JP2006216643A

JP2006216643A - Cmos image sensor

Info

Publication number: JP2006216643A
Application number: JP2005026032A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Shioura; 哲郎塩浦
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2006-08-17

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a CMOS image sensor wherein the degradation of characteristic due to pixel leak current can be prevented. <P>SOLUTION: A diode for offsetting leak current is connected to a photo diode with pn junction, so that the pn junction backward leak current of the photo diode can be offset and noise elements conversion be also be reduced as added to signal charge through photoelectric. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体基板に形成されたフォトダイオード及びＭＯＳトランジスタにより構成されるＣＭＯＳイメージセンサに関するものである。 The present invention relates to a CMOS image sensor including a photodiode and a MOS transistor formed on a semiconductor substrate.

光電変換された信号電荷をＭＯＳトランジスタによって読み出すＣＭＯＳイメージセンサでは、一般的に光電変換素子として半導体のＰＮ接合からなるＰＮ接合フォトダイオードを用い、前記ＰＮ接合フォトダイオードで蓄積した信号電荷をリセットする回路、及び前記信号電荷を転送し前記信号電荷を増幅する回路をＭＯＳトランジスタにより構成する。 In a CMOS image sensor that reads out a photoelectrically converted signal charge by a MOS transistor, a circuit that generally uses a PN junction photodiode made of a semiconductor PN junction as a photoelectric conversion element and resets the signal charge accumulated in the PN junction photodiode. And a circuit for transferring the signal charge and amplifying the signal charge is constituted by a MOS transistor.

図２は、従来のＣＭＯＳイメージセンサの画素部の等価回路図である（例えば、特許文献１参照。）。図２において、ＰＮ接合を用いたフォトダイオード１のカソードに、フォトダイオード１を適当な電圧にリセットするためのリセット用ＭＯＳトランジスタ３と、フォトダイオード１で蓄積された光電荷を増幅するための増幅用ＭＯＳトランジスタ４が結線されている。リセット用ＮＭＯＳトランジスタ３をオンし、フォトダイオード１が十分にリセット電圧となるリセット動作と、リセット用ＮＭＯＳトランジスタ３をオフし、一定期間中フォトダイオード１にて光信号から変換された信号電荷を蓄積させる蓄積動作と、フォトダイオード１のカソードに蓄積された信号電荷を、増幅用ＭＯＳトランジスタ４を介して、増幅して読み出す読み出し動作で、連続的に光情報を読み取ることが出来る構成になっている。この時、フォトダイオード１のカソードに蓄積された信号電荷は、フォトダイオード１のＰＮ接合を通して流れる逆方向リーク電流Irにより幾分かは流出する。特許文献１においては、リセット電圧を下げ、フォトダイオード１の逆バイアス電圧を下げることによって、逆方向リーク電流Irを減らす構成が開示されている。
特開２０００−２４４８１８号公報 FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a pixel portion of a conventional CMOS image sensor (see, for example, Patent Document 1). In FIG. 2, a reset MOS transistor 3 for resetting the photodiode 1 to an appropriate voltage at the cathode of the photodiode 1 using a PN junction, and an amplification for amplifying the photocharge accumulated in the photodiode 1 The MOS transistor 4 is connected. The reset NMOS transistor 3 is turned on to reset the photodiode 1 to a sufficient reset voltage, and the reset NMOS transistor 3 is turned off, and the signal charge converted from the optical signal is accumulated in the photodiode 1 for a certain period. The optical information can be read continuously by the accumulating operation and the read operation of amplifying and reading out the signal charge accumulated at the cathode of the photodiode 1 through the amplification MOS transistor 4. . At this time, some of the signal charge accumulated at the cathode of the photodiode 1 flows out due to the reverse leakage current Ir flowing through the PN junction of the photodiode 1. Patent Document 1 discloses a configuration in which the reverse leakage current Ir is reduced by lowering the reset voltage and lowering the reverse bias voltage of the photodiode 1.
JP 2000-244818 A

図２に示す回路では、上記リセット動作においてＰＮ接合フォトダイオード１を逆バイアスにリセットすることが必要である。従って、リセット用ＭＯＳトランジスタ３をオフした信号電荷の蓄積動作中は、フォトダイオード１は逆バイアスとなる。逆バイアスにおける半導体のＰＮ接合には、少数キャリアの拡散電流及び欠陥等による生成電流による逆方向リーク電流Irが存在するため、フォトダイオード１に蓄積される信号電荷は、光電変換された信号電荷にフォトダイオード１の逆方向リーク電流による電荷が加算されたものとなる。前記のリーク電流Irによる電荷は、ノイズ成分となるので画像読み取り性能を低下させる問題がある。 In the circuit shown in FIG. 2, it is necessary to reset the PN junction photodiode 1 to the reverse bias in the reset operation. Therefore, during the signal charge accumulation operation with the reset MOS transistor 3 turned off, the photodiode 1 is reverse-biased. Since a reverse leakage current Ir due to a minority carrier diffusion current and a current generated by a defect or the like exists in a PN junction of a semiconductor in reverse bias, the signal charge accumulated in the photodiode 1 is converted to a photoelectrically converted signal charge. The charge due to the reverse leakage current of the photodiode 1 is added. Since the charge due to the leakage current Ir becomes a noise component, there is a problem that the image reading performance is deteriorated.

本発明は、前記課題を解決するために、第１導電型の半導体基板に第２導電型の不純物を導入して形成されたフォトダイオード１を有するＣＭＯＳイメージセンサにおいて、フォトダイオード１を構成する第２導電型の不純物領域とは連続しない第２導電型の不純物領域内に、第１導電型の不純物を導入して、フォトダイオード１の逆方向リーク電流を相殺するＰＮ接合ダイオード２を形成し、前記フォトダイオード１の第２導電型の不純物領域と前記リーク電流相殺用ＰＮ接合ダイオード２の第１導電型の不純物領域を接続する。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a CMOS image sensor having a photodiode 1 formed by introducing a second conductivity type impurity into a first conductivity type semiconductor substrate. Introducing a first conductivity type impurity into a second conductivity type impurity region that is not continuous with the two conductivity type impurity region to form a PN junction diode 2 that cancels the reverse leakage current of the photodiode 1; The impurity region of the second conductivity type of the photodiode 1 is connected to the impurity region of the first conductivity type of the leakage current canceling PN junction diode 2.

本発明により、フォトダイオード１のＰＮ接合リーク電流Irと、リーク電流相殺用ダイオード２のＰＮ接合リーク電流Ir1を相殺させることが可能となり、特別な製造工程や、リーク成分を除去するような回路を付加することなく、受光素子のリーク電流を大幅に低減することが出来る。本発明を適用することにより、イメージスキャナ、ファクシミリ等の画像入出力システムの高画質化を図ることが出来る。 According to the present invention, the PN junction leakage current Ir of the photodiode 1 and the PN junction leakage current Ir1 of the leakage current canceling diode 2 can be canceled out, and a special manufacturing process and a circuit for removing the leakage component can be realized. Without addition, the leakage current of the light receiving element can be greatly reduced. By applying the present invention, the image quality of an image input / output system such as an image scanner or a facsimile can be improved.

さらに、受光素子のリーク電流が低減することによりフォトダイオード１の逆バイアス電圧を上げることが可能となるため、フォトダイオード１の寄生容量値を小さくしてイメージセンサの感度を向上することが可能となる。 Furthermore, since the reverse bias voltage of the photodiode 1 can be increased by reducing the leakage current of the light receiving element, the parasitic capacitance value of the photodiode 1 can be reduced and the sensitivity of the image sensor can be improved. Become.

本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

図２は、本発明実施例のＣＭＯＳイメージセンサの一画素を示す回路図である。第1導電型、例えば、Ｐ型導電型の半導体基板であるアノードが接地されたフォトダイオード１のカソードが、リーク電流相殺用に設けたダイオード２のアノード、リセット用ＭＯＳトランジスタ３のドレイン、及び増幅用ＭＯＳトランジスタ４のゲートに配線５を介して接続されている。ダイオード２のカソードは、リセット電圧よりも高い電源線に接続されている。本実施例の構成によれば、フォトダイオード１のＰＮ接合逆方向リーク電流Irと、ダイオード２のＰＮ接合逆方向リーク電流Ir1は、矢印の向きとなる。この時、信号電荷が蓄積されるフォトダイオード１のカソードにおいては、電流が相反する向きとなり、互いに相殺されリーク電流によるノイズ成分を低減することが可能となる。 FIG. 2 is a circuit diagram showing one pixel of the CMOS image sensor of the embodiment of the present invention. A cathode of a photodiode 1 whose anode is grounded, which is a semiconductor substrate of a first conductivity type, for example, a P-type conductivity type, is an anode of a diode 2 provided for canceling a leakage current, a drain of a reset MOS transistor 3, and amplification The MOS transistor 4 is connected to the gate via the wiring 5. The cathode of the diode 2 is connected to a power line higher than the reset voltage. According to the configuration of this embodiment, the PN junction reverse leakage current Ir of the photodiode 1 and the PN junction reverse leakage current Ir1 of the diode 2 are in the directions of the arrows. At this time, in the cathode of the photodiode 1 in which the signal charge is accumulated, the currents are in opposite directions and are canceled out to reduce the noise component due to the leakage current.

図1は、図２に示した本発明によるＣＭＯＳイメージセンサの断面模式図である。図1には、本発明の重要な構成であるフォトダイオード１とダイオード２のみ示し、トランジスタ３とトランジスタ４は省略してある。図1では、第1導電型の半導体基板６をアノードとし第２導電型の不純物領域８をカソードとするフォトダイオード１を点線で囲み、第1導電型の不純物領域７をアノードとし第２導電型の不純物領域８をカソードとするダイオード２を点線で囲んで示している。フォトダイオード１のカソードである第２導電型の不純物領域８と、ダイオード２のアノードである第1導電型の不純物領域７とをアルミなどの配線５を介して接続している。ここで、リーク電流相殺用ダイオード２の不純物濃度や面積を、フォトダイオード１のリーク電流に合せて調整すれば、リーク電流によるノイズ成分を更に除去することが可能である。また、ダイオード２のカソードが接続される電源線の電圧を調整することによってもダイオード２のリーク電流を調整することが可能である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the CMOS image sensor according to the present invention shown in FIG. In FIG. 1, only the photodiode 1 and the diode 2 which are important components of the present invention are shown, and the transistor 3 and the transistor 4 are omitted. In FIG. 1, a photodiode 1 having a first conductivity type semiconductor substrate 6 as an anode and a second conductivity type impurity region 8 as a cathode is surrounded by a dotted line, and a first conductivity type impurity region 7 as an anode and a second conductivity type. The diode 2 having the impurity region 8 as a cathode is surrounded by a dotted line. A second conductivity type impurity region 8 which is a cathode of the photodiode 1 and a first conductivity type impurity region 7 which is an anode of the diode 2 are connected via a wiring 5 such as aluminum. Here, if the impurity concentration and area of the leakage current canceling diode 2 are adjusted in accordance with the leakage current of the photodiode 1, it is possible to further remove noise components due to the leakage current. It is also possible to adjust the leakage current of the diode 2 by adjusting the voltage of the power supply line to which the cathode of the diode 2 is connected.

以上、本実施例ではＰ導電型の半導体基板を用いて実施例を説明したが、Ｎ導電型の半導体基板を用い、カソードが電源線に接続されたフォトダイオード１のアノードに、アノードが接地されたリーク電流相殺用ダイオード２のカソードを接続しても、同様な効果が得られる。 As described above, the embodiment has been described using the P-conductivity type semiconductor substrate, but the N-conductivity type semiconductor substrate is used, and the anode is grounded to the anode of the photodiode 1 whose cathode is connected to the power supply line. Even if the cathode of the leakage current canceling diode 2 is connected, the same effect can be obtained.

本発明の実施形態１のＣＭＯＳイメージセンサの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the CMOS image sensor of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態１のＣＭＯＳイメージセンサの画素部の等価回路図である。It is an equivalent circuit schematic of the pixel part of the CMOS image sensor of Embodiment 1 of the present invention. 従来技術のＣＭＯＳイメージセンサの画素部の等価回路図である。It is the equivalent circuit schematic of the pixel part of the CMOS image sensor of a prior art.

Explanation of symbols

１フォトダイオード
２リーク電流相殺用ダイオード
３リセット用ＭＯＳトランジスタ
４増幅用ＭＯＳトランジスタ
５配線
６半導体基板
７第１導電型の不純物領域
８第２導電型の不純物領域 Ir フォトダイオード１のリーク電流 Ir1 ダイオード２のリーク電流 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photodiode 2 Leakage current cancellation diode 3 Reset MOS transistor 4 Amplification MOS transistor 5 Wiring 6 Semiconductor substrate 7 First conductivity type impurity region 8 Second conductivity type impurity region Ir Leakage current Ir1 of diode 1 Ir2 Diode 2 Leakage current

Claims

A photodiode comprising a semiconductor substrate of a first conductivity type and a first impurity region of a second conductivity type formed on the surface of the semiconductor substrate;
A diode composed of a second impurity region of a second conductivity type that is not continuous with the first impurity region and a third impurity region of the first conductivity type formed in the second impurity region; ,
A CMOS image sensor in which the first impurity region of the second conductivity type of the photodiode is connected to the third impurity region of the first conductivity type of the diode.

The semiconductor substrate and the first impurity region of the photodiode, the second impurity region and the third impurity region of the diode have a PN junction reverse leakage current magnitude of the photodiode, 2. The CMOS image sensor according to claim 1, wherein each of the CMOS image sensors has an impurity concentration such that the magnitude of the reverse leakage current is substantially equal.

2. The CMOS image according to claim 1, wherein each of the photodiode and the diode has a magnitude such that a magnitude of a PN junction reverse leakage current of the photodiode is substantially equal to a magnitude of a reverse leakage current of the diode. Sensor.