JP2007019681A - Method of driving solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は固体撮像素子の駆動方法に係り、特にフォトダイオードに蓄えた電荷をリング状ゲート電極開口部のソース領域近傍に設けられたソース近傍領域に全画素一斉に転送してグローバルシャッタを実現する固体撮像素子の駆動方法に関する。 The present invention relates to a method for driving a solid-state imaging device, and in particular, realizes a global shutter by transferring charges stored in a photodiode all at once to a source vicinity region provided near a source region of a ring-shaped gate electrode opening. The present invention relates to a method for driving a solid-state imaging device.
従来より固体撮像素子であるCMOSイメージセンサを、全画素の蓄積の開始、終了のタイミングを同時とする電子シャッター動作させる駆動方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a driving method is known in which a CMOS image sensor, which is a solid-state imaging device, is operated with an electronic shutter that simultaneously starts and ends the accumulation of all pixels (see, for example, Patent Document 1).
図5は上記の特許文献1に記載の従来の固体撮像素子の1画素分の一例の等価回路図を示す。同図において、画素1は入射する被写体光を光電変換して電荷として蓄積するフォトダイオード2と、フォトダイオード2に蓄積された電荷を転送するPチャネルMOS型電界効果トランジスタで構成された転送トランジスタ3と、PチャネルMOS型電界効果トランジスタで構成されたリセットトランジスタ4と、転送トランジスタ3により転送された電荷を増幅して画素信号出力線16へ出力するNチャネルMOS型電界効果トランジスタで構成された増幅用トランジスタ5とを有している。
FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of an example of one pixel of the conventional solid-state imaging device described in
トランジスタ5、3のゲートはゲート配線12、13に接続され、リセットトランジスタ4のソースはリセット供給配線14に接続されている。また、画素信号出力線16は負荷10に接続されると共に、スイッチ6及びキャパシタ7を直列に介して接地され、かつ、スイッチ8及びキャパシタ9を直列に介して接地されている。すなわち、画素信号出力線16には負荷10がつながっており、キャパシタ7、9に光信号出力時とリセット信号出力時の負荷電圧を記憶できるようになっている。
The gates of the
このCMOSイメージセンサを構成する画素1は、フォトダイオード2の蓄積電荷を全画素一斉に転送トランジスタ3を通して増幅用トランジスタ5のウェル拡散層15に転送し、転送された電荷量に応じてウェル15の電位が変わるので、しきい値電圧の変化あるいはオン抵抗の変化として電気的な信号として取り出すものである。
The
ここで、各MOS型電界効果トランジスタの特性として、転送トランジスタ3はゲート配線13の電位がハイレベルのときオフ、ローレベルのときオンとなり、リセットトランジスタ4はゲート配線12の電位がローレベルのときオン、ミドルレベル、ハイレベルのときそれぞれオフ、増幅用トランジスタ5はゲート配線12の電位がローレベル、ミドルレベルのときはそれぞれオフ、ハイレベルのときにオンとなるようにしきい値電圧が設定されているものとする。
Here, as the characteristics of each MOS field effect transistor, the
この従来のCMOSイメージセンサの駆動方法について、図6のタイミングチャートを併せ参照して説明する。まず、図6(B)、(A)に示すように、全画素のゲート配線12、13の電位が時刻t1で共にローレベルになり、これによりオン状態とされたリセットトランジスタ4のドレイン、ソースを介してフォトダイオード2とウェル15の両方の電荷が排出されリセットされる。その後、時刻t2で図6(A)に示すように、全画素のゲート配線13の電位がハイレベルとなり、同図(B)に示すように時刻t3でゲート配線12の電位がミドルレベルとなり、全画素のフォトダイオード2に一斉に光信号電荷の蓄積が開始される。
A driving method of this conventional CMOS image sensor will be described with reference to the timing chart of FIG. First, as shown in FIGS. 6B and 6A, the potentials of the
所定の蓄積時間終了後、図6(A)に示す時刻t4で全画素のゲート配線13の電位がローレベルとなり、転送トランジスタ3がオンとされることにより、全画素でフォトダイオード2の光信号電荷がオン状態の転送トランジスタ3を通して増幅用トランジスタ5のウェル拡散層15へ転送され、転送終了後の時刻t5でゲート配線13の電位はハイレベルになる。
After a predetermined accumulation time, the potentials of the
この後読み出し処理は全画素から各行毎の順次読み出しとなる。ここで、ゲート配線12の電位を図6(B)に示すように時刻t6でハイレベルにすると、増幅用トランジスタ5がオンとなり、光信号電荷に応じた出力を画素信号出力線16に出し、図6(D)にハイレベルで模式的に示すオン状態のスイッチ6(このときスイッチ8はオフ)を通して、キャパシタ7に記憶する。続いて、図6(B)に示すように時刻t7でゲート配線12の電位がローレベルになり、ウェル15の電荷が排出される。
Thereafter, the readout process is sequentially performed for every row from all pixels. Here, when the potential of the
その後の時刻t8で、再びゲート配線12の電位をハイレベルにすると、画素信号出力線16にリセット時の信号出力が出され、図6(C)にハイレベルで模式的に示すオン状態のスイッチ8(このときスイッチ6はオフ)を通して、キャパシタ9に記憶される。これで画素1からの読み出し処理は終わり、図示されていない減算処理手段を用いて、キャパシタ7、9に記憶された信号を減算処理し、センサ外に出力する。
Thereafter, when the potential of the
しかるに、上記の従来の固体撮像素子の駆動方法では、フォトダイオード2の信号蓄積時の時刻t3でゲート配線12の電位をミドルレベルにして、リセットトランジスタ4をオフにしてしまう。この結果、ウェル15内では結晶欠陥、あるいはゲート酸化膜界面凖位で発生した暗電流が排出されずウェル15内に蓄積される。その後の時刻t4でゲート配線13の電位がローレベルになり、フォトダイオード2の電荷がウェル15に転送されると、上記の暗電流の分が信号に重なってしまい、信号が劣化してしまう。
However, in the conventional method for driving the solid-state imaging device, the potential of the
また、上記の従来の固体撮像素子の駆動方法では、信号読み出し中にフォトダイオード2で信号蓄積ができないという問題がある。更に、リセットトランジスタ4を設けたために、画素のトランジスタ数が3個と多くなり、開口率が劣化してしまうという問題もある。
Further, the conventional driving method of the solid-state imaging device has a problem that the signal cannot be accumulated by the
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、転送直前に全画素で転送先の拡散層をリセットする動作を加えることで暗電流による信号劣化を防止し得る固体撮像素子の駆動方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a driving method of a solid-state imaging device capable of preventing signal degradation due to dark current by adding an operation of resetting a transfer destination diffusion layer in all pixels immediately before transfer. For the purpose.
また、本発明の他の目的は、信号読み出し中でもフォトダイオードに信号蓄積ができる固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a driving method of a solid-state imaging device capable of accumulating signals in a photodiode even during signal readout.
更に、本発明の他の目的は、画素のトランジスタ数が2個で済む固体撮像素子の駆動方法を提供することにある。 Furthermore, another object of the present invention is to provide a method for driving a solid-state imaging device that requires only two transistors in a pixel.
上記の目的を達成するため、本発明はリング状ゲート電極と、リング状ゲート電極の中央開口部に設けられたソース拡散領域と、ソース拡散領域を取り囲み、かつ、リング状ゲート電極の外周に達しないように設けられたソース近傍領域とを有し、入力された電荷の量をしきい値の変化として出力する光信号出力用トランジスタと、光を電荷に変換して蓄積する光電変換領域と、光電変換領域に蓄積された電荷をソース近傍領域へ転送する転送手段とを備えた画素がマトリクス状に複数配列された固体撮像素子の駆動方法であって、全画素のリング状ゲート電極を持つ光信号出力用トランジスタを同時にオンとして、全画素一斉にソース近傍領域の電荷を基板に排出するリセットを行う第1のステップと、全画素の転送手段を同時にオンとし、かつ、リング状ゲート電極を持つ光信号出力用トランジスタをオフ状態にして、画素の各々の光電変換領域に蓄積された電荷を、同じ画素のリング状ゲート電極の直下の基板に、全画素一斉に転送してソース近傍領域にそれぞれ蓄積させる第2のステップと、転送手段をオフ状態として、再び光電変換領域に、入射光を光電変換して得た電荷の蓄積を開始させる第3のステップと、複数の画素のリング状ゲート電極を持つ光信号出力用トランジスタを順次に動作状態に制御して、各画素のソース近傍領域に蓄積されている電荷による電位変化を光信号出力用トランジスタのしきい値の変化として信号を読み出す第4のステップとを含むことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a ring-shaped gate electrode, a source diffusion region provided in a central opening of the ring-shaped gate electrode, and the outer periphery of the ring-shaped gate electrode surrounding the source diffusion region. An optical signal output transistor that outputs the amount of input charge as a change in threshold value, a photoelectric conversion region that converts light into charge and accumulates, A method for driving a solid-state imaging device in which a plurality of pixels having a transfer means for transferring charges accumulated in a photoelectric conversion region to a region near the source are arranged in a matrix, and light having ring-shaped gate electrodes of all pixels The signal output transistors are turned on at the same time, the first step of resetting all the pixels at the same time to discharge the charges near the source to the substrate, and the transfer means for all the pixels are turned on at the same time. In addition, the optical signal output transistors having the ring-shaped gate electrode are turned off, and the charges accumulated in the photoelectric conversion regions of the pixels are all simultaneously applied to the substrate immediately below the ring-shaped gate electrode of the same pixel. A second step of transferring and accumulating in the source vicinity region, and a third step of starting accumulation of charges obtained by photoelectrically converting incident light into the photoelectric conversion region again with the transfer means turned off, The optical signal output transistors having the ring-shaped gate electrodes of a plurality of pixels are sequentially controlled to operate, and the potential change due to the electric charge accumulated in the source vicinity region of each pixel is changed to the threshold value of the optical signal output transistor. And a fourth step of reading out a signal as a change in.
この発明では、各画素の光電変換領域に蓄積された電荷を、同じ画素のリング状ゲート電極直下の基板に、全画素一斉に転送してソース近傍領域にそれぞれ蓄積させる全画素電荷一斉転送を行う直前に、全画素のソース近傍領域の電荷を基板に排出するリセットを全画素一斉に行うようにしたため、ソース近傍領域に電荷が無いリセット状態の期間を一定にすることができる。 In the present invention, all-pixel charge transfer is performed in which charges accumulated in the photoelectric conversion region of each pixel are transferred all at once to a substrate immediately below the ring-shaped gate electrode of the same pixel and accumulated in a region near the source. Immediately before, the reset for discharging the charges in the vicinity of the source of all the pixels to the substrate is performed all at once, so that the period of the reset state in which there is no charge in the vicinity of the source can be made constant.
本発明によれば、全画素の電荷が一斉に転送される転送先のソース近傍領域を、その電荷転送直前にリセットして電荷の無いリセット状態が続く時間を全画素で一定にするようにしたため、結晶欠陥等によりソース近傍領域に蓄積される暗電流を排出でき、画質のばらつきが無く、またノイズの少ない信号読み出しができる。 According to the present invention, the region near the source of the transfer destination to which the charges of all the pixels are transferred all at once is reset immediately before the charge transfer, and the time for which the reset state without charge is continued is made constant for all the pixels. The dark current accumulated in the region near the source due to crystal defects or the like can be discharged, there is no variation in image quality, and signal reading with less noise can be performed.
また、本発明によれば、信号読み出し中であっても信号読み出しを行っていない画素の光電変換領域では光を光電変換して得られた電荷を蓄積することができ、更に、画素内のトランジスタ数が光信号出力用トランジスタと、転送手段を構成するトランジスタの2個で構成できる駆動を行うため、光電変換領域の開口率を画素内に3個のトランジスタを有する固体撮像素子に比べて向上することができる。 In addition, according to the present invention, charges obtained by photoelectrically converting light can be accumulated in the photoelectric conversion region of a pixel that is not performing signal readout even during signal readout. Since the number of the optical signal output transistors and the transistors constituting the transfer means are driven, the aperture ratio of the photoelectric conversion region is improved as compared with a solid-state imaging device having three transistors in the pixel. be able to.
次に、本発明の一実施の形態について図面と共に説明する。図1は本発明になる固体撮像素子の駆動方法を適用し得る固体撮像素子の一例の画素構造と撮像素子全体を表現した電気回路を示す。この固体撮像素子の画素構造自体は本発明者が先に特願2004−21895にて開示したものである。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a pixel structure of an example of a solid-state image sensor to which the driving method of the solid-state image sensor according to the present invention can be applied, and an electric circuit expressing the entire image sensor. The pixel structure itself of this solid-state imaging device is the one previously disclosed by the present inventor in Japanese Patent Application No. 2004-21895.
図1(A)の上面図と、同図(B)に示す同図(A)のX−X’線に沿う縦断面図に示すように、この固体撮像素子は、p+型基板21上にp-型エピタキシャル層22を成長し、このエピタキシャル層22の表面にnウェル23がある。nウェル23上にはゲート酸化膜24を挟んで第1のゲート電極である平面形状がリング状のゲート電極25が形成されている。
As shown in a top view of FIG. 1A and a longitudinal sectional view taken along line XX ′ of FIG. 1A shown in FIG. 1B, this solid-state image sensor is formed on a p + type substrate 21. A p − type
リング状ゲート電極25の中心部に対応したnウェル23の表面にはn+型のソース領域26が形成されており、そのソース領域26に隣接してソース近傍p型領域27が形成されている。ソース近傍p型領域27はリング状ゲート電極25の外周部には達していない。また、ソース領域26とソース近傍p型領域27の外側の離間した位置のnウェル23の表面にはn+型のドレイン領域28が形成されている。更に、リング状ゲート電極25の外側のドレイン領域28の下のnウェル23中には埋め込みのp-型領域29がある。この埋め込みのp-型領域29とドレイン領域28は、図1(A)に示す埋め込みフォトダイオード30を構成している。
An n + -
ドレイン領域28、リング状ゲート電極25、ソース領域26、転送ゲート電極31には、それぞれメタル配線32、33、34、35が接続されている。また、上記の各構成の上方には、図1(B)に示すように遮光膜36が形成されており、その遮光膜36の埋め込みフォトダイオード30に対応した位置には開口部37が穿設されている。この遮光膜36は金属、あるいは有機膜等で形成される。光は、開口部37を通して埋め込みフォトダイオード30に達して光電変換される。
この図1の構造の固体撮像素子は、リング状ゲート電極25を持つトランジスタが、増幅用MOS型電界効果トランジスタ(FET)であり、各画素内に増幅用MOSFETを持つという意味で、CMOSセンサ(CMOSイメージセンサ)の一種といえる。
The solid-state imaging device having the structure shown in FIG. 1 is a CMOS sensor (meaning that a transistor having a ring-shaped
次に、図1の固体撮像素子(CMOSセンサ)の画素構造と撮像素子全体の構造について、電気回路で表現した図2と共に説明する。同図において、まず、画素はm行n列の2次元マトリクス状に画素敷き詰め領域41に配置されている。図2ではこれらm行n列の画素のうち、s行t列の一画素42を代表として等価回路で表現している。この画素42は、リング状ゲート電極を持つMOSFET(以下、これをリング状ゲートMOSFETというものとする)43と、フォトダイオード44と、転送ゲートMOSFET45とからなり、リング状ゲートMOSFET43のドレインがフォトダイオード44のn側端子とドレイン電極配線46(図1の32に相当)に接続され、転送ゲートMOSFET45のソースがフォトダイオード44のp側端子に接続され、ドレインがリング状ゲートMOSFET43のバックゲート(図1のソース近傍p型領域27)に接続されている。
Next, the pixel structure of the solid-state image sensor (CMOS sensor) in FIG. 1 and the entire structure of the image sensor will be described with reference to FIG. 2 expressed by an electric circuit. In the figure, first, pixels are arranged in a pixel spread area 41 in a two-dimensional matrix of m rows and n columns. In FIG. 2, one
なお、上記のリング状ゲートMOSFET43は、図1(B)ではリング状ゲート電極25直下のソース近傍p型領域27をゲート領域とし、n+型のソース領域26及びn+型のドレイン領域28を有するNチャネルMOSFETである。また、上記の転送ゲートMOSFET45は、図1(B)では転送ゲート電極31直下のnウェル23をゲート領域、フォトダイオード30の埋め込みのp-型領域29をソース領域、ソース近傍p型領域27をドレインとするPチャネルMOSFETである。
In FIG. 1B, the ring-shaped gate MOSFET 43 has a p-
図2において、m行n列の各画素から1フレーム分の信号を読み出すために、まず読み出しを始める合図を出すフレームスタート信号を発生させるフレームスタート信号発生回路47がある。このフレームスタート信号は撮像素子の外から与えられてもよい。このフレームスタート信号は垂直シフトレジスタ48に供給される。垂直シフトレジスタ48は、m行n列の各画素のうちの何行目の画素を読み出すかの信号を出力する。
In FIG. 2, there is a frame start
各行の画素はリング状ゲート電極、転送ゲート電極、ドレイン電極の電位を制御する制御回路に接続されており、これらの制御回路には垂直レジスタ48の出力信号が供給される。例えば、s行目の各画素のリング状ゲート電極は、リング状ゲート電極配線49を介してリング状ゲート電位制御回路50に接続され、各画素の転送ゲート電極は、転送ゲート電極配線51を介して転送ゲート電位制御回路52に接続され、各画素のドレイン電極は、ドレイン電極配線46を介してドレイン電位制御回路53に接続されている。上記の各制御回路50、52、53には垂直シフトレジスタ48の出力信号が供給される。
The pixels in each row are connected to a control circuit that controls the potentials of the ring-shaped gate electrode, transfer gate electrode, and drain electrode, and the output signal of the
なお、リング状ゲート電極は、行毎に制御するので横方向に配線するが、転送ゲート電極は全画素で一斉に制御するので、配線方向は問わず、縦方向でもよい。ここでは横方向に配線するものとして表現する。ドレイン電位制御回路53は、全画素一斉に制御するが、行毎に制御する可能性もあるので、フレームスタート信号と垂直レジスタ48の両方と接続して表現している。
Since the ring-shaped gate electrode is controlled for each row, wiring is performed in the horizontal direction. However, since the transfer gate electrode is controlled simultaneously for all pixels, the wiring direction is not limited and the vertical direction may be used. Here, it is expressed as wiring in the horizontal direction. Although the drain
画素42のリング状ゲートMOSFET43のソース電極は、ソース電極配線54(図1の34に相当)を介して2分岐され、一方はスイッチSW1を介してソース電極電位を制御するソース電位制御回路55に接続され、他方はスイッチSW2を介して信号読み出し回路56に接続されている。信号を読み出すときにはスイッチSW1をオフ、スイッチSW2をオンにし、ソース電位を制御する時にはスイッチSW1をオン、スイッチSW2をオフにする。信号は縦方向に出すので、ソース電極の配線方向は縦にする。
The source electrode of the ring-shaped gate MOSFET 43 of the
信号読み出し回路56は次のように構成されている。画素42の出力はリング状ゲートMOSFET43のソースから行われ、出力線24には負荷、例えば電流源27が繋がっている。従って、ソースフォロア回路となっている。電流源27にはキャパシタC1とキャパシタC2の各一端がスイッチsc1とスイッチsc2を介して繋がっている。他端が接地されているキャパシタC1、C2の各一端は、また差動アンプ58の反転入力端子と非反転入力端子に繋がっており、両キャパシタC1及びC2の電位差を差動アンプ58から出力するようになっている。信号読み出し回路56から出力された信号は、出力スイッチswtを介して出力される。同じ列にある出力スイッチswtは、水平シフトレジスタ59から出力される信号によりスイッチング制御される。
The signal readout circuit 56 is configured as follows. The output of the
ところで、このような構造のCMOSセンサでは、図1のソース近傍p型領域27は周辺の領域に比べてポテンシャルが低くなっているので、周辺に空乏層が広がっている。この空乏層に結晶欠陥が存在すると,熱によりホール電子対が発生し、ホールがソース近傍p型領域27に溜まり、ノイズになる。ソース近傍p型領域27のポテンシャルが低ければ低いほど、周辺領域への空乏層の広がりが大きくなり、より多くのノイズ電荷を集めるため、影響は大きい。つまり、電荷がないリセット状態の方が影響は大きくなる。
By the way, in the CMOS sensor having such a structure, since the source vicinity p-
その様子を図4の模式図に示す。なお、図4では簡単のために、光電変換領域、転送ゲート電極は無視している。図4(A)がソース近傍p型領域27にホール61のある状態であり、空乏層60の広がりは限定的である。従って、図4(A)中の結晶欠陥62は空乏層60内に無いため、ここで電子ホール対が発生しても、再結合し、ソース近傍p型領域27には行かない。
This is shown in the schematic diagram of FIG. In FIG. 4, for the sake of simplicity, the photoelectric conversion region and the transfer gate electrode are ignored. FIG. 4A shows a state in which the
一方、図4(B)がリセットされてホールがない状態である。空乏層63の広がりが結晶欠陥62を含む領域まで拡大し、結晶欠陥62で電子ホール対が発生すると、ソース近傍p型領域27に64で示すようにホールが落ち込む。なお、図4(A)、(B)にはソース近傍p型領域27に影響ある空乏層だけを描いている。従って、Nウェル23とP基板22の間の拡散電位による空乏層などは無視している。また、リング状ゲート電極25およびソース26、ドレイン28の各電位は図4(A)と(B)で変化がなく、空乏層の拡大はソース近傍p型領域27のポテンシャルの影響だけに依存しているとして描いている。
On the other hand, FIG. 4B is reset and there is no hole. When the
このような構造のCMOSセンサにおいて、ソース近傍p型領域27のリセット(電荷の基板への排出)が各ラインによりタイミングが異なると、ライン毎にノイズの量が異なり(1行目の画素は最終行の画素よりもノイズが多くなりやすい)、その結果、ライン毎に画質にばらつきが生じる。また、図5に示した特許文献1に記載の従来の固体撮像素子のウェル拡散層15は図1のソース近傍p型領域27に相当するので、この構造のCMOSセンサにおいても、特許文献1に記載の従来の固体撮像素子の問題は生じる。
In the CMOS sensor having such a structure, when the reset of the p-
そこで、本発明の一実施の形態では、前述した特許文献1に記載の従来の固体撮像素子の駆動方法の課題を解決すると共に、上記のライン毎の画質のばらつきも発生しないように図1の構造のCMOSセンサを駆動するものであり、次に、本発明の一実施の形態の駆動方法について、図3のタイミングチャートを併せ参照して説明する。まず、図3(1)に示す期間では、埋め込みのフォトダイオード(図1(A)の30、図2の44等)に光が入り、光電変換効果により電子・ホール対が発生し、フォトダイオードの埋め込みp−型領域29にホールが蓄積される。このとき転送ゲート電極31の電位はドレイン電位Vddと同じになっており、転送ゲートMOSFET45はオフ状態である。これらの蓄積は、前フレームの読み出し操作が行われている時に同時に行われている。
Therefore, in one embodiment of the present invention, the problem of the conventional driving method of the solid-state imaging device described in
続いて、前フレームの読み出しが終了すると、同図(A)に示すように一定幅のパルスである新しいフレームスタート信号がフレームスタート信号発生回路47から出力されて、次のフレームの読み出しが始まる。このフレームスタート信号の出力の直後の(1’)で示す期間において、図3(C)に示すように全画素のリング状ゲート電極配線33の電位をHigh1とし、かつ、同図(D)に示すようにソース電極配線34の電位をHighsに設定し、全画素のソース近傍p型領域27の電荷をそれぞれ同時に基板に排出する(リセットする)。これにより、ソース近傍p型領域27に電荷の無いリセット状態が続く時間を全画素で一定にする。
Subsequently, when the reading of the previous frame is completed, a new frame start signal, which is a pulse having a constant width, is output from the frame start
続く、図3(2)に示す期間では、全画素一斉にフォトダイオード(図1(A)の40、図2の44等)からリング状ゲート電極(図1の25)のソース近傍p型領域(図1の27)にホールを転送するため、図3(B)に示すように転送ゲート電位制御回路52から出力される転送ゲート制御信号により、全画素の転送ゲート電極(図1の31)の電位をLow2とし、転送ゲートMOSFET45をはじめとする全画素の転送ゲートMOSFETを一斉にオン状態とする。
Subsequently, in the period shown in FIG. 3 (2), the p-type region in the vicinity of the source of the ring-shaped gate electrode (25 in FIG. 1) from the photodiode (40 in FIG. 1A, 44 in FIG. 2 etc.) from all the pixels simultaneously. In order to transfer holes to (27 in FIG. 1), transfer gate electrodes (31 in FIG. 1) of all pixels are transferred by a transfer gate control signal output from the transfer gate
この電位Low2は、このときにリング状ゲート電位制御回路50から出力されてリング状ゲートMOSFET43のリング状ゲート電極25に印加される図3(C)に示す制御信号の電位Low1よりも高い電位とし、転送ゲート電極31とリング状ゲート電極25の下でポテンシャルの勾配を設ける。なお、リング状ゲート電極電位Low1は0Vでもよいが、0Vよりも高い別の値でもよい。
This potential Low2 is higher than the potential Low1 of the control signal shown in FIG. 3C that is output from the ring-shaped gate
一方、ソース電位制御回路55からスイッチSW1を介してソース電極配線54からリング状ゲートMOSFET43のソースに供給されるソース電位をはじめとする、全画素のソース電位は図3(D)に示すように電位S1(S1>Low1)にして、リング状ゲートMOSFET43がオフになり電流が流れないようにする。この結果、全画素のフォトダイオードに蓄積された電荷が、対応する画素のリング状ゲート電極の下に一斉に転送される。
On the other hand, the source potential of all the pixels including the source potential supplied from the source
図1(B)に示すリング状ゲート電極25の下の領域で、ソース近傍p型領域27が最もポテンシャルが低いので、フォトダイオード30(44)に蓄積されていたホールはソース近傍p型領域27に達し、そこに蓄積される。ホールが蓄積された結果、ソース近傍p型領域27の電位が上昇する。
In the region below the ring-shaped
続いて、図3(3)に示す期間では、同図(B)に示すように転送ゲート電極の電位がVddになり、全画素の転送ゲートMOSFETが同時にオフになる。これにより、再び埋め込みフォトダイオード(図1(A)の30、図2の44等)では光電変換効果により電子・ホール対が発生し、フォトダイオード(図1(A)の30、図2の44等)の埋め込みp−型領域29にホールが蓄積され始める。この蓄積動作は次の電荷転送時まで続けられる。
Subsequently, in the period shown in FIG. 3 (3), as shown in FIG. 3 (B), the potential of the transfer gate electrode becomes Vdd, and the transfer gate MOSFETs of all the pixels are simultaneously turned off. As a result, again in the embedded photodiode (30 in FIG. 1A, 44 in FIG. 2, etc.), an electron-hole pair is generated by the photoelectric conversion effect, and the photodiode (30 in FIG. 1A, 44 in FIG. 2) is generated. Etc.), holes begin to accumulate in the buried p − -
一方、画素の信号読み出しは、各行毎に順番に行われるので、自分の行の順番が来るまで、リング状ゲート電極の電位は図3(C)に示すようにLow、ソース電位は同図(D)に示すようにs1であり、リング状ゲートMOSFETはオフの状態で、ソース近傍p型領域27にホールを蓄積したまま待機状態となる。なお、0(GND)≦Low≦Low1である。ソース電位は他の行からの信号読み出しが行われている間、その画素からの信号の値により、様々な値を取り得る。また、リング状ゲート電極電位は行毎に、様々な電位を取り得る。
On the other hand, pixel signal readout is performed in order for each row, so that the potential of the ring-shaped gate electrode is Low as shown in FIG. As shown in (D), it is s1, and the ring-shaped gate MOSFET is in an off state, and enters a standby state with holes accumulated in the p-
続く図3(4)〜(6)に示す期間では、画素の信号読み出しが行われる。s行目t列目の画素42について代表してこの信号読み出し動作について説明するに、まず、ソース近傍p型領域27に電荷を蓄積した状態で、図3(E)に示す垂直シフトレジスタ48の出力信号が、同図(H)に示すようにローレベルである期間(4)において、リング状ゲート電位制御回路50から出力される制御信号によりリング状ゲート電極25の電位を図3(K)に示すように、LowからVg1に上げる。
In the subsequent period shown in FIGS. 3 (4) to (6), pixel signal readout is performed. This signal readout operation will be described representatively for the
ここで、上記の電位Vg1は、前述した各電位Low、Low1、Vddとの間に
Low≦Low1≦Vg1≦Vdd (ただし、Low<Vdd)
なる不等式が成立する電位である。また、上記の期間(4)ではスイッチSW1が図3(I)に示すようにオフ、スイッチSW2が同図(J)に示すようにオン、スイッチsc1が同図(M)に示すようにオン、スイッチsc2が同図(N)に示すようにオフとされる。
Here, the potential Vg1 is between the potentials Low, Low1, and Vdd described above.
Low ≦ Low1 ≦ Vg1 ≦ Vdd (where Low <Vdd)
Is an electric potential that holds the inequality. In the period (4), the switch SW1 is turned off as shown in FIG. 3I, the switch SW2 is turned on as shown in FIG. 3J, and the switch sc1 is turned on as shown in FIG. The switch sc2 is turned off as shown in FIG.
この結果、リング状ゲートMOSFET43のソースに接続されたソースフォロア回路が働き、リング状ゲートMOSFET43のソース電位は、図3(L)に示すように期間(4)ではS2(=Vg1−Vth1)となる。ここで、Vth1はリング状ゲートMOSFET43のバックゲート(ソース近傍p型領域27)にホールがある状態でのリング状ゲートMOSFET43のしきい値電圧である。このソース電位S2が、オンとされているSW2及びスイッチsc1を通してキャパシタC1に記憶される。この期間(4)では光電変換効果によりフォトダイオードの埋め込みp-型領域29に蓄積されるホールが期間(3)よりも増加している。
As a result, the source follower circuit connected to the source of the ring-shaped gate MOSFET 43 works, and the source potential of the ring-shaped gate MOSFET 43 is S2 (= Vg1-Vth1) in the period (4) as shown in FIG. Become. Here, Vth1 is a threshold voltage of the ring-shaped gate MOSFET 43 in a state where there is a hole in the back gate (the p-
続く図3(5)に示す期間では、リング状ゲート電位制御回路50から出力される制御信号によりリング状ゲート電極25の電位を図3(K)に示すようにHigh1に上げると同時に、同図(I)、(J)に示すようにスイッチSW1をオン、スイッチSW2をオフとすると共に、ソース電位制御回路55から出力されるソース電位を同図(L)に示すようにHighsに上げる。ここで、High1、Highs>Low1である。
In the subsequent period shown in FIG. 3 (5), the control signal output from the ring-shaped gate
上記の電位High1及びHighsの値は同じであっても異なっていてもよいが、設計の簡単のためにはHigh1、Highs≦Vddが望ましい。また、リング状ゲートMOSFET43がオンして電流が流れないような電位設定にすることが望ましい。この結果、図1のソース近傍p型領域27のポテンシャルが上昇し、nウェル23のバリアを越えてホールがエピタキシャル層22に排出される。また、この期間(5)でも光電変換効果によりフォトダイオードの埋め込みp−型領域29に蓄積されるホールが期間(4)よりも増加している。
The values of the potentials High1 and Highs may be the same or different, but High1 and Highs ≦ Vdd are desirable for simplicity of design. Further, it is desirable to set the potential so that the ring-shaped gate MOSFET 43 is turned on and no current flows. As a result, the potential of the p-
続く図3(6)に示す期間では、再び前記期間(4)と同じ信号読み出し状態にする。ただし、期間(4)とは異なり、図3(M)、(N)に示すように、スイッチsc1はオフ、スイッチsc2はオンとする。リング状ゲート電極25の電位は図3(K)に示すように期間(4)と同じVg1とする。しかし、この期間(6)では直前の期間(5)でホールが基板(エピタキシャル層22)に排出されていてソース近傍p型領域27にはホールが存在しないので、リング状ゲートMOSFET43のソース電位は、図3(L)に示すように期間(6)ではS0(=Vg1−Vth0)となる。ここでVth0はリング状ゲートMOSFET43のバックゲート(ソース近傍p型領域27)にホールが無い状態でのしきい値電圧である。このソース電位S0は、オンとされたSW2及びスイッチsc2を介してキャパシタC2に記憶される。
In the subsequent period shown in FIG. 3 (6), the same signal readout state as in the period (4) is set again. However, unlike the period (4), as shown in FIGS. 3M and 3N, the switch sc1 is turned off and the switch sc2 is turned on. The potential of the ring-shaped
差動アンプ58はキャパシタC1とC2の電位差を出力する。すなわち、差動アンプ58は(Vth0−Vth1)を出力する。この出力値(Vth0−Vth1)は、ホール電荷によるしきい値変化分である。その後、水平シフトレジスタ59から出力される図3(F)に示すパルスのうち、同図(O)に示すt列目の出力パルスに基づき、図2の出力スイッチswtがオンとされ、このswtのオン期間に図3(P)にハッチングにより模式的に示すように、差動アンプ58からのホール電荷によるしきい値変化分が画素42の出力信号Voutとして出力される。
The differential amplifier 58 outputs the potential difference between the capacitors C1 and C2. That is, the differential amplifier 58 outputs (Vth0−Vth1). This output value (Vth0-Vth1) is a change in threshold value due to hole charge. Thereafter, among the pulses shown in FIG. 3F output from the
続いて、図3に(7)で示す期間では、再びリング状ゲート電極25の電位を図3(B)に示すようにLowにし、ソース近傍p型領域27にはホールがない状態で、全ての行の信号処理が終了するまで待機する。この期間(7)でも引き続きフォトダイオードに光電変換効果によるホールの蓄積が進行する。その後、前記期間(1)に戻って、ホールの転送から繰り返す。これにより、全画素から図3(G)に示す出力信号Voutが順次に読み出される。すべての画素から信号を読み出すと、再び次のフレームが開始される。
Subsequently, in the period indicated by (7) in FIG. 3, the potential of the ring-shaped
なお、画素42の回路は、厳密には転送ゲートMOSFET45のソースとリング状ゲートMOSFET43のバックゲートとの間に、リング状ゲート電極配線49と転送ゲート電極配線51の各電位に連動したスイッチが設けられる構成である。このスイッチは、リング状ゲート電極配線49の電位Low1と、転送ゲート電極配線51の電位Low2との間に、Low1≦Low2の関係があるときはオン状態になり、Low1>Low2の関係があるときにはオフ状態になる。しかしながら、転送時は上記のLow1≦Low2の条件は、電位制御回路50、52等により常に満たされているので、図2ではこのスイッチを省略して図示している。
Strictly speaking, the circuit of the
なお、図3の期間(5)のリセット時のソース電位の供給はソース電位制御回路55から供給する以外の方法もある。すなわち、期間(5)で図2に示すスイッチsw1、sw2をともにオフとし、ソース電極配線54をフローティングにする。ここでリング状ゲート電極25の電位をHigh1とすると、リング状ゲートMOSFET43がオン状態となり、リング状ゲートMOSFET43のソースにドレインから電流が供給され、ソース電極電位が上昇し、これによりソース近傍p型領域27のポテンシャルが持ち上げられ、nウェル23のバリアを越えて、ホールがp型エピタキシャル層22に排出される(リセットされる)。
Note that the source potential at the time of reset in period (5) in FIG. That is, in the period (5), both the switches sw1 and sw2 shown in FIG. 2 are turned off, and the
ホールが完全に排出されたときのソース電極電位は、(High1−Vth0)になる。この方法では、ソース電位制御回路55のうち、Highsを供給するトランジスタを削減することができ、チップ面積を減らすことができる。
The source electrode potential when the holes are completely discharged becomes (High1-Vth0). In this method, the number of transistors supplying Highs in the source
このように、本実施の形態によれば、全画素の電荷の一斉転送の直前の図3に(1’)で示す期間において、全画素のソース近傍p型領域27の電荷をそれぞれ同時に基板(p型エピタキシャル層22)に排出する(リセットする)ことにより、ソース近傍p型領域27に電荷の無いリセット状態が続く時間を全画素で一定にするようにしたため、nウェル23内に蓄積された暗電流が信号に蓄積されて信号に重なるという現象を防止できる。
As described above, according to the present embodiment, the charges in the p-
また、本実施の形態では、図2に示したように一つの画素52のトランジスタ数はリング状ゲートMOSFET43と転送ゲートMOSFET45の計2個であり、画素内のトランジスタ数が3個の従来の固体撮像素子よりもフォトダイオード30の開口率を向上でき、また、信号読み出し中でもフォトダイオードでの電荷(ホール)の蓄積ができる。
In this embodiment, as shown in FIG. 2, the number of transistors in one
25 リング状ゲート電極
26 n+型のソース領域
27 ソース近傍p型領域
28 n+型のドレイン領域
29 埋め込みのp-型領域
30、44 フォトダイオード
31 転送ゲート電極
41 画素敷き詰め領域
42 画素
43 リング状ゲートMOSFET
45 転送ゲートMOSFET
47 フレームスタート信号発生回路
48 垂直シフトレジスタ
50 リング状ゲート電位制御回路
52 転送ゲート電位制御回路
53 ドレイン電位制御回路
56 信号読み出し回路
58 差動アンプ
59 水平シフトレジスタ
C1、C2 キャパシタ
25 n-type gate electrode 26 n + type source region 27 p-type region in the vicinity of the source 28 n +
45 Transfer gate MOSFET
47 frame start
Claims (1)
全画素の前記リング状ゲート電極を持つ光信号出力用トランジスタを同時にオンとして、全画素一斉に前記ソース近傍領域の電荷を基板に排出するリセットを行う第1のステップと、
全画素の前記転送手段を同時にオンとし、かつ、前記リング状ゲート電極を持つ光信号出力用トランジスタをオフ状態にして、前記画素の各々の前記光電変換領域に蓄積された電荷を、同じ画素の前記リング状ゲート電極の直下の基板に、全画素一斉に転送して前記ソース近傍領域にそれぞれ蓄積させる第2のステップと、
前記転送手段をオフ状態として、再び前記光電変換領域に、入射光を光電変換して得た電荷の蓄積を開始させる第3のステップと、
前記複数の画素の前記リング状ゲート電極を持つ前記光信号出力用トランジスタを順次に動作状態に制御して、各画素の前記ソース近傍領域に蓄積されている前記電荷による電位変化を前記光信号出力用トランジスタのしきい値の変化として信号を読み出す第4のステップと
を含むことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
A ring-shaped gate electrode; a source diffusion region provided in a central opening of the ring-shaped gate electrode; and a source vicinity provided so as to surround the source diffusion region and not to reach an outer periphery of the ring-shaped gate electrode An optical signal output transistor that outputs the amount of input charge as a change in threshold value, a photoelectric conversion region that converts light into electric charge and accumulates, and is stored in the photoelectric conversion region A solid-state imaging device driving method in which a plurality of pixels each having a transfer means for transferring charges to the source vicinity region are arranged in a matrix,
A first step of performing a reset by simultaneously turning on the optical signal output transistors having the ring-shaped gate electrodes of all the pixels and discharging the charges in the vicinity of the source to the substrate all at once;
The transfer means of all the pixels is turned on at the same time, and the optical signal output transistor having the ring-shaped gate electrode is turned off, and the charges accumulated in the photoelectric conversion regions of the pixels are A second step of transferring all of the pixels all at once to the substrate immediately below the ring-shaped gate electrode and storing them in the source vicinity region;
A third step of turning off the transfer means and starting accumulation of charges obtained by photoelectrically converting incident light in the photoelectric conversion region again;
The optical signal output transistors having the ring-shaped gate electrodes of the plurality of pixels are sequentially controlled to be in an operating state, and potential changes due to the charges accumulated in the source vicinity region of each pixel are output to the optical signal. And a fourth step of reading out a signal as a change in the threshold value of the transistor for a solid-state image sensor.
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