JP2006217410A5 - - Google Patents

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光センサおよび固体撮像装置Optical sensor and solid-state imaging device

本発明は光センサおよび固体撮像装置に関し、特にCMOS型あるいはCCD型の二次元ないしは一次元固体撮像装置と当該固体撮像装置の動作方法に関する。   The present invention relates to an optical sensor and a solid-state imaging device, and more particularly to a CMOS or CCD type two-dimensional or one-dimensional solid-state imaging device and a method for operating the solid-state imaging device.

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)イメージセンサあるいはCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサなどのイメージセンサは、その特性向上とともに、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話、スキャナなどの用途に幅広く使用されてきている。   Image sensors such as CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) image sensors or CCD (Charge Coupled Device) image sensors have been widely used in applications such as digital cameras, mobile phones with cameras, and scanners, along with their improved characteristics. .

上記のイメージセンサはさらなる特性向上が望まれており、そのひとつがダイナミックレンジを広くすることである。従来用いられているイメージセンサのダイナミックレンジは、例えば3〜4桁(60〜80dB)程度にとどまっており、肉眼や銀塩フィルムに匹敵する5〜6桁(100〜120dB)以上のダイナミックレンジをもつ高画質イメージセンサの実現が望まれている。   The above-mentioned image sensor is desired to further improve the characteristics, and one of them is to widen the dynamic range. The dynamic range of image sensors used in the past is, for example, about 3 to 4 digits (60 to 80 dB), and the dynamic range of 5 to 6 digits (100 to 120 dB) or more comparable to the naked eye or a silver salt film. Realization of a high-quality image sensor is desired.

上記のイメージセンサの画質特性を向上させる技術として、例えば非文献1などに、高感度および高S/N比化するために、各画素のフォトダイオードに隣接したフローティングディフュージョンで発生するノイズ信号と当該ノイズ信号に光信号が加算された信号とをそれぞれ読み出し、両者の差分をとることでノイズを抑圧する技術が開発されている。しかしこの方法でもダイナミックレンジは80dB程度以下であり、これより広いダイナミックレンジ化をすることが望まれている。   As a technique for improving the image quality characteristics of the above image sensor, for example, in Non-Patent Document 1 or the like, in order to achieve high sensitivity and high S / N ratio, a noise signal generated in a floating diffusion adjacent to the photodiode of each pixel and the relevant A technique for suppressing noise by reading out a signal obtained by adding an optical signal to a noise signal and taking the difference between the two has been developed. However, even with this method, the dynamic range is about 80 dB or less, and it is desired to have a wider dynamic range.

例えば特許文献1には、図37に示すように、フォトダイオードPDに高感度低照度側の小容量C1のフローティングディフュージョンと低感度高照度側の大容量C2のフローティングディフュージョンを接続して、低照度側の出力OUT1と高照度側出力OUT2をそれぞれ出力することで広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。   For example, in Patent Document 1, as shown in FIG. 37, a low-illuminance low-illuminance side small diffusion C1 floating diffusion and a low-sensitivity high-illuminance large capacitance C2 floating diffusion are connected to a photodiode PD. A technique for widening the dynamic range by outputting the output OUT1 on the side and the output OUT2 on the high illuminance side is disclosed.

また、特許文献2には、図38に示すように、フローティングディフュージョンFDの容量CSを可変とした広ダイナミックレンジ化技術が開示されている。他には、短い露光時間による高照度側に対応した撮像と長い露光時間により低照度に対応した撮像の異なる2回以上の露光時間に分割する広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。   Patent Document 2 discloses a wide dynamic range technique in which the capacitance CS of the floating diffusion FD is variable as shown in FIG. In addition, there is disclosed a technique for widening the dynamic range by dividing an exposure time corresponding to a high illuminance side with a short exposure time and an exposure time of two or more different times corresponding to low illuminance with a long exposure time.

また、特許文献3および非特許文献2には、図39に示すように、フォトダイオードPDと容量Cの間にトランジスタスイッチTを設け、1回目の露光期間でスイッチTをオンして光信号電荷をフォトダイオードPDと容量Cの両方に蓄積し、2回目の露光時間でスイッチTをオフして前者の蓄積電荷に加えてフォトダイオードPDで光電荷を蓄積することで広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。ここで、飽和を上回る光照射があった場合、過剰電荷はリセットトランジスタRを介して排出されることが開示されている。   Further, in Patent Document 3 and Non-Patent Document 2, as shown in FIG. 39, a transistor switch T is provided between the photodiode PD and the capacitor C, and the switch T is turned on in the first exposure period to turn on the optical signal charge. Is stored in both the photodiode PD and the capacitor C, the switch T is turned off at the second exposure time, and the photocharge is stored in the photodiode PD in addition to the former stored charge, thereby widening the dynamic range. It is disclosed. Here, it is disclosed that when there is light irradiation exceeding saturation, excess charge is discharged through the reset transistor R.

また、特許文献4には、図40に示すように、フォトダイオードPDとして容量Cを従来よりも大きなものを使用することで高照度撮像に対応できるようにする技術が開示されている。   Further, as shown in FIG. 40, Patent Document 4 discloses a technique that can cope with high-illuminance imaging by using a photodiode PD having a larger capacitance C than conventional ones.

また、非特許文献3には、図41に示すように、フォトダイオードPDからの光電流信号を、MOSトランジスタを組み合わせて構成されている対数変換回路により、対数変換しながら蓄積および出力することで、広ダイナミックレンジ化する技術が開示されている。   In Non-Patent Document 3, as shown in FIG. 41, a photocurrent signal from a photodiode PD is accumulated and output while logarithmically converting it by a logarithmic conversion circuit configured by combining MOS transistors. A technique for widening the dynamic range is disclosed.

特開2003−134396号公報JP 2003-134396 A 特開2000−165754号公報JP 2000-165754 A 特開2002−77737号公報JP 2002-77737 A 特開平5−90556号公報JP-A-5-90556 S. Inoue et al., IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensor 2001, pp.16-19.S. Inoue et al., IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensor 2001, pp.16-19. Y. Muramatsu et al., IEEE Journal of Sold-state Circuits, Vol.38, No.1, 2003.Y. Muramatsu et al., IEEE Journal of Sold-state Circuits, Vol.38, No.1, 2003. 映像情報メディア学会誌,Vol.57,2003.The Journal of the Institute of Image Information and Media Studies, Vol. 57, 2003.

しかしながら、上記の特許文献1、2、3および非特許文献2に記載の方法あるいは異なる2回以上の露光時間で撮像する方法では、低照度の撮像と高照度側の撮像を異なる時刻において行っているので、撮像時間にずれが生じ動画撮像の画質を損なうという問題がある。   However, in the method described in Patent Documents 1, 2, 3 and Non-Patent Document 2 described above, or the method of imaging with different exposure times of two or more, low-illuminance imaging and high-illuminance side imaging are performed at different times. As a result, there is a problem in that the imaging time varies and the image quality of moving image imaging is impaired.

また、上記の特許文献4および特許文献3に記載の方法では、高照度側の撮像に対応するようにして広ダイナミックレンジを達成できるものの、低照度側の撮像に関しては低感度、低S/N比となってしまい、画質を損なうという問題がある。   In addition, the methods described in Patent Document 4 and Patent Document 3 can achieve a wide dynamic range so as to correspond to imaging on the high illuminance side, but have low sensitivity and low S / N for imaging on the low illuminance side. There is a problem that the image quality is deteriorated.

上記のように、CMOSイメージセンサなどのイメージセンサにおいて、高感度、高S/N比を維持したままで広ダイナミックレンジ化を達成することが困難になっていた。また、上記のことは二次元アレイに画素を配置したイメージセンサに限ったことではなく、画素を一次元に配置したリニアセンサや複数の画素を持たない光センサでも同様であった。   As described above, in an image sensor such as a CMOS image sensor, it has been difficult to achieve a wide dynamic range while maintaining high sensitivity and a high S / N ratio. The above is not limited to an image sensor in which pixels are arranged in a two-dimensional array, and the same applies to a linear sensor in which pixels are arranged one-dimensionally or an optical sensor that does not have a plurality of pixels.

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高感度、高S/N比を維持したままで広ダイナミックレンジ化できる固体撮像素子とその動作方法を提供することである。
本発明の他の目的は、更に、電荷の蓄積時において、電荷をフォトダイオードから蓄積容量へスムーズに移動させることができる光センサ及び/又は固体撮像装置を提供することである
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of widening a dynamic range while maintaining high sensitivity and a high S / N ratio, and an operation method thereof. That is.
Another object of the present invention is to provide an optical sensor and / or a solid-state imaging device capable of smoothly moving charges from a photodiode to a storage capacitor during charge accumulation .

上記の目的を達成するため、本発明の光センサは、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、を備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, an optical sensor according to the present invention includes a photodiode that receives light and generates a photoelectric charge, and an overflow gate that is connected to the photodiode and transfers a photoelectric charge that overflows from the photodiode during an accumulation operation. And a storage capacitor element that stores the photocharge transferred by the overflow gate during the storage operation.

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、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ていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a photodiode that receives light to generate a photocharge, and an overflow that is connected to the photodiode and transfers a photocharge overflowing from the photodiode during an accumulation operation. A plurality of pixels each including a gate and a storage capacitor element that stores the photocharge transferred by the overflow gate during the storage operation are integrated in a one-dimensional or two-dimensional array.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記画素が、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。   In the solid-state imaging device according to the present invention, preferably, the pixel is connected to the photodiode and transfers the photocharge, and a floating region to which the photocharge is transferred via the transfer transistor. And further.

上記の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、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ていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a solid-state imaging device according to the present invention includes a photodiode that receives light to generate a photocharge, a transfer transistor that is connected to the photodiode and transfers the photocharge, and a photodiode. A plurality of pixels each having an overflow gate that is connected and transfers a photoelectric charge overflowing from the photodiode during a storage operation, and a storage capacitor element that stores a photoelectric charge transferred by the overflow gate during a storage operation; A plurality of pixel blocks each having one floating region connected to each photodiode via each transfer transistor are integrated in a one-dimensional or two-dimensional array.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記フローティング領域に接続され前記蓄積容量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。   The solid-state imaging device according to the present invention preferably includes a reset transistor connected to the floating region for discharging the storage capacitor and a signal charge in the floating region, and between the floating region and the storage capacitor. And a transistor for reading out the signal charge of the floating region or the signal charge of both the floating region and the storage capacitor as a voltage, and selecting the pixel connected to the amplifier transistor And a selection transistor.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記蓄積容量に接続して形成され、前記蓄積容量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。   The solid-state imaging device according to the present invention is preferably connected to the storage capacitor, and is configured to discharge a signal charge in the storage capacitor and the floating region. The floating region and the storage A transistor provided between the capacitor, an amplification transistor for reading out the signal charge of the floating region or the signal charge of both the floating region and the storage capacitor as a voltage, and the pixel connected to the amplification transistor And a selection transistor for selecting.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記オーバーフローゲートがMOS型トランジスタまたは接合型トランジスタからなる。   In the solid-state imaging device according to the present invention, preferably, the overflow gate is formed of a MOS transistor or a junction transistor.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記オーバーフローゲートが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、に接続される。   In the solid-state imaging device of the present invention, preferably, the overflow gate is formed of a junction transistor, and a semiconductor region that forms the gate of the junction transistor includes a semiconductor region that forms a surface region of the photodiode; And a well region where the photodiode and the overflow gate are formed.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記転送トランジスタが、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。   In the solid-state imaging device according to the present invention, preferably, the transfer transistor is a semiconductor having the same conductivity type as the channel of the transfer transistor formed from the surface of the substrate constituting the transfer transistor or near the surface to a predetermined depth. It is a buried channel type having a layer.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記オーバーフローゲートが、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。   In the solid-state imaging device of the present invention, preferably, the overflow gate is formed at a predetermined depth of a substrate constituting the overflow gate, and has the same conductivity type as the channel of the overflow gate, and the overflow gate A semiconductor layer that reduces a punch-through barrier.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記蓄積容量素子が、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。   In the above-described solid-state imaging device of the present invention, preferably, the storage capacitor element is formed on the semiconductor region as a lower electrode formed on a surface layer portion of a semiconductor substrate constituting the solid-state imaging device, and on the semiconductor region A capacitive insulating film, and an upper electrode formed on the capacitive insulating film.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記蓄積容量素子が、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。   In the above-described solid-state imaging device of the present invention, preferably, the storage capacitor element has a lower electrode formed on a substrate constituting the solid-state imaging device, a capacitive insulating film formed on the lower electrode, And an upper electrode formed on the capacitor insulating film.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、前記蓄積容量素子が、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。   In the solid-state imaging device of the present invention, preferably, the storage capacitor element is a semiconductor region serving as a lower electrode formed on an inner wall of a trench formed in a semiconductor substrate constituting the solid-state imaging device, and the trench A capacitor insulating film formed so as to cover the inner wall, and an upper electrode formed by embedding the trench through the capacitor insulating film.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、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。   The solid-state imaging device of the present invention preferably includes a voltage signal obtained from a photocharge transferred to both the floating region or the floating region and the storage capacitor element, and the floating region or the floating region and Noise cancellation means for taking a difference between the reset level voltage signals of both the storage capacitor elements is further included.

上記の本発明の固体撮像装置は、好適には、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。
本発明の別の態様によれば、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、前記フォトダイオードと前記オーバーフローゲートとの間には、前記フォトダイオードと前記蓄積容量素子の間のポテンシャル障壁を低下させる領域とを含むことを特徴とする光センサが得られる。
本発明の他の態様によれば、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、前記フォトダイオードと前記オーバーフローゲートとの間には、前記フォトダイオードと前記蓄積容量素子の間のポテンシャル障壁を低下させるポテンシャル領域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ことを特徴とする固体撮像装置が得られる。
上記したオーバーフローゲートは、一導電型の半導体領域の表面に形成された逆導電型の半導体領域によって形成されたゲート領域を有し、前記ポテンシャル領域は、前記一導電型の半導体領域によって形成されている。
この場合、前記フォトダイオードが接合トランジスタによって形成され、前記一導電型の第1の領域と、当該第1の領域上に設けられた逆導電型のゲート領域とを備え、前記オーバフローゲートは前記ゲート領域と同一導電型のオーバーフロー半導体領域によって形成され、前記ポテンシャル領域は、前記オーバーフロー半導体領域の下部に設けられ、一導電型の半導体領域によって形成されている。
また、前記ポテンシャル領域は、前記第1の領域及び前記ゲート領域と深さ方向に一部重なるように形成されていてもよい。
更に、前記ポテンシャル領域は、前記第1の領域と所定の深さにおいて接続された部分を含んでいてもよいし、前記ポテンシャル領域は、所定の深さ位置において、前記ゲート領域を超えて延びていてもよい
The solid-state imaging device of the present invention preferably further includes storage means for storing a voltage signal at a reset level of the floating region and the storage capacitor element.
According to another aspect of the present invention, a photodiode that receives light to generate a photocharge, an overflow gate that is connected to the photodiode and transfers a photocharge overflowing from the photodiode during a storage operation, and a storage operation A storage capacitor element that stores the photoelectric charge transferred by the overflow gate; and a region that lowers a potential barrier between the photodiode and the storage capacitor element between the photodiode and the overflow gate. An optical sensor characterized by this can be obtained.
According to another aspect of the present invention, a photodiode that receives light to generate a photocharge, an overflow gate that is connected to the photodiode and transfers a photocharge overflowing from the photodiode during a storage operation, and a storage operation A storage capacitor element that stores the photocharge transferred by the overflow gate, and a potential region that lowers a potential barrier between the photodiode and the storage capacitor element between the photodiode and the overflow gate. A solid-state imaging device is obtained in which a plurality of pixels are integrated in a one-dimensional or two-dimensional array.
The overflow gate has a gate region formed by a reverse conductivity type semiconductor region formed on a surface of a one conductivity type semiconductor region, and the potential region is formed by the one conductivity type semiconductor region. Yes.
In this case, the photodiode is formed by a junction transistor, and includes a first region of the one conductivity type and a gate region of a reverse conductivity type provided on the first region, and the overflow gate is the gate The potential region is formed below the overflow semiconductor region, and is formed of a one conductivity type semiconductor region.
The potential region may be formed to partially overlap the first region and the gate region in the depth direction.
Further, the potential region may include a portion connected to the first region at a predetermined depth, and the potential region extends beyond the gate region at a predetermined depth position. May be .

本発明の固体撮像装置によれば、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードによる低照度撮像において高感度、高S/N比を維持し、さらに蓄積容量にオーバーフローゲートを通じてフォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積することで高照度における撮像を行って広ダイナミックレンジ化することができる。   According to the solid-state imaging device of the present invention, high sensitivity and high S / N ratio are maintained in low-illuminance imaging by a photodiode that receives light and generates and accumulates photocharges, and further, the photodiode is connected to the storage capacitor through an overflow gate. By accumulating the photoelectric charge overflowing from the image, it is possible to perform imaging at high illuminance and widen the dynamic range.

以下に本発明の固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of a solid-state imaging device of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1実施形態
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。
First Embodiment FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of one pixel of a solid-state imaging device according to this example, and FIG. 2 shows a schematic plan view thereof.

各画素は、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードPD1と、フォトダイオードPD1に隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタT2と、転送トランジスタT2を介してフォトダイオードPD1に接続して設けられたフローティング領域(フローティングディフュージョン)FD3と、蓄積動作時にフォトダイオードPD1からあふれる光電荷を転送するためのフォトダイオードPD1に隣接して設けられた光電荷を転送するオーバーフローゲートLO4と、蓄積動作時に前記フォトダイオードPD1からあふれる光電荷をオーバーフローゲートLO4を通じて蓄積する蓄積容量CS5と、フローティングディフュージョンFD3に接続して形成され、蓄積容量CS5およびフローティングディフュージョンFD3内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタR6と、フローティングディフュージョンFD3と蓄積容量CS5の間に設けられた蓄積トランジスタS7と、フローティングディフュージョンFD3の信号電荷またはフローティングディフュージョンFD3と蓄積容量CS5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SF8と、増幅トランジスタに接続して設けられ前記画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタX9とから構成されている。   Each pixel receives light and generates and accumulates photocharges, a transfer transistor T2 for transferring photocharges provided adjacent to the photodiode PD1, and a photodiode PD1 via the transfer transistor T2. A floating region (floating diffusion) FD3 provided in connection with, and an overflow gate LO4 for transferring photocharge provided adjacent to the photodiode PD1 for transferring photocharge overflowing from the photodiode PD1 during the accumulation operation, The storage capacitor CS5 for storing the photoelectric charge overflowing from the photodiode PD1 during the storage operation through the overflow gate LO4 and the floating diffusion FD3 are connected to the storage capacitor CS5 and the floating diffusion FD3. The reset transistor R6 for discharging the signal charge in the FD3, the storage transistor S7 provided between the floating diffusion FD3 and the storage capacitor CS5, the signal charge of the floating diffusion FD3 or the signal charge of the floating diffusion FD3 and the storage capacitor CS5 Is composed of an amplifying transistor SF8 for reading as a voltage, and a selection transistor X9 provided in connection with the amplifying transistor for selecting the pixel or pixel block.

本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素において、オーバーフローゲートLO4、転送トランジスタT2、蓄積トランジスタS7、リセットトランジスタR6のゲート電極に、φLO10、φT11、φS12、φR13の各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタX9のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφX14が接続され、さらに、選択トランジスタX9の出力側ソースに出力ラインOUT15が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。 In the solid-state imaging device according to this embodiment, a plurality of pixels having the above-described configuration are integrated in a two-dimensional or one-dimensional array, and in each pixel, an overflow gate LO4, a transfer transistor T2, a storage transistor S7, and a reset transistor. The driving lines of φ LO 10, φ T 11, φ S 12, and φ R 13 are connected to the gate electrode of R6, and the pixel selection line φ driven from the row shift register is connected to the gate electrode of the selection transistor X9. X 14 is connected, and further, an output line OUT 15 is connected to the output side source of the selection transistor X 9, which is controlled by the column shift register and output.

選択トランジスタX9、駆動ラインφX14については、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンFD3の電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。 Selection transistors X9, the driveline phi X 14 is selected pixels, as can non-selecting operation, because it is sufficient fixing the voltage of the floating diffusion FD3 to appropriate values, it is also possible to omit them.

図3−1は、本実施形態に係る固体撮像装置の画素のフォトダイオードPD1、オーバーフローゲートLO4、蓄積容量CS5の部分に相当する模式的断面図であり、図3−2は、画素のフォトダイオードPD1、転送トランジスタT2、フローティングディフュージョンFD3、蓄積トランジスタS7、蓄積容量CS5の部分に相当する模式的断面図である。   FIG. 3A is a schematic cross-sectional view corresponding to the photodiode PD1, overflow gate LO4, and storage capacitor CS5 of the pixel of the solid-state imaging device according to the present embodiment, and FIG. 3-2 illustrates the pixel photodiode. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view corresponding to PD1, a transfer transistor T2, a floating diffusion FD3, a storage transistor S7, and a storage capacitor CS5.

例えば、n型シリコン半導体基板(n−sub)20にp型ウェル(p−well)21が形成されており、各画素および蓄積容量CS領域を区分するLOCOS法などによる素子分離絶縁膜(22、23、24、25)が形成され、さらに画素を分離する素子分離絶縁膜の下方に相当するp型ウェル21中には、p+型分離領域(26、27、28、29)が形成されている。p型ウェル21に中にn型半導体領域30が形成され、その表層にp+型半導体領域31が形成され、このpn接合により電荷転送埋め込み型のフォトダイオードPDが構成されている。pn接合に適当なバイアスを印加して発生させた空乏層中に光LTが入射すると、光電効果により光電荷が生じる。   For example, a p-type well (p-well) 21 is formed in an n-type silicon semiconductor substrate (n-sub) 20, and an element isolation insulating film (22, 22) by a LOCOS method or the like that separates each pixel and the storage capacitor CS region. 23, 24, 25) are formed, and p + type isolation regions (26, 27, 28, 29) are formed in the p type well 21 corresponding to the lower part of the element isolation insulating film for isolating the pixels. . An n-type semiconductor region 30 is formed in the p-type well 21, and a p + -type semiconductor region 31 is formed on the surface layer thereof. A charge transfer embedded photodiode PD is constituted by this pn junction. When light LT is incident on a depletion layer generated by applying an appropriate bias to the pn junction, a photoelectric charge is generated by the photoelectric effect.

n型半導体領域30の端部においてp+型半導体領域31よりはみ出して形成された領域があり、この領域から所定の距離を離間してp型ウェル21の表層にn+型半導体領域32が形成されている。   There is a region formed so as to protrude from the p + type semiconductor region 31 at the end of the n type semiconductor region 30, and an n + type semiconductor region 32 is formed on the surface layer of the p type well 21 at a predetermined distance from this region. Yes.

また、n型半導体領域30の端部においてp+型半導体領域31よりはみ出して形成されたもうひとつの領域があり、この領域から所定の距離を離間してp型ウェル21の表層にフローティングディフュージョンFDとなるn+型半導体領域33が形成され、さらにこの領域から所定の距離を離間して前記n+型半導体領域34が形成されている。   There is another region formed at the end of the n-type semiconductor region 30 so as to protrude from the p + -type semiconductor region 31. The floating diffusion FD and the surface layer of the p-type well 21 are separated from this region by a predetermined distance. The n + type semiconductor region 33 is formed, and the n + type semiconductor region 34 is formed at a predetermined distance from this region.

ここで、n型半導体領域30とn+型半導体領域32に係る領域において、p型ウェル21上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜35を介してポリシリコンなどからなるゲート電極36が形成され、n型半導体領域30とn+型半導体領域32をソース・ドレインとし、p型ウェル21の表層にチャネル形成領域を有するオーバーフローゲートLOが構成されている。   Here, in a region related to the n-type semiconductor region 30 and the n + -type semiconductor region 32, a gate electrode 36 made of polysilicon or the like is formed on the upper surface of the p-type well 21 via a gate insulating film 35 made of silicon oxide or the like. An overflow gate LO having a channel formation region on the surface layer of the p-type well 21 is formed using the type semiconductor region 30 and the n + type semiconductor region 32 as the source / drain.

また、n型半導体領域30とn+型半導体領域33に係る領域において、p型ウェル21上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜37を介してポリシリコンなどからなるゲート電極38が形成され、n型半導体領域30とn+型半導体領域33をソース・ドレインとし、p型ウェル21の表層にチャネル形成領域を有する転送トランジスタTが構成されている。   Further, in a region related to the n-type semiconductor region 30 and the n + -type semiconductor region 33, a gate electrode 38 made of polysilicon or the like is formed on the upper surface of the p-type well 21 via a gate insulating film 37 made of silicon oxide or the like. A transfer transistor T having the semiconductor region 30 and the n + -type semiconductor region 33 as a source / drain and having a channel formation region in the surface layer of the p-type well 21 is configured.

また、n+型半導体領域33とn+型半導体領域34に係る領域において、p型ウェル21上面に酸化シリコンなどからなるゲート絶縁膜39を介してポリシリコンなどからなるゲート電極40が形成され、n+型半導体領域33とn+型半導体領域34をソース・ドレインとし、p型ウェル21の表層にチャネル形成領域を有する蓄積トランジスタSが構成されている。   Further, in a region related to the n + -type semiconductor region 33 and the n + -type semiconductor region 34, a gate electrode 40 made of polysilicon or the like is formed on the upper surface of the p-type well 21 via a gate insulating film 39 made of silicon oxide or the like. A storage transistor S having a semiconductor region 33 and an n + -type semiconductor region 34 as a source / drain and having a channel formation region in the surface layer of the p-type well 21 is formed.

また、素子分離絶縁膜(23、24)で区分された領域において、p型ウェル21の表層に下部電極となるp+型半導体領域41が形成されており、この上層に酸化シリコンなどからなる容量絶縁膜42を介してポリシリコンなどからなる上部電極43が形成されており、これらから蓄積容量CSが構成されている。   Further, in a region divided by the element isolation insulating films (23, 24), a p + type semiconductor region 41 serving as a lower electrode is formed on the surface layer of the p type well 21, and a capacitive insulation made of silicon oxide or the like is formed on the upper layer. An upper electrode 43 made of polysilicon or the like is formed through the film 42, and a storage capacitor CS is formed from these.

オーバーフローゲートLO、転送トランジスタT、蓄積トランジスタSおよび蓄積容量CSを被覆して、酸化シリコンなどからなる絶縁膜44が形成されており、n+型半導体領域32、n+型半導体領域33、n+型半導体領域34、および上部電極43に達する開口部が形成され、n+型半導体領域32および上部電極43を接続する配線45と、n+型半導体領域33に接続する配線46とがそれぞれ形成されている。   An insulating film 44 made of silicon oxide or the like is formed so as to cover the overflow gate LO, the transfer transistor T, the storage transistor S, and the storage capacitor CS. The n + type semiconductor region 32, the n + type semiconductor region 33, and the n + type semiconductor region. 34 and an opening reaching the upper electrode 43 are formed, and a wiring 45 connecting the n + type semiconductor region 32 and the upper electrode 43 and a wiring 46 connecting to the n + type semiconductor region 33 are formed.

また、転送トランジスタTのゲート電極38には駆動ラインφTが接続して設けられており、また、蓄積トランジスタSのゲート電極40には駆動ラインφSが接続して設けられている。 A drive line φ T is connected to the gate electrode 38 of the transfer transistor T, and a drive line φ S is connected to the gate electrode 40 of the storage transistor S.

オーバーフローゲートLOのゲート電極36には駆動ラインφLOが接続して設けられている。駆動ラインφLOには駆動パルス信号を印加してもよいが、p型ウェル21と同じゼロ電位に接続してもよい。オーバーフローゲートLOの閾値電圧は転送トランジスタTの閾値電圧よりも低い値に設定し、フォトダイオードPDの飽和を超える過剰電荷はオーバーフローゲートLOを通じて蓄積容量CSに効率的に流れるようにする。また、オーバーフローゲートLOと転送トランジスタTの閾値電圧を同一にする場合には、オーバーフローゲートLOの電位をゼロ電位より高く設定すれば、フォトダイオードPDの飽和を超える過剰電荷をオーバーフローゲートLOを通じて蓄積容量CSに効率的に流すことができる。 A drive line φ LO is connected to the gate electrode 36 of the overflow gate LO. A drive pulse signal may be applied to the drive line φLO , but it may be connected to the same zero potential as the p-type well 21. The threshold voltage of the overflow gate LO is set to a value lower than the threshold voltage of the transfer transistor T so that excess charge exceeding the saturation of the photodiode PD can efficiently flow to the storage capacitor CS through the overflow gate LO. Further, when the threshold voltage of the overflow gate LO and the transfer transistor T is made the same, if the potential of the overflow gate LO is set higher than zero potential, excess charge exceeding the saturation of the photodiode PD is stored through the overflow gate LO. It is possible to efficiently flow to CS.

上記の他の要素であるリセットトランジスタR、増幅トランジスタSF、選択トランジスタX、各駆動ライン(φR、φX)および出力ラインOUTについては、例えば配線46が不図示の増幅トランジスタSFに接続されるなど、図1の等価回路図に示す構成となるように、図3−1および図3−2に示す半導体基板20上の不図示の領域において構成されている。 For the reset transistor R, the amplification transistor SF, the selection transistor X, the drive lines (φ R , φ X ), and the output line OUT, which are the other elements, for example, the wiring 46 is connected to the amplification transistor SF (not shown). 1 is configured in a region (not shown) on the semiconductor substrate 20 shown in FIGS. 3A and 3B so as to have the configuration shown in the equivalent circuit diagram of FIG.

フォトダイオードPDは相対的に浅いポテンシャルの容量CPDを構成し、フローティングディフュージョンFDおよび蓄積容量CSは相対的に深いポテンシャルの容量(CFD、CCS)を構成する。 The photodiode PD constitutes a relatively shallow potential capacitor CPD , and the floating diffusion FD and the storage capacitor CS constitute relatively deep potential capacitors (C FD , C CS ).

図1、図2、図3−1および図3−2で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法について説明する。図4は本実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。   An operation method of the solid-state imaging device according to this embodiment described with reference to FIGS. 1, 2, 3-1, and 3-2 will be described. FIG. 4 is a drive timing chart of the solid-state imaging device of the present embodiment.

まず、露光蓄積前に、蓄積トランジスタSをオン、転送トランジスタT、リセットトランジスタRをオフにセットする。このとき、フォトダイオードPDは完全空乏化している。次にリセットスイッチRをオンしてフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSのリセットを行い(時刻t1)、次にリセットトランジスタRをオフした直後に取り込まれたFD+CSのリセットノイズをノイズ信号N2として読み出す(時刻t2)。この際ノイズ信号N2には増幅トランジスタSFの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。蓄積期間中(時刻t3)においては、蓄積トランジスタS、転送トランジスタT、リセットトランジスタR、選択トランジスタXをオフした状態で、飽和前の光電荷はフォトダイオードPDで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートLOを介して蓄積容量CSに蓄積する。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードPDからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードPDで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。 First, before exposure accumulation, the accumulation transistor S is turned on, and the transfer transistor T and the reset transistor R are turned off. At this time, the photodiode PD is completely depleted. Next, the reset switch R is turned on to reset the floating diffusion FD and the storage capacitor CS (time t 1 ), and then the FD + CS reset noise taken immediately after the reset transistor R is turned off is read as the noise signal N2 ( Time t 2 ). At this time, the threshold voltage variation of the amplification transistor SF is included in the noise signal N2 as a fixed pattern noise component. During the accumulation period (time t 3 ), with the accumulation transistor S, the transfer transistor T, the reset transistor R, and the selection transistor X turned off, photocharge before saturation is accumulated in the photodiode PD and exceeds saturation. The excess photocharge at that time is stored in the storage capacitor CS via the overflow gate LO. By this operation, the charge overflowing from the photodiode PD in the oversaturated state is effectively utilized without being discarded. In this manner, the accumulation operation is performed by receiving light within the same period with the same photodiode PD for each pixel before and after saturation.

蓄積終了後(時刻t4)に選択トランジスタXをオンした後、リセットトランジスタをオンすることでフローティングディフュージョンFD部のリセットを行い(時刻t5)、リセット直後に取り込まれたFDリセットノイズをノイズ信号N1として読み出す(時刻t6)。この際ノイズ信号N1には増幅トランジスタSFの閾値電圧ばらつきも固定パターンノイズ成分として含まれる。 After the accumulation is completed (time t 4 ), the selection transistor X is turned on, and then the reset transistor is turned on to reset the floating diffusion FD unit (time t 5 ). The FD reset noise captured immediately after the reset is a noise signal. Read as N1 (time t 6 ). At this time, the noise signal N1 includes a variation in threshold voltage of the amplification transistor SF as a fixed pattern noise component.

次に転送トランジスタTをオンしてフォトダイオードPDに蓄積された光信号をFDへ完全転送し(時刻t7)、S1+N1として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタSもオンして、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSへ完全転送し(時刻t8)、フォトダイオードPDおよびフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSに蓄積された電荷を混合して、S1+S2+N2として信号を読み出す。 Next, the transfer transistor T is turned on to completely transfer the optical signal accumulated in the photodiode PD to the FD (time t 7 ), and the signal is read as S1 + N1. Next, the storage transistor S is also turned on, and the signal charge stored in the photodiode PD is completely transferred to the floating diffusion FD and the storage capacitor CS (time t 8 ), and stored in the photodiode PD, the floating diffusion FD, and the storage capacitor CS. The mixed charges are mixed and a signal is read as S1 + S2 + N2.

図5に本実施形態の固体撮像装置のブロック図を示す。2次元に配置された画素アレイ(100、101、102、103)の周辺部に行シフトレジスタ104、列シフトレジスタ105、信号およびノイズホールド部106、出力回路107を設けている。ここでは簡単のため2画素×2画素の画素アレイを示しているが、画素の数はこれに限定されない。   FIG. 5 shows a block diagram of the solid-state imaging device of the present embodiment. A row shift register 104, a column shift register 105, a signal and noise hold unit 106, and an output circuit 107 are provided in the periphery of the pixel array (100, 101, 102, 103) arranged two-dimensionally. Here, a pixel array of 2 pixels × 2 pixels is shown for simplicity, but the number of pixels is not limited to this.

各画素から点順次に読み出される信号は、雑音信号N1、およびFDで電荷電圧変換された飽和前の光信号+雑音信号S1+N1、雑音信号N2およびFD+CSで電荷電圧変換された飽和前と飽和後の加算された光信号+雑音信号S1+S2+N2となる。減算回路により飽和前側のノイズ除去(S1+N1)−N1の動作を行い、ランダムノイズ成分および固定パターンノイズ成分の両方を除去する。一方、過飽和側のノイズN2は蓄積開始直後に読み出されるので、ランダムノイズ成分および固定パターンノイズ成分の両方を除去する場合には、フレームメモリに一旦保存した後、減算回路によりノイズ除去(S1+S2+N2)−N2の動作を行なう。このようにして、ノイズ除去された飽和前側信号S1および過飽和側信号S1+S2を得られる。減算回路、フレームメモリは、イメージセンサチップ上に形成しても、また別チップとして形成してもどちらでも構わない。   Signals read out in a dot-sequential manner from each pixel are the noise signal N1 and the pre-saturation optical signal that has undergone charge-voltage conversion with the FD + noise signal S1 + N1, and the pre-saturation and post-saturation signals that have undergone charge-voltage conversion with the noise signals N2 and FD + CS The added optical signal + noise signal S1 + S2 + N2. The subtraction circuit performs the operation of noise removal before saturation (S1 + N1) −N1 to remove both the random noise component and the fixed pattern noise component. On the other hand, since the noise N2 on the oversaturation side is read out immediately after the start of accumulation, when removing both the random noise component and the fixed pattern noise component, the noise N2 is temporarily stored in the frame memory and then removed by the subtraction circuit (S1 + S2 + N2) − The operation of N2 is performed. In this way, the pre-saturation signal S1 and the supersaturation signal S1 + S2 from which noise has been removed are obtained. The subtraction circuit and the frame memory may be formed on the image sensor chip or may be formed as separate chips.

ダイナミックレンジの拡大率は、フローティングディフュージョンFDの容量をCFD、蓄積容量CSの容量をCCSとすると、簡単には(CFD+CCS)/CFDと表せる。実際には、FDをリセットするときよりもFD+CSをリセットするときの方がリセットトランジスタRのクロックフィードスルーの影響を受けにくくなり、飽和前側信号S1の飽和電圧よりも過飽和側信号S2の飽和電圧のほうが高くなるので、ダイナミックレンジはこれ以上の比率で拡大する。高いフォトダイオード開口率を維持した上で画素サイズを拡大せずダイナミックレンジを効果的に拡大するためには、面積効率の良い大きな蓄積容量を形成できることが求められる。 The expansion rate of the dynamic range can be expressed simply as (C FD + C CS ) / C FD when the capacity of the floating diffusion FD is C FD and the capacity of the storage capacitor CS is C CS . In practice, the reset transistor R is less susceptible to the clock feedthrough when the FD + CS is reset than when the FD is reset, and the saturation voltage of the oversaturation side signal S2 is less than the saturation voltage of the presaturation side signal S1. The higher the dynamic range, the larger the dynamic range. In order to effectively expand the dynamic range without increasing the pixel size while maintaining a high photodiode aperture ratio, it is required to form a large storage capacitor with high area efficiency.

広ダイナミックレンジ信号の合成は、ノイズ除去された飽和前側信号S1および過飽和側信号S1+S2のいずれかの信号を選択することで実現する。S1とS1+S2の選択は、予め設定したS1/(S1+S2)切り替え基準電圧とS1の信号出力電圧を比較してS1またはS1+S2のいずれかの信号を選択することで実現する。切り替え基準電圧は、飽和前信号S1の飽和電圧ばらつきの影響を受けないようにS1飽和電圧よりも低くし、かつ切り替え点における過飽和側信号S1+S2のS/N比を高く維持するような電圧に設定すればよい。ここで、過飽和側信号S1+S2のゲインに(CFD+CCS)/CFD比を乗じることで飽和前側信号S1のゲインに合せることができる。このようにして低照度から高照度までリニアな信号で選択合成された広ダイナミックレンジ拡大された映像信号を得ることができる。 The synthesis of the wide dynamic range signal is realized by selecting one of the pre-saturation signal S1 and the supersaturation signal S1 + S2 from which noise has been removed. The selection of S1 and S1 + S2 is realized by comparing a preset S1 / (S1 + S2) switching reference voltage with the signal output voltage of S1 and selecting either S1 or S1 + S2. The switching reference voltage is set to a voltage that is lower than the S1 saturation voltage so as not to be affected by variations in the saturation voltage of the pre-saturation signal S1, and that maintains the S / N ratio of the oversaturated signal S1 + S2 at the switching point. do it. Here, it is possible to match the gain of the pre-saturation side signal S1 by multiplying the gain of the supersaturation side signal S1 + S2 by the ratio (C FD + C CS ) / C FD ratio. In this way, it is possible to obtain a video signal with a wide dynamic range that is selectively synthesized with linear signals from low illuminance to high illuminance.

上述した動作からも明らかなように、本固体撮像装置では飽和前側と過飽和側の信号電荷を混合して過飽和側の信号S1+S2としているので、S1+S2には、最低でも飽和前側光信号S1のPD飽和に近い信号電荷が存在し、過飽和側におけるリセットノイズ、暗電流などのノイズ成分に対する許容度が高くなる。過飽和側S1+S2信号に対するノイズ許容度が高くなることを利用して、次フィールドのフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSのリセット直後の電位をN2’として読み出し前フィールドのS1+S2+N2との差分を取り固定パターン雑音成分を除去しても((S1+S2+N2)−N2’)、飽和前側と過飽和側信号の選択切り替え点付近においても、十分なS/N比を確保することが可能となる。したがって必ずしもフレームメモリは必要ではない。   As is apparent from the above-described operation, in this solid-state imaging device, the signal charges on the saturation side and the saturation side are mixed to form the signal S1 + S2 on the saturation side, so that at least S1 + S2 is the PD saturation of the light signal S1 on the saturation front side. The signal charge close to is present, and the tolerance for noise components such as reset noise and dark current on the oversaturation side is increased. Utilizing the fact that the noise tolerance for the supersaturated S1 + S2 signal becomes high, the potential of the next field floating diffusion FD and the storage capacitor CS immediately after resetting is N2 ′, and the difference between S1 + S2 + N2 in the field before reading is taken and fixed pattern noise component Even if the signal is removed ((S1 + S2 + N2) −N2 ′), a sufficient S / N ratio can be secured even in the vicinity of the selection switching point between the pre-saturation side signal and the supersaturation side signal. Therefore, a frame memory is not always necessary.

飽和前側の信号S1+N1およびノイズ信号N1の読み出し動作は、フローティングディフュージョンFDリセットノイズおよびソースフォロアアンプ閾値値電圧ばらつき補正動作を行なうため、低照度領域では、高感度、高S/N(低ノイズ)特性を実現でき、また残像の発生も無い。過飽和側の動作では、同一蓄積期間中にフォトダイオードPDからあふれた電荷を、オーバーフローゲートLOを介して、蓄積容量CSに蓄積した後、低照度側の信号読み出しが終了してから、時刻t8に、FDに残存している飽和前信号電荷を過飽和信号電荷と混合して読み出す。また、この時刻t8においては蓄積トランジスタSがオンしたときにFDが大きな容量CSに接続されFD+CSの電位が正の方向に向う。したがって、PDが飽和状態でもPDの光電荷が効率よくFD+CSに完全転送されるようになるので、PD飽和付近でも残像発生は起こらない。 The read operation of the signal S1 + N1 and the noise signal N1 on the saturation side performs a floating diffusion FD reset noise and a source follower amplifier threshold value voltage variation correction operation. Therefore, high sensitivity and high S / N (low noise) characteristics are obtained in a low illuminance region. And there is no afterimage. In the operation on the oversaturation side, after the charge overflowing from the photodiode PD during the same accumulation period is accumulated in the storage capacitor CS via the overflow gate LO, the signal reading on the low illuminance side is completed, and then the time t 8 In addition, the pre-saturation signal charge remaining in the FD is mixed with the supersaturated signal charge and read out. The potential of the FD when the storage transistor S is turned ON at time t 8 is connected to a large capacitance CS FD + CS is directed to the positive direction. Therefore, even if the PD is in a saturated state, the photocharge of the PD is efficiently transferred to the FD + CS efficiently, so that no afterimage occurs even near the PD saturation.

更に、CS容量が飽和した場合でもリセットトランジスタRと蓄積トランジスタSの閾値電圧を調整することで効率よく余剰電荷をVDDに排出することが可能となるためp型シリコン半導体基板を使用した場合でもブルーミングを抑制することができる。また、リセットトランジスタRと蓄積トランジスタSのLow側電位をゼロ電位より高く設定しても構わない。   Further, even when the CS capacitance is saturated, it is possible to efficiently discharge surplus charges to VDD by adjusting the threshold voltages of the reset transistor R and the storage transistor S. Therefore, blooming even when a p-type silicon semiconductor substrate is used. Can be suppressed. Further, the low-side potential of the reset transistor R and the storage transistor S may be set higher than the zero potential.

このように、フォトダイオードPDが飽和していない低照度撮像においてはノイズをキャンセルして得た飽和前電荷信号(S1)により高感度、高S/N比を維持することができ、さらにフォトダイオードPDが飽和した高照度撮像においては、フォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積容量により蓄積してこれを取り入れ、上記同様にノイズをキャンセルして得た信号(飽和前電荷信号と過飽和電荷信号の和(S1+S2))により、高S/N比を維持して、高照度側に広ダイナミックレンジ化を実現できる。   As described above, in low-illuminance imaging in which the photodiode PD is not saturated, high sensitivity and a high S / N ratio can be maintained by the pre-saturation charge signal (S1) obtained by canceling noise. In high-illuminance imaging with PD saturation, a signal obtained by accumulating photocharges overflowing from a photodiode through a storage capacitor and taking it in, and canceling noise in the same manner as described above (sum of pre-saturation charge signal and supersaturation charge signal ( By S1 + S2)), a wide dynamic range can be realized on the high illuminance side while maintaining a high S / N ratio.

本実施形態の固体撮像装置は、上記のように低照度側の感度を下げずに高照度側の感度を上げて広ダイナミックレンジ化を図るほか、電源電圧を通常用いられている範囲から上げないので将来のイメージセンサの微細化に対応することができる。素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。   As described above, the solid-state imaging device of the present embodiment increases the sensitivity on the high illuminance side without lowering the sensitivity on the low illuminance side, and widens the dynamic range, and does not increase the power supply voltage from the range in which it is normally used. Therefore, it can cope with future miniaturization of image sensors. The addition of elements is kept to a minimum, and the pixel size is not increased.

さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像においても画質を劣化させることがない。   Furthermore, unlike conventional image sensors that achieve a wide dynamic range, the accumulation time is not divided between the high illuminance side and the low illuminance side, i.e., it is accumulated in the same accumulation time without straddling frames. The image quality is not deteriorated even in the case of imaging.

また、フローティグディフュージョンFDのリーク電流についても、本実施形態のイメージセンサではS1+S2の最小信号がフォトダイオードPDからの飽和電荷となってFDリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、FDリークの影響を受け難いという利点がある。   As for the leakage current of the floating diffusion FD, in the image sensor of the present embodiment, the minimum signal of S1 + S2 becomes the saturation charge from the photodiode PD, and the charge amount larger than the charge of the FD leak is handled. There is an advantage that it is hardly affected by the FD leak.

第2実施形態
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。
Second Embodiment The present embodiment is a modification of the circuit configuration of the pixels of the solid-state imaging device according to the present embodiment according to the first embodiment. FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of one pixel of this embodiment, and FIG. 7 is a schematic plan view thereof.

各画素は、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードPD1と、フォトダイオードPD1に隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタT2と、転送トランジスタT2を介してフォトダイオードPD1に接続して設けられたフローティングディフュージョンFD3と、蓄積動作時にフォトダイオードPD1からあふれる光電荷を転送するためのフォトダイオードPD1に隣接して設けられた光電荷を転送するオーバーフローゲートLO4と、蓄積動作時にフォトダイオードPD1からあふれる光電荷をオーバーフローゲートLO4を通じて蓄積する蓄積容量CS5と、蓄積容量CS5に接続して形成され、蓄積容量CS5およびフローティングディフュージョンFD3内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタR6と、フローティングディフュージョンFD3と蓄積容量CS5の間に設けられた蓄積トランジスタS7と、フローティングディフュージョンFD3の信号電荷またはフローティングディフュージョンFD3と蓄積容量CS5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SF8と、増幅トランジスタに接続して設けられ画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタX9とから構成されている。   Each pixel receives light and generates and accumulates photocharges, a transfer transistor T2 for transferring photocharges provided adjacent to the photodiode PD1, and a photodiode PD1 via the transfer transistor T2. Connected to the floating diffusion FD3, an overflow gate LO4 for transferring photocharge provided adjacent to the photodiode PD1 for transferring the photocharge overflowing from the photodiode PD1 during the accumulation operation, and during the accumulation operation A storage capacitor CS5 that accumulates photoelectric charges overflowing from the photodiode PD1 through the overflow gate LO4, and a reset transistor for discharging the signal charges in the storage capacitor CS5 and the floating diffusion FD3 are connected to the storage capacitor CS5. A register R6, a storage transistor S7 provided between the floating diffusion FD3 and the storage capacitor CS5, an amplification transistor SF8 for reading out the signal charge of the floating diffusion FD3 or the signal charge of the floating diffusion FD3 and the storage capacitor CS5 as a voltage, A selection transistor X9 is provided that is connected to the amplification transistor and selects a pixel or a pixel block.

本実施形態に係る固体撮像装置は、前記第1実施形態と同様に、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素において、オーバーフローゲートLO4、転送トランジスタT2、蓄積トランジスタS7、リセットトランジスタR6のゲート電極に、φLO10、φT11、φS12、φR13の各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタX9のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφX14が接続され、さらに、選択トランジスタX9の出力側ソースに出力ラインOUT15が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。 As in the first embodiment, the solid-state imaging device according to the present embodiment has a plurality of pixels having the above-described configuration integrated in a two-dimensional or one-dimensional array, and each pixel has an overflow gate LO4 and a transfer. The driving lines φ LO 10, φ T 11, φ S 12, and φ R 13 are connected to the gate electrodes of the transistor T2, the storage transistor S7, and the reset transistor R6, and the row electrode is shifted to the gate electrode of the selection transistor X9. The pixel selection line φ X 14 driven from the register is connected, and the output line OUT15 is connected to the output side source of the selection transistor X9, which is controlled and output by the column shift register.

選択トランジスタX9、駆動ラインφX14については、前記第1実施形態と同様に、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンFD3の電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。 Selection transistors X9, the driveline phi X 14 is the similar to the first embodiment, selection of the pixel, so that it is non-selective operation, since it is sufficient fixing the voltage of the floating diffusion FD3 to appropriate values, they It can be omitted.

本実施形態に係る固体撮像装置の画素のフォトダイオードPD1、オーバーフローゲートLO4、蓄積容量CS5の部分に相当する模式的断面図と画素のフォトダイオードPD1、転送トランジスタT2、フローティングディフュージョンFD3、蓄積トランジスタS7、蓄積容量CS5の部分に相当する模式的断面図は図3−1および図3−2と同様である。   Schematic cross-sectional view corresponding to the photodiode PD1, overflow gate LO4, and storage capacitor CS5 of the pixel of the solid-state imaging device according to the present embodiment, and the pixel photodiode PD1, transfer transistor T2, floating diffusion FD3, storage transistor S7, A schematic cross-sectional view corresponding to the storage capacitor CS5 is the same as FIGS. 3-1 and 3-2.

図6、図7で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法について説明する。図8は本実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。   An operation method of the solid-state imaging device according to this embodiment described with reference to FIGS. 6 and 7 will be described. FIG. 8 is a drive timing chart of the solid-state imaging device of the present embodiment.

まず、蓄積前に、蓄積トランジスタSをオン、転送トランジスタT、リセットトランジスタRをオフにセットする。このとき、フォトダイオードPDは完全空乏化している。   First, before accumulation, the accumulation transistor S is turned on, and the transfer transistor T and the reset transistor R are set off. At this time, the photodiode PD is completely depleted.

次にリセットトランジスタRをオンしてフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSのリセットを行い(時刻t1’)、次にリセットトランジスタRをオフした直後に取り込まれたFD+CSのリセットノイズをノイズ信号N2として読み出す(時刻t2’)。この際ノイズ信号N2には増幅トランジスタSFの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。蓄積期間中(時刻t3’)においては、蓄積トランジスタS、転送トランジスタT、リセットトランジスタR、選択トランジスタXをオフにした状態で、飽和前の光電荷はフォトダイオードPDで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰電荷は、オーバーフローゲートLOを介して蓄積容量CSに蓄積する。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードPDからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードPDで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。 Next, the reset transistor R is turned on to reset the floating diffusion FD and the storage capacitor CS (time t 1 ′), and the reset noise of FD + CS captured immediately after the reset transistor R is turned off is read as the noise signal N2. (Time t 2 '). At this time, the threshold voltage variation of the amplification transistor SF is included in the noise signal N2 as a fixed pattern noise component. During the accumulation period (time t 3 ′), with the accumulation transistor S, the transfer transistor T, the reset transistor R, and the selection transistor X turned off, photocharge before saturation is accumulated in the photodiode PD, and saturation is performed. Excess charge when exceeding is stored in the storage capacitor CS via the overflow gate LO. By this operation, the charge overflowing from the photodiode PD in the oversaturated state is effectively utilized without being discarded. In this manner, the accumulation operation is performed by receiving light within the same period with the same photodiode PD for each pixel before and after saturation.

蓄積終了後(時刻t4’)に選択トランジスタXをオンした後、FDに蓄積されたノイズ信号N1を読み出す。この際ノイズ信号N1には増幅トランジスタのSFの閾値電圧ばらつきも固定パターンノイズ成分として含まれる。次に転送トランジスタTをオンしてフォトダイオードPDに蓄積された光信号をFDへ完全転送し(時刻t5’)、S1+N1として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタSもオンして(時刻t6’)、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSへ完全転送し、フォトダイオードPDおよびフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSに蓄積された電荷を混合して、S1+S2+N2として信号を読み出す。 After the accumulation is completed (time t 4 ′), the selection transistor X is turned on, and then the noise signal N1 accumulated in the FD is read. At this time, the noise signal N1 includes the SF threshold voltage variation of the amplification transistor as a fixed pattern noise component. Next, the transfer transistor T is turned on to completely transfer the optical signal accumulated in the photodiode PD to the FD (time t 5 ′), and the signal is read as S1 + N1. Next, the storage transistor S is also turned on (time t 6 ′), and the signal charge stored in the photodiode PD is completely transferred to the floating diffusion FD and the storage capacitor CS, and is transferred to the photodiode PD, the floating diffusion FD, and the storage capacitor CS. The accumulated charges are mixed and a signal is read as S1 + S2 + N2.

第1実施形態においては、フローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSに蓄積されていたノイズ信号N2の一部が時刻t5おいてフローティングディフュージョンFDのリセット動作の際に捨てられていた。この際に捨てられるノイズ信号の量はフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSに蓄積されていたノイズ信号N2のCFD/(CFD+CCS)倍となる。本実施形態の固体撮像装置においてはノイズ信号の一部が捨てられることはない。 In the first embodiment, a portion of the noise signal N2 accumulated in the floating diffusion FD and the storage capacitor CS were discarded during the reset operation of the time t 5 Oite floating diffusion FD. The amount of the noise signal discarded at this time is C FD / (C FD + C CS ) times the noise signal N 2 stored in the floating diffusion FD and the storage capacitor CS. In the solid-state imaging device of the present embodiment, part of the noise signal is not discarded.

本実施形態の固体撮像装置のブロック図は第1実施形態で示した図5と同様である。各画素から点順次に読み出される信号、ダイナミックレンジの拡大率、広ダイナミックレンジ信号の合成についても第1実施形態で説明したものと同様である。   The block diagram of the solid-state imaging device of this embodiment is the same as that of FIG. 5 shown in the first embodiment. Signals read out in dot order from each pixel, dynamic range expansion ratio, and synthesis of wide dynamic range signals are the same as those described in the first embodiment.

本実施形態の固体撮像装置は、第1実施形態と同様に、上記のように低照度側の感度を下げずに高照度側の感度を上げて広ダイナミックレンジ化を図るほか、電源電圧を通常用いられている範囲から上げないので将来のイメージセンサの微細化に対応することができる。また、素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。   As in the first embodiment, the solid-state imaging device of the present embodiment increases the sensitivity on the high illuminance side without increasing the sensitivity on the low illuminance side as described above, and widens the dynamic range. Since it is not raised from the range in which it is used, it can cope with future miniaturization of image sensors. Further, the addition of elements is suppressed to a minimum, and the pixel size is not increased.

さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像においても画質を劣化させることがない。   Furthermore, unlike conventional image sensors that achieve a wide dynamic range, the accumulation time is not divided between the high illuminance side and the low illuminance side, i.e., it is accumulated in the same accumulation time without straddling frames. The image quality is not deteriorated even in the case of imaging.

また、フローティグディフュージョンFDのリーク電流についても、本実施形態のイメージセンサではフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSの容量CFD+CCSで読み出される最小信号が過飽和電荷+フォトダイオードPDからの飽和電荷となってFDリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、FDリークの影響を受け難いという利点がある。 As for the leakage current of the floating diffusion FD, the minimum signal read by the floating diffusion FD and the capacitance C FD + C CS of the storage capacitor CS in the image sensor of the present embodiment is the oversaturated charge + the saturated charge from the photodiode PD. Therefore, since an amount of charge larger than that of the FD leak is handled, there is an advantage that it is hardly affected by the FD leak.

第3実施形態
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。
Third Embodiment This embodiment is a modification of the overflow gate of the pixel of the solid-state imaging device according to this example according to the first and second embodiments. 9 and 10 are an equivalent circuit diagram and a schematic plan view of one pixel corresponding to the first embodiment of the present embodiment. 11 and 12 are an equivalent circuit diagram and a schematic plan view of one pixel corresponding to the second embodiment of the present embodiment.

各画素は、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードPD1と、フォトダイオードPD1に隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタT2と、転送トランジスタT2を介してフォトダイオードPD1に接続して設けられたフローティングディフュージョンFD3と、蓄積動作時にフォトダイオードPD1からあふれる光電荷を転送するためのフォトダイオードPD1に隣接して設けられた光電荷を転送するオーバーフローゲートLO4’と、蓄積動作時にフォトダイオードPD1からあふれる光電荷をオーバーフローゲートLO4’を通じて蓄積する蓄積容量CS5と、蓄積容量CS5に接続して形成され、フローティングディフュージョンFD3(図9)または蓄積容量CS5(図11)内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタR6と、フローティングディフュージョンFD3と蓄積容量CS5の間に設けられた蓄積トランジスタS7と、フローティングディフュージョンFD3の信号電荷またはフローティングディフュージョンFD3と蓄積容量CS5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SF8と、増幅トランジスタに接続して設けられ画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタX9とから構成されている。   Each pixel receives light and generates and accumulates photocharges, a transfer transistor T2 for transferring photocharges provided adjacent to the photodiode PD1, and a photodiode PD1 via the transfer transistor T2. A floating diffusion FD3 provided in connection with the photodiode, an overflow gate LO4 ′ for transferring photocharge provided adjacent to the photodiode PD1 for transferring photocharge overflowing from the photodiode PD1 during the accumulation operation, and an accumulation operation A storage capacitor CS5 that sometimes accumulates the photoelectric charge overflowing from the photodiode PD1 through the overflow gate LO4 ′ and a signal charge in the floating diffusion FD3 (FIG. 9) or the storage capacitor CS5 (FIG. 11) are formed connected to the storage capacitor CS5. Discharge Reset transistor R6, a storage transistor S7 provided between the floating diffusion FD3 and the storage capacitor CS5, and an amplification for reading the signal charge of the floating diffusion FD3 or the signal charge of the floating diffusion FD3 and the storage capacitor CS5 as a voltage. The transistor SF8 is connected to the amplifying transistor and includes a selection transistor X9 for selecting a pixel or a pixel block.

本実施形態に係る固体撮像装置は、前記第1および第2実施形態と同様に、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素において、転送トランジスタT2、蓄積トランジスタS7、リセットトランジスタR6のゲート電極に、φT11、φS12、φR13の各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタX9のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφX14が接続され、さらに、選択トランジスタX9の出力側ソースに出力ラインOUT15が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。 As in the first and second embodiments, the solid-state imaging device according to this embodiment includes a plurality of pixels having the above-described configuration integrated in a two-dimensional or one-dimensional array, and each pixel has a transfer transistor. The drive lines φ T 11, φ S 12, and φ R 13 are connected to the gate electrodes of T2, the storage transistor S7, and the reset transistor R6, and the gate electrode of the selection transistor X9 is driven from the row shift register. The pixel selection line φ X 14 is connected, and the output line OUT15 is connected to the output side source of the selection transistor X9, which is controlled and output by the column shift register.

選択トランジスタX9、駆動ラインφX14については、前記第1実施形態と同様に、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンFD3の電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。また、図9及び図11に示されるように、オーバーフローゲートLO4’のゲートは接地されている。 Selection transistors X9, the driveline phi X 14 is the similar to the first embodiment, selection of the pixel, so that it is non-selective operation, since it is sufficient fixing the voltage of the floating diffusion FD3 to appropriate values, they It can be omitted. Further, as shown in FIGS. 9 and 11, the gate of the overflow gate LO4 ′ is grounded.

本実施形態に係る固体撮像装置の画素のフォトダイオードPD1、オーバーフローゲートLO4’、蓄積容量CS5の部分に相当する模式的断面図を図13に示す。ここで、n型半導体領域30とn+型半導体領域32に係る領域において、p型ウェル21上面にp+半導体領域50が形成され、n型半導体領域30とn+型半導体領域32をソース・ドレインとし、p+型半導体領域50をゲートとする接合トランジスタ型のオーバーフローゲートLOが構成されている。他の構造は前記第1実施形態と同様である。p+半導体領域50はp+型半導体領域31およびp型ウェル領域21に電気的に接続されている。   FIG. 13 shows a schematic cross-sectional view corresponding to the photodiode PD1, overflow gate LO4 ', and storage capacitor CS5 of the pixel of the solid-state imaging device according to the present embodiment. Here, in a region related to the n-type semiconductor region 30 and the n + -type semiconductor region 32, a p + semiconductor region 50 is formed on the upper surface of the p-type well 21, and the n-type semiconductor region 30 and the n + -type semiconductor region 32 are used as a source / drain. A junction transistor type overflow gate LO having the p + type semiconductor region 50 as a gate is formed. Other structures are the same as those in the first embodiment. The p + semiconductor region 50 is electrically connected to the p + type semiconductor region 31 and the p type well region 21.

本実施形態の固体撮像装置の動作方法は第1および第2実施形態と同様である。本実施形態の固体撮像装置のブロック図は第1実施形態で示した図5と同様である。各画素から点順次に読み出される信号、ダイナミックレンジの拡大率、広ダイナミックレンジ信号の合成についても第1実施形態で説明したものと同様である。   The operation method of the solid-state imaging device of this embodiment is the same as that of the first and second embodiments. The block diagram of the solid-state imaging device of this embodiment is the same as that of FIG. 5 shown in the first embodiment. Signals read out in dot order from each pixel, dynamic range expansion ratio, and synthesis of wide dynamic range signals are the same as those described in the first embodiment.

本実施形態の固体撮像装置は、第1実施形態および第2実施形態と同様の効果を発現することに加えて、p+半導体領域50がp+型半導体領域31およびp型ウェル領域21に電気的に接続されているので、第1実施形態および第2実施形態よりも駆動信号配線の数を減らすことができ、より高密度な画素を実現することができる。   In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the p + semiconductor region 50 is electrically connected to the p + type semiconductor region 31 and the p type well region 21 in addition to exhibiting the same effect as the first embodiment and the second embodiment. Since they are connected, the number of drive signal wirings can be reduced as compared with the first embodiment and the second embodiment, and higher density pixels can be realized.

第4実施形態
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。
Fourth Embodiment A solid-state imaging device according to the present embodiment has a structure in which the charge overflowing from the photodiode during charge accumulation can be moved more smoothly to the floating diffusion in the solid-state imaging device of the third embodiment. The solid-state imaging device.

図14に示す固体撮像装置は、オーバーフローゲートLOが、接合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接合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の一例の断面図であり、フォトダイオードPD、オーバーフローゲートLO、蓄積容量CSの部分に相当する。   In the solid-state imaging device shown in FIG. 14, the overflow gate LO has a buried channel type having a semiconductor layer of the same conductivity type as the channel of the junction transistor formed from the surface of the substrate constituting the junction transistor or near the surface to a predetermined depth. It is sectional drawing of an example, and is equivalent to the part of photodiode PD, overflow gate LO, and storage capacity CS.

ここで、オーバーフローゲートLOのゲートp+型半導体領域50の下部における基板の表面から所定の深さまで、n型半導体領域30とn+型半導体領域32に一部重なるように、n型半導体領域51が形成されている。n型半導体領域51は、n型半導体領域30およびn+型半導体領域32よりも不純物の実効濃度が低いn型の領域である。 Here, the n-type semiconductor region 51 is partially overlapped with the n-type semiconductor region 30 and the n + -type semiconductor region 32 from the surface of the substrate below the gate p + -type semiconductor region 50 of the overflow gate LO to a predetermined depth. Is formed. The n-type semiconductor region 51 is an n-type region having an effective impurity concentration lower than that of the n-type semiconductor region 30 and the n + -type semiconductor region 32.

上記の構造は、フォトダイオードPDと蓄積容量CS間のポテンシャル障壁を下げることに相当する。従って、電荷の蓄積時においてフォトダイオードPDからあふれる電荷を蓄積容量CSへとスムーズに移動させることができる。   The above structure corresponds to lowering the potential barrier between the photodiode PD and the storage capacitor CS. Therefore, the charge overflowing from the photodiode PD during charge accumulation can be smoothly moved to the storage capacitor CS.

図15および図16に示す固体撮像装置は、オーバーフローゲートLOが、オーバーフローゲートLOのゲート下部と並列して、基板の所定の深さにおいて形成され、フォトダイオードPDと蓄積容量CS間のパンチスルーの障壁を低減する半導体層を有する構成である。   In the solid-state imaging device shown in FIGS. 15 and 16, the overflow gate LO is formed at a predetermined depth of the substrate in parallel with the lower portion of the overflow gate LO, and punch-through between the photodiode PD and the storage capacitor CS is performed. The semiconductor device has a semiconductor layer that reduces a barrier.

図15は、本実施形態に係る固体撮像装置の一例の断面図であり、フォトダイオードPD、オーバーフローゲートLO、蓄積容量CSの部分に相当する。ここで、オーバーフローゲートLOのゲート電極50の下部における所定の深さの領域において、n型半導体領域30に接続して、n型半導体領域52が形成されている。   FIG. 15 is a cross-sectional view of an example of the solid-state imaging device according to the present embodiment, and corresponds to a photodiode PD, an overflow gate LO, and a storage capacitor CS. Here, an n-type semiconductor region 52 is formed so as to be connected to the n-type semiconductor region 30 in a region having a predetermined depth below the gate electrode 50 of the overflow gate LO.

上記の構造は、オーバーフローゲートLOのパンチスルーの障壁を低くしていることに相当する。このn型半導体領域52からn+型半導体領域32への斜め方向のパンチスルーのルートが、フォトダイオードPDから蓄積容量CSへのオーバーフローパスとなり、電荷の蓄積時においてフォトダイオードPDからあふれる電荷をパンチスルーさせて蓄積容量CSへとスムーズに移動させることができる。   The above structure corresponds to lowering the punch-through barrier of the overflow gate LO. This oblique punch-through route from the n-type semiconductor region 52 to the n + -type semiconductor region 32 becomes an overflow path from the photodiode PD to the storage capacitor CS, and the charge overflowing from the photodiode PD during charge accumulation is punch-through. Thus, the storage capacitor CS can be moved smoothly.

図16は、本実施形態に係る固体撮像装置の一例の断面図であり、図15の固体撮像装置と同様に、オーバーフローゲートLOのゲート電極50の下部における所定の深さの領域において、n型半導体領域30に接続して、n型半導体領域53が形成されている。本実施形態においては、n型半導体領域53が、さらにn+型半導体領域32の下方にまで延伸して形成されている。   FIG. 16 is a cross-sectional view of an example of the solid-state imaging device according to the present embodiment. Like the solid-state imaging device of FIG. 15, an n-type is formed in a region having a predetermined depth below the gate electrode 50 of the overflow gate LO. An n-type semiconductor region 53 is formed in connection with the semiconductor region 30. In the present embodiment, the n-type semiconductor region 53 is formed so as to extend further below the n + -type semiconductor region 32.

上記の構造は、オーバーフローゲートLOのパンチスルーの障壁を低くしていることに相当する。このn型半導体領域53からn+型半導体領域32へのほぼ垂直方向のパンチスルーのルートが、フォトダイオードPDから蓄積容量CSへのオーバーフローパスとなり、電荷の蓄積時においてフォトダイオードPDからあふれる電荷をパンチスルーさせて蓄積容量CSへとスムーズに移動させることができる。   The above structure corresponds to lowering the punch-through barrier of the overflow gate LO. The substantially vertical punch-through route from the n-type semiconductor region 53 to the n + -type semiconductor region 32 becomes an overflow path from the photodiode PD to the storage capacitor CS, and punches the charge overflowing from the photodiode PD during charge accumulation. It can be smoothly moved to the storage capacitor CS.

第5実施形態
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。
Fifth Embodiment The present embodiment is a modified form of the pixel circuit configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment according to the first embodiment. FIG. 17 is an equivalent circuit diagram of two pixels of the present embodiment, and FIG. 18 is a schematic plan view thereof.

本実施形態は、2つのフォトダイオードと蓄積容量をもつ画素a、bから構成される画素ブロックを基本単位とする固体撮像装置である。各画素ブロックは、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードPDa1、PDb1’と、フォトダイオードPDa1、PDb1’それぞれに隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタTa2、Tb2’と、転送トランジスタTa2、Tb2’それぞれを介してフォトダイオードPDa1、PDb1’それぞれに接続して設けられた一つのフローティングディフュージョンFD3と、蓄積動作時にフォトダイオードPDa1、PDb1’それぞれからあふれる光電荷を転送するためのフォトダイオードPDa1、PDb1’それぞれに隣接して設けられた光電荷を転送するオーバーフローゲートLOa4、LOb4’と、蓄積動作時にフォトダイオードPDa1、PDb1’それぞれからあふれる光電荷をオーバーフローゲートLOa4、LOb4’を通じて蓄積する蓄積容量CSa5、CSb5’と、蓄積容量CSa5、CSb5’それぞれに接続して形成され、蓄積容量CSa5、CSb5’およびフローティングディフュージョンFD3内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタR6と、フローティングディフュージョンFD3と蓄積容量CSa5、CSb5’の間に設けられた蓄積トランジスタSa7、Sb7と、フローティングディフュージョンFD3の信号電荷またはフローティングディフュージョンFD3と蓄積容量CSa5、CSb5’それぞれ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SF8と、増幅トランジスタに接続して設けられ画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタX9とから構成されている。このようにして、2つのフォトダイオードと蓄積容量に、フローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタSF、リセットトランジスタR、選択トランジスタXを持つ基本単位の画素ブロックが構成される。   The present embodiment is a solid-state imaging device having a pixel block composed of two photodiodes and pixels a and b having storage capacitors as a basic unit. Each pixel block receives photodiodes PDa1 and PDb1 ′ that generate and accumulate photocharges, and transfer transistors Ta2 and Tb2 ′ that transfer photocharges provided adjacent to the photodiodes PDa1 and PDb1 ′. And one floating diffusion FD3 provided to be connected to each of the photodiodes PDa1 and PDb1 ′ via the transfer transistors Ta2 and Tb2 ′, respectively, and a photocharge overflowing from each of the photodiodes PDa1 and PDb1 ′ during the accumulation operation. Overflow gates LOa4 and LOb4 ′ for transferring photocharges provided adjacent to the photodiodes PDa1 and PDb1 ′, and the photocharges overflowing from the photodiodes PDa1 and PDb1 ′ during the accumulation operation, respectively. The storage capacitors CSa5 and CSb5 ′ that are stored through the flow gates LOa4 and LOb4 ′ are connected to the storage capacitors CSa5 and CSb5 ′, respectively, for discharging signal charges in the storage capacitors CSa5 and CSb5 ′ and the floating diffusion FD3. The reset transistor R6, the storage transistors Sa7 and Sb7 provided between the floating diffusion FD3 and the storage capacitors CSa5 and CSb5 ′, and the signal charges of the floating diffusion FD3 or the respective signal charges of the floating diffusion FD3 and the storage capacitors CSa5 and CSb5 ′ An amplification transistor SF8 for reading out as a voltage, and a selection transistor X9 provided in connection with the amplification transistor for selecting a pixel or a pixel block. It is configured. In this manner, a basic unit pixel block having the floating diffusion FD, the amplification transistor SF, the reset transistor R, and the selection transistor X in the two photodiodes and the storage capacitor is formed.

本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素ブロックにおいて、オーバーフローゲートLOa4、LOb4’、転送トランジスタTa2、Tb2’、蓄積トランジスタSa7、Sb7’、リセットトランジスタR6のゲート電極に、φLOa、φLOb、φTa、φTb、φSa、φSb、φRの各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタX9のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφXが接続され、さらに、選択トランジスタX9の出力側ソースに出力ラインOUT15が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。 In the solid-state imaging device according to the present embodiment, a plurality of pixels having the above-described configuration are integrated in a two-dimensional or one-dimensional array, and in each pixel block, overflow gates LOa4 and LOb4 ′, transfer transistors Ta2 and Tb2 ′. , The drive lines φ LOa , φ LOb , φ Ta , φ Tb , φ Sa , φ Sb , φ R are connected to the gate electrodes of the storage transistors Sa 7 , Sb 7 ′ and the reset transistor R 6. A pixel selection line φ X driven from the row shift register is connected to the gate electrode, and an output line OUT15 is connected to the output side source of the selection transistor X9, which is controlled and output by the column shift register.

選択トランジスタX9、駆動ラインφXについては、前記第1実施形態と同様に、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンFD3の電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。   As with the first embodiment, the selection transistor X9 and the drive line φX are omitted as long as the voltage of the floating diffusion FD3 can be fixed to an appropriate value so that the pixel can be selected and deselected. It is also possible.

本実施形態に係る固体撮像装置の画素ブロックにおける、画素a、画素bのフォトダイオードPDa1、PDb1’、オーバーフローゲートLOa4、LOb4’、蓄積容量CSa5、CSb5’の部分に相当する模式的断面図と画素のフォトダイオードPDa1、PDb1’、転送トランジスタTa2、Tb2’、フローティングディフュージョンFD3、蓄積トランジスタSa7、Sb7’、蓄積容量CSa5、CSb5の部分に相当する模式的断面図は図3−1および図3−2と同様である。   Schematic sectional view and pixels corresponding to the photodiodes PDa1, PDb1 ′, overflow gates LOa4, LOb4 ′, storage capacitors CSa5, CSb5 ′ of the pixels a and b in the pixel block of the solid-state imaging device according to the present embodiment. Schematic cross-sectional views corresponding to the photodiodes PDa1, PDb1 ′, transfer transistors Ta2, Tb2 ′, floating diffusion FD3, storage transistors Sa7, Sb7 ′, and storage capacitors CSa5, CSb5 are shown in FIGS. 3-1 and 3-2. It is the same.

図17、図18で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法について説明する。図19は本実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。各画素ブロックにおいて、画素a、画素bを読み出す時、同一のフローティンディフュージョンFD、増幅トランジスタSF、リセットトランジスタR、選択トランジスタXを用いて読み出す。   An operation method of the solid-state imaging device according to this embodiment described with reference to FIGS. 17 and 18 will be described. FIG. 19 is a drive timing chart of the solid-state imaging device of the present embodiment. In each pixel block, when reading out the pixel a and the pixel b, they are read out using the same floating diffusion FD, amplification transistor SF, reset transistor R, and selection transistor X.

まず、露光蓄積前に、画素aの蓄積トランジスタSaをオン、転送トランジスタTa、リセットトランジスタRをオフにセットする。このとき、画素aのフォトダイオードPDaは完全空乏化している。次にリセットトランジスタRをオンしてフローティングディフュージョンFDと画素aの蓄積容量CSaのリセットを行い(時刻t1)、リセットトランジスタRをオフした直後に取り込まれたFD+CSaのリセットノイズをノイズ信号N2として読み出す(時刻t2)。この際ノイズ信号N2には増幅トランジスタSFの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。蓄積期間中(時刻t3)においては、飽和前の光電荷はフォトダイオードPDaで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートLOaを介して蓄積容量CSaに蓄積する。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードPDからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードPDで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。 First, before exposure accumulation, the accumulation transistor Sa of the pixel a is set to on, the transfer transistor Ta, and the reset transistor R are set to off. At this time, the photodiode PDa of the pixel a is completely depleted. Next, the reset transistor R is turned on to reset the floating diffusion FD and the storage capacitor CSa of the pixel a (time t 1 ), and the reset noise of FD + CSa taken immediately after the reset transistor R is turned off is read as the noise signal N2. (Time t 2 ). At this time, the threshold voltage variation of the amplification transistor SF is included in the noise signal N2 as a fixed pattern noise component. During the accumulation period (time t 3 ), the photocharge before saturation is accumulated in the photodiode PDa, and excess photocharge when the saturation is exceeded is accumulated in the storage capacitor CSa via the overflow gate LOa. By this operation, the charge overflowing from the photodiode PD in the oversaturated state is effectively utilized without being discarded. In this manner, the accumulation operation is performed by receiving light within the same period with the same photodiode PD for each pixel before and after saturation.

蓄積終了後(時刻t4)に選択トランジスタXをオンした後、リセットトランジスタをオンすることでフローティングディフュージョンFD部のリセットを行い(時刻t5)、リセット直後に取り込まれたFDリセットノイズをノイズ信号N1として読み出す(時刻t6)。この際ノイズ信号N1には増幅トランジスタSFの閾値電圧ばらつきも固定パターンノイズ成分として含まれる。次に転送トランジスタTaをオンしてフォトダイオードPDaに蓄積された光信号をFDへ完全転送し(時刻t7)、S1+N1として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタSaもオンして(時刻t8)、フォトダイオードPDaに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSaへ完全転送し、フォトダイオードPDaおよびフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSaに蓄積された電荷を混合して、S1+S2+N2として信号を読み出す。画素bにおいても、露光蓄積前に、蓄積トランジスタSbをオン、転送トランジスタTb、リセットトランジスタRをオフにセットし、リセットトランジスタRをオンしてフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSbのリセットを行い、リセットトランジスタRをオフした直後に取り込まれたFD+CSbのリセットノイズをノイズ信号N2として読み出す。この際ノイズ信号N2には増幅トランジスタSFの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。 After the accumulation is completed (time t 4 ), the selection transistor X is turned on, and then the reset transistor is turned on to reset the floating diffusion FD unit (time t 5 ). The FD reset noise captured immediately after the reset is a noise signal. Read as N1 (time t 6 ). At this time, the noise signal N1 includes a variation in threshold voltage of the amplification transistor SF as a fixed pattern noise component. Next, the transfer transistor Ta is turned on to completely transfer the optical signal accumulated in the photodiode PDa to the FD (time t 7 ), and the signal is read as S1 + N1. Next, the storage transistor Sa is also turned on (time t 8 ), and the signal charge stored in the photodiode PDa is completely transferred to the floating diffusion FD and the storage capacitor CSa, and stored in the photodiode PDa, the floating diffusion FD, and the storage capacitor CSa. The mixed charges are mixed and a signal is read as S1 + S2 + N2. Also in the pixel b, before the exposure accumulation, the accumulation transistor Sb is turned on, the transfer transistor Tb and the reset transistor R are set off, the reset transistor R is turned on to reset the floating diffusion FD and the accumulation capacitor CSb, and the reset transistor The reset noise of FD + CSb captured immediately after R is turned off is read as a noise signal N2. At this time, the threshold voltage variation of the amplification transistor SF is included in the noise signal N2 as a fixed pattern noise component.

蓄積期間中(時刻t9)においては、飽和前の光電荷はフォトダイオードPDbで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートLObを介して蓄積容量CSbに蓄積する。 During the accumulation period (time t 9 ), the photocharge before saturation is accumulated in the photodiode PDb, and excess photocharge when the saturation is exceeded is accumulated in the storage capacitor CSb via the overflow gate LOb.

蓄積終了後(時刻t10)に選択トランジスタXをオンした後、リセットトランジスタをオンすることでフローティングディフュージョンFD部のリセットを行い(時刻t11)、リセット直後に取り込まれたFDリセットノイズをノイズ信号N1として読み出す(時刻t12)。 After the accumulation is completed (time t 10 ), the selection transistor X is turned on, and then the reset transistor is turned on to reset the floating diffusion FD section (time t 11 ), and the FD reset noise captured immediately after the reset is a noise signal. Read as N1 (time t 12 ).

次に転送トランジスタTbをオンしてフォトダイオードPDbに蓄積された光信号をFDへ完全転送し(時刻t13)、S1+N1として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタSbもオンして(時刻t14)、フォトダイオードPDbに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSbへ完全転送し、フォトダイオードPDbおよびフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSbに蓄積された電荷を混合して、S1+S2+N2として信号を読み出す。 Next, the transfer transistor Tb is turned on to completely transfer the optical signal accumulated in the photodiode PDb to the FD (time t 13 ), and the signal is read as S1 + N1. Next, the storage transistor Sb is also turned on (time t 14 ), and the signal charge stored in the photodiode PDb is completely transferred to the floating diffusion FD and storage capacitor CSb, and stored in the photodiode PDb, floating diffusion FD, and storage capacitor CSb. The mixed charges are mixed and a signal is read as S1 + S2 + N2.

本実施形態の固体撮像装置は、フローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタSF、リセットトランジスタR、選択トランジスタXが2画素に1組の割合で設けられているので、一画素あたりの画素面積を小さくすることができる。   In the solid-state imaging device according to the present embodiment, the floating diffusion FD, the amplification transistor SF, the reset transistor R, and the selection transistor X are provided in a ratio of one set per two pixels, so that the pixel area per pixel can be reduced. it can.

本実施形態の固体撮像装置のブロック図は第1実施形態で示した図5と同様であるが、出力線は二画素に一つとなる。各画素から点順次に読み出される信号、ダイナミックレンジの拡大率、広ダイナミックレンジ信号の合成については、第1実施形態で説明したものと同様である。   The block diagram of the solid-state imaging device of this embodiment is the same as that of FIG. 5 shown in the first embodiment, but one output line is provided for every two pixels. Signals read out sequentially from each pixel, dynamic range expansion ratio, and synthesis of wide dynamic range signals are the same as those described in the first embodiment.

上記の動作では、各画素ブロックに設けられた画素を順次駆動しすべての画素から得られる信号を利用する場合を示しているが、間引き動作として各画素ブロックからいずれかの画素を選択し、その画素から得られる信号を利用しても構わないし、また平均化動作として各画素ブロック内で画素信号を混合加算し、その信号を利用しても構わない。   In the above operation, the case where the pixels provided in each pixel block are sequentially driven and signals obtained from all the pixels are used is shown. A signal obtained from a pixel may be used, or pixel signals may be mixed and added in each pixel block as an averaging operation, and the signal may be used.

本実施形態の固体撮像装置は、第1実施形態と同様に、低照度側の感度を下げずに高照度側の感度を上げて広ダイナミックレンジ化を図るほか、電源電圧を通常用いられている範囲から上げないので将来のイメージセンサの微細化に対応することができる。また、素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。   As in the first embodiment, the solid-state imaging device according to the present embodiment normally uses a power supply voltage in addition to increasing the sensitivity on the high illuminance side without increasing the sensitivity on the low illuminance side and widening the dynamic range. Since it is not raised from the range, it can cope with future miniaturization of image sensors. Further, the addition of elements is suppressed to a minimum, and the pixel size is not increased.

さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像においても画質を劣化させることがない。   Furthermore, unlike conventional image sensors that achieve a wide dynamic range, the accumulation time is not divided between the high illuminance side and the low illuminance side, i.e., it is accumulated in the same accumulation time without straddling frames. The image quality is not deteriorated even in the case of imaging.

また、フローティグディフュージョンFDのリーク電流についても、本実施形態のイメージセンサではS1+S2の最小信号がフォトダイオードPDからの飽和電荷となってFDリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、FDリークの影響を受け難いという利点がある。   As for the leakage current of the floating diffusion FD, in the image sensor of the present embodiment, the minimum signal of S1 + S2 becomes the saturation charge from the photodiode PD, and the charge amount larger than the charge of the FD leak is handled. There is an advantage that it is hardly affected by the FD leak.

第6実施形態
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。
Sixth Embodiment The present embodiment is an embodiment obtained by modifying the circuit configuration of a pixel of the solid-state imaging device according to the present embodiment according to the first embodiment. FIG. 20 is an equivalent circuit diagram of the pixel of this embodiment, and FIG. 21 is a schematic plan view thereof.

本実施形態は、4つのフォトダイオードと蓄積容量をもつ画素a、b、c、dから構成される画素ブロックを基本単位とする固体撮像装置である。各画素ブロックは、光を受光して光電荷を生成および蓄積するフォトダイオードPDa1、PDb1’、PDc1''、PDd1'''と、フォトダイオードPDa1、PDb1’、PDc1''、PDd1'''それぞれに隣接して設けられた光電荷を転送する転送トランジスタTa2、Tb2’、Tc2''、Td2'''と、転送トランジスタTa2、Tb2’、Tc2''、Td2'''それぞれを介してフォトダイオードPDa1、PDb1’、PDc1''、PDd1'''それぞれに接続して設けられた一つのフローティングディフュージョンFD3と、蓄積動作時にフォトダイオードPDa1、PDb1’、PDc1’、PDd1'''それぞれからあふれる光電荷を転送するためのフォトダイオードPDa1、PDb1’、PDc1''、PDd1'''それぞれに隣接して設けられた光電荷を転送するオーバーフローゲートLOa4、LOb4’、LOc4''、LOd4'''と、蓄積動作時にフォトダイオードPDa1、PDb1’、PDc1''、PDd1'''それぞれからあふれる光電荷をオーバーフローゲートLOa4、LOb4’、LOc4''、LOd4'''を通じて蓄積する蓄積容量CSa5、CSb5’、CSc5''、CSd5'''と、蓄積容量CSa5、CSb5’、CSc5''、CSd5'''それぞれに接続して形成され、蓄積容量CSa5、CSb5’、CSc5''、CSd5'''およびフローティングディフュージョンFD3内の信号電荷を排出するためのリセットトランジスタR6と、フローティングディフュージョンFD3と蓄積容量CSa5、CSb5’、CSc5''、CSd5'''の間に設けられた蓄積トランジスタSa7、Sb7’、Sc7''、Sd7'''と、フローティングディフュージョンFD3の信号電荷またはフローティングディフュージョンFD3と蓄積容量CSa5、CSb5’、CSc5''、CSd5'''それぞれ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SF8と、増幅トランジスタに接続して設けられ画素ないしは画素ブロックを選択するための選択トランジスタX9とから構成されている。このようにして、4つのフォトダイオードと蓄積容量に、フローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタSF、リセットトランジスタR、選択トランジスタXを持つ基本単位の画素ブロックが構成される。   The present embodiment is a solid-state imaging device having a pixel block composed of four photodiodes and pixels a, b, c, and d having storage capacitors as a basic unit. Each pixel block receives photodiodes PDa1, PDb1 ′, PDc1 ″, PDd1 ′ ″ that generate and store photoelectric charges, and photodiodes PDa1, PDb1 ′, PDc1 ″, PDd1 ′ ″, respectively. And transfer transistors Ta2, Tb2 ′, Tc2 ″, Td2 ′ ″, which are provided adjacent to each other, and photodiodes via the transfer transistors Ta2, Tb2 ′, Tc2 ″, Td2 ′ ″, respectively. One floating diffusion FD3 connected to each of PDa1, PDb1 ′, PDc1 ″, PDd1 ′ ″ and photocharges overflowing from each of the photodiodes PDa1, PDb1 ′, PDc1 ′, PDd1 ′ ″ during the accumulation operation Adjacent to the photodiodes PDa1, PDb1 ′, PDc1 ″, PDd1 ′ ″ for transferring The overflow gates LOa4, LOb4 ′, LOc4 ″, LOd4 ′ ″ for transferring the photocharges provided and the photocharges overflowing from the photodiodes PDa1, PDb1 ′, PDc1 ″, PDd1 ′ ″ during the accumulation operation, respectively. Storage capacitors CSa5, CSb5 ′, CSc5 ″, CSd5 ′ ″ and storage capacitors CSa5, CSb5 ′, CSc5 ″, CSd5 ′ ″ stored through the overflow gates LOa4, LOb4 ′, LOc4 ″, LOd4 ′ ″ The storage capacitors CSa5, CSb5 ′, CSc5 ″, CSd5 ′ ″ and the reset transistor R6 for discharging signal charges in the floating diffusion FD3, the floating diffusion FD3, the storage capacitors CSa5, CSb5 ', CSc5' ', CSd5' '' The product transistors Sa7, Sb7 ′, Sc7 ″, Sd7 ′ ″ and the signal charges of the floating diffusion FD3 or the signal charges of the floating diffusion FD3 and the storage capacitors CSa5, CSb5 ′, CSc5 ″, CSd5 ′ ″ are used as voltages. It comprises an amplification transistor SF8 for reading and a selection transistor X9 provided in connection with the amplification transistor for selecting a pixel or a pixel block. In this way, a basic unit pixel block having the floating diffusion FD, the amplification transistor SF, the reset transistor R, and the selection transistor X is configured in the four photodiodes and the storage capacitor.

本実施形態に係る固体撮像装置は、上記の構成の画素が二次元または一次元のアレイ状に複数個集積されており、各画素ブロックにおいて、オーバーフローゲートLOa4、LOb4’、LOc4''、LOd4'''、転送トランジスタTa2、Tb2’、Tc2''、Td2'''、蓄積トランジスタSa7、Sb7’、Sc7''、Sd7'''、リセットトランジスタR6のゲート電極に、φLOa、φLOb、φLOc、φLOd、φTa、φTb、φTc、φTd、φSa、φSb、φSc、φSd、φRの各駆動ラインが接続され、また、選択トランジスタX9のゲート電極には行シフトレジスタから駆動される画素選択ラインφXが接続され、さらに、選択トランジスタX9の出力側ソースに出力ラインOUT15が接続され、列シフトレジスタにより制御されて出力される。 In the solid-state imaging device according to this embodiment, a plurality of pixels having the above-described configuration are integrated in a two-dimensional or one-dimensional array, and in each pixel block, overflow gates LOa4, LOb4 ′, LOc4 ″, LOd4 ′. '', Transfer transistors Ta2, Tb2 ′, Tc2 ″, Td2 ′ ″, storage transistors Sa7, Sb7 ′, Sc7 ″, Sd7 ′ ″, and the gate electrodes of the reset transistor R6 are φ LOa , φ LOb , φ LOc, φ LOd, φ Ta, φ Tb, φ Tc, φ Td, φ Sa, φ Sb, φ Sc, φ Sd, φ the drive line of R are connected, the line to a gate electrode of the selection transistor X9 A pixel selection line φ X driven from the shift register is connected, and an output line OUT15 is further connected to the output side source of the selection transistor X9, which is controlled and output by the column shift register.

選択トランジスタX9、駆動ラインφXについては、前記第1実施形態と同様に、画素の選択、非選択動作ができるように、フローティングディフュージョンFD3の電圧を適宜な値に固定できればよいから、それらを省略することも可能である。 Selection transistors X9, for driveline phi X, wherein similarly to the first embodiment, selection of the pixel, so that it is non-selective operation, since it is sufficient fixing the voltage of the floating diffusion FD3 to an appropriate value, omit them It is also possible to do.

本実施形態に係る固体撮像装置の画素ブロックにおける、画素a、画素b、画素c、画素dのフォトダイオードPDa1、PDb1’、PDc1''、PDd1'''、オーバーフローゲートLOa4、LOb4’、LOc4''、LOd4'''、蓄積容量CSa5、CSb5’、CSc5''、CSd5'''の部分に相当する模式的断面図と画素のフォトダイオードPDa1、PDb1’、PDc1''、PDd1'''、転送トランジスタTa2、Tb2’、Tc2''、Td2'''、フローティングディフュージョンFD3、蓄積トランジスタSa7、Sb7’、Sc7''、Sd7'''、蓄積容量CSa5、CSb5’、CSc6''、CSd7'''の部分に相当する模式的断面図は図3−1および図3−2と同様である。   Photodiodes PDa1, PDb1 ′, PDc1 ″, PDd1 ′ ″, overflow gates LOa4, LOb4 ′, LOc4 ′ of the pixels a, b, c, and d in the pixel block of the solid-state imaging device according to the present embodiment. ', LOd4' '', schematic sectional views corresponding to the storage capacitors CSa5, CSb5 ', CSc5' ', CSd5' '' and pixel photodiodes PDa1, PDb1 ', PDc1' ', PDd1' '', Transfer transistors Ta2, Tb2 ′, Tc2 ″, Td2 ′ ″, floating diffusion FD3, storage transistors Sa7, Sb7 ′, Sc7 ″, Sd7 ′ ″, storage capacitors CSa5, CSb5 ′, CSc6 ″, CSd7 ″ A schematic cross-sectional view corresponding to the portion 'is the same as FIGS. 3-1 and 3-2.

図20、図21で説明される本実施形態の固体撮像装置の動作方法について説明する。図22は本実施形態の固体撮像装置の駆動タイミング図である。各画素ブロックにおいて、画素a、画素b、画素c、画素dを読み出す時、同一のフローティンディフュージョンFD、増幅トランジスタSF、リセットトランジスタR、選択トランジスタXを用いて読み出す。   An operation method of the solid-state imaging device according to this embodiment described with reference to FIGS. 20 and 21 will be described. FIG. 22 is a drive timing chart of the solid-state imaging device of the present embodiment. In each pixel block, when the pixel a, the pixel b, the pixel c, and the pixel d are read out, they are read out using the same floating diffusion FD, amplification transistor SF, reset transistor R, and selection transistor X.

まず、露光蓄積前に、画素aの蓄積トランジスタSaをオン、転送トランジスタTa、リセットトランジスタRをオフにセットする。このとき、画素aのフォトダイオードPDaは完全空乏化している。   First, before exposure accumulation, the accumulation transistor Sa of the pixel a is set to on, the transfer transistor Ta, and the reset transistor R are set to off. At this time, the photodiode PDa of the pixel a is completely depleted.

次にリセットトランジスタRをオンしてフローティングディフュージョンFDと画素aの蓄積容量CSaのリセットを行い(時刻t1)、リセットトランジスタRをオフした直後にとりこまれたFD+CSaのリセットノイズをノイズ信号N2として読み出す(時刻t2)。この際ノイズ信号N2には増幅トランジスタSFの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。 Next, the reset transistor R is turned on to reset the floating diffusion FD and the storage capacitor CSa of the pixel a (time t 1 ), and the reset noise of FD + CSa taken immediately after the reset transistor R is turned off is read as the noise signal N2. (Time t 2 ). At this time, the threshold voltage variation of the amplification transistor SF is included in the noise signal N2 as a fixed pattern noise component.

蓄積期間中(時刻t3)においては、飽和前の光電荷はフォトダイオードPDaで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートLOaを介して蓄積容量CSaに蓄積する。この動作により、過飽和状態においてフォトダイオードPDからあふれた電荷を捨てずに有効活用する。このようにして、飽和前および過飽和後とも画素毎に同一のフォトダイオードPDで同一期間内に受光することで蓄積動作を行なう。 During the accumulation period (time t 3 ), the photocharge before saturation is accumulated in the photodiode PDa, and excess photocharge when the saturation is exceeded is accumulated in the storage capacitor CSa via the overflow gate LOa. By this operation, the charge overflowing from the photodiode PD in the oversaturated state is effectively utilized without being discarded. In this manner, the accumulation operation is performed by receiving light within the same period with the same photodiode PD for each pixel before and after saturation.

蓄積終了後(時刻t4)に選択トランジスタXをオンした後、リセットトランジスタをオンすることでフローティングディフュージョンFD部のリセットを行い(時刻t5)、リセット直後に取り込まれたFDリセットノイズをノイズ信号N1として読み出す(時刻t6)。この際ノイズ信号N1には増幅トランジスタSFの閾値電圧ばらつきも固定パターンノイズ成分として含まれる。 After the accumulation is completed (time t 4 ), the selection transistor X is turned on, and then the reset transistor is turned on to reset the floating diffusion FD unit (time t 5 ). The FD reset noise captured immediately after the reset is a noise signal. Read as N1 (time t 6 ). At this time, the noise signal N1 includes a variation in threshold voltage of the amplification transistor SF as a fixed pattern noise component.

次に転送トランジスタTaをオンしてフォトダイオードPDaに蓄積された光信号をFDへ完全転送し(時刻t7)、S1+N1として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタSaもオンして(時刻t8)、フォトダイオードPDaに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSaへ完全転送し、フォトダイオードPDaおよびフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSaに蓄積された電荷を混合して、S1+S2+N2として信号を読み出す。画素bにおいても、露光蓄積前に、蓄積トランジスタSbをオン、転送トランジスタTb、リセットトランジスタRをオフにセットし、リセットトランジスタRをオンしてフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSbのリセットを行い、リセットトランジスタRをオフした直後に取り込まれたFD+CSbのリセットノイズをノイズ信号N2として読み出す。この際ノイズ信号N2には増幅トランジスタSFの閾値電圧ばらつきが固定パターンノイズ成分として含まれる。 Next, the transfer transistor Ta is turned on to completely transfer the optical signal accumulated in the photodiode PDa to the FD (time t 7 ), and the signal is read as S1 + N1. Next, the storage transistor Sa is also turned on (time t 8 ), and the signal charge stored in the photodiode PDa is completely transferred to the floating diffusion FD and the storage capacitor CSa, and stored in the photodiode PDa, the floating diffusion FD, and the storage capacitor CSa. The mixed charges are mixed and a signal is read as S1 + S2 + N2. Also in the pixel b, before the exposure accumulation, the accumulation transistor Sb is turned on, the transfer transistor Tb and the reset transistor R are set off, the reset transistor R is turned on to reset the floating diffusion FD and the accumulation capacitor CSb, and the reset transistor The reset noise of FD + CSb captured immediately after R is turned off is read as a noise signal N2. At this time, the threshold voltage variation of the amplification transistor SF is included in the noise signal N2 as a fixed pattern noise component.

蓄積期間中(時刻t9)においては、飽和前の光電荷はフォトダイオードPDbで蓄積し、また飽和を超えた際の過剰光電荷は、オーバーフローゲートLObを介して蓄積容量CSbに蓄積する。蓄積終了後(時刻t10)に選択トランジスタXをオンした後、リセットトランジスタをオンすることでフローティングディフュージョンFD部のリセットを行い(時刻t11)、リセット直後に取り込まれたFDリセットノイズをノイズ信号N1として読み出す(時刻t12)。次に転送トランジスタTbをオンしてフォトダイオードPDbに蓄積された光信号をFDへ完全転送し(時刻t13)、S1+N1として信号を読み出す。次に蓄積トランジスタSbもオンして(時刻t14)、フォトダイオードPDbに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSbへ完全転送し、フォトダイオードPDbおよびフローティングディフュージョンFDと蓄積容量CSbに蓄積された電荷を混合して、S1+S2+N2として信号を読み出す。以下、c、dの画素について上記と同様の動作が繰り返される。 During the accumulation period (time t 9 ), the photocharge before saturation is accumulated in the photodiode PDb, and excess photocharge when the saturation is exceeded is accumulated in the storage capacitor CSb via the overflow gate LOb. After the accumulation is completed (time t 10 ), the selection transistor X is turned on, and then the reset transistor is turned on to reset the floating diffusion FD section (time t 11 ), and the FD reset noise captured immediately after the reset is a noise signal. Read as N1 (time t 12 ). Next, the transfer transistor Tb is turned on to completely transfer the optical signal accumulated in the photodiode PDb to the FD (time t 13 ), and the signal is read as S1 + N1. Next, the storage transistor Sb is also turned on (time t 14 ), and the signal charge stored in the photodiode PDb is completely transferred to the floating diffusion FD and storage capacitor CSb, and stored in the photodiode PDb, floating diffusion FD, and storage capacitor CSb. The mixed charges are mixed and a signal is read as S1 + S2 + N2. Thereafter, the same operation as described above is repeated for the pixels c and d.

本実施形態の固体撮像装置は、フローティングディフュージョンFD、増幅トランジスタSF、リセットトランジスタR、選択トランジスタXが4画素に1組の割合で設けられているので、一画素あたりの画素面積を小さくすることができる。   In the solid-state imaging device of the present embodiment, the floating diffusion FD, the amplification transistor SF, the reset transistor R, and the selection transistor X are provided in a ratio of one set per four pixels, so that the pixel area per pixel can be reduced. it can.

上記の動作では、各画素ブロックに設けられた画素を順次駆動しすべての画素から得られる信号を利用する場合を示しているが、間引き動作として各画素ブロックからいずれかの画素を選択し、その画素から得られる信号を利用しても構わないし、また平均化動作として各画素ブロック内で画素信号を混合加算し、その信号を利用しても構わない。   In the above operation, the case where the pixels provided in each pixel block are sequentially driven and signals obtained from all the pixels are used is shown. A signal obtained from a pixel may be used, or pixel signals may be mixed and added in each pixel block as an averaging operation, and the signal may be used.

本実施形態の固体撮像装置のブロック図は第1実施形態で示した図5と同様であるが、出力線は四画素に一つとなる。各画素から点順次に読み出される信号、ダイナミックレンジの拡大率、広ダイナミックレンジ信号の合成については、第1実施形態で説明したものと同様である。   The block diagram of the solid-state imaging device of this embodiment is the same as that of FIG. 5 shown in the first embodiment, but one output line is provided for every four pixels. Signals read out sequentially from each pixel, dynamic range expansion ratio, and synthesis of wide dynamic range signals are the same as those described in the first embodiment.

本実施形態の固体撮像装置は、第1実施形態と同様に、低照度側の感度を下げずに高照度側の感度を上げて広ダイナミックレンジ化を図るほか、電源電圧を通常用いられている範囲から上げないので将来のイメージセンサの微細化に対応することができる。また、素子の追加は極小に抑えられており、画素サイズの拡大を招くことはない。   As in the first embodiment, the solid-state imaging device according to the present embodiment normally uses a power supply voltage in addition to increasing the sensitivity on the high illuminance side without increasing the sensitivity on the low illuminance side and widening the dynamic range. Since it is not raised from the range, it can cope with future miniaturization of image sensors. Further, the addition of elements is suppressed to a minimum, and the pixel size is not increased.

さらに、従来の広ダイナミックレンジ化を実現するイメージセンサのように高照度側と低照度側で蓄積時間を分割しない、即ち、フレームをまたがずに同一の蓄積時間に蓄積しているので、動画の撮像においても画質を劣化させることがない。   Furthermore, unlike conventional image sensors that achieve a wide dynamic range, the accumulation time is not divided between the high illuminance side and the low illuminance side, i.e., it is accumulated in the same accumulation time without straddling frames. The image quality is not deteriorated even in the case of imaging.

また、フローティグディフュージョンFDのリーク電流についても、本実施形態のイメージセンサではCFD+CCSの最小信号が過飽和電荷+フォトダイオードPDからの飽和電荷となってFDリークの電荷よりも大きな電荷量を取り扱うようになるので、FDリークの影響を受け難いという利点がある。 In addition, regarding the leakage current of the floating diffusion FD, in the image sensor of this embodiment, the minimum signal of C FD + C CS becomes the saturation charge from the oversaturation charge + the photodiode PD, and the charge amount is larger than the charge of the FD leakage. Since it comes to handle, there exists an advantage that it is hard to receive the influence of FD leak.

第7実施形態
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。
Seventh Embodiment The present embodiment shows a modification of the form of the storage capacitor for storing photocharges overflowing from the photodiode in the first to sixth embodiments.

蓄積容量として、ジャンクション型蓄積容量を考えた場合、条件を考慮しても1μm2あたりの静電容量は0.3〜3 fF/μm2程度であり、面積効率はあまりよくなく、ダイナミックレンジを広くするには困難が伴う。 As the storage capacity, when considering junction type storage capacitor, the capacitance per 1 [mu] m 2 even considering the condition is 0.3~3 fF / μm 2 or so, the area efficiency is not very good, the dynamic range It is difficult to make it wide.

一方、プレーナ型蓄積容量では、容量絶縁膜の絶縁膜リーク電流を抑制するために絶縁膜電界を3〜4MV/cm以下、最大印加電圧が2.5〜3V、容量絶縁膜厚が7nm程度と設定したとき、容量絶縁膜の材料の比誘電率が3.9で4.8fF/μm2、比誘電率が7.9で9.9fF/μm2、比誘電率が20で25fF/μm2、比誘電率が50で63fF/μm2となる。 On the other hand, in the planar type storage capacitor, the insulating film electric field is 3 to 4 MV / cm or less, the maximum applied voltage is 2.5 to 3 V, and the capacitor insulating film thickness is about 7 nm in order to suppress the insulating film leakage current of the capacitor insulating film. When set, the relative dielectric constant of the material of the capacitive insulating film is 3.9 and 4.8 fF / μm 2 , the relative dielectric constant is 7.9 and 9.9 fF / μm 2 , and the relative dielectric constant is 20 and 25 fF / μm 2. When the relative dielectric constant is 50, the dielectric constant is 63 fF / μm 2 .

酸化シリコン(比誘電率3.9)の他、窒化シリコン(同7.9)、Ta25(同20〜30程度)、HfO2(同30程度)、ZrO2(同30程度)、La23(同40〜50程度)のいわゆるHigh−k材料を用いることで、より大きな静電容量を実現でき、比較的単純な構造であるプレーナ型でも100〜120dB広ダイナミックレンジなイメージセンサを実現できる。 In addition to silicon oxide (relative dielectric constant 3.9), silicon nitride (7.9), Ta 2 O 5 (about 20-30), HfO 2 (about 30), ZrO 2 (about 30), By using a so-called High-k material of La 2 O 3 (about 40 to 50), a larger electrostatic capacity can be realized, and even a planar type image sensor having a relatively simple structure has a wide dynamic range of 100 to 120 dB. Can be realized.

さらに、占有面積を抑制して容量の寄与する面積を拡大可能なスタック型やトレンチ型などの構造を適用することでも120dBの広いダイナミックレンジを達成可能で、さらに上記のHigh−k材料を組み合わせることで、スタック型では140dB、トレンチ型では160dBを達成可能である。   Furthermore, it is possible to achieve a wide dynamic range of 120 dB by applying a stack type or trench type structure capable of expanding the area contributed by the capacitance by suppressing the occupied area, and further combining the above High-k materials. Thus, it is possible to achieve 140 dB in the stack type and 160 dB in the trench type.

以下に、本実施形態で適用できる蓄積容量の例を示す。図23は第1実施形態と同様のプレーナ型MOS蓄積容量の断面図である。即ち、蓄積容量CSは、例えば、p型半導体基板20にp型ウェル21の表層部分に形成された下部電極となるn+型半導体領域60と、n+型半導体領域60上に形成された酸化シリコンの容量絶縁膜42と、容量絶縁膜42上に形成されたポリシリコンなどの上部電極43とを有する構成である。   The following are examples of storage capacities that can be applied in this embodiment. FIG. 23 is a cross-sectional view of a planar type MOS storage capacitor similar to that of the first embodiment. That is, the storage capacitor CS includes, for example, an n + type semiconductor region 60 that is a lower electrode formed in the surface layer portion of the p type well 21 on the p type semiconductor substrate 20 and a silicon oxide formed on the n + type semiconductor region 60. In this configuration, the capacitor insulating film 42 and an upper electrode 43 such as polysilicon formed on the capacitor insulating film 42 are provided.

図24はプレーナ型MOSおよびジャンクション型の蓄積容量の断面図である。例えば、p型半導体基板20に形成されたp型ウェル21の表層部分に下部電極となるn+型半導体領域61が蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるn+型半導体領域32と一体に形成されており、その上の酸化シリコンの容量絶縁膜42を介して上部電極43が形成されて、蓄積容量CSが構成されている。この場合、上部電極43には電源電圧VDDあるいはグラウンドGNDが印加される。   FIG. 24 is a cross-sectional view of a planar type MOS and junction type storage capacitor. For example, an n + type semiconductor region 61 serving as a lower electrode is integrally formed with an n + type semiconductor region 32 serving as a source / drain of a storage transistor in a surface layer portion of a p type well 21 formed in the p type semiconductor substrate 20. An upper electrode 43 is formed through a capacitive insulating film 42 of silicon oxide thereon, thereby forming a storage capacitor CS. In this case, the power supply voltage VDD or the ground GND is applied to the upper electrode 43.

図25の断面図に示す蓄積容量は図23と同様のプレーナ型MOS蓄積容量である。但し、容量絶縁膜42aが窒化シリコンあるいはTa25などのHigh−k材料から構成されており、図23の蓄積容量よりも大容量化されている。 The storage capacitor shown in the sectional view of FIG. 25 is a planar type MOS storage capacitor similar to FIG. However, the capacitor insulating film 42a is made of a high-k material such as silicon nitride or Ta 2 O 5 and has a larger capacity than the storage capacitor of FIG.

図26の断面図に示す蓄積容量は図24と同様のプレーナ型MOSおよびジャンクション型の蓄積容量である。但し、容量絶縁膜42aが窒化シリコンあるいはTa25などのHigh−k材料から構成されており、図24の蓄積容量よりも大容量化されている。 The storage capacitor shown in the cross-sectional view of FIG. 26 is a planar type MOS and junction type storage capacitor similar to FIG. However, the capacitor insulating film 42a is made of a high-k material such as silicon nitride or Ta 2 O 5 and has a larger capacity than the storage capacitor of FIG.

図27はスタック型蓄積容量の断面図である。例えば、p型半導体基板20に形成された素子分離絶縁膜62上に形成された下部電極63と、下部電極63上に形成された容量絶縁膜64と、容量絶縁膜64上に形成された上部電極65とを有する構成である。ここでは、蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるn+型半導体領域32と下部電極63が配線45により接続されている。この場合、上部電極65には電源電圧VDDあるいはグラウンドGNDが印加される。   FIG. 27 is a cross-sectional view of a stack type storage capacitor. For example, a lower electrode 63 formed on the element isolation insulating film 62 formed on the p-type semiconductor substrate 20, a capacitive insulating film 64 formed on the lower electrode 63, and an upper portion formed on the capacitive insulating film 64. This is a configuration having an electrode 65. Here, the n + -type semiconductor region 32 serving as the source / drain of the storage transistor and the lower electrode 63 are connected by the wiring 45. In this case, the power supply voltage VDD or the ground GND is applied to the upper electrode 65.

図28はスタック型蓄積容量の断面図である。例えば、蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるn+型半導体領域32に接続するように形成された下部電極67と、下部電極67の内壁面上に形成された容量絶縁膜68と、下部電極67の内側の部分を埋め込むように容量絶縁膜68を介して形成された上部電極69とを有する構成である。ここでは、上部電極69には電源電圧VDDあるいはグラウンドGNDが印加される。下部電極67と下部電極67内側の部分を埋め込むように形成された上部電極69の構造は、通常のスタック型よりも静電容量に寄与する対向面積を大きくとることができる。   FIG. 28 is a cross-sectional view of a stack type storage capacitor. For example, the lower electrode 67 formed so as to be connected to the n + type semiconductor region 32 serving as the source / drain of the storage transistor, the capacitive insulating film 68 formed on the inner wall surface of the lower electrode 67, and the inner side of the lower electrode 67 And an upper electrode 69 formed through a capacitive insulating film 68 so as to embed this portion. Here, the power supply voltage VDD or the ground GND is applied to the upper electrode 69. The structure of the upper electrode 69 formed so as to bury the lower electrode 67 and the portion inside the lower electrode 67 can have a larger opposing area that contributes to the capacitance than a normal stack type.

図29は、プレーナMOS型とスタック型とを組み合わせた複合蓄積容量の断面図である。本例によれば、面積効率の高い大きな容量を形成することができる。   FIG. 29 is a cross-sectional view of a composite storage capacitor combining a planar MOS type and a stack type. According to this example, a large capacity with high area efficiency can be formed.

図30はトレンチ型蓄積容量の断面図である。n型半導体基板20のp型ウェル21を貫通してn型基板に達するようトレンチTCが形成されており、トレンチTCの内壁に形成された下部電極となるn+型半導体領域70と、トレンチTCの内壁を被覆して形成された容量絶縁膜71と、容量絶縁膜71を介してトレンチTCを埋め込んで形成された上部電極72とを有する構成である。ここでは、蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるn+型半導体領域32と上部電極72が配線45により接続されている。   FIG. 30 is a cross-sectional view of a trench type storage capacitor. A trench TC is formed so as to penetrate the p-type well 21 of the n-type semiconductor substrate 20 and reach the n-type substrate, and an n + -type semiconductor region 70 serving as a lower electrode formed on the inner wall of the trench TC, and the trench TC The capacitor insulating film 71 is formed so as to cover the inner wall, and the upper electrode 72 is formed by filling the trench TC with the capacitor insulating film 71 interposed therebetween. Here, the n + -type semiconductor region 32 serving as the source / drain of the storage transistor and the upper electrode 72 are connected by the wiring 45.

図31はジャンクションを有するトレンチ型蓄積容量の断面図である。n型半導体基板20のp型ウェル21内においてトレンチTCが形成されており、トレンチTCの内壁に下部電極となるn+型半導体領域73が蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるn+型半導体領域32と一体に形成され、トレンチTCの内壁を被覆して容量絶縁膜74が形成され、さらに容量絶縁膜74を介してトレンチTCを埋め込んで上部電極75が形成された構成である。   FIG. 31 is a cross-sectional view of a trench type storage capacitor having a junction. A trench TC is formed in the p-type well 21 of the n-type semiconductor substrate 20, and an n + -type semiconductor region 73 serving as a lower electrode is integrated with an n + -type semiconductor region 32 serving as a source / drain of the storage transistor on the inner wall of the trench TC. The capacitor insulating film 74 is formed so as to cover the inner wall of the trench TC, and the upper electrode 75 is formed by filling the trench TC via the capacitor insulating film 74.

図32はトレンチ型蓄積容量の断面図である。n型半導体基板20のp型ウェル21を貫通してn型基板に達するようトレンチTCが形成されており、トレンチTCのある程度の深さよりも深い領域において、その内壁に形成された下部電極となるn+型半導体領域76と、トレンチTCの内壁を被覆して形成された容量絶縁膜77と、容量絶縁膜77を介してトレンチTCを埋め込んで形成された上部電極78とを有する構成である。ここでは、蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるn+型半導体領域32と上部電極78が配線45により接続されている。   FIG. 32 is a cross-sectional view of a trench type storage capacitor. A trench TC is formed so as to penetrate the p-type well 21 of the n-type semiconductor substrate 20 and reach the n-type substrate, and in a region deeper than a certain depth of the trench TC, it becomes a lower electrode formed on the inner wall thereof. The n + type semiconductor region 76, a capacitive insulating film 77 formed so as to cover the inner wall of the trench TC, and an upper electrode 78 formed by filling the trench TC with the capacitive insulating film 77 interposed therebetween. Here, the n + -type semiconductor region 32 serving as the source / drain of the storage transistor and the upper electrode 78 are connected by the wiring 45.

図33はトレンチ型蓄積容量の断面図である。n型半導体基板20のp型ウェル21を貫通してn型基板に達するようトレンチTCが形成されており、トレンチTCの内壁に形成された下部電極となるp+型半導体領域79と、トレンチTCの内壁を被覆して形成された容量絶縁膜80と、容量絶縁膜80を介してトレンチTCを埋め込んで形成された上部電極81とを有する構成である。ここでは、蓄積トランジスタのソース・ドレインとなるn+型半導体領域32と上部電極81が配線45により接続されている。   FIG. 33 is a cross-sectional view of a trench type storage capacitor. A trench TC is formed so as to penetrate the p-type well 21 of the n-type semiconductor substrate 20 and reach the n-type substrate, and a p + -type semiconductor region 79 serving as a lower electrode formed on the inner wall of the trench TC, and the trench TC. In this configuration, the capacitor insulating film 80 is formed so as to cover the inner wall, and the upper electrode 81 is formed by filling the trench TC with the capacitor insulating film 80 interposed therebetween. Here, the n + -type semiconductor region 32 serving as the source / drain of the storage transistor and the upper electrode 81 are connected by the wiring 45.

図34はジャンクション容量を用いた埋め込み蓄積容量を有するCMOSセンサの断面図である。例えば、p型シリコン半導体基板(p−sub)90上にp型エピタキシャル層91が形成されており、p型シリコン半導体基板90とp型エピタキシャル層91にわたってn+型半導体領域92が形成されている。即ち、n型(第1導電型)の半導体領域とこれに接合するp型(第2導電型)の半導体領域とが、固体撮像装置を構成する半導体基板の内部に埋め込まれて、ジャンクション容量を用いた埋め込み蓄積容量が形成されている。p型シリコン半導体基板90とp型エピタキシャル層91領域には、さらにp+型分離領域93が形成されている。p型エピタキシャル層91上にp型半導体層94が形成されており、p型半導体層94に対して、上記の各実施形態と同様に、フォトダイオードPD、オーバーフローゲートLO、転送トランジスタT、フローティングディフュージョンFD、蓄積トランジスタSが形成されている。例えば、蓄積容量となるn+型半導体領域92は、上記のフォトダイオードPD、オーバーフローゲートLO、転送トランジスタT、フローティングディフュージョンFD、蓄積トランジスタTの各形成領域にわたって、広く形成されている。また、蓄積トランジスタTのソース・ドレインとなるn+型半導体領域32は、p型半導体層94中を垂直に伸びるn+型半導体領域95により、蓄積容量を構成するn+型半導体領域92に接続している。   FIG. 34 is a sectional view of a CMOS sensor having a buried storage capacitor using a junction capacitor. For example, a p-type epitaxial layer 91 is formed on a p-type silicon semiconductor substrate (p-sub) 90, and an n + -type semiconductor region 92 is formed across the p-type silicon semiconductor substrate 90 and the p-type epitaxial layer 91. That is, an n-type (first conductivity type) semiconductor region and a p-type (second conductivity type) semiconductor region bonded to the n-type (first conductivity type) semiconductor region are embedded in the semiconductor substrate constituting the solid-state imaging device, thereby increasing the junction capacitance. The embedded storage capacitor used is formed. A p + type isolation region 93 is further formed in the p type silicon semiconductor substrate 90 and the p type epitaxial layer 91 region. A p-type semiconductor layer 94 is formed on the p-type epitaxial layer 91. The photodiode PD, the overflow gate LO, the transfer transistor T, the floating diffusion are compared with the p-type semiconductor layer 94 as in the above embodiments. An FD and a storage transistor S are formed. For example, the n + -type semiconductor region 92 serving as a storage capacitor is widely formed over the formation regions of the photodiode PD, the overflow gate LO, the transfer transistor T, the floating diffusion FD, and the storage transistor T. Further, the n + type semiconductor region 32 serving as the source / drain of the storage transistor T is connected to the n + type semiconductor region 92 constituting the storage capacitor by the n + type semiconductor region 95 extending vertically in the p type semiconductor layer 94. .

図35は絶縁膜容量およびジャンクション容量を用いた埋め込み蓄積容量を有するCMOSセンサの断面図である。図34と同様の構造であるが、p型シリコン半導体基板(p−sub)90上に、絶縁膜90aを介して、第1p型エピタキシャル層91aと第2p型エピタキシャル層91bとが形成されており、半導体基板上に絶縁膜を介して半導体層が形成されているSOI(Semiconductor on Insulator)基板となっている。ここで、第1p型エピタキシャル層91aと第2p型エピタキシャル層91bにわたり、絶縁膜90aに接する領域まで、n+型半導体領域92が形成されており、絶縁膜を介して対向する半導体基板と半導体層の間の絶縁膜容量を用いて、蓄積容量が構成されている。さらに、図34の蓄積容量と同様に、n+型半導体領域92と、第1p型エピタキシャル層91aおよび第2p型エピタキシャル層91bの間で、ジャンクション容量が形成されている。この他の構造については、図34のCMOSセンサと同様である。   FIG. 35 is a cross-sectional view of a CMOS sensor having a buried storage capacitor using an insulating film capacitor and a junction capacitor. Although the structure is the same as that of FIG. 34, a first p-type epitaxial layer 91a and a second p-type epitaxial layer 91b are formed on a p-type silicon semiconductor substrate (p-sub) 90 via an insulating film 90a. This is an SOI (Semiconductor on Insulator) substrate in which a semiconductor layer is formed on a semiconductor substrate via an insulating film. Here, an n + -type semiconductor region 92 is formed over the first p-type epitaxial layer 91a and the second p-type epitaxial layer 91b up to a region in contact with the insulating film 90a, and the semiconductor substrate and the semiconductor layer facing each other through the insulating film are formed. A storage capacitor is configured by using the insulating film capacitance therebetween. Further, similarly to the storage capacitor in FIG. 34, a junction capacitor is formed between the n + type semiconductor region 92 and the first p-type epitaxial layer 91a and the second p-type epitaxial layer 91b. The other structure is the same as that of the CMOS sensor of FIG.

図36は絶縁膜容量およびジャンクション容量を用いた埋め込み蓄積容量を有するCMOSセンサの断面図である。図35と同様の構造であるが、さらに、フォトダイオードPDを構成するn型半導体領域30と蓄積容量を構成するn+型半導体領域92の間に、低濃度半導体層(i層)96が形成されている。上記の構造は、n型半導体領域30とn+型半導体領域92の間のポテンシャル障壁を低くすることに相当し、フォトダイオードPDから蓄積容量CSへのオーバーフローパスとなる。これにより、電荷の蓄積時においてフォトダイオードからあふれる電荷をパンチスルーさせて蓄積容量へと移動させることができる。   FIG. 36 is a sectional view of a CMOS sensor having a buried storage capacitor using an insulating film capacitor and a junction capacitor. Although the structure is similar to that of FIG. 35, a low-concentration semiconductor layer (i layer) 96 is further formed between the n-type semiconductor region 30 constituting the photodiode PD and the n + -type semiconductor region 92 constituting the storage capacitor. ing. The above structure corresponds to lowering the potential barrier between the n-type semiconductor region 30 and the n + -type semiconductor region 92, and serves as an overflow path from the photodiode PD to the storage capacitor CS. Thereby, the charge overflowing from the photodiode during charge accumulation can be punched through and moved to the storage capacitor.

上記の各種の蓄積容量は、上述の第1〜第6実施形態のいずれにも適用可能で、上述のようにこれらの形状の蓄積容量により、フォトダイオードから溢れる光電荷を蓄積することで、高照度側に広ダイナミックレンジ化を実現できる。   The various storage capacitors described above can be applied to any of the first to sixth embodiments described above. As described above, by storing the photoelectric charges overflowing from the photodiode with the storage capacitors having these shapes, Wide dynamic range can be realized on the illuminance side.

(実施例1)
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。
Example 1
In the solid-state imaging device of the present invention, solid-state imaging having pixels arranged in a two-dimensional array and having a horizontal pixel number of 640 × vertical 480, a pixel size of 7.5 μm square, a floating diffusion capacitance C FD = 4 fF, and a storage capacitance C CS = 60 fF The element was produced by a semiconductor manufacturing method having a two-layer polysilicon three-layer metal wiring. Each storage capacitor is constituted by a parallel capacitor of polysilicon-silicon oxide film-silicon capacitor and polysilicon-silicon nitride film-polysilicon capacitor. The saturation signal voltages of the signals S1 and S1 + S2 were 500 mV and 1000 mV, respectively, and the residual noise voltages remaining in S1 and S1 + S2 after noise removal were equally 0.09 mV. The switching voltage from S1 to S1 + S2 was set lower than the saturation voltage of S1 and set to 400 mV.

各切り替え点でのS1+S2信号と残留ノイズとのS/N比はどちらも40dB以上が得られており、高画質な性能を持つ固体撮像素子が実現できた。また、ダイナミックレンジ性能は100dBを得た。さらに、オーバーフローゲートLOにより高照度光照射時にフォトダイオードPDからあふれる過剰光電荷を効率的に蓄積容量に輸送できていることにより、隣接画素への過剰光電荷の漏れ込みも抑圧でき、優れたブルーミング耐性、スミア耐性を得ることができた。   Since the S / N ratio between the S1 + S2 signal and the residual noise at each switching point is 40 dB or more, a solid-state imaging device having high image quality performance can be realized. The dynamic range performance was 100 dB. In addition, the overflow gate LO efficiently transports excess photocharges overflowing from the photodiode PD when irradiated with high-intensity light to the storage capacitor, thereby suppressing leakage of excess photocharges to adjacent pixels, and excellent blooming Resistance and smear resistance were obtained.

本実施例において、高S/N比を維持して、高照度側に十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できている。   In the present embodiment, a sufficiently wide dynamic range can be realized on the high illuminance side while maintaining a high S / N ratio.

(実施例2)
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。
(Example 2)
In the solid-state imaging device according to the present invention, a pixel block in which two photodiodes and two storage capacitors are provided in a basic pixel block having a horizontal size of 3.5 μm and a vertical size of 7 μm is formed into a two-dimensional array of 640 × vertical 240 pixels. A solid-state solid-state imaging device was prepared. The effective number of pixels is 640 × 480. The floating diffusion capacitance of each pixel block was C FD = 3.4 fF, and the storage capacitance was C CS = 100 fF by applying a trench type storage capacitance structure. The saturation signal voltages of the signals S1 and S1 + S2 were 500 mV and 1000 mV, respectively, and the residual noise voltages remaining in S1 and S1 + S2 after noise removal were equally 0.09 mV. The switching voltage from S1 to S1 + S2 was set lower than the saturation voltage of S1 and set to 400 mV.

各切り替え点でのS1+S2信号と残留ノイズとのS/N比はどちらも40dB以上が得られており、高画質な性能を持つ固体撮像素子が実現できた。また、ダイナミックレンジ性能は110dBを得た。さらに、オーバーフローゲートLOにより高照度光照射時にフォトダイオードPDからあふれる過剰光電荷を効率的に蓄積容量に輸送できていることにより、隣接画素への過剰光電荷の漏れ込みも抑圧でき、優れたブルーミング耐性、スミア耐性を得ることができた。   Since the S / N ratio between the S1 + S2 signal and the residual noise at each switching point is 40 dB or more, a solid-state imaging device having high image quality performance can be realized. The dynamic range performance was 110 dB. In addition, the overflow gate LO efficiently transports excess photocharges overflowing from the photodiode PD when irradiated with high-intensity light to the storage capacitor, thereby suppressing leakage of excess photocharges to adjacent pixels, and excellent blooming Resistance and smear resistance were obtained.

本実施例において、高S/N比を維持して、高照度側に十分に広いダイナミックレンジ拡大を実現できている。   In the present embodiment, a sufficiently wide dynamic range can be realized on the high illuminance side while maintaining a high S / N ratio.

本発明は上記の説明に限定されない。例えば、実施形態においては、固体撮像装置について説明しているが、これに限らず、各固体撮像装置の画素を直線状に配したラインセンサや、各固体撮像装置の画素をそのまま単独で構成することで得られる光センサについても、従来には得られなかった広ダイナミックレンジ化と高感度、高S/N比を達成することができる。   The present invention is not limited to the above description. For example, in the embodiment, the solid-state imaging device is described. However, the present invention is not limited to this, and a line sensor in which the pixels of each solid-state imaging device are arranged in a straight line or the pixels of each solid-state imaging device are configured as they are. As for the optical sensor obtained in this way, it is possible to achieve a wide dynamic range, high sensitivity, and high S / N ratio that have not been obtained in the past.

また、蓄積容量の形状などは特に限定はなく、DRAMのメモリ蓄積容量などで容量を高めるためにこれまでに開発された種々の方法を採用することができる。固体撮像装置としては、フォトダイオードとフォトダイオードからあふれる光電荷を蓄積する蓄積容量とがオーバーフローゲートを介して接続されている構成であればよく、CMOSイメージセンサの他、CCDにも適用することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。   Further, the shape of the storage capacitor is not particularly limited, and various methods developed so far to increase the capacity using the memory storage capacitor of the DRAM can be employed. The solid-state imaging device may have a configuration in which a photodiode and a storage capacitor that accumulates photoelectric charges overflowing from the photodiode are connected via an overflow gate, and can be applied to a CCD in addition to a CMOS image sensor. it can. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明の固体撮像装置は、デジタルカメラ、カメラ付き携帯電話、監視カメラ、車載カメラ、スキャナなどの広いダイナミックレンジが望まれているイメージセンサに適応できる。   The solid-state imaging device of the present invention can be applied to an image sensor that requires a wide dynamic range, such as a digital camera, a mobile phone with a camera, a surveillance camera, an in-vehicle camera, and a scanner.

本発明の固体撮像装置の動作方法は広いダイナミックレンジが望まれているイメージセンサの動作方法に適応できる。   The operation method of the solid-state imaging device of the present invention can be applied to the operation method of an image sensor for which a wide dynamic range is desired.

本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。2 is an equivalent circuit diagram of one pixel of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置の一画素の概略平面図である。1 is a schematic plan view of one pixel of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置の画素のフォトダイオードPD1、オーバーフローゲートLO4、蓄積容量CS5の部分に相当する模式的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view corresponding to a portion of a photodiode PD1, an overflow gate LO4, and a storage capacitor CS5 of a pixel of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置の画素のフォトダイオードPD1、転送トランジスタT2、フローティングディフュージョンFD3、蓄積トランジスタS7、蓄積容量CS5の部分に相当する模式的断面図である。3 is a schematic cross-sectional view corresponding to a portion of a photodiode PD1, a transfer transistor T2, a floating diffusion FD3, a storage transistor S7, and a storage capacitor CS5 of a pixel of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング図である。It is a drive timing diagram of the solid-state imaging device concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置のブロック図である。1 is a block diagram of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る固体撮像装置の一画素の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of one pixel of the solid-state imaging device concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る固体撮像装置の一画素の概略平面図である。It is a schematic plan view of one pixel of the solid-state imaging device concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング図である。It is a drive timing diagram of the solid-state imaging device concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態に係る固体撮像装置の第1実施形態に対応した、一画素の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of one pixel corresponding to the first embodiment of the solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態に係る固体撮像装置の第1実施形態に対応した、一画素の概略平面図である。It is a schematic plan view of one pixel corresponding to 1st Embodiment of the solid-state imaging device which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る固体撮像装置の第2実施形態に対応した、一画素の等価回路図である。It is the equivalent circuit schematic of one pixel corresponding to 2nd Embodiment of the solid-state imaging device which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る固体撮像装置の第2実施形態に対応した、一画素の概略平面図である。It is a schematic plan view of one pixel corresponding to 2nd Embodiment of the solid-state imaging device which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る固体撮像装置の二画素の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of two pixels of the solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention. 本発明の第5実施形態に係る固体撮像装置の二画素の概略平面図である。It is a schematic plan view of 2 pixels of the solid-state imaging device concerning a 5th embodiment of the present invention. 本発明の第5実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング図である。It is a drive timing diagram of the solid-state imaging device concerning a 5th embodiment of the present invention. 本発明の第6実施形態に係る固体撮像装置の四画素の等価回路図である。It is an equivalent circuit schematic of four pixels of the solid-state imaging device concerning a 6th embodiment of the present invention. 本発明の第6実施形態に係る固体撮像装置の四画素の概略平面図である。It is a schematic plan view of four pixels of the solid-state imaging device concerning a 6th embodiment of the present invention. 本発明の第6実施形態に係る固体撮像装置の駆動タイミング図である。It is a drive timing diagram of the solid-state imaging device concerning a 6th embodiment of the present invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施形態に係る固体撮像装置の画素断面図である。It is pixel sectional drawing of the solid-state imaging device concerning 7th Embodiment of this invention. 従来例の特許文献1に対応する等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram corresponding to Patent Document 1 of a conventional example. 従来例の特許文献2に対応する等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram corresponding to patent document 2 of a prior art example. 従来例の特許文献3に対応する等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram corresponding to patent document 3 of a prior art example. 従来例の特許文献4に対応する等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram corresponding to patent document 4 of a prior art example. 従来例の非特許文献3に対応する等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram corresponding to Non-Patent Document 3 of a conventional example.

1 フォトダイオード
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photodiode 2 Transfer transistor 3 Floating diffusion 4, LO Overflow gate 5 Storage capacity 6 Reset transistor 7 Storage transistor 8 Amplification transistor 9 Selection transistor 10 Overflow gate drive line 11 Transfer transistor drive line 12 Storage transistor drive line 13 Reset transistor Drive line 14 selection transistor drive line 15 pixel output line 20 n-type semiconductor substrate 21 p-type well 22, 23, 24, 25 element isolation insulating film 26, 27, 28, 29, 79, 93 p + type isolation region 30 n Type semiconductor region 31, 41, 50 p + type semiconductor region 32, 33, 34, 61, 61a, 70, 73, 76, 92, 95 n + type semiconductor region 35, 37, 39 Gate insulation 36, 38, 40 Gate electrode 42, 42a, 64, 68, 71, 74, 77, 80 Storage capacitor insulating film 43, 65, 69, 72, 75, 78, 81 Storage capacitor upper electrode 44 Interlayer insulating film 45, 46 , 66 wiring 51, 52, 53 n-type semiconductor region 60, 60a p + type semiconductor region or n + type semiconductor region 62 element isolation insulating film 63, 67 storage capacitor lower electrode 90 p-type semiconductor substrate 91 p-type epitaxial layer 91a first p-type Epitaxial layer 91b Second p-type epitaxial layer 94 P-type semiconductor layer 96 Low-concentration semiconductor layer 100, 101, 102, 103 Pixel array 104 Row shift register 105, HSR column shift register 106 Signal and noise hold unit 107 Output circuit

Claims (24)

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。
A photodiode that receives light and generates a photoelectric charge;
An overflow gate that is connected to the photodiode and transfers photoelectric charges overflowing from the photodiode during a storage operation;
A storage capacitor element for storing photocharges transferred by the overflow gate during storage operation;
With optical sensor.
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。
A photodiode that receives light and generates a photoelectric charge;
An overflow gate that is connected to the photodiode and transfers photoelectric charges overflowing from the photodiode during a storage operation;
A storage capacitor element for storing photocharges transferred by the overflow gate during storage operation;
A solid-state imaging device in which a plurality of pixels having a pixel are integrated in a one-dimensional or two-dimensional array.
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。
The pixel is
A transfer transistor connected to the photodiode and transferring the photocharge;
The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising: a floating region to which the photocharge is transferred via the transfer transistor.
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。
Photodiode that receives light to generate photocharge, transfer transistor that is connected to the photodiode and transfers the photocharge, and overflow that is connected to the photodiode and transfers the photocharge overflowing from the photodiode during storage operation A gate, and a storage capacitor element for storing the photocharge transferred by the overflow gate during the storage operation;
A plurality of pixels each having
One floating region connected to each photodiode via each transfer transistor of each pixel;
A solid-state imaging device in which a plurality of pixel blocks having a plurality of pixels are integrated in a one-dimensional or two-dimensional array.
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。
A reset transistor connected to the floating region and for discharging signal charge in the floating region and the floating region;
A transistor provided between the floating region and the storage capacitor element;
An amplification transistor for reading out the signal charge of the floating region or the signal charge of both the floating region and the storage capacitor as a voltage;
A selection transistor connected to the amplification transistor for selecting the pixel;
The solid-state imaging device according to claim 3, further comprising:
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。
A reset transistor formed to be connected to the storage capacitor element, and for discharging signal charges in the storage capacitor element and the floating region;
A transistor provided between the floating region and the storage capacitor element;
An amplification transistor for reading out the signal charge of the floating region or the signal charge of both the floating region and the storage capacitor as a voltage;
A selection transistor connected to the amplification transistor for selecting the pixel;
The solid-state imaging device according to claim 3, further comprising:
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。   The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the overflow gate includes a MOS transistor or a junction transistor. 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。   The overflow gate is formed of a junction transistor, and a semiconductor region that forms a gate of the junction transistor includes a semiconductor region that forms a surface region of the photodiode, a well region in which the photodiode and the overflow gate are formed The solid-state imaging device according to any one of claims 2 to 6, wherein the solid-state imaging device is connected to. 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。   The transfer transistor is a buried channel type having a semiconductor layer having the same conductivity type as the channel of the transfer transistor formed from the surface of the substrate constituting the transfer transistor or near the surface to a predetermined depth. The solid-state imaging device according to any one of the above. 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。   The overflow gate has a semiconductor layer formed at a predetermined depth of a substrate constituting the overflow gate, having the same conductivity type as a channel of the overflow gate, and reducing a punch-through barrier of the overflow gate. Item 9. The solid-state imaging device according to any one of Items 2 to 8. 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。   The storage capacitor element is formed on a semiconductor region serving as a lower electrode formed on a surface layer portion of a semiconductor substrate constituting the solid-state imaging device, a capacitor insulating film formed on the semiconductor region, and the capacitor insulating film. The solid-state imaging device according to any one of claims 2 to 10, further comprising an upper electrode formed. 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。   The storage capacitor element includes a lower electrode formed on a substrate constituting the solid-state imaging device, a capacitor insulating film formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the capacitor insulating film. The solid-state imaging device according to any one of claims 2 to 10. 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。   The storage capacitor element includes a semiconductor region to be a lower electrode formed on an inner wall of a trench formed in a semiconductor substrate constituting the solid-state imaging device, a capacitor insulating film formed to cover the inner wall of the trench, The solid-state imaging device according to claim 2, further comprising an upper electrode formed by filling the trench with the capacitive insulating film interposed therebetween. 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。
A voltage signal obtained from photocharge transferred to the floating region or both the floating region and the storage capacitor;
Noise canceling means for taking a difference between the floating region or a voltage signal at a reset level of both the floating region and the storage capacitor element;
The solid-state imaging device according to claim 5 or 6, further comprising:
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。   The solid-state imaging device according to claim 14, further comprising storage means for storing a voltage signal at a reset level of the floating region and the storage capacitor element. 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、を含み、
前記オーバーフローゲートは、前記フォトダイオードと前記蓄積容量素子の間のポテンシャル障壁を低下させる領域を含むことを特徴とする光センサ。
A photodiode that receives light and generates a photoelectric charge;
An overflow gate that is connected to the photodiode and transfers photoelectric charges overflowing from the photodiode during a storage operation;
A storage capacitor element that stores the photocharge transferred by the overflow gate during the storage operation,
The overflow sensor includes a region that lowers a potential barrier between the photodiode and the storage capacitor element.
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、を含み、
前記オーバーフローゲートは、前記フォトダイオードと前記蓄積容量素子の間のポテンシャル障壁を低下させるポテンシャル領域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ことを特徴とする固体撮像装置。
A photodiode that receives light and generates a photoelectric charge;
An overflow gate that is connected to the photodiode and transfers photoelectric charges overflowing from the photodiode during a storage operation;
A storage capacitor element that stores the photocharge transferred by the overflow gate during the storage operation,
The solid-state imaging device, wherein the overflow gate includes a plurality of pixels each having a potential region that lowers a potential barrier between the photodiode and the storage capacitor element in a one-dimensional or two-dimensional array.
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、を含み、
前記オーバーフローゲートは、ゲート領域を有する接合トランジスタを備え、当該接合トランジスタの前記ゲート領域は接地されている構成を備えた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ことを特徴とする固体撮像装置。
A photodiode that receives light and generates a photoelectric charge;
An overflow gate that is connected to the photodiode and transfers photoelectric charges overflowing from the photodiode during a storage operation;
A storage capacitor element that stores the photocharge transferred by the overflow gate during the storage operation,
The overflow gate includes a junction transistor having a gate region, and a plurality of pixels having a configuration in which the gate region of the junction transistor is grounded are integrated in a one-dimensional or two-dimensional array. Solid-state imaging device.
請求項18において、前記オーバーフローゲートの前記ゲート領域は、前記フォトダイオードの接地された領域と電気的に接続され、これによって、前記オーバーフローゲートの前記ゲート領域は前記フォトダイオードの接地された領域を介して接地されていることを特徴とする固体撮像装置。   19. The gate region of the overflow gate according to claim 18, wherein the gate region of the overflow gate is electrically connected to a grounded region of the photodiode, whereby the gate region of the overflow gate passes through the grounded region of the photodiode. A solid-state imaging device characterized by being grounded. 請求項18又は19において、前記オーバーフローゲートは、接合型トランジスタと、前記フォトダイオードと前記蓄積容量素子の間のポテンシャル障壁を低下させるポテンシャル領域を含むことを特徴とする固体撮像装置。   20. The solid-state imaging device according to claim 18, wherein the overflow gate includes a junction transistor and a potential region that lowers a potential barrier between the photodiode and the storage capacitor element. 請求項17又は20において、前記フォトダイオードはpn接合を形成する一導電型の領域と逆導電型の領域とを含み、前記オーバフローゲートの前記ポテンシャル領域は、前記オーバーフローゲートを構成する前記接合型トランジスタの下部に設けられた半導体領域を含むことを特徴とする固体撮像装置。   21. The junction transistor according to claim 17, wherein the photodiode includes a region of one conductivity type forming a pn junction and a region of reverse conductivity type, and the potential region of the overflow gate configures the overflow gate. A solid-state imaging device including a semiconductor region provided in a lower portion of the semiconductor device. 請求項21において、前記ポテンシャル領域は、前記フォトダイオードの領域と深さ方向に一部重なるように形成されていることを特徴とする固体撮像装置。   23. The solid-state imaging device according to claim 21, wherein the potential region is formed so as to partially overlap the photodiode region in the depth direction. 請求項22において、前記ポテンシャル領域は、前記第1の領域と所定の深さにおいて接続された部分を含むことを特徴とする固体撮像装置。   23. The solid-state imaging device according to claim 22, wherein the potential region includes a portion connected to the first region at a predetermined depth. 請求項22において、前記ポテンシャル領域は、所定の深さ位置において、前記ゲート領域を超えて延びていることを特徴とする固体撮像装置。   23. The solid-state imaging device according to claim 22, wherein the potential region extends beyond the gate region at a predetermined depth position.
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