JP2007019664A - Solid state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
従来、固体撮像装置としては、そのSN比の良さからCCDが多く使われている。しかし、一方では、使い方の簡便さや消費電力の小ささを長所とするいわゆる増幅型固体撮像装置の開発も行われてきた。増幅型固体撮像装置とは、光電変換部に蓄積された信号電荷を画素部に備わったトランジスタの制御電極に導き、増幅された信号を主電極から出力するタイプのものであり、増幅用トランジスタとしてSITを使ったSIT型イメージセンサ(非特許文献1)、制御電極が空乏化するJFETを使ったCMD(非特許文献2)、MOSトランジスタを使ったCMOSセンサ(非特許文献3)などがある。 Conventionally, as a solid-state imaging device, a CCD is often used because of its good SN ratio. However, on the other hand, so-called amplification type solid-state imaging devices have also been developed, which have advantages such as ease of use and low power consumption. An amplification type solid-state imaging device is a type that guides signal charges accumulated in a photoelectric conversion unit to a control electrode of a transistor provided in a pixel unit, and outputs an amplified signal from a main electrode. There are SIT type image sensors using SIT (Non-Patent Document 1), CMDs using JFETs whose control electrodes are depleted (Non-Patent Document 2), CMOS sensors using MOS transistors (Non-Patent Document 3), and the like.
特に、CMOSセンサは、CMOSプロセスとのマッチングが良く、周辺CMOS回路をオンチップ化できることから、開発に力が注がれている。しかし、これらの増幅型固体撮像装置に共通する欠点は、各画素に備わる増幅用トランジスタの出力オフセットが各画素毎に異なるために、イメージセンサの信号としては固定パターンノイズ(FPN)がのるということである。このFPNを除くため、様々な信号読出回路が工夫されている。 In particular, the CMOS sensor is well-matched with the CMOS process, and the peripheral CMOS circuit can be made on-chip, so that much effort is put into development. However, a drawback common to these amplifying solid-state imaging devices is that fixed pattern noise (FPN) is carried as an image sensor signal because the output offset of the amplifying transistor provided in each pixel is different for each pixel. That is. Various signal readout circuits have been devised to eliminate the FPN.
CMOSセンサに限らず、増幅型固体撮像装置の本質的欠点の1つは、動作タイミングに関するものである。この型のイメージセンサの画素信号読出動作は1行ずつ行われ、この1行読み出し後に水平転送動作が続く。このため、画素の信号蓄積動作タイミングは、1行ごとにずれてゆく。なぜなら、1フィールドにおける画素の信号蓄積動作は、画素信号読出で終了するからである。したがって、第1行と最終行とのタイミングずれは、ほとんど1フィールド時間となる。一方、CCDでは、全ての画素信号が一斉に垂直CCDに転送されるが、CCD画素の蓄積動作はこの一斉転送で終了し、かつ開始するため、CCD画素の蓄積動作は同時である。増幅型イメージセンサのこの動作タイミングずれは、高速動作する被写体を写したときに、像のゆがみとなって現れる。 One of the essential drawbacks of the amplification type solid-state imaging device, not limited to the CMOS sensor, relates to the operation timing. The pixel signal reading operation of this type of image sensor is performed row by row, and the horizontal transfer operation continues after reading this row. For this reason, the signal accumulation operation timing of the pixels is shifted for each row. This is because the pixel signal accumulation operation in one field is completed with pixel signal readout. Therefore, the timing shift between the first row and the last row is almost one field time. On the other hand, in the CCD, all pixel signals are transferred to the vertical CCD all at once, but the CCD pixel accumulation operation ends and starts with this simultaneous transfer, so the CCD pixel accumulation operation is simultaneous. This operation timing shift of the amplification type image sensor appears as distortion of the image when a subject operating at high speed is photographed.
この蓄積動作の非同時性という欠点の改善に関して、特許文献1及び特許文献2には、MOSスイッチと容量とで形成されるメモリセルで構成されるアナログフレームメモリを備えたイメージセンサが提案されている。これら提案においては、画素信号がメモリセルに対して、水平転送動作を伴わず短時間で転送され、その後、水平転送を伴ったメモリ信号の読出がほぼ1フィールド期間を使って行われる。これにより、動作タイミングのずれは著しく短縮される。しかるに、上記アナログフレームメモリを構成するメモリの容量を大きく形成することが難しいため、アナログフレームメモリにいったん信号を格納することでノイズがのり、センサ信号のSN比を著しく低下させるという重大な欠点を伴う。
Regarding the improvement of the disadvantage of the non-simultaneous accumulation operation,
CMOSセンサの更に別の欠点は、画素サイズの縮小がCCDに比べて難しいということである。 Yet another drawback of CMOS sensors is that pixel size reduction is difficult compared to CCDs.
CCDの画素は、フォトダイオード以外に、垂直CCDとフォトダイオードから垂直CCDに信号電荷を転送するための転送ゲートを含む。一方、一般的なCMOSセンサは、フォトダイオードと転送ゲート以外に、フローティングディフージョン(以下FDと記す)、信号増幅用MOSトランジスタ、FDをリセットするためのMOSトランジスタ、画素の信号読出を選択するためのMOSトランジスタを含む。このようなCMOSセンサの画素を構成するMOSトランジスタの一部を削減する提案もなされているが、それでも画素縮小化に関してはCCDよりも不利である。 In addition to the photodiode, the CCD pixel includes a vertical CCD and a transfer gate for transferring signal charges from the photodiode to the vertical CCD. On the other hand, a general CMOS sensor selects a floating diffusion (hereinafter referred to as FD), a signal amplifying MOS transistor, a MOS transistor for resetting the FD, and pixel signal reading in addition to the photodiode and the transfer gate. MOS transistors are included. Although proposals have been made to reduce some of the MOS transistors constituting the pixels of such a CMOS sensor, they are still disadvantaged over CCDs in terms of pixel reduction.
一方、CCDの欠点の1つは、水平CCDの読出速度にある。画素数が多くなってくるとより高速の水平走査が要求されるが、水平CCDの動作が高速化に対応しきれなくなる。CMOSセンサでは、水平読出線を複数に分割し、1水平出力線の走査周波数を低減することが容易である。これに対して、CCDでは、電荷のシリアル転送が基本であるため、垂直CCDから複数の水平CCDへ信号電荷を転送することが難しく、水平CCDの複数化による水平走査周波数の低減は難しい。更に、水平CCDは、大きな容量を高速で駆動することによって動作するため、CMOSセンサに比べて大きな消費電力を要するという問題もある。 On the other hand, one of the drawbacks of CCD is the reading speed of horizontal CCD. As the number of pixels increases, higher-speed horizontal scanning is required, but the operation of the horizontal CCD cannot cope with the increase in speed. In the CMOS sensor, it is easy to divide the horizontal readout line into a plurality of parts and reduce the scanning frequency of one horizontal output line. On the other hand, since the serial transfer of charges is fundamental in a CCD, it is difficult to transfer signal charges from a vertical CCD to a plurality of horizontal CCDs, and it is difficult to reduce the horizontal scanning frequency by using a plurality of horizontal CCDs. Furthermore, since the horizontal CCD operates by driving a large capacity at high speed, there is also a problem that it requires a large amount of power consumption compared to a CMOS sensor.
また、一般的なCCDのもう1つの欠点は、各画素の信号電荷をそれぞれ独立に保ったまま全画素の信号を1フィールド期間内に読み出す動作(いわゆるプログレシブ動作)方式の実現が、特に縮小化された画素では難しいことである。プログレシブ動作を実現するためには、各画素の信号電荷をそのまま独立に受け入れることのできる垂直CCDが必要であり、そのためには、垂直CCDの転送電極の必要数は、1画素あたり3ないし4となる。しかし、縮小化された画素では、このような垂直CCDを形成することが難しく、1度に垂直CCDが受け入れる信号数が画素数よりも少なくなるため、画素の間引き動作や信号電荷加算動作を採用せざるを得ない。一般には、垂直CCDの転送電極数は、1画素あたり2であり、垂直CCDが一度に受け入れる信号は画素数の半分である。 Another disadvantage of a general CCD is that the implementation of an operation (so-called progressive operation) method of reading out signals of all pixels within one field period while keeping the signal charges of each pixel independently is particularly reduced. This is difficult with the pixels made. In order to realize the progressive operation, a vertical CCD capable of receiving the signal charges of each pixel independently is necessary. For this purpose, the required number of transfer electrodes of the vertical CCD is 3 to 4 per pixel. Become. However, it is difficult to form such a vertical CCD with a reduced pixel, and the number of signals accepted by the vertical CCD at a time is less than the number of pixels. I have to. In general, the number of transfer electrodes of a vertical CCD is two per pixel, and the signal that the vertical CCD accepts at one time is half the number of pixels.
一方、CMOSセンサは、画素の増幅用トランジスタにより増幅した信号電圧を信号出力線から読み出すので、プログレシブ方式が一般的な読出方式である。 On the other hand, the CMOS sensor reads the signal voltage amplified by the amplifying transistor of the pixel from the signal output line, so the progressive method is a general reading method.
以上のようなCCDの欠点とCMOSセンサの欠点を相補い、両者の長所を生かすという目的で、画素部をインターライン型CCD、読出回路部をMOSトランジスタ回路で構成するという固体撮像装置が提案されている。これらの提案のうち、特許文献4は、各垂直CCD列ごとに電圧増幅手段をもうけて電圧出力をおこなうことにより、水平CCDの速度制限の問題をなくすという提案である。また、特許文献3は、1水平走査期間内に垂直CCDの転送を行うことでインターレース動作時の2行独立読み出しを可能にするものであり、プログレシブ動作ができることと同等である。また、特許文献5や特許文献6は、上記動作のための垂直CCDの電極を行ごとに独立に制御できるような駆動回路を実現するために、前記駆動回路のウエル構造を他の回路のウエル構造と違えるという提案である。更に、特許文献7は、駆動回路のゲート酸化膜の厚さを他の回路のものと異ならせるという提案である。特許文献8は、固体撮像装置の高集積化、高速化に対応するため、上記一連の提案に対して更なる改善を提案している。
A solid-state imaging device has been proposed in which the pixel part is composed of an interline CCD and the readout circuit part is composed of a MOS transistor circuit in order to complement the disadvantages of the CCD and the CMOS sensor as described above and take advantage of both. ing. Among these proposals,
また、特許文献9は、垂直CCDから出力される信号電荷を電圧に変換するFDを各垂直CCDごとに設け、CMOS読出回路によって信号を出力する提案である。
しかるに、上記の提案を実際の撮像装置において実現するには、大きな課題がある。それは、一般のCMOSセンサの製造プロセスが、5V以下の低電圧電源対応かつ微細化されたMOSトランジスタを形成し、かつ1層のポリシリコン電極用プロセスであるのに対し、一般のCCDの製造プロセスが、20V以上の駆動電圧振幅を要するCCDを形成し、かつ2層のポリシリコン電極用プロセスであり、両プロセスが大きく異なっていて共通要素があまりないことに起因する。 However, there is a big problem in realizing the above proposal in an actual imaging apparatus. That is, while a general CMOS sensor manufacturing process is a process for forming a miniaturized MOS transistor corresponding to a low-voltage power supply of 5 V or less and a single-layer polysilicon electrode, a general CCD manufacturing process However, this is a process for forming a CCD that requires a drive voltage amplitude of 20 V or more, and for a two-layer polysilicon electrode, because both processes are greatly different and there are not many common elements.
すなわち、単純に画素部をCCDで構成し、読出回路及び駆動回路をCMOSで構成する場合、特許文献5や特許文献6及び特許文献7の記述からもわかるように、2つのプロセスを足し合わせたような冗長な製造プロセスを使うことになり、製造コストの大幅な増加をもたらす。
That is, when the pixel portion is simply composed of a CCD and the readout circuit and the drive circuit are composed of a CMOS, the two processes are added, as can be seen from the descriptions in
CCD用又はCMOS用の一方のプロセスでセンサを実現することを考えても、例えば、CCDのプロセスはそもそもNMOSとPMOSの両トランジスタを形成することを想定していない上に、高電源電圧対応のMOSトランジスタでは、信号の読出に必要な縮小、高速の回路を形成することは難しい。一方、CMOSプロセスでCCD画素を形成する場合には、画素部の垂直CCDを低電圧駆動の1層のポリシリコン電極で形成することになる。 Considering the realization of the sensor in one of the processes for CCD or CMOS, for example, the CCD process is not supposed to form both NMOS and PMOS transistors, and is compatible with high power supply voltage. With a MOS transistor, it is difficult to form a reduced, high-speed circuit necessary for signal reading. On the other hand, when a CCD pixel is formed by a CMOS process, the vertical CCD of the pixel portion is formed by a single-layer polysilicon electrode driven at a low voltage.
一般的なインターライン方式インターレース動作対応のCCDでは、周知のように、垂直CCDのために1画素あたり2本の転送電極が形成され、2画素の4転送電極ごとに1単位の信号電荷が存在できるポテンシャル井戸が形成される。このとき、2層ポリシリコン電極であれば、1画素については、層の異なる2本の電極が重なって配置されているので、平面レイアウト上では転送電極配線の占める面積割合を小さく抑えることができる。 As is well known, in a CCD that supports a general interline interlace operation, two transfer electrodes are formed per pixel for a vertical CCD, and one unit of signal charge exists for every four transfer electrodes of two pixels. A potential well is formed. At this time, in the case of a two-layer polysilicon electrode, since two electrodes having different layers are arranged so as to overlap each other for one pixel, the area ratio occupied by the transfer electrode wiring can be suppressed to be small on the planar layout. .
しかし、1層のポリシリコン電極で1画素あたり2本の転送電極を実現しようとすると、平面レイアウト上では2本の電極を分離して配置することになって2本の転送電極配線とそれらの間のスペースとの合計面積が大きいために、フォトダイオード面積が圧迫されて、感度、飽和などの重要なセンサ特性を大きく低下させる。 However, if it is intended to realize two transfer electrodes per pixel with a single layer of polysilicon electrode, the two electrodes are separated from each other on the plane layout, and the two transfer electrode wirings and their transfer electrodes are arranged. Since the total area with the space between them is large, the photodiode area is compressed, and important sensor characteristics such as sensitivity and saturation are greatly deteriorated.
更に、垂直CCDにおいては、電極間スペースのために1単位の信号電荷が存在するポテンシャル井戸用面積が圧迫されるため、垂直CCDの最大受け入れ電荷量が更に大幅に縮小する。また、低電圧駆動という条件によっても、垂直CCDの最大受け入れ電荷量が低下する。 Further, in the vertical CCD, the area for the potential well in which one unit of signal charge exists is pressed due to the space between the electrodes, and therefore the maximum amount of charge accepted by the vertical CCD is further greatly reduced. Also, the maximum amount of charge accepted by the vertical CCD is reduced by the condition of low voltage driving.
以上述べたような理由により、CCD画素とCMOS読出回路、CMOS駆動回路を合わせたセンサ素子は、CCDとCMOSの両者の長所を生かすという以上に大きな問題、欠点が生じるために、実際にはこのようなセンサを実現することが難しい。しかも、特許文献3の提案では、プログレシブ動作が可能になるものの、逆に蓄積動作の非同時性というCMOSセンサの欠点を背負い込んでしまう。
For the reasons described above, a sensor element that combines a CCD pixel, a CMOS readout circuit, and a CMOS drive circuit has a larger problem and disadvantage than taking advantage of both the CCD and the CMOS. It is difficult to realize such a sensor. Moreover, although the proposal of
また、特許文献9の提案でも上記製造プロセスの不整合性とCCDのプログレシブ動作困難性の問題を残したままである。 Further, the proposal of Patent Document 9 still has problems of inconsistency in the manufacturing process and difficulty in progressive operation of the CCD.
本発明は、上記の課題認識を基礎としてなされたものであり、例えば、固体撮像装置における電荷の垂直転送のための構造を単純化することを目的とする。 The present invention has been made on the basis of the above problem recognition, and an object thereof is, for example, to simplify a structure for vertical charge transfer in a solid-state imaging device.
本発明の固体撮像装置は、複数の光電変換部が行及び列を構成するように配列された画素アレイ領域を有する固体撮像装置に係り、前記固体撮像装置は、前記画素アレイ領域の1つの列に対して1つずつ配置された複数の垂直CCDと、前記画素アレイ領域の1つの行に対して1つずつ配置された複数の転送電極と、前記複数の光電変換部の電荷が前記複数の垂直CCDに転送され、その後に、前記複数の垂直CCDにおいて電荷が垂直転送されるように、前記複数の転送電極を駆動する垂直駆動回路とを備え、前記垂直駆動回路は、前記画素アレイ領域と同一半導体基板に配され、前記複数の光電変換部の電荷が前記複数の垂直CCDに転送された後に、前記複数の転送電極に対して、垂直転送方向の最も下流側の転送電極から順に、垂直転送用のパルスを印加することを特徴とする。 The solid-state imaging device according to the present invention relates to a solid-state imaging device having a pixel array region in which a plurality of photoelectric conversion units are arranged to form rows and columns, and the solid-state imaging device includes one column of the pixel array region. A plurality of vertical CCDs arranged one by one, a plurality of transfer electrodes arranged one by one with respect to one row of the pixel array region, and the charges of the plurality of photoelectric conversion units A vertical drive circuit that drives the plurality of transfer electrodes so that charges are transferred vertically in the plurality of vertical CCDs, and the vertical drive circuit includes the pixel array region and Arranged on the same semiconductor substrate, after the charges of the plurality of photoelectric conversion units are transferred to the plurality of vertical CCDs, the plurality of transfer electrodes are vertically arranged in order from the most downstream transfer electrode in the vertical transfer direction. And applying a pulse for transmission.
本発明によれば、例えば、固体撮像装置における電荷の垂直転送のための構造を単純化するができる。 According to the present invention, for example, a structure for vertical transfer of charges in a solid-state imaging device can be simplified.
この実施形態は、本発明の一適用例として、複数の光電変換部が行及び列を構成するように配列された画素アレイ領域を有する固体撮像装置において、画素アレイ領域の1つの行に対して1つの転送電極を配置した構造を提供する。この構造は、CCDの利点である高SN比、高ダイナミックレンジ、蓄積タイミングずれのない動作を維持しつつプログレシブ動作に対応したCCD画素と、高速読出と低消費電力とにおいて利点を有するCMOS読出回路とを含みうる。 This embodiment is an application example of the present invention, in a solid-state imaging device having a pixel array region in which a plurality of photoelectric conversion units are arranged to form rows and columns, with respect to one row of the pixel array region. A structure in which one transfer electrode is arranged is provided. This structure is a CCD pixel that is capable of progressive operation while maintaining operation with no high SNR, high dynamic range, and accumulation timing that are the advantages of a CCD, and a CMOS readout circuit that has advantages in high-speed readout and low power consumption Can be included.
光電変換部(フォトダイオード)と垂直CCDとを含む画素アレイ領域内の転送電極の駆動電圧をCMOS回路電源電圧(例えば、5V)と同等とするために、画素アレイ領域における転送電極下の絶縁膜の厚さをCMOS回路のゲート絶縁膜の厚さと同一にすることが好ましい。これは、転送電極下の絶縁膜とCMOS回路のゲート絶縁膜を同一工程で同時に形成することによって実現され得る。
光電変換部(フォトダイオード)から垂直CCDへの信号電荷の転送構造については、CMOSセンサにおけるフォトダイオードからフローティングディフュージョン(FD)への信号電荷の転送構造と同様に、画素アレイ領域における転送電極とCMOS回路部のゲート電極とを同一層とすることが好ましい。これは、画素アレイ領域における転送電極とCMOS回路部のゲート電極とを同一工程で同時に形成することによって実現され得る。
In order to make the drive voltage of the transfer electrode in the pixel array region including the photoelectric conversion unit (photodiode) and the vertical CCD equal to the CMOS circuit power supply voltage (for example, 5 V), an insulating film below the transfer electrode in the pixel array region It is preferable to make the thickness of the gate insulating film the same as that of the gate insulating film of the CMOS circuit. This can be realized by simultaneously forming the insulating film under the transfer electrode and the gate insulating film of the CMOS circuit in the same process.
The signal charge transfer structure from the photoelectric conversion unit (photodiode) to the vertical CCD is similar to the signal charge transfer structure from the photodiode to the floating diffusion (FD) in the CMOS sensor. The gate electrode of the circuit portion is preferably the same layer. This can be realized by simultaneously forming the transfer electrode in the pixel array region and the gate electrode of the CMOS circuit portion in the same process.
垂直CCDの転送電極は、1層の導電層(例えば、ポリシリコン層)で形成されることが好ましく、また、1つ転送電極で1単位のポテンシャル井戸が形成されるように、垂直CCDの転送方向に沿って、1つの転送電極の下にポテンシャルバリアとポテンシャル井戸とが形成されることが好ましい。転送電極の下の絶縁膜をCMOS回路のゲート酸化膜と同一層として同一の厚さで形成することにより、垂直CCDの転送パルスの振幅を小さくすることができる。 The transfer electrode of the vertical CCD is preferably formed by one conductive layer (for example, a polysilicon layer), and the transfer of the vertical CCD is performed so that one unit of potential well is formed by one transfer electrode. Along the direction, a potential barrier and a potential well are preferably formed under one transfer electrode. By forming the insulating film under the transfer electrode as the same layer as the gate oxide film of the CMOS circuit with the same thickness, the amplitude of the transfer pulse of the vertical CCD can be reduced.
垂直CCDは、CMOS垂直駆動回路によってアコーデオン駆動方式で駆動されうる。CMOS垂直駆動回路は、垂直CCDの複数の転送電極に対して独立して垂直転送パルスを印加することができるように構成される。CMOS垂直駆動回路は、アコーデオン駆動のために、複数の転送電極に対して、垂直転送方向の最も下流側の転送電極から順に、垂直転送用のパルスを印加する。 The vertical CCD can be driven by an accordion drive system by a CMOS vertical drive circuit. The CMOS vertical drive circuit is configured so that a vertical transfer pulse can be independently applied to a plurality of transfer electrodes of a vertical CCD. The CMOS vertical drive circuit applies vertical transfer pulses to the plurality of transfer electrodes in order from the most downstream transfer electrode in the vertical transfer direction for accordion drive.
垂直駆動回路等の駆動回路を含めて、画素アレイ領域の周辺のCMOS回路を構成するN型MOSトランジスタ(NMOS)とP型MOSトランジスタ(PMOS)の各ウエルのうち、電子シャッター動作のために画素のフォトダイオードを一斉にリセットするための高電圧パルスが印加される基板と同一の導電型である方のウエルは、反対導電型の拡散層で周囲が囲われ、電子シャッター動作時に高電圧パルスが印加される基板と電気的に分離される。 Among the wells of the N-type MOS transistor (NMOS) and the P-type MOS transistor (PMOS) constituting the CMOS circuit around the pixel array region including the drive circuit such as the vertical drive circuit, the pixel for the electronic shutter operation The well of the same conductivity type as the substrate to which the high voltage pulses for simultaneously resetting the photodiodes are applied is surrounded by a diffusion layer of the opposite conductivity type, and the high voltage pulse is generated during the electronic shutter operation. It is electrically separated from the substrate to be applied.
以下、添付図面を参照しながら本発明のより具体的な実施形態を説明する。なお、添付図面において、同一の構成要素には同一の符号が付されている。 Hereinafter, more specific embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態としての固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。固体撮像装置100は、複数の画素2が行及び列を構成するように配置された画素アレイ領域1を備える。図1では、説明の便宜上、画素アレイ領域1が4×4の画素で構成されている。画素2は、光信号を信号電荷に変換して蓄積するフォトダイオード(光電変換部)を含んで構成される。複数の画素2からなる各列に沿って、垂直CCD30が配置されている。
複数の画素2からなる1つの行に対して1つの転送電極3(3−1、3−2、3−3、3−4)が配置されている。すなわち、転送電極3(3−1、3−2、3−3、3−4)の個数は、画素アレイ領域1における画素2の行数に等しい。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a solid-state imaging device as a first embodiment of the present invention. The solid-
One transfer electrode 3 (3-1, 3-2, 3-3, 3-4) is arranged for one row composed of a plurality of
各転送電極3(3−1、3−2、3−3、3−4)は、平面図において櫛形形状を有し、各櫛歯部分(図1において、上下方向に延びた部分(第2部分))は、垂直CCD30において電荷を垂直方向(図1において上から下へ向かう方向)に転送するための転送電極及び画素2に蓄積された信号電荷を垂直CCD30の井戸領域(電荷を受け入れるポテンシャル井戸を形成するための拡散領域)に転送するための転送電極として機能する。
また、各転送電極3(3−1、3−2、3−3、3−4)において、画素2の行に沿って延びた部分(第1部分)は、複数の櫛歯部分を連結する機能を有する。転送電極3は、1層の配線層(例えば、1層のポリシリコン配線層)、好ましくは、CMOS回路のゲート層と同一の層(例えば、ポリシリコンゲート層)によって構成されうる。
Each transfer electrode 3 (3-1, 3-2, 3-3, 3-4) has a comb shape in a plan view, and each comb tooth portion (a portion extending in the vertical direction in FIG. 1 (second portion) Part)) is a transfer electrode for transferring charges in the
In each transfer electrode 3 (3-1, 3-2, 3-3, 3-4), a portion (first portion) extending along the row of the
各転送電極3(3−1、3−2、3−3、3−4)は、垂直駆動回路(例えば、シフトレジスタ)4によって駆動されて、画素2に蓄積された信号電荷を垂直CCD30の井戸領域に転送する動作、及び、垂直CCD30において電荷を垂直方向(図1において上から下へ向かう方向)に転送する動作を制御する。
各垂直CCD30の最も下流側(電荷が垂直転送される先)には、フローティングディフュージョン(FD)部5が配置されている。FD部5は、垂直CCD30によって垂直転送されてきた信号電荷を電圧に変換する。複数のFD部5でそれぞれ生成された電圧信号は、読み出し回路6で増幅されて一時的に保持される。
読出回路6は、FD部5の個数(画素アレイ領域1の列数)に相当する個数の増幅回路(例えば、MOSトランジスタアンプ)と、それらから出力される増幅信号を保持するラインメモリ等で構成されうる。
水平駆動回路(例えば、シフトレジスタ)8は、画素アレイ領域1の複数列の信号が順に水平出力線7に転送されるように、読出回路6に対して選択信号(複数の列を順に選択する信号)を提供する。水平出力線7に転送される信号は、アンプ9によって増幅されて、出力端子10から出力される。
Each transfer electrode 3 (3-1, 3-2, 3-3, 3-4) is driven by a vertical drive circuit (for example, shift register) 4, and the signal charge accumulated in the
A floating diffusion (FD)
The
The horizontal drive circuit (for example, shift register) 8 selects a selection signal (a plurality of columns in order) from the
図2は、図1におけるA−Bの線に沿った画素(フォトダイオード)2、垂直CCD30、FD部5における信号電荷転送構造を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a signal charge transfer structure in the pixel (photodiode) 2, the
図2において、画素(フォトダイオード)2は、信号電荷としての電子を蓄積するためのN型拡散層11と、半導体界面部で発生する暗電流を抑制するための拡散層11の上部に形成されたP型拡散層とで構成されうる。
In FIG. 2, a pixel (photodiode) 2 is formed above an N-
垂直CCD30は、N型拡散層(井戸領域)13、拡散層14及び転送電極15を含む。N型拡散層(井戸領域)13は、転送電極3(図2では、3−1、302)の下方に配置されて、画素2から転送されてくる信号電荷を受け入れるポテンシャル井戸を形成する。拡散層14は、隣接する転送電極3の間(図2では、3−2と3−1との間)のギャップにおいて、電荷転送路におけるポテンシャルバリアを形成する。拡散層14は、電荷の垂直転送の方向を決定する。転送電極15は、垂直CCD30からFD部5に信号電荷を転送する。
The
なお、図2において、16はN型半導体基板、17は少なくとも画素アレイ領域1の全域に配置されてN型拡散層11とN型基板16との間にポテンシャルバリアを形成するための不純物濃度の低いP型拡散層である。18は、垂直CCD30の電荷転送路と画素(フォトダイオード)2とを電気的に分離するとともに、画素(フォトダイオード)2の一斉リセット動作においても垂直CCD30の電荷転送路とN半導体基板16とを電気的に分離するためのP型拡散層である。
In FIG. 2,
図3は、図1に示す固体撮像装置100の垂直CCD30の断面構造(図1のC−C'断面)とその電荷転送路のポテンシャル図を示す図である。まず、垂直駆動回路4によって全ての転送電極3(3−1、3−2、3−3、304)に対して正電位のパルスが印加され、全ての画素(フォトダイオード)2の信号電荷が垂直CCD30の対応するポテンシャル井戸領域13に転送された後に、全ての転送電極3の電位が中間レベル(典型的には、グラウンドレベル)に戻る。この態が(P0)として示されている。
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional structure (cross-section CC ′ of FIG. 1) of the
(P0)の状態において、信号電荷としての電子にとってのポテンシャルが低い井戸領域13に電子が保持されている。各画素の信号電荷をS1、S2、S3、S4で表している。(P0)の状態の電荷転送路に沿って最もポテンシャルが高い位置はポテンシャルバリア層14であり、領域13とポテンシャルバリア層14との間の拡散層のない領域のポテンシャルは、領域13のポテンシャルとポテンシャルバリア層14のポテンシャルとの中間にある。転送電極15の電位は常に中間レベルにある。この状態から垂直CCD30の転送電極3(3−1、3−2、3−3、304)に負のパルスを印加すると、上記ポテンシャルの関係から、信号電荷はFD部5に向かって転送されることがわかる。電荷転送のための転送電極3は、1層の配線層(例えば、1層のポリシリコン配線層)によって構成されうる。また、電荷転送のための転送電極3は、CMOS回路の電源電圧で駆動できる程度の低電圧振幅のパルスによってなされうる。例えば、転送電極3は、垂直駆動回路4、信号読出回路6、及び/又は水平駆動回路8のゲート電極と同一の層(例えば、第1層ポリシリコン層)で同時に形成されうる。また、転送電極3の下の絶縁膜は、垂直駆動回路4、信号読出回路6、及び/又は水平駆動回路8のゲート絶縁膜と同一工程で同時に形成されうる。
1層のポリシリコンで構成される転送電極によるCCDは、例えば、非特許文献4に記載されている。
In the (P0) state, electrons are held in the
For example,
低電圧駆動については、転送電極3の下のゲート酸化膜を一般のCCDデバイスに比べて薄く形成することによって達成されうる。この場合、1つのポテンシャル井戸が受け入れて転送可能な最大電荷量が一般のCCDに比べて小さくなる。しかしながら、一般のインターレース対応の垂直CCDの1つのポテンシャル井戸が受け入れなければならない電荷は2つのフォトダイオードが発生する信号電荷の合計であるのに対して、この実施形態の垂直CCDは、以下で説明するようなアコーデオン転送の採用によって、1つのポテンシャル井戸は、1つのフォトダイオードの信号電荷を受け入れればよい。したがって、アコーデオン転送の採用によって、飽和性能の低下を抑えることができる。
Low voltage driving can be achieved by forming the gate oxide film under the
(P0)に示す初期状態から垂直CCD30によるアコーデオン転送が開始される。アコーデオン転送については、例えば、非特許文献5に記載されている。
アコーデオン転送は、複数の蓄積領域13を有する垂直CCD30において、最も下流側(電荷が垂直転送される先)の井戸領域13に蓄積されている信号電荷から順に下流側に転送し、電荷の転送によって空になる井戸領域13に対し次の画素の信号電荷を転送する動作を繰り返しながら、最終的に複数の蓄積領域13にそれぞれ蓄積されている複数の信号電荷の全てを垂直CCD30から送り出す方式である。
この実施形態では、画素アレイ領域1中の各画素2の電荷が該当する垂直CCD30に転送された後に、転送電極3−1、3−2、3−3、3−4に対して、垂直転送方向の最も下流側の転送電極から順(すなわち、3−1、3−2、3−3、3−4の順に)に、垂直転送用のパルスを印加することによってアコーデオン駆動が実現される。
(P0)に示す初期状態から、最初に、第1行の画素(FD部5、読み出し信号回路6又は水平走査回路8に最も近い行を第1行とする)転送電極3−1に負電位のパルスが印加される。この状態が(P1)として示されている。この動作により、第1行の画素の信号電荷S1が第1行のポテンシャル井戸13からFD部5に転送さる。
The accordion transfer by the
In the accordion transfer, in the
In this embodiment, after the charge of each
From the initial state shown in (P0), first, a negative potential is applied to the transfer electrode 3-1 in the first row of pixels (the row closest to the
次に、垂直転送回路4によって、第1行の転送電極3−1が中間電位に戻された後に第2行の転送電極3−2に負電位のパルスが印加される。この状態が(P2)として示されている。この動作により、第2行の画素の信号電荷S2が第2行のポテンシャル井戸13から第1行のポテンシャル井戸13に転送さる。
Next, after the transfer electrode 3-1 in the first row is returned to the intermediate potential by the
次に、垂直転送回路4によって、第2行の転送電極3−2が中間電位に戻された後に第3行の転送電極3−3に負電位のパルスが印加されて、第3行の画素の信号電荷S3が第3行のポテンシャル井戸13から第2行のポテンシャル井戸13に転送される。この状態が(P3)として示されている。
Next, after the transfer electrode 3-2 in the second row is returned to the intermediate potential by the
次に、垂直転送回路4によって、第3行の転送電極3−3が中間電位に戻された後に第4行の転送電極304に負電位のパルスが印加されて、第4行の画素の信号電荷S4が第4行のポテンシャル井戸13から第3行のポテンシャル井戸13に転送される。この状態が(P4)として示されている。
Next, after the transfer electrode 3-3 in the third row is returned to the intermediate potential by the
このようにして、アコーデオン転送では、(P0)〜(P4)に示す状態を通して、垂直CCD30によって、各列の画素の信号電荷が1画素分だけ下流側にシフトされる。アコーデオン転送では、このような動作が繰り返して実行されて、最終的に各列の画素の信号電荷が全て垂直CCD30からFD部5に送り出される。このような動作によれば、全ての画素2の信号電荷が各々独立に該当する列のFD部5に転送され、プログレシブ動作が実現される。
Thus, in the accordion transfer, the signal charges of the pixels in each column are shifted downstream by one pixel by the
アコーデオン動作は一般のCCDのような転送電極の一斉駆動でなく、複数の行を順に選択するため、垂直駆動回路4は、シフトレジスタを基本構成として設計されうる。このような垂直駆動回路4は、CMOS回路によって容易に実現することができ、容易に固体撮像装置100に内蔵することができる。
以上のような動作によって順次FD部5に転送されてくる信号電荷は、FD部5において電圧に変換され、例えば、FD部5にゲートが接続されたソースフォロワアンプを含む読出回路6に提供される。読出回路6は、CMOS回路で構成されうる。読出回路の構成例は、例えば、特許文献9に開示されている。読出回路6は、例えば、各列ごとに、クランプ容量と、ゲインアンプと、そのゲインアンプのオフセットばらつきを除去するための回路とを備えうる。このようなCMOS回路による読出回路は、水平CCDと比べて、一般に高速性と低消費電力という長所を有する。
Since the accordion operation is not simultaneous driving of transfer electrodes like a general CCD, but selects a plurality of rows in order, the
The signal charges sequentially transferred to the
なお、プログレシブ駆動においてはFD部5に転送された1行分の画素の信号電荷が、インターレース駆動においてはFD部5に転送された2行分の画素2行分の信号電荷が、1水平ブランキング期間内に読み出し回路6において変換を受け、その後、水平走査期間に1行分又は2行分の映像信号が出力される。この実施形態によれば、各画素の信号電荷が独立に転送されるので、インターレース駆動において、2行分の信号を独立に出力することができる。1水平ブランキング期間内に上記所定の信号電荷がFD部5に転送された後、垂直CCD30において引き続く信号電荷を何行分転送するか、つまり図3において、第1行の信号電荷がFD部5に転送された後、(P2)、(P3)、(P4)・・・のの状態にして第2の水平ブランキング期間に備えるかについては、どのようなアコーデオン駆動モードを採用するかに依存する。
In progressive driving, the signal charges of one row of pixels transferred to the
図4は、読出回路6及び垂直駆動回路4(アコーデオン駆動回路)に用いられるCMOS回路の断面構造を例示的に示す図である。図4において、19はP型ウエル、20はP型ウエル19の電位を決定するためのP型拡散層、21はP型ウエル19に形成される、ゲート、ドレイン、ソースより成るN型MOSトランジスタ、22はN型ウエル、23はN型ウエル22の電位を決定するためのN型拡散層、24はN型ウエル21に形成される、ゲート、ドレイン、ソースより成るP型MOSトランジスタ、25はP型ウエル、26はP型ウエル19の電位を決定するためのP型拡散層である。N型ウエル22の周囲はP型ウエルで囲まれ、かつ下方には分離用のP型拡散層18とポテンシャルバリア用P型拡散層17とが配置され、N型ウエル22はN型基板16と電気的に隔てられている。
FIG. 4 is a diagram exemplarily showing a cross-sectional structure of a CMOS circuit used in the
このような構造によって、電子シャッターのための画素(フォトダイオード)2の一斉リセットにおいてN型基板16に高電圧を印加しても、P型、N型の両MOSトランジスタともに影響を受けることがない状態を保つことができる。
With such a structure, even when a high voltage is applied to the N-
以上説明したような構造を有する本発明の第1実施形態の固体撮像装置は、CMOS製造プロセスを基本とし、画素アレイ領域1をCCDとする構成であるので、CCDの特徴である高SN比、高ダイナミックレンジ、蓄積動作の同時性を保つ。また、この実施形態によれば、1画素あたり1つの転送電極(例えば、ポリシリコン転送電極)のみで垂直CCDが形成されるのでフォトダイオード面積を大きくしてS/N比をより向上させるために有利であり、また、通常のCCDの2層ポリシリコン構成と比較してマイクロレンズの設計も容易となる。また、この実施形態によれば、アコーデオン駆動によってプログレシブ動作が実現され、また、読み出し回路をCMOSで構成することにより高速水平走査が実現される。
Since the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention having the structure described above is based on a CMOS manufacturing process and has a
[第2実施形態]
図5は、本発明の第2実施形態としての固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図5に示す第2実施形態の固体撮像装置200は、画素アレイ領域1、転送電極3を含む垂直CCD、垂直駆動回路4については、第1実施形態の撮像装置100と同様である。図5に示す固体撮像装置200において、27は水平CCD、28は水平CCD27により転送された信号電荷を増幅するためのアンプである。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a solid-state imaging apparatus as the second embodiment of the present invention. The solid-
高速走査が要求されない用途においては、第2実施形態のような水平CCDによる水平走査を採用してもよい。また、アコーデオン動作用駆動回路に高速性が要求されない場合いは、CMOS製造プロセスを採用する必要はなく、通常CCDにおけるような高電圧駆動の回路を採用してもよい。また、アコーデオン駆動に必要なシフトレジスタ等の回路が形成できるのであれば、特にCMOS回路である必要もない。この場合には、フォトダイオードから垂直CCDへの転送部の構造として通常のCCD構造を採用でき、垂直CCDの駆動電圧も高くできるため、2つのフォトダイオードに対して1つのポテンシャル井戸が割り当てられる通常のCCDに対して、1画素あたり約2倍の飽和電荷量を実現することができる。 In applications where high-speed scanning is not required, horizontal scanning using a horizontal CCD as in the second embodiment may be employed. When high speed is not required for the accordion operation drive circuit, it is not necessary to adopt a CMOS manufacturing process, and a high voltage drive circuit as in a normal CCD may be adopted. Further, if a circuit such as a shift register required for accordion driving can be formed, it is not particularly necessary to be a CMOS circuit. In this case, a normal CCD structure can be adopted as the structure of the transfer part from the photodiode to the vertical CCD, and the driving voltage of the vertical CCD can be increased. Therefore, one potential well is normally assigned to two photodiodes. As compared with the CCD, a saturation charge amount approximately twice as large as one pixel can be realized.
1:画素アレイ領域、2:画素(フォトダイオード)、3:転送電極、4:垂直駆動回路、5:フローティングディフュージョン(FD)部、6:読出回路(例えば、CMOS回路)、7:水平出力線、8:水平走査回路(例えば、シフトレジスタ)、9:アンプ、10:出力端子、11:信号電荷蓄積層、12:フォトダイオードの界面不純物層、13:ポテンシャル井戸用拡散層(井戸領域)、14:ポテンシャルバリア用拡散層、15:転送ゲート、16:半導体基板、17:ポテンシャルバリア用拡散層、18:フォトダイオード分離用拡散層、19:P型ウエル、20:ウエルコンタクト用拡散層、21:N型MOSトランジスタ、22:N型ウエル、23:ウエルコンタクト用拡散層、24:P型MOSトランジスタ、25:P型ウエル、26:ウエルコンタクト用拡散層、27:水平CCD、28:アンプ 1: pixel array region, 2: pixel (photodiode), 3: transfer electrode, 4: vertical drive circuit, 5: floating diffusion (FD) section, 6: readout circuit (for example, CMOS circuit), 7: horizontal output line 8: horizontal scanning circuit (for example, shift register), 9: amplifier, 10: output terminal, 11: signal charge storage layer, 12: interface impurity layer of photodiode, 13: diffusion layer for potential well (well region), 14: Potential barrier diffusion layer, 15: Transfer gate, 16: Semiconductor substrate, 17: Potential barrier diffusion layer, 18: Photodiode isolation diffusion layer, 19: P-type well, 20: Well contact diffusion layer, 21 : N-type MOS transistor, 22: N-type well, 23: Diffusion layer for well contact, 24: P-type MOS transistor, 25: P Well, 26: well contact diffusion layer, 27: horizontal CCD, 28: amplifier
Claims (6)
前記画素アレイ領域の1つの列に対して1つずつ配置された複数の垂直CCDと、
前記画素アレイ領域の1つの行に対して1つずつ配置された複数の転送電極と、
前記複数の光電変換部の電荷が前記複数の垂直CCDに転送され、その後に、前記複数の垂直CCDにおいて電荷が垂直転送されるように、前記複数の転送電極を駆動する垂直駆動回路と、を備え、
前記垂直駆動回路は、前記画素アレイ領域と同一半導体基板に配され、前記複数の光電変換部の電荷が前記複数の垂直CCDに転送された後に、前記複数の転送電極に対して、垂直転送方向の最も下流側の転送電極から順に、垂直転送用のパルスを印加する、
ことを特徴とする固体撮像装置。 A solid-state imaging device having a pixel array region in which a plurality of photoelectric conversion units are arranged to form rows and columns,
A plurality of vertical CCDs arranged one by one for one column of the pixel array region;
A plurality of transfer electrodes arranged one by one for one row of the pixel array region;
A vertical driving circuit for driving the plurality of transfer electrodes so that the charges of the plurality of photoelectric conversion units are transferred to the plurality of vertical CCDs, and then the charges are vertically transferred in the plurality of vertical CCDs. Prepared,
The vertical driving circuit is disposed on the same semiconductor substrate as the pixel array region, and after the charges of the plurality of photoelectric conversion units are transferred to the plurality of vertical CCDs, a vertical transfer direction with respect to the plurality of transfer electrodes Applying a pulse for vertical transfer in order from the transfer electrode on the most downstream side of
A solid-state imaging device.
前記の各垂直CCDは、前記第2部分の下には前記光電変換部から提供される電荷を受け入れるポテンシャル井戸を形成する拡散領域を含み、隣接する前記拡散領域間には垂直転送の方向を決定するためのポテンシャルバリアを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。 Each of the transfer electrodes includes a first portion extending along a row of the pixel array region, and a second portion extending from the first portion along a plurality of columns in the pixel array region,
Each of the vertical CCDs includes a diffusion region that forms a potential well for receiving a charge provided from the photoelectric conversion unit under the second portion, and determines a vertical transfer direction between the adjacent diffusion regions. Including a potential barrier to
The solid-state imaging device according to claim 1.
前記フローティングディフュージョン部から信号を読み出す読出回路と、を更に備え、
前記読出回路を構成するゲート及びゲート絶縁膜は、前記垂直転送回路を構成するゲート及びゲート絶縁膜とそれぞれ同層である、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の固体撮像装置。 A plurality of floating diffusion sections for converting charges transferred from the plurality of vertical CCDs into voltages, respectively;
A read circuit for reading a signal from the floating diffusion section;
The gate and gate insulating film constituting the readout circuit are in the same layer as the gate and gate insulating film constituting the vertical transfer circuit, respectively.
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is provided.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005196811A JP2007019664A (en) | 2005-07-05 | 2005-07-05 | Solid state imaging device |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011077630A1 (en) * | 2009-12-22 | 2011-06-30 | パナソニック株式会社 | Solid-state image capture device, method of driving same, and camera |
US9054000B2 (en) | 2011-11-02 | 2015-06-09 | Hamamatsu Photonics K.K. | Solid-state imaging device |
US9305969B2 (en) | 2011-11-02 | 2016-04-05 | Hamamatsu Photonics K.K. | Solid-state imaging device operable with two readout modes in two different directions coincident with a moving speed and a moving direction of a moving subject |
TWI636893B (en) * | 2012-01-12 | 2018-10-01 | 精工愛普生股份有限公司 | Ink cartridge.adapter.and cartridge |
-
2005
- 2005-07-05 JP JP2005196811A patent/JP2007019664A/en not_active Withdrawn
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