the accumulation well 104 while not flowing into the carrier pocket 124 of TCP1 is performed.

第2一括転送モード(M4)、すなわち2回目の一括転送モードのときは、第1一括転送モード(M2)と同様の動作が行われる。一括転送手順として、全画素について同時に、転送トランジスタTr1のゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、蓄積ウェル104に蓄積された光発生電荷をキャリアポケット124に転送させる手順が行われる。その結果、図10に示すように、初回の転送と第2回目の転送の両方によって転送された電荷がキャリアポケット124に蓄積される。
なお、ここでは、蓄積と一括転送をに2回に分割して行っているが、3回以上に分割して行ってもよい。
In the second batch transfer mode (M4), that is, the second batch transfer mode, the same operation as in the first batch transfer mode (M2) is performed. As a batch transfer procedure, a procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the gate voltage of the transfer transistor Tr1 and transferring the photogenerated charges accumulated in the accumulation well 104 to the carrier pocket 124 is performed simultaneously for all the pixels. As a result, as shown in FIG. 10, the charges transferred by both the first transfer and the second transfer are accumulated in the carrier pocket 124.
Here, the accumulation and batch transfer are divided into two, but may be divided into three or more.

リセットモード(M5)のときは、転送トランジスタTr1の転送ゲート122には、蓄積ウェル104とキャリアポケット124との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、キャリアポケット124とキャリアポケット107との間にも高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。これにより、キャリアポケット124へ流れ込んだ電荷は、キャリアポケット124に保持される。この状態で、後述するように、リセットが行われる。キャリアポケット107には、暗電流等により、上述した蓄積、転送モード(M1からM4)の間に不要電荷が溜まるおそれがあるため、リセットモード(M5)では、キャリアポケット107内の不要電荷が行われる。すなわち、転送ゲート122、リングゲート105、ドレイン113,ソース112に所定の電圧が印加され、キャリアポケット107に蓄積された電荷は固定電位点に流れる。よって、キャリアポケット107内の光発生電荷の排出が行われて、キャリアポケット107内には、ノイズ成分以外は、電荷がないことになる。   In the reset mode (M5), a high potential barrier is formed between the storage well 104 and the carrier pocket 124 in the transfer gate 122 of the transfer transistor Tr1, and between the carrier pocket 124 and the carrier pocket 107. In addition, a voltage is applied so that a high potential barrier is formed. Thereby, the electric charge flowing into the carrier pocket 124 is held in the carrier pocket 124. In this state, reset is performed as will be described later. The carrier pocket 107 may accumulate unnecessary charges during the above-described accumulation and transfer modes (M1 to M4) due to dark current or the like. Therefore, in the reset mode (M5), unnecessary charges in the carrier pocket 107 are transferred. Is called. That is, a predetermined voltage is applied to the transfer gate 122, the ring gate 105, the drain 113, and the source 112, and the charge accumulated in the carrier pocket 107 flows to a fixed potential point. Therefore, the photogenerated charges in the carrier pocket 107 are discharged, and there are no charges in the carrier pocket 107 except for noise components.

ノイズ成分読み出しモード(M6)のときも、転送トランジスタTr1の転送ゲート122には、蓄積ウェル104とキャリアポケット124との間に、高い電位障壁が形成され、かつ、キャリアポケット124とキャリアポケット107との間にも高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。この状態で、ノイズ成分の読み出しが行われる。すなわち、ノイズ成分変調手順として、転送トランジスタTr1のゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷をキャリアポケット107に流さない状態でキャリアポケット107の雑音成分を読み出す手順が行われる。   Even in the noise component readout mode (M6), a high potential barrier is formed between the storage well 104 and the carrier pocket 124 in the transfer gate 122 of the transfer transistor Tr1, and the carrier pocket 124, the carrier pocket 107, A voltage is applied so that a high potential barrier is also formed between them. In this state, the noise component is read out. That is, as a noise component modulation procedure, a procedure is performed in which the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage of the transfer transistor Tr1 and the noise component in the carrier pocket 107 is read in a state where photogenerated charges do not flow into the carrier pocket 107.

転送モード(M7)のときは、転送トランジスタTr1の転送ゲート122には、キャリアポケット124とキャリアポケット107との間に、電位障壁が形成されないように高い、所定の電圧が印加される。このとき、キャリアポケット124よりもキャリアポケット107のポテンシャルは低いので、キャリアポケット124に蓄積された電荷は、キャリアポケット107へ流れ込む。すなわち、ライン毎の転送手順として、転送トランジスタTr1のゲート電圧によって転送経路の電位障壁を制御して、キャリアポケット124に蓄積された光発生電荷をキャリアポケット107に転送させる手順が行われる。   In the transfer mode (M7), a high predetermined voltage is applied to the transfer gate 122 of the transfer transistor Tr1 so as not to form a potential barrier between the carrier pocket 124 and the carrier pocket 107. At this time, since the potential of the carrier pocket 107 is lower than that of the carrier pocket 124, the charge accumulated in the carrier pocket 124 flows into the carrier pocket 107. That is, as a transfer procedure for each line, a procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the gate voltage of the transfer transistor Tr1 and transferring the photogenerated charges accumulated in the carrier pocket 124 to the carrier pocket 107 is performed.

信号成分読み出しモード(M8)のときは、転送トランジスタTr1の転送ゲート122には、キャリアポケット124とキャリアポケット107との間に、高い電位障壁が形成されるように電圧が印加される。これにより、キャリアポケット107へ流れ込んだ電荷は、キャリアポケット107に保持される。さらに、この状態で、後述するように、信号成分の読み出しが行われる。すなわち、信号成分変調手順として、転送トランジスタTr1のゲート電圧とドレイン電圧によって転送経路の電位障壁を制御して光発生電荷を変調用ウェル106に保持させた状態でキャリアポケット107から光発生電荷に応じた画素信号を出力させる手順が行われる。   In the signal component read mode (M8), a voltage is applied to the transfer gate 122 of the transfer transistor Tr1 so that a high potential barrier is formed between the carrier pocket 124 and the carrier pocket 107. As a result, the electric charge flowing into the carrier pocket 107 is held in the carrier pocket 107. Further, in this state, signal components are read out as described later. That is, as a signal component modulation procedure, the potential barrier of the transfer path is controlled by the gate voltage and the drain voltage of the transfer transistor Tr1, and the photogenerated charge is held in the modulation well 106 according to the photogenerated charge from the carrier pocket 107. A procedure for outputting the obtained pixel signal is performed.

次に、以上の構成に係る固体撮像装置において、CDS機能と一括電子シャッター機能を実現させる駆動方法は、第1の実施の形態において説明した図5に示した動作シーケンスと同様である。すなわち、図5に示すように、1フレーム期間は、リセット期間R1、第1蓄積期間A1、第1(初回)一括転送期間T1、第2蓄積期間A2、第2一括転送期間T2、及び画素信号の読み出し期間Sの6つの期間を含む。   Next, in the solid-state imaging device according to the above configuration, the driving method for realizing the CDS function and the collective electronic shutter function is the same as the operation sequence shown in FIG. 5 described in the first embodiment. That is, as shown in FIG. 5, one frame period includes a reset period R1, a first accumulation period A1, a first (initial) batch transfer period T1, a second accumulation period A2, a second batch transfer period T2, and a pixel signal. The six reading periods S are included.

リセット期間R1は、1フレームの開始時に全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時にリセットするための全セル同時リセット期間である。また、このリセット期間において行われるリセット動作は、全画素について、蓄積ウェル104、一時蓄積拡散領域であるキャリアポケット124及びキャリアポケット107から、残存する電荷を排出させるための動作である。リセット動作後、各センサセルの蓄積ウェル104に対する電荷の蓄積が開始される。   The reset period R1 is an all-cell simultaneous reset period for simultaneously resetting all the pixels at the start of one frame, that is, all the sensor cells. The reset operation performed in the reset period is an operation for discharging remaining charges from the storage well 104, the carrier pocket 124 and the carrier pocket 107, which are temporary storage diffusion regions, for all pixels. After the reset operation, charge accumulation in the accumulation well 104 of each sensor cell is started.

リセット期間R1に続く蓄積期間A1は、各センサセルが蓄積モード(M1)となり、光を受けてフォトダイオード形成領域PD1において発生した光発生電荷を蓄積ウェル104に蓄積するための期間である。   The accumulation period A1 following the reset period R1 is a period for storing each photocell generated in the photodiode formation region PD1 in the accumulation well 104 by receiving light in the accumulation mode (M1).

蓄積期間A1に続く一括転送期間T1は、各センサセルが一括転送モード(M2)となり、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域PD1に蓄積された電荷を、各センサセルの電荷保持領域TCP1に転送する一括転送が行われる期間である。この一括転送期間における一括転送動作は、上述した転送トランジスタTr1の転送ゲート122に所定の第1の電圧を同時に印加することによって行われる。   During the collective transfer period T1 following the accumulation period A1, each sensor cell enters the collective transfer mode (M2), and the charges accumulated in the respective photodiode formation regions PD1 are simultaneously collected for all the pixels, that is, for all the sensor cells. This is a period in which batch transfer for transferring to the charge holding region TCP1 is performed. The batch transfer operation in this batch transfer period is performed by simultaneously applying a predetermined first voltage to the transfer gate 122 of the transfer transistor Tr1 described above.

極めて強い光がフォトダイオード形成領域PD1に入射することによって、蓄積期間及び一括転送期間においてオーバーフロー電荷が発生することがある。フォトダイオード形成領域PD1からの余剰電荷は、OFD1経路を構成するP不純物層11を介してオーバーフロードレイン領域OFD1に転送されて排出される。即ち、信号電荷(光発生電荷)が電荷保持領域TCP内に保持されると同時に、余剰電荷はオーバーフロードレイン領域OFD1を介して排出される。   When extremely intense light is incident on the photodiode formation region PD1, overflow charge may be generated in the accumulation period and the batch transfer period. Excess charge from the photodiode formation region PD1 is transferred to the overflow drain region OFD1 through the P impurity layer 11 constituting the OFD1 path and discharged. That is, signal charges (photogenerated charges) are held in the charge holding region TCP, and at the same time, surplus charges are discharged through the overflow drain region OFD1.

一括転送期間T1の後に、第2蓄積期間A2が続く。第2蓄積期間A2は、第1蓄積期間A1と同様に、光を受けてフォトダイオード形成領域PD1において発生した光発生電荷を蓄積ウェル104に蓄積するための期間である。   After the batch transfer period T1, a second accumulation period A2 follows. Similar to the first accumulation period A1, the second accumulation period A2 is a period for accumulating photogenerated charges generated in the photodiode formation region PD1 in the accumulation well 104 upon receiving light.

第2蓄積期間A2の後に、第2一括転送期間T2が続く。第2一括転送期間2は、第1一括転送期間T1と同様に、各センサセルが一括転送モードとなり、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域PD1に蓄積された電荷を、各センサセルの電荷保持領域TCP1に転送する一括転送が行われる期間である。   A second batch transfer period T2 follows the second accumulation period A2. In the second batch transfer period 2, as in the first batch transfer period T 1, each sensor cell is in the batch transfer mode, and the charges accumulated in each photodiode formation region PD 1 are collectively transferred to all the pixels, that is, all the sensor cells simultaneously. This is a period in which batch transfer for transferring to the charge holding region TCP1 of each sensor cell is performed.

ここまでで、電荷保持領域TCP1に電荷が保持された状態となるので、図5に示すように、第2一括転送期間T2後の画素信号読み出し期間S1は、電荷保持領域TCP1に保持された電荷を、選択ライン毎に変調トランジスタ形成領域TM1のキャリアポケット107へ転送する水平ブランキング期間を有する。すなわち、図5に示すように、画素信号読み出し期間においては、第1行目L1から最終行目Lnまでのnラインについて、水平ブランキング期間が順次すなわち時間的にずれて連続的に発生する。
水平ブランキング期間は、第1の実施の形態において説明した図6と同様であり、リセット期間とノイズ成分・信号成分読み出し期間を含む。すなわち、まず、リセット期間R3において、キャリアポケット107内の電荷が排出されて、キャリアポケット107の電位は初期値となっている。リセット期間R3に続くノイズ及び信号成分読み出し期間S2のノイズ成分読み出しのタイミングにおいて、まず、ノイズ成分が読み出される。続いて、電荷転送のタイミングにおいて、キャリアポケット124からキャリアポケット107に電荷が転送される。次に、信号成分読み出しタイミングにおいて、信号成分が読み出される。
Up to this point, since the charge is held in the charge holding region TCP1, as shown in FIG. 5, in the pixel signal readout period S1 after the second batch transfer period T2, the charge held in the charge holding region TCP1. Is transferred to the carrier pocket 107 in the modulation transistor formation region TM1 for each selected line. That is, as shown in FIG. 5, in the pixel signal readout period, the horizontal blanking period occurs sequentially, that is, with a time lag, for the n lines from the first row L1 to the last row Ln.
The horizontal blanking period is the same as that in FIG. 6 described in the first embodiment, and includes a reset period and a noise component / signal component readout period. That is, first, in the reset period R3, the charge in the carrier pocket 107 is discharged, and the potential of the carrier pocket 107 becomes the initial value. At the timing of the noise component readout in the noise and signal component readout period S2 following the reset period R3, the noise component is first read out. Subsequently, charges are transferred from the carrier pocket 124 to the carrier pocket 107 at the timing of charge transfer. Next, the signal component is read at the signal component read timing.

図11は、各セルの水平ブランキング期間における転送ゲート線Tx等に供給されるタイミング信号を説明するためのタイミングチャートである。水平ブランキング期間(H)は、選択ライン毎に発生する。図11は、一括転送期間(T2)と水平ブランキング期間(H)における、トランジスタTr1の転送ゲート122と、変調トランジスタTm1のゲート105、ソース112及びドレイン113に印加されるタイミング信号の波形を示す。   FIG. 11 is a timing chart for explaining timing signals supplied to the transfer gate line Tx and the like in the horizontal blanking period of each cell. The horizontal blanking period (H) occurs for each selected line. FIG. 11 shows waveforms of timing signals applied to the transfer gate 122 of the transistor Tr1, the gate 105, the source 112, and the drain 113 of the modulation transistor Tm1 in the batch transfer period (T2) and the horizontal blanking period (H). .

一括転送期間(T2)後、リセット期間(R3)においては、転送ゲート122、ゲート105、ドレイン113、及びソース112に所定の電圧が印加される。リセット期間(R3)におけるリセット動作によって、キャリアポケット107内の電荷が排出される。   After the batch transfer period (T2), a predetermined voltage is applied to the transfer gate 122, the gate 105, the drain 113, and the source 112 in the reset period (R3). The charge in the carrier pocket 107 is discharged by the reset operation in the reset period (R3).

ノイズ成分及び信号成分読み出し期間(S2)においては、まず、ノイズ成分を読み出すために、転送ゲート122、ゲート105、ドレイン113、及びソース112に所定の電圧が印加される(M6)。その後、転送ゲート122、ゲート105、ドレイン113、及びソース112に所定の電圧を印加することにより、キャリアポケット124からキャリアポケット107への電荷転送が行われる(M7)。   In the noise component and signal component readout period (S2), first, a predetermined voltage is applied to the transfer gate 122, the gate 105, the drain 113, and the source 112 in order to read out the noise component (M6). Thereafter, by applying predetermined voltages to the transfer gate 122, the gate 105, the drain 113, and the source 112, charge transfer from the carrier pocket 124 to the carrier pocket 107 is performed (M7).

次に、信号成分を読み出すために、転送ゲート122、ゲート105、ドレイン113、及びソース112に所定の電圧を印加することにより、キャリアポケット107の電荷量から信号成分が読み出される(M8)。   Next, in order to read the signal component, a predetermined voltage is applied to the transfer gate 122, the gate 105, the drain 113, and the source 112, whereby the signal component is read from the charge amount of the carrier pocket 107 (M8).

従って、本実施の形態に係る固体撮像装置によれば、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルからの光発生電荷を、分割して転送トランジスタTr1下のキャリアポケット124へ転送するようにして、基板変調型センサのいわゆるダイナミックレンジが拡大されている。さらに、本実施の形態に係る固体撮像装置は、キャリアポケット124の電荷を読み出す前に、キャリアポケット107内のノイズ成分を読み出し、その後に、キャリアポケット124からキャリアポケット107へ電荷を転送し、信号成分を読み出すようにしたので、ノイズ先行読み出しによるCDS機能を実現している。さらに、本実施の形態に係る固体撮像装置は、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルからの光発生電荷を、分割して転送トランジスタTr1下のキャリアポケット124へ転送する前に、全画素についてリセットしてから光発生電荷の蓄積を行っているので、一括電子シャッター機能も実現している。   Therefore, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, the photo-generated charges from the accumulation well in the photodiode formation region are divided and transferred to the carrier pocket 124 below the transfer transistor Tr1, so that the substrate modulation type The so-called dynamic range of the sensor has been expanded. Furthermore, the solid-state imaging device according to the present embodiment reads the noise component in the carrier pocket 107 before reading the charge in the carrier pocket 124, and then transfers the charge from the carrier pocket 124 to the carrier pocket 107, Since the component is read out, the CDS function by the noise advance reading is realized. Furthermore, the solid-state imaging device according to the present embodiment resets all pixels before dividing and transferring the photo-generated charges from the accumulation well in the photodiode formation region to the carrier pocket 124 below the transfer transistor Tr1. Since the photo-generated charges are accumulated from the above, a batch electronic shutter function is also realized.

最後に、上述した第1及び第2の実施の形態に係わる固体撮像装置を、デジタルカメラ等の撮像装置に用いた場合の構成を説明する。図12は、第1及び第2の実施の形態に係わる固体撮像装置を用いた撮像装置の構成例を示す部分構成図である。撮像装置51は、例えば、デジタルスチルカメラであり、ユーザの操作に応じて固体撮像装置であるセンサ52を動作させることによって、被写体の撮像を行う。センサ52への入力信号としては、上述した転送ゲート線Tx等に供給されるタイミング信号がある。そのタイミング信号は、タイミング制御回路53からセンサ52へ供給される。   Finally, the configuration when the solid-state imaging device according to the first and second embodiments described above is used in an imaging device such as a digital camera will be described. FIG. 12 is a partial configuration diagram illustrating a configuration example of an imaging device using the solid-state imaging device according to the first and second embodiments. The imaging device 51 is a digital still camera, for example, and performs imaging of a subject by operating a sensor 52 that is a solid-state imaging device in response to a user operation. As an input signal to the sensor 52, there is a timing signal supplied to the transfer gate line Tx and the like described above. The timing signal is supplied from the timing control circuit 53 to the sensor 52.

撮像装置51は、ユーザの操作に応じてシャッター制御信号等の各種制御信号、センサ52へのタイミング信号等を出力するための、ソフトウエアプログラム、回路等を含むシステムコントロール回路(図示せず)を有する。そのシステムコントロール回路からの制御信号に基づいて、タイミング制御回路53は、図5,図6、図10及び図11に示した各種信号を出力する。センサ52からの画素信号は、信号処理回路54へ供給され、ガンマ補正等の各種信号処理が行われる。信号処理回路54からの画像信号は、記録系、通信系の回路へ供給される。   The imaging device 51 includes a system control circuit (not shown) including a software program, a circuit, and the like for outputting various control signals such as a shutter control signal and a timing signal to the sensor 52 in accordance with a user operation. Have. Based on the control signal from the system control circuit, the timing control circuit 53 outputs various signals shown in FIG. 5, FIG. 6, FIG. 10 and FIG. The pixel signal from the sensor 52 is supplied to the signal processing circuit 54, and various signal processing such as gamma correction is performed. The image signal from the signal processing circuit 54 is supplied to recording and communication circuits.

従って、結果として、本実施の形態に係る固体撮像装置によれば、高画質の画像信号を得ることができる。   Therefore, as a result, according to the solid-state imaging device according to the present embodiment, a high-quality image signal can be obtained.

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明の第1の実施の形態に係わる固体撮像装置の平面形状を示す平面図。1 is a plan view showing a planar shape of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 図1のA−A'線に沿った断面図。Sectional drawing along the AA 'line of FIG. 第1の本実施の形態に係るセンサセルの等価回路を説明するための回路図。The circuit diagram for demonstrating the equivalent circuit of the sensor cell which concerns on 1st this Embodiment. 第1の本実施の形態におけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図。The potential diagram which shows the state of the potential in 1st this Embodiment. 固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャート。6 is a timing chart showing a driving sequence of the solid-state imaging device. 水平ブランキング期間における各タイミングを示すタイミングチャート。The timing chart which shows each timing in a horizontal blanking period. 第2の実施の形態に係わる固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図。The top view which shows the planar shape of the solid-state image sensor device concerning 2nd Embodiment. 図7のA1−A1'線に沿った断面図。Sectional drawing along the A1-A1 'line of FIG. 第2の本実施の形態に係る固体撮像装置のセンサセルの等価回路。The equivalent circuit of the sensor cell of the solid-state imaging device which concerns on 2nd this Embodiment. 第2の本実施の形態におけるポテンシャルの状態を示すポテンシャル図。The potential diagram which shows the state of the potential in 2nd this Embodiment. 水平ブランキング期間における各タイミングを示すタイミングチャート。The timing chart which shows each timing in a horizontal blanking period. 第1及び第2の実施の形態に係る固体撮像装置を用いた撮像装置の部分構成図。FIG. 3 is a partial configuration diagram of an imaging apparatus using a solid-state imaging apparatus according to the first and second embodiments.

符号の説明Explanation of symbols

1a,101a 基板、2,104 蓄積ウェル、3,10,11,12,108,111,125 不純物層、4,122 転送ゲート、5,110 ゲート絶縁膜、6 不純物領域、7 、8 フローティングディフュージョン、9 ゲート、15a リセット線、15b 転送線,15c VDD線、15d 出力線、15e 選択線、102 P型ウェル、103 P型ウェル、105 リングゲート、106 変調用ウェル、107 キャリアポケット、112 ソース領域、113 ドレイン領域、114 OFD、124 転送用キャリアポケット 1a, 101a substrate, 2,104 accumulation well, 3, 10, 11, 12, 108, 111, 125 impurity layer, 4,122 transfer gate, 5,110 gate insulating film, 6 impurity region, 7, 8 floating diffusion, 9 gate, 15a reset line, 15b transfer line, 15c VDD line, 15d output line, 15e select line, 102 P type well, 103 P type well, 105 ring gate, 106 modulation well, 107 carrier pocket, 112 source region, 113 drain region, 114 OFD, 124 carrier pocket for transfer

Claims (5)

入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された前記光発生電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、前記蓄積ウェルと前記フローティングディフュージョン領域との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ前記光発生電荷を保持する電荷保持領域を有する転送制御素子と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置の駆動方法であって、
前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による前記光発生電荷を前記転送経路を介して前記電荷保持領域には流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる蓄積手順と、
前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を分割して前記電荷保持領域に転送させる第1の転送手順と、
前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流さない状態で前記フローティングディフュージョン領域の雑音成分を読み出すノイズ成分読み出し手順と、
前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記電荷保持領域に蓄積された前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送させる第2の転送手順と、
前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記フローティングディフュージョン領域から前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分読み出し手順と、
を含む固体撮像装置の駆動方法。
Based on the accumulation well for accumulating the photogenerated charge generated by the photoelectric conversion element in response to the incident light, the floating diffusion region to which the photogenerated charge is transferred, and the photogenerated charge transferred to the floating diffusion region Transfer control having amplification means for outputting an amplified pixel signal, a charge holding region for controlling a potential barrier of a transfer path between the accumulation well and the floating diffusion region, and holding the photogenerated charge A solid-state imaging device driving method configured by arranging a plurality of unit pixels including an element,
At the same time for all the pixels, the transfer control element controls the potential barrier of the transfer path so that the photo-generated charge by the photoelectric conversion element does not flow to the charge holding region through the transfer path. An accumulation procedure for accumulating in the accumulation well;
A first transfer procedure for simultaneously controlling the potential barrier of the transfer path by the transfer control element to divide the photogenerated charge accumulated in the accumulation well and transfer it to the charge holding region for all the pixels simultaneously; ,
A noise component readout procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the transfer control element and reading the noise component of the floating diffusion region in a state where the photogenerated charge does not flow to the floating diffusion region;
A second transfer procedure for controlling the potential barrier of the transfer path by the transfer control element to transfer the photogenerated charge accumulated in the charge holding region to the floating diffusion region;
Signal component readout for outputting a pixel signal corresponding to the photogenerated charge from the floating diffusion region in a state where the photo control charge is held in the modulation well by controlling the potential barrier of the transfer path by the transfer control element. Procedure and
A method for driving a solid-state imaging device including:
さらに、前記蓄積手順の前に、全画素をリセットするリセット手順を有することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置の駆動方法。   The solid-state imaging device driving method according to claim 1, further comprising a reset procedure for resetting all pixels before the accumulation procedure. 入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷が転送されるフローティングディフュージョン領域と、該フローティングディフュージョン領域に転送された前記光発生電荷に基づいて増幅された画素信号を出力するための増幅手段と、前記蓄積ウェルと前記フローティングディフュージョン領域との間の転送経路の電位障壁を制御し、かつ前記光発生電荷を保持する電荷保持領域を有する転送制御素子と、を含む単位画素を、複数配列して構成された固体撮像装置と、
前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による前記光発生電荷を前記転送経路を介して前記電荷保持領域には流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる蓄積タイミング信号と、前記全画素について同時に、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積された前記光発生電荷を分割して前記電荷保持領域に転送させる第1の転送タイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に流さない状態で前記フローティングディフュージョン領域の雑音成分を読み出すノイズ成分読み出しタイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記電荷保持領域に蓄積された前記光発生電荷を前記フローティングディフュージョン領域に転送させる第2の転送タイミング信号と、前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記フローティングディフュージョン領域から前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分読み出しタイミング信号とを出力するタイミング制御回路と、を具備したことを特徴とする撮像装置。
Based on the accumulation well for accumulating the photogenerated charge generated by the photoelectric conversion element in response to the incident light, the floating diffusion region to which the photogenerated charge is transferred, and the photogenerated charge transferred to the floating diffusion region Transfer control having amplification means for outputting an amplified pixel signal, a charge holding region for controlling a potential barrier of a transfer path between the accumulation well and the floating diffusion region, and holding the photogenerated charge A solid-state imaging device configured by arranging a plurality of unit pixels including an element;
At the same time for all the pixels, the transfer control element controls the potential barrier of the transfer path so that the photo-generated charge by the photoelectric conversion element does not flow to the charge holding region through the transfer path. An accumulation timing signal to be accumulated in the accumulation well and a potential barrier of the transfer path are simultaneously controlled by the transfer control element for all the pixels to divide the photogenerated charge accumulated in the accumulation well to hold the charge The first transfer timing signal to be transferred to the region and the transfer control element control the potential barrier of the transfer path to read out the noise component of the floating diffusion region without flowing the photogenerated charge to the floating diffusion region By the noise component readout timing signal and the transfer control element A second transfer timing signal for controlling the potential barrier of the transfer path to transfer the photogenerated charge accumulated in the charge holding area to the floating diffusion area; and the potential barrier of the transfer path by the transfer control element. A timing control circuit that outputs a signal component readout timing signal for outputting a pixel signal corresponding to the photogenerated charge from the floating diffusion region in a state where the photogenerated charge is held in the modulation well by controlling An imaging apparatus comprising:
さらに、前記固体撮像装置は、前記蓄積ウェルにおいて過剰となった前記電荷を排出する排出手段を有することを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。   The image pickup apparatus according to claim 3, wherein the solid-state image pickup apparatus further includes a discharge unit that discharges the excess charge in the accumulation well. 前記増幅手段は、前記フローティングディフュージョン領域に保持された前記電荷によってチャネルの閾値電圧が制御され、前記電荷に応じた前記画素信号を出力する変調トランジスタを含むことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の撮像装置。

4. The amplifying unit includes a modulation transistor that controls a threshold voltage of a channel by the electric charge held in the floating diffusion region and outputs the pixel signal corresponding to the electric charge. 5. The imaging device according to 4.

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