JP2006217410A - 光センサおよび固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された光電荷を蓄積する蓄積容量素子と、を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された構成とする。
【選択図】 図1
Description
本実施例に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図を図1に、また、概略平面図を図2に示す。
本実施形態は、第1実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素の回路構成を変形した形態である。図6は本実施形態の一画素の等価回路図、また、図7はその概略平面図である。
本実施形態は、第1および第2実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素のオーバーフローゲートを変形した形態である。図9、図10は本実施形態の、第1実施形態に対応した、一画素の等価回路図、概略平面図である。また、図11、図12は本実施形態の、第2実施形態に対応した、一画素の等価回路図、概略平面図である。
本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の第3実施形態の固体撮像装置において、電荷の蓄積時にフォトダイオードからあふれる電荷をフローティングディフュージョンへとよりスムーズに移動させることができる構造とした固体撮像装置である。
本実施形態は、第1実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素の回路構成を変形した形態である。図17は本実施形態の二画素の等価回路図、また、図18はその概略平面図である。
本実施形態は、第1実施形態に係る本実施例に係る固体撮像装置の画素の回路構成を変形した形態である。図20は本実施形態の画素の等価回路図、また、図21はその概略平面図である。
本実施形態は、上記の第1から第6の実施形態において、フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積するための蓄積容量の形態の変形例を示す。
本発明の固体撮像装置において、画素を2次元アレイに並べた、画素数横640×縦480、画素サイズ7.5μm角、フローティングディフュージョン容量CFD=4fF、蓄積容量CCS=60fFをもつ固体撮像素子を2層ポリシリコン3層メタル配線を持つ半導体製造方法で作成した。各蓄積容量はポリシリコン−シリコン酸化膜−シリコン容量とポリシリコン−シリコン窒化膜−ポリシリコン容量の並列容量で構成した。信号S1、S1+S2の飽和信号電圧はそれぞれ500mV、1000mV、ノイズ除去後にS1、S1+S2に残留する残留ノイズ電圧は等しく0.09mVであった。S1からS1+S2への切り替え電圧はS1の飽和電圧よりも低く設定し400mVとした。
本発明の固体撮像装置において、横3.5μm、縦7μmの大きさの基本画素ブロックにフォトダイオードと蓄積容量は2つずつ設けられた画素ブロックを画素数横640×縦240の2次元アレイに並べた固体固体撮像装置を作成した。実効画素数は横640×縦480である。各画素ブロックのフローティングディフュージョン容量はCFD=3.4fF、蓄積容量はトレンチ型蓄積容量構造を適用してCCS=100fFとした。信号S1、S1+S2の飽和信号電圧はそれぞれ500mV、1000mV、ノイズ除去後にS1、S1+S2に残留する残留ノイズ電圧は等しく0.09mVであった。S1からS1+S2への切り替え電圧はS1の飽和電圧よりも低く設定し400mVとした。
2 転送トランジスタ
3 フローティングディフュージョン
4,LO オーバーフローゲート
5 蓄積容量
6 リセットトランジスタ
7 蓄積トランジスタ
8 増幅トランジスタ
9 選択トランジスタ
10 オーバーフローゲートの駆動ライン
11 転送トランジスタの駆動ライン
12 蓄積トランジスタの駆動ライン
13 リセットトランジスタの駆動ライン
14 選択トランジスタの駆動ライン
15 画素出力ライン
20 n型半導体基板
21 p型ウェル
22,23,24,25 素子分離絶縁膜
26,27,28,29,79,93 p+型分離領域
30 n型半導体領域
31,41,50 p+型半導体領域
32,33,34,61,61a,70,73,76,92,95 n+型半導体領域
35,37,39 ゲート絶縁膜
36,38,40 ゲート電極
42,42a,64,68,71,74,77,80 蓄積容量絶縁膜
43,65,69,72,75,78,81 蓄積容量上部電極
44 層間絶縁膜
45,46,66 配線
51,52,53 n型半導体領域
60,60a p+型半導体領域またはn+型半導体領域
62 素子分離絶縁膜
63,67 蓄積容量下部電極
90 p型半導体基板
91 p型エピタキシャル層
91a 第1p型エピタキシャル層
91b 第2p型エピタキシャル層
94 p型半導体層
96 低濃度半導体層
100,101,102,103 画素アレイ
104 行シフトレジスタ
105,HSR 列シフトレジスタ
106 信号およびノイズホールド部
107 出力回路
Claims (15)
- 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、
蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された光電荷を蓄積する蓄積容量素子と、
を備えた光センサ。 - 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、
蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された光電荷を蓄積する蓄積容量素子と、
を有する画素が一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置。 - 前記画素は、
前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送トランジスタを介して前記光電荷が転送されるフローティング領域と、をさらに有する、請求項2に記載の固体撮像装置。 - 光を受光して光電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードに接続され前記光電荷を転送する転送トランジスタと、前記フォトダイオードに接続され蓄積動作時に前記フォトダイオードからあふれる光電荷を転送するオーバーフローゲートと、蓄積動作時に前記オーバーフローゲートによって転送された光電荷を蓄積する蓄積容量素子と、をそれぞれ有する複数の画素と、
各画素の前記各転送トランジスタを介して前記各フォトダイオードに接続された一つのフローティング領域と、
を有する画素ブロックを一次元または二次元のアレイ状に複数個集積された固体撮像装置。 - 前記フローティング領域に接続され前記蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、
前記フローティング領域と前記蓄積容量素子との間に設けられたトランジスタと、
前記フローティング領域の信号電荷、または前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の双方の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタに接続され前記画素を選択するための選択トランジスタと、
をさらに有する請求項3または4に記載の固体撮像装置。 - 前記蓄積容量素子に接続して形成され、前記蓄積容量素子および前記フローティング領域内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタと、
前記フローティング領域と前記蓄積容量素子との間に設けられたトランジスタと、
前記フローティング領域の信号電荷、または前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の双方の信号電荷を電圧として読み出すための増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタに接続され前記画素を選択するための選択トランジスタと、
をさらに有する請求項3または4に記載の固体撮像装置。 - 前記オーバーフローゲートはMOS型トランジスタまたは接合型トランジスタからなる請求項2〜6のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
- 前記オーバーフローゲートは接合型トランジスタからなり、該接合型トランジスタのゲートを形成する半導体領域は、前記フォトダイオードの表面領域を形成する半導体領域と、前記フォトダイオードおよび前記オーバーフローゲートが形成されるウェル領域と、に接続された、請求項2〜6のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
- 前記転送トランジスタは、前記転送トランジスタを構成する基板の表面または表面近傍から所定の深さまで形成された前記転送トランジスタのチャネルと同じ導電型の半導体層を有する埋め込みチャネル型である、請求項2〜8のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
- 前記オーバーフローゲートは、前記オーバーフローゲートを構成する基板の所定の深さにおいて形成され、前記オーバーフローゲートのチャネルと同じ導電型であり、前記オーバーフローゲートのパンチスルーの障壁を低減する半導体層を有する、請求項2〜8のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
- 前記蓄積容量素子は、前記固体撮像装置を構成する半導体基板の表層部分に形成された下部電極となる半導体領域と、前記半導体領域上に形成された容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜上に形成された上部電極とを有する、請求項2〜10のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
- 前記蓄積容量素子は、前記固体撮像装置を構成する基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜上に形成された上部電極とを有する、請求項2〜10のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
- 前記蓄積容量素子は、前記固体撮像装置を構成する半導体基板に形成されたトレンチの内壁に形成された下部電極となる半導体領域と、前記トレンチの内壁を被覆して形成された容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜を介して前記トレンチを埋め込んで形成された上部電極とを有する、請求項2〜10のいずれか一つに記載の固体撮像装置。
- 前記フローティング領域または前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の双方に転送された光電荷から得られた電圧信号と、
前記フローティング領域または前記フローティング領域および前記蓄積容量素子の双方のリセットレベルの電圧信号と、の差分を取るノイズキャンセル手段と、
をさらに有する請求項5または6に記載の固体撮像装置。 - 前記フローティング領域および前記蓄積容量素子のリセットレベルの電圧信号を記憶する記憶手段をさらに有する請求項14に記載の固体撮像装置。
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