JP2007129763A - Solid-state imaging element and drive method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばCMOS型イメージセンサやCCD型イメージセンサ等の固体撮像素子及びその駆動方法に関し、特に光電変換素子によって生成した信号電荷を読み出す際の低電圧化やダイナミックレンジの拡大を図ることが可能な構成に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CMOS type image sensor or a CCD type image sensor and a driving method thereof, and in particular, to reduce a voltage when reading a signal charge generated by a photoelectric conversion device and to expand a dynamic range. It relates to possible configurations.
図10及び図11は、従来のCMOS型イメージセンサにおける画素構造の一例を示す図であり、図10は画素回路の構成例を示す回路図、図11は素子の構造を示す断面図である。
まず、図10により画素回路の構成について説明する。
図示の構成は、各画素にフォトダイオード(PD)10と転送、増幅、選択、リセットの4つの画素トランジスタ(Tr)11、12、13、14を設けたものである。
PD10は、光電変換によって生成された電子を蓄積する。転送Tr11は、PD10の電子をフローティングディフュージョン(FD)15に転送する。
増幅Tr12は、ゲートがFD15とつながっており、FD15の電位変動を電気信号に変換する。選択Tr13は信号を読み出す画素を行単位で選択するものであり、この選択Tr13がONしたときには、増幅Tr12と画素の外で垂直信号線16につながっている定電流源17とがソースフォロアを組むので、FD15の電圧に連動する電圧が垂直信号線に出力される。
リセットTr14は、FD15の電位をVddにリセットする。
10 and 11 are diagrams showing an example of a pixel structure in a conventional CMOS image sensor. FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration example of a pixel circuit, and FIG. 11 is a cross-sectional view showing a structure of an element.
First, the configuration of the pixel circuit will be described with reference to FIG.
In the illustrated configuration, each pixel is provided with a photodiode (PD) 10 and four pixel transistors (Tr) 11, 12, 13, and 14 for transfer, amplification, selection, and reset.
The PD 10 accumulates electrons generated by photoelectric conversion. The
The amplification Tr12 has a gate connected to the
The reset Tr14 resets the potential of the FD15 to Vdd.
また、図11はPD10から転送Tr11のゲート部を経てFD15に到る領域の断面構造を示している。
図示のように、シリコン基板20に形成されたPウェル領域20A内に、PD10、転送Tr11のゲート部11A、及びFD15が設けられ、シリコン基板20上にはゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)21が形成され、ゲート酸化膜21の一部にはLOCOSによる素子分離部22が形成されている。
また、ゲート酸化膜21の上には、転送Tr11の転送ゲート電極11Bが形成されている。
FIG. 11 shows a cross-sectional structure of a region from the PD 10 to the FD 15 through the gate portion of the
As shown in the figure, the PD 10, the gate portion 11 A of the
Further, a
ここで、PD10としては、埋込み型のPDが公知である。埋込み型のPDとは、例えばPウェル領域中に形成されるフォトダイオードの場合に、ゲート酸化膜21の界面近傍をp+層(電荷分離領域)10Aとし、その下に光電子を蓄積するn層(電荷蓄積領域)10Bを形成し、基板20の深部に電荷を蓄積する構造のものである。
このような埋込み型のPDでは、n層10Bの界面がp+層10Aでカバーされているので、n層10Bの界面で発生する暗電流を防止できる。
また、転送Tr11とPD10の設計を適切に行えば、PD10の光電子を全てFD15に転送できるので、上述のような埋込み型のPD10は、CCD型センサで広く使われている構造であり、例えば、いわゆるHAD(Hole Accumulation Diode )構造と呼称されるものが提供されている。
Here, as the PD 10, an embedded PD is known. For example, in the case of a photodiode formed in a P-well region, the buried PD is a p + layer (charge separation region) 10A near the interface of the
In such a buried PD, since the interface of the
Further, if the transfer Tr11 and PD10 are appropriately designed, all the photoelectrons of the PD10 can be transferred to the FD15. Therefore, the embedded PD10 as described above has a structure widely used in CCD sensors. What is called a so-called HAD (Hole Accumulation Diode) structure is provided.
また、トランジスタは通常のCMOSプロセスで作成されるので、転送ゲート電極11Bにはスペーサとしての側壁11Cがシリコン酸化膜等によって形成されている。
PD10のn層10Bは、転送ゲート電極11Bの形成後、側壁11Cの形成前に、転送ゲート電極11Bを用いた自己整合によってイオン注入され、形成される。
また、PD10のp+層10Aは、その後、側壁11Cを形成してから、側壁11Cを用いたセルフアラインでイオン注入され、形成される。
このようにする理由は、p+層10Aとゲート電極11Bとの距離を微小距離だけ確実に離して、PD10の光電子を転送し易くすることである。
一方、FD15側は通常のトランジスタと同じようにLDD構造をとっている。LDD構造とは、転送ゲート部11Aの側壁11Cの真下には不純物濃度の薄いn層(LDD層)を形成し、転送ゲート部11Aから側壁11Cの分だけ離して不純物濃度の濃いn+層(NSD層)を形成する構造である。
Further, since the transistor is formed by a normal CMOS process, the
The
The p +
The reason for this is to make it easier to transfer the photoelectrons of the PD 10 by reliably separating the distance between the p +
On the other hand, the
また、本件発明者等は、上述のような構造の固体撮像素子において、転送ゲート電極11Bに−1V等の負電圧(ここでは転送バイアス電圧という)を加えることで、転送ゲート部11Aの下の界面からの暗電流(光が入射しなくてもPDに流れ込む電子を成分とする電流)を抑制することを提案している。
これは、転送ゲート電極11Bを負電圧にバイアスすることにより、転送ゲート部11Aの下の酸化膜21の界面にp型のチャネル11Dが形成され、埋め込みPD10と同様に界面準位からの暗電流を防止するからである。
In addition, in the solid-state imaging device having the above-described structure, the present inventors apply a negative voltage such as −1 V (here, referred to as a transfer bias voltage) to the
This is because, by biasing the
また、この種の固体撮像素子において、ダイナミックレンジを拡大する手法として、転送ゲートまたはリセットゲートの電圧を蓄積時間中に変化させる方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, in this type of solid-state imaging device, a method of changing the voltage of the transfer gate or the reset gate during the accumulation time is known as a method for expanding the dynamic range (see, for example, Patent Document 1).
ところで、上述のような図10及び図11に示す画素構成において、PD10の光電子を転送するに必要なゲート電圧が一定以上下げられず、CMOSセンサの低電圧化が難しいという問題がある。
すなわち、PD10は要求される数の電子を貯められるように、完全空乏化電圧を例えば1.5V以上要求される。そして、このPDの電子を全て読み出すには、転送ゲートをONしたときに、1.5V以上のポテンシャルを有するチャネルを、PDのn層にスムーズにつながるように酸化膜21の界面よりも深いところに作らなければならない。
By the way, in the pixel configuration shown in FIGS. 10 and 11 as described above, there is a problem that the gate voltage necessary for transferring the photoelectrons of the PD 10 cannot be lowered more than a certain level and it is difficult to lower the voltage of the CMOS sensor.
That is, the PD 10 is required to have a fully depleted voltage of, for example, 1.5 V or more so that the required number of electrons can be stored. In order to read all the electrons of the PD, when the transfer gate is turned on, a channel having a potential of 1.5 V or more is deeper than the interface of the
これらのことから、完全転送のためには、例えばゲート電圧は2.7V以下にできないという問題があった。これは、同じゲート電圧では深い電圧までPDの光電子を転送することが難しく、飽和電子数が少ない、つまりダイナミックレンジが取れないという問題と表裏一体である。特にCMOSセンサでは、2.5Vあるいは1.8Vといった低電圧化が要請されているが、飽和電子数をいかに多くするかというのが常に課題となっている。
なお、これらの課題(転送ゲートの低電圧化、同じ電圧で転送できる電子数を増加させること)は、PDが埋め込み型でない場合でも、あるいはPDでなくフォトゲートを採用した場合でも、電圧を入力してポテンシャルを制御する転送手段がある限り同様に存在するものである。
For these reasons, there has been a problem that the gate voltage cannot be made 2.7 V or less, for example, for complete transfer. This is inconsistent with the problem that it is difficult to transfer PD photoelectrons to a deep voltage with the same gate voltage, and the number of saturated electrons is small, that is, the dynamic range cannot be obtained. In particular, a CMOS sensor is required to have a low voltage of 2.5 V or 1.8 V, but how to increase the number of saturated electrons has always been a problem.
Note that these issues (lowering the transfer gate voltage and increasing the number of electrons that can be transferred with the same voltage) can be input even when the PD is not an embedded type or when a photogate is used instead of the PD. As long as there is a transfer means for controlling the potential, it exists in the same manner.
次に、特許文献1に開示される方法では、以下のような問題がある。
まず、転送ゲートの電圧を蓄積時間中に変化させる場合は、転送ゲートに高い電圧を入れると、光量が大きいときにPDとFDが導通してしまうので動作範囲に制約がある。
また、リセットゲートの電圧を蓄積時間中に変化させる場合は、FDのようなコンタクトをもつノードに光電子を貯めることになるので、埋め込みフォトダイオードに貯める場合と違って暗電流が大きくなる。
Next, the method disclosed in Patent Document 1 has the following problems.
First, when the voltage of the transfer gate is changed during the accumulation time, if a high voltage is applied to the transfer gate, the PD and FD are brought into conduction when the amount of light is large, so the operation range is limited.
Further, when the voltage of the reset gate is changed during the accumulation time, since the photoelectrons are stored in a node having a contact such as FD, the dark current is increased unlike the case of storing in the embedded photodiode.
そこで本発明の目的は、光電変換素子で生成した信号電荷を読み出す際の低電圧化を達成でき、また、ダイナミックレンジの拡大を図ることが可能な固体撮像素子及びその制御方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of achieving a low voltage when reading out signal charges generated by a photoelectric conversion device and capable of expanding a dynamic range, and a control method thereof. is there.
本発明は前記目的を達成するため、半導体基板に形成されたウェル領域に、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を所定の読み出しタイミングで読み出す読み出し部とを設け、前記読み出し部による信号電荷の読み出し時に、前記ウェル領域に所定の基板バイアス電圧を印加する電圧制御手段を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a photoelectric conversion element that generates a signal charge corresponding to the amount of received light in a well region formed in a semiconductor substrate, and a signal charge generated by the photoelectric conversion element at a predetermined read timing. And a voltage control means for applying a predetermined substrate bias voltage to the well region when the signal charge is read by the read unit.
また本発明は、半導体基板に形成されたウェル領域に、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を所定の読み出しタイミングで読み出す読み出し部とを設け、前記光電変換素子による信号電荷の蓄積期間中に、前記ウェル領域に印加した基板バイアス電圧を変化させる電圧制御手段を有することを特徴とする。 The present invention also provides a photoelectric conversion element that generates a signal charge corresponding to the amount of received light in a well region formed in a semiconductor substrate, and a reading unit that reads the signal charge generated by the photoelectric conversion element at a predetermined read timing. And a voltage control means for changing a substrate bias voltage applied to the well region during a signal charge accumulation period by the photoelectric conversion element.
また本発明は、半導体基板に形成されたウェル領域に、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を所定の読み出しタイミングで読み出す読み出し部とを設けた固体撮像素子の駆動方法であって、前記読み出し部による信号電荷の読み出し時に、前記ウェル領域に所定の基板バイアス電圧を印加することを特徴とする。 The present invention also provides a photoelectric conversion element that generates a signal charge corresponding to the amount of received light in a well region formed in a semiconductor substrate, and a reading unit that reads the signal charge generated by the photoelectric conversion element at a predetermined read timing. A solid-state imaging device driving method comprising: applying a predetermined substrate bias voltage to the well region when reading the signal charge by the reading unit.
また本発明は、半導体基板に形成されたウェル領域に、受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子と、前記光電変換素子によって生成された信号電荷を所定の読み出しタイミングで読み出す読み出し部とを設けた固体撮像素子の駆動方法であって、前記光電変換素子による信号電荷の蓄積期間中に、前記ウェル領域に印加した基板バイアス電圧を変化させることを特徴とする。 The present invention also provides a photoelectric conversion element that generates a signal charge corresponding to the amount of received light in a well region formed in a semiconductor substrate, and a reading unit that reads the signal charge generated by the photoelectric conversion element at a predetermined read timing. And a substrate bias voltage applied to the well region is changed during a signal charge accumulation period of the photoelectric conversion element.
本発明の固体撮像素子及びその駆動方法では、光電変換素子によって生成された信号電荷を読み出し部によって読み出す際に、ウェル領域に所定の基板バイアス電圧を印加することにより、ウェル領域のポテンシャル変動によって光電変換素子と読み出し部のポテンシャルも振れるが、読み出し用の駆動電極の存在によって読み出し部の振れ量は抑制され、光電変換素子の振れ量が大きくなる。
この結果、低い読み出し電圧であっても光電変換素子の信号電荷を読み出し部側に効率的に転送でき、読み出し電圧の低電圧化を達成できる。または、同じ電圧であれば、より多くの電荷の読み出しが可能となり、取り扱い電荷量の増大やダイナミックレンジの拡大を実現できる。
In the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the present invention, when the signal charge generated by the photoelectric conversion device is read by the reading unit, a predetermined substrate bias voltage is applied to the well region, so that the photoelectric conversion is caused by the potential fluctuation of the well region. Although the potentials of the conversion element and the read unit also fluctuate, the shake amount of the read unit is suppressed by the presence of the read drive electrode, and the shake amount of the photoelectric conversion element increases.
As a result, even if the read voltage is low, the signal charge of the photoelectric conversion element can be efficiently transferred to the read unit side, and the read voltage can be lowered. Alternatively, if the same voltage is used, more charges can be read, and the amount of handled charges and the dynamic range can be increased.
また本発明の固体撮像素子及びその駆動方法では、光電変換素子による信号電荷の蓄積期間中に、ウェル領域に印加した基板バイアス電圧を変化させることにより、光電変換素子の飽和電子数を時間経過に伴って小から大に切り換えることにより、暗い領域での感度を落とさずに、明るい領域での飽和を回避することで、ダイナミックレンジを拡大することができる。 In the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the present invention, the number of saturated electrons of the photoelectric conversion element is increased over time by changing the substrate bias voltage applied to the well region during the signal charge accumulation period of the photoelectric conversion element. Accordingly, by switching from small to large, the dynamic range can be expanded by avoiding saturation in a bright region without reducing sensitivity in a dark region.
以下、本発明による固体撮像素子及びその製造方法の実施の形態例について説明する。
本発明の実施の形態例では、PD(光電変換素子)の信号電荷を転送ゲート(信号読み出し部)によってFDに転送する際の低電圧化を図るために、画素の下層に設けられるPウェル領域に対し、電荷転送時に同期して基板バイアス電圧を印加するようにした。これによって読出し電圧を下げることが可能となる。
また、PDの電荷蓄積期間中にPウェル領域に印加している基板バイアス電圧を変化させることにより、ダイナミックレンジの拡大を図るようにした。
なお、これらの原理については、具体的な実施例を用いて後述する。
Embodiments of a solid-state imaging device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below.
In the embodiment of the present invention, a P-well region provided in a lower layer of a pixel in order to reduce the voltage when transferring signal charges of a PD (photoelectric conversion element) to an FD by a transfer gate (signal reading unit) On the other hand, the substrate bias voltage is applied in synchronization with the charge transfer. As a result, the read voltage can be lowered.
The dynamic range is expanded by changing the substrate bias voltage applied to the P-well region during the charge accumulation period of the PD.
Note that these principles will be described later using specific examples.
図1は、本発明の実施の形態例による固体撮像素子の全体構成例を示すブロック図であり、CMOS型イメージセンサの例を示している。
また、図2は、図1に示す固体撮像素子の1つの画素回路の構成例を示す回路図である。
図1に示すように、本例の固体撮像素子は、半導体素子基板100上に画素部(撮像領域部)110、定電流部120、列信号処理部(カラム部)130、垂直(V)選択駆動手段140、水平(H)選択手段150、水平信号線160、出力処理部170、タイミングジェネレータ(TG)180等を設けたものである。
画素部110は、多数の画素を2次元マトリクス状に配置したものであり、各画素に図2に示すような画素回路が設けられている。この画素部110からの各画素の信号は、各画素列毎に垂直信号線(図1では省略)を通して列信号処理部130に出力される。
定電流部120には各画素にバイアス電流を供給するための定電流源(図1では省略)が各画素列毎に配置されている。
V選択駆動手段140は、画素部110の各画素を1行ずつ選択し、各画素のシャッタ動作や読み出し動作を駆動制御するものである。
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the overall configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention, and shows an example of a CMOS type image sensor.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of one pixel circuit of the solid-state imaging device shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device of this example includes a pixel unit (imaging region unit) 110, a constant
The
In the constant
The V
列信号処理部130は、垂直信号線を通して得られる各画素の信号を1行分ずつ受け取り、列ごとに所定の信号処理を行い、その信号を一時保持する。例えばCDS(画素トランジスタの閾値のばらつきに起因する固定パターンノイズを除去する)処理、AGC(オートゲインコントロール)処理、A/D変換処理等を適宜行うものとする。
H選択手段150は、列信号処理部130の信号を1つずつ選択し、水平信号線160に導く。
出力処理部170は、水平信号線160からの信号に所定の処理を行い、外部に出力するものであり、例えばゲインコントロール回路や色処理回路を有している。なお、列信号処理部130でA/D変換を行う代わりに、出力処理部170で行うようにしてもよい。
タイミングジェネレータ180は、基準クロックに基づいて各部の動作に必要な各種のパルス信号等を供給する。
The column
The
The
The
次に、図2を用いて本例の画素回路について説明する。
図示の構成は、各画素にフォトダイオード(PD)110と転送、増幅、選択、リセットの4つの画素トランジスタ(Tr)111、112、113、114を設けたものである。
PD119は、光電変換によって生成された電子を蓄積するものであり、転送Tr111をONすることにより、PD119の電子をフローティングディフュージョン(FD)115に転送する。FD115には寄生容量があるので、ここに光電子が溜められる。
増幅Tr112は、ゲートがFD115とつながっており、FD115の電位変動を電気信号に変換する。選択Tr113は信号を読み出す画素を行単位で選択するものであり、この選択Tr113がONしたときには、増幅Tr112と画素の外で垂直信号線116につながっている定電流源117とがソースフォロアを組むので、FD115の電圧に連動する電圧が垂直信号線に出力される。
リセットTr114は、FD115の電位をVddにリセットする。Vdd配線は全画素共通となっている。
Next, the pixel circuit of this example will be described with reference to FIG.
In the illustrated configuration, a photodiode (PD) 110 and four pixel transistors (Tr) 111, 112, 113, and 114 for transfer, amplification, selection, and reset are provided in each pixel.
The
The amplifying Tr 112 has a gate connected to the
The
また、転送Tr111、選択Tr113、リセットTr114の配線111A、113A、114Aは、横方向(水平=行方向)に延在し、同一行に含まれる画素を同時に駆動するようになっている。
また、各画素のトランジスタはNMOSであり、これらはPウェル領域中に形成されている。そして、このPウェル領域へのコンタクト118を取る配線118Aが横方向(水平=行方向)に延在している。
なお、このPウェル領域へのコンタクト118を取る配線118Aは、設けた方がより有効であるが、高速動作が要求されない場合などには、これが無くとも、Pウェル領域自体の電気伝導度を利用して画素部の周囲でのみコンタクトを取って駆動することもできる(なお、この場合の画素回路は従来例で示した図10と同様になる)。
Further, the
Further, the transistors of each pixel are NMOS, and these are formed in the P well region. A
The
次に、このような本実施の形態例による固体撮像素子において、画素下のPウェル領域に対し、電荷転送時に同期した基板バイアスを印加することにより、PDからの読み出し電圧を下げることが可能となる原理について説明する。
図3は、上述のような固体撮像素子におけるPD〜転送ゲート〜FD〜リセットゲート〜電源配線(Vdd)にわたる領域のポテンシャルの構造を示す説明図であり、図3(a)は基板バイアスをかけない場合(従来の転送状態)のポテンシャル、図3(b)は基板バイアスをかけた場合(本実施の形態例)のポテンシャルを示している。なお、下方向が電位の正の方向である。
Next, in such a solid-state imaging device according to this embodiment, it is possible to lower the readout voltage from the PD by applying a substrate bias synchronized with the charge transfer to the P well region under the pixel. The principle will be described.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a potential structure in a region extending from PD to transfer gate to FD to reset gate to power supply wiring (Vdd) in the solid-state imaging device as described above, and FIG. FIG. 3B shows the potential when a substrate bias is applied (this embodiment). Note that the downward direction is the positive direction of the potential.
図3(a)に示す従来の転送状態では、転送ゲート(転送Tr)111をONしてPD119の光電子をFD115に転送しているが、転送ゲート111の電圧が足りず、PD119に転送残しが生じる。
これに対して図3(b)に示す本例では、転送ゲート111をONするとともに、Pウェル領域に負の基板バイアス(絶対値VB)をかけたものである。このとき、PD119は、Pウェル領域との容量結合が支配的であるので、PD119のポテンシャルは基板バイアスVBに近い値だけ負に振れる。
一方、転送ゲート111の下層のチャネルは、転送ゲート111と強く容量結合しているので、Pウェル領域との結合の割合は低く、基板バイアスVBよりも少ししか負に振れない。
In the conventional transfer state shown in FIG. 3A, the transfer gate (transfer Tr) 111 is turned on and the photoelectrons of the
On the other hand, in this example shown in FIG. 3B, the
On the other hand, since the channel below the
また、FD115は、転送ゲート111及びリセットゲート(リセットTr)114との容量結合や、増幅ゲート(増幅Tr)112を介した容量結合もあるので、Pウェル領域との結合の割合は低く、やはり基板バイアスVBよりも少ししか振れない。
リセットゲート114の下層のチャネルは、転送ゲート111の下層のチャネルと同様である。電源電圧Vddのように固定電圧がかかっているノードは、ポテンシャルは動かない。
Further, since the
The channel below the
よって、図3(b)のようなポテンシャル関係になり、PD119の光電子がFD115に転送できるようになる。この効果により、転送ゲート111の電圧が低くてもPD119の光電子を確実に転送できるようになる。または、同じ転送ゲート電圧でも、より深いポテンシャルまでPD119の光電子を読み出せるので、取り扱い電荷量が増え、ダイナミックレンジが拡大する。
また、後述する第3実施例のように、Pウェル領域のバイアス電圧を蓄積期間に変化させることにより、光量の大きい部分の感度を落とす手法でダイナミックレンジを拡大することも可能となる。
Therefore, the potential relationship as shown in FIG. 3B is obtained, and the photoelectrons of the
Further, as in a third embodiment to be described later, by changing the bias voltage of the P-well region during the accumulation period, it is possible to expand the dynamic range by a method of reducing the sensitivity of the portion with a large amount of light.
以下、本実施の形態例をさらに具体化したいくつかの実施例について詳細に説明する。
(第1実施例)
まず、第1実施例として、上述した画素部下のPウェル領域に基板バイアスを印加する具体例について説明する。
図4は、この第1実施例の画素部下のPウェル領域の構成を示す平面図であり、斜線部分がPウェル領域200を示し、このPウェル領域200の内部に介在する空白部分がPウェルの分離領域210を示している。また、Pウェル領域200の正方形で区切った領域が1つの画素110Aを示している。
すなわち、本例では、画素部110の各画素行毎にPウェル領域200を電気的に分離して設けた例である。
Hereinafter, some examples that further embody the present embodiment will be described in detail.
(First embodiment)
First, as a first embodiment, a specific example in which a substrate bias is applied to the P well region under the pixel portion described above will be described.
FIG. 4 is a plan view showing the structure of the P well region under the pixel portion of the first embodiment. The hatched portion shows the
That is, in this example, the
図5は、この第1実施例における画素回路の各駆動パルスを示すタイミングチャートである。
まず、このタイミングチャートにおける動作の前提として、V選択駆動手段140が画素信号を出力する行を選択し、その行に図5に示すような各パルスを供給するものとする。
また、2つのタイミングパルスSHP、SHDは、各画素回路ではなく列信号処理部130に入るパルスであり、画素の出力をサンプルホールドするためのパルスである。
なお、非選択行では、転送Tr111、リセットTr114、選択Tr113がOFFし、Pウェル領域200が、0Vで保持されているものとする。
FIG. 5 is a timing chart showing each drive pulse of the pixel circuit in the first embodiment.
First, as a premise of the operation in this timing chart, it is assumed that the V
The two timing pulses SHP and SHD are pulses that enter the column
In the non-selected row, it is assumed that the
以下、選択行の動作を図5に沿って説明する。
(1)まず、選択ゲート113をONする。これにより、その行の信号が垂直信号線116に出力されるようになる。
(2)次に、リセットゲート114にリセットパルスを入れてFD115をリセットする。
(3)次に、サンプルホールドパルスSHPで、そのときの垂直信号線116の電圧(リセットレベル)を列信号処理部130に取り込む。
(4)次に、Pウェル領域200に負の基板バイアスをかけ、転送ゲート111をONした後、Pウェル領域200の電位を0Vに戻し、転送ゲート111をOFFする。これによってFD115に光電子が移される。
(5)次に、サンプルホールドパルスSHDで、そのときの垂直信号線116の電圧(信号レベル)を列信号処理部130に取り込む。
(6)次に、選択ゲート113をOFFし、その行を垂直信号線116から切り離す。
Hereinafter, the operation of the selected row will be described with reference to FIG.
(1) First, the selection gate 113 is turned on. As a result, the signal of the row is output to the
(2) Next, a reset pulse is input to the
(3) Next, with the sample hold pulse SHP, the voltage (reset level) of the
(4) Next, after applying a negative substrate bias to the
(5) Next, with the sample hold pulse SHD, the voltage (signal level) of the
(6) Next, the selection gate 113 is turned OFF, and the row is separated from the
この後、列信号処理部130では、上述したCDS回路によってリセットレベルと信号レベルとの差をとり、その他の適切な処理を行い、水平信号線160を通して順に出力する。
以上のように本実施例では、上記(4)において、電荷転送時に基板バイアスをかけることにより、低電圧でも確実に転送することができる。
V選択駆動手段140は、列信号処理回路130が水平信号線160に信号を出力し終わってから、次の行を選択し、同様に駆動する。これを繰り返すことで、全画面の信号を出力する。
なお、本実施例において、列信号処理回路130はSHP、SHDのパルスで信号を取り込むものとしたが、同じタイミングで信号を取り込めば、これらのパルスを使わない方式の回路であっても良い。これは以下の各実施例でも同様である。
Thereafter, the column
As described above, in this embodiment, in (4) above, by applying the substrate bias at the time of charge transfer, transfer can be reliably performed even at a low voltage.
The V selection driving means 140 selects the next row after the column
In this embodiment, the column
(第2実施例)
次に、第2実施例として、上述した画素部下のPウェル領域に行単位でなく画素部全体として基板バイアスを印加する例について説明する。
図6は、この第2実施例の画素部下のPウェル領域の構成を示す平面図であり、斜線部分がPウェル領域220を示している。すなわち、本例では、画素部110の全体に電気的に導通したPウェル領域220を設けた例である。
(Second embodiment)
Next, as a second embodiment, an example will be described in which the substrate bias is applied to the P well region below the pixel unit as described above, not in units of rows but as the entire pixel unit.
FIG. 6 is a plan view showing the configuration of the P well region under the pixel portion of the second embodiment, and the hatched portion shows the P well region 220. In FIG. That is, this example is an example in which a P well region 220 that is electrically conductive is provided throughout the
図7は、この第2実施例における画素回路の各駆動パルスを示すタイミングチャートである。
まず、全行の画素を同時に動作させ、FD115のリセットに次いで電荷の転送を行う。これは、まずリセットパルスを入れてFD115をリセットする。その後、転送パルスを入れて、PD119の光電子をFD115に転送する。
この転送パルスのタイミングでは、上記第1実施例と同様に、Pウェル領域220の電位を負に振って転送を助ける。これにより、全画素のFD115にはリセット時の電圧から光電子分シフトした電圧が保持される。
FIG. 7 is a timing chart showing each drive pulse of the pixel circuit in the second embodiment.
First, pixels in all rows are operated simultaneously, and charge transfer is performed following reset of the
At the timing of this transfer pulse, as in the first embodiment, the potential of the P well region 220 is changed negatively to assist the transfer. As a result, the
次に、各画素の信号を1行ずつ読み出す。ここでは読出し行のみ動作する。
読出し行では、まず選択ゲート113をONし、その状態での垂直信号線116の電圧(信号レベル)をSHDで列信号処理回路130に取り込む。
次にリセットパルスを入れ、垂直信号線116の電圧(リセットレベル)をSHPで列信号処理回路130に取り込む。それから選択ゲート113をOFFする。
列信号処理回路130では、リセットレベルと信号レベルとの差をとり、適切な処理を行い、選択ゲート113をOFFした後に、水平信号線140を通して順に出力する。
その後、読出し行が次の行に移り、同様の動作を繰り返し実行する。
Next, the signal of each pixel is read out line by line. Here, only the read line operates.
In the readout row, first, the selection gate 113 is turned on, and the voltage (signal level) of the
Next, a reset pulse is input, and the voltage (reset level) of the
The column
Thereafter, the read line moves to the next line, and the same operation is repeated.
そして、このように1行ずつ全行の信号を読出した後、1フレーム期間の終わりまでダミー信号の期間が続く。この間に感光時間を決めるためのPDのリセット動作を入れる。この動作は、全行の画素が同時に動作する。
なお、この動作は先ほどの全行FD同時リセット・転送と同じ動作で良く、やはりその転送時にPウェル領域220に負の電位を入れて転送を助ける。この時点から、PDに新たな光電子が蓄積され始め、最初から同様の動作を行う。
Then, after reading the signals of all the rows one by one in this way, the dummy signal period continues until the end of one frame period. During this time, a PD reset operation is performed to determine the exposure time. In this operation, all rows of pixels operate simultaneously.
Note that this operation may be the same as the previous all-row FD simultaneous reset / transfer, and a negative potential is applied to the P-well region 220 during the transfer to assist the transfer. From this point, new photoelectrons start to be accumulated in the PD, and the same operation is performed from the beginning.
なお、以上の第1、第2実施例では、光電変換素子としてフォトダイオードを用いているが、フォトダイオードが埋め込み型であるかどうかは、これらの例では関係なく、あるいはフォトゲートを用いても、基板バイアスで転送が容易になるという同じ効果が得られるものである。 In the first and second embodiments described above, a photodiode is used as the photoelectric conversion element. However, whether or not the photodiode is a buried type is irrelevant in these examples, or even if a photogate is used. The same effect that transfer is facilitated by the substrate bias can be obtained.
(第3実施例)
次に、第3実施例として、上述した画素部下のPウェル領域のバイアス電圧を電荷蓄積期間の途中で動かすことによって、ダイナミックレンジを広くする例について説明する。
図8は、Pウェル領域のバイアス電圧を電荷蓄積期間の途中で変化させる場合の動作例を示すタイミングチャートであり、縦軸はPウェル電圧、横軸は時間経過を示している。また、図9は、図8に示す動作に伴うPDの受光光量と蓄積電子数の関係を示す説明図である。
(Third embodiment)
Next, as a third embodiment, an example in which the dynamic range is widened by moving the bias voltage of the P-well region under the above-described pixel portion in the middle of the charge accumulation period will be described.
FIG. 8 is a timing chart showing an operation example when the bias voltage of the P-well region is changed in the middle of the charge accumulation period. The vertical axis shows the P-well voltage and the horizontal axis shows the passage of time. FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of light received by the PD and the number of accumulated electrons associated with the operation shown in FIG.
図8に示すように、PDに光電子の蓄積を開始したときに、例えば−1Vにしておく。そして、蓄積時間の途中で、これを0Vにすると、図9に示すように、光量の少ないところではPDの蓄積電子数は光量に敏感で、光量の大きいところでは鈍感になる。
その理由は以下の通りである。すなわち、Pウェル領域が−1Vの時には、PDの飽和が少なくなっており、ある電子数でPDが飽和して、それ以上はFDに流出してしまう。
As shown in FIG. 8, when the accumulation of photoelectrons in the PD is started, for example, -1V is set. If this is set to 0 V in the middle of the accumulation time, as shown in FIG. 9, the number of electrons stored in the PD is sensitive to the amount of light when the amount of light is small, and becomes insensitive when the amount of light is large.
The reason is as follows. That is, when the P-well region is −1 V, the saturation of the PD is reduced, the PD is saturated with a certain number of electrons, and more than that flows out to the FD.
ここでPウェル領域を0Vにすると、PDの飽和が増えるので、さらに光電子を蓄積することができる。
光量が少ないときには、PDを飽和させること無く全蓄積期間の光電子が収集されるが、光量が大きい時には、Pウェル領域が−1Vの期間に飽和以上の電子が捨てられるので、その分感度が低下することになる。
これにより、図9に示すように、あるところで折れ曲がり点aを持った感度曲線が得られ、暗いところの感度を犠牲にせずに、より大きな光量まで検出することができる。すなわち、ダイナミックレンジが広くなる。
Here, when the P-well region is set to 0 V, PD saturation increases, so that photoelectrons can be further accumulated.
When the amount of light is small, photoelectrons of the entire accumulation period are collected without saturating the PD. However, when the amount of light is large, electrons exceeding saturation are discarded during the period of -1V in the P-well region, and the sensitivity is reduced accordingly. Will do.
As a result, as shown in FIG. 9, a sensitivity curve having a bend point a is obtained at a certain point, and a greater amount of light can be detected without sacrificing sensitivity in a dark place. That is, the dynamic range is widened.
なお、図8に示す例では、Pウェル電圧を−1Vと0Vの2値で駆動したが、−1V→0. 5V→0Vのように細かく刻みながら変化させると、感度曲線の折れ曲がり点を増やすことができ、電圧の変化時間を適当に設定することと合わせて、いろんな感度曲線を実現することができる。
また、Pウェル電圧を連続的に変化させると、図9のような折れ曲がりでなく、曲線状の感度曲線を得ることができる。
このような方法を用いることにより、上述した特許文献1に開示される転送ゲートの電圧を変化させる場合の動作範囲に制約が有るという問題も、リセットゲートの電圧を変化させる場合の暗電流が大きいという問題も解決することができる。
In the example shown in FIG. 8, the P-well voltage is driven with binary values of -1 V and 0 V. However, if the P-well voltage is changed in increments of -1 V → 0.5 V → 0 V, the bending point of the sensitivity curve is increased. Various sensitivity curves can be realized in combination with appropriate setting of the voltage change time.
Further, when the P-well voltage is continuously changed, a curved sensitivity curve can be obtained instead of bending as shown in FIG.
By using such a method, there is a problem that there is a limitation in the operation range when changing the voltage of the transfer gate disclosed in Patent Document 1 described above, and the dark current when changing the voltage of the reset gate is large. This problem can also be solved.
なお、第3実施例の方法は、上述した第1、第2実施例とは独立のものである。つまり、転送時に基板バイアスをかけることとは独立のものである。もちろん、第1、第2実施例の構成と共に実施することもできる。
また、ここでは光電変換素子としてフォトダイオードを用いているが、フォトゲートを用いても基板バイアスで飽和を減らし、同様の効果を得られる。
また、第3実施例ではPDと転送ゲートとFDとを有する画素回路の例としているが、例えば転送ゲートとFDが無く、フォトダイオードから直接増幅ゲートに接続している画素回路においても、転送ゲートではなくリセットゲートがPDの飽和を決め、基板バイアスでPDの飽和が減るので、効果は全く同様である。
The method of the third embodiment is independent of the first and second embodiments described above. That is, it is independent of applying a substrate bias at the time of transfer. Of course, the present invention can be implemented together with the configurations of the first and second embodiments.
Although a photodiode is used here as a photoelectric conversion element, even if a photogate is used, saturation can be reduced by the substrate bias, and the same effect can be obtained.
In the third embodiment, an example of a pixel circuit having a PD, a transfer gate, and an FD is described. However, for example, in a pixel circuit that does not have a transfer gate and an FD and is directly connected from the photodiode to the amplification gate, Instead, the reset gate determines the PD saturation and the substrate bias reduces the PD saturation, so the effect is exactly the same.
なお、以上の実施の形態例では、電子をキャリアとし、NMOSの画素トランジスタを基本にしたものであったが、ホールをキャリアとし、PMOSを基本にしたものができることも自明である。また、これに応じて電圧の極性等は適宜に変わることになる。
また、画素トランジスタの構成としては、上述した例に限定されず、種々採用が可能である。
In the above embodiments, electrons are used as carriers and NMOS pixel transistors are used as a basis. However, it is also obvious that holes can be used as carriers and PMOSs as a basis. In accordance with this, the polarity of the voltage changes appropriately.
Further, the configuration of the pixel transistor is not limited to the example described above, and various configurations can be employed.
さらに、本発明は、CMOS型固体撮像素子に限らず、CCD型固体撮像素子にも適用することが可能である。
すなわち、CCD型固体撮像素子は、例えば2次元配列の各画素列毎に複数のCCD垂直転送レジスタを設けるとともに、各CCD垂直転送レジスタの端部にCCD水平転送レジスタを設け、各画素で蓄積した信号電荷を各転送レジスタによって順次転送していき、CCD水平転送レジスタの最終端に設けたフローティングデフュージョンで信号電荷を電気信号に変換して出力するものであり、このようなCCD型固体撮像素子のウェル領域に上述した基板バイアスを印加することにより、各画素のフォトダイオードから読み出しゲートを介してCCD垂直転送レジスタの各電荷蓄積部に読み出す際のゲート電圧を低電圧化することが可能となる。
Furthermore, the present invention can be applied not only to a CMOS solid-state image sensor but also to a CCD solid-state image sensor.
That is, the CCD type solid-state imaging device has, for example, a plurality of CCD vertical transfer registers for each pixel column in a two-dimensional array, and a CCD horizontal transfer register at the end of each CCD vertical transfer register, and stores in each pixel. The signal charge is sequentially transferred by each transfer register, and the signal charge is converted into an electric signal by a floating diffusion provided at the final end of the CCD horizontal transfer register and output. Such a CCD type solid-state imaging device By applying the above-described substrate bias to the well region of each pixel, it becomes possible to reduce the gate voltage when reading from the photodiode of each pixel to each charge storage portion of the CCD vertical transfer register via the read gate. .
以上説明したように本発明の固体撮像素子及びその駆動方法によれば、光電変換素子によって生成された信号電荷を読み出し部によって読み出す際に、ウェル領域に所定の基板バイアス電圧を印加することにより、ウェル領域のポテンシャル変動によって光電変換素子と読み出し部のポテンシャルも振れるが、読み出し用の駆動電極の存在によって読み出し部の振れ量は抑制され、光電変換素子の振れ量が大きくなることにより、低い読み出し電圧であっても光電変換素子の信号電荷を読み出し部側に効率的に転送でき、読み出し電圧の低電圧化を達成できる。または、同じ電圧であれば、より多くの電荷の読み出しが可能となり、取り扱い電荷量の増大やダイナミックレンジの拡大を実現できる。 As described above, according to the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the present invention, when the signal charge generated by the photoelectric conversion device is read by the reading unit, by applying a predetermined substrate bias voltage to the well region, Although the potential of the photoelectric conversion element and the readout unit also fluctuate due to potential fluctuations in the well region, the readout amount of the readout unit is suppressed by the presence of the readout drive electrode, and the readout amount of the photoelectric conversion element increases, so that a low readout voltage is obtained. Even in this case, the signal charge of the photoelectric conversion element can be efficiently transferred to the reading unit side, and the reading voltage can be lowered. Alternatively, if the same voltage is used, more charges can be read, and the amount of handled charges can be increased and the dynamic range can be increased.
また本発明の固体撮像素子及びその駆動方法では、光電変換素子による信号電荷の蓄積期間中に、ウェル領域に印加した基板バイアス電圧を変化させることにより、光電変換素子の飽和電子数を時間経過に伴って小から大に切り換えることにより、暗い領域での感度を落とさずに、明るい領域での飽和を回避することで、ダイナミックレンジを拡大することができる。 In the solid-state imaging device and the driving method thereof according to the present invention, the number of saturated electrons of the photoelectric conversion element is increased over time by changing the substrate bias voltage applied to the well region during the signal charge accumulation period of the photoelectric conversion element. Accordingly, by switching from small to large, the dynamic range can be expanded by avoiding saturation in a bright region without reducing sensitivity in a dark region.
100……半導体素子基板、110……画素部、111……転送Tr、112……増幅Tr、113……選択Tr、114……リセットTr、119……フォトダイオード(PD)、120……定電流部、130……列信号処理部、140……V選択駆動手段、150……H選択手段、160……水平信号線、170……出力処理部、180……タイミングジェネレータ。
DESCRIPTION OF
Claims (21)
前記読み出し部による信号電荷の読み出し時に、前記ウェル領域に所定の基板バイアス電圧を印加する電圧制御手段を有する、
ことを特徴とする固体撮像素子。 In the well region formed in the semiconductor substrate, a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the amount of received light, and a reading unit that reads the signal charge generated by the photoelectric conversion element at a predetermined read timing,
Voltage reading means for applying a predetermined substrate bias voltage to the well region when the signal charge is read by the reading unit;
A solid-state imaging device.
前記光電変換素子による信号電荷の蓄積期間中に、前記ウェル領域に印加した基板バイアス電圧を変化させる電圧制御手段を有する、
ことを特徴とする固体撮像素子。 In the well region formed in the semiconductor substrate, a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the amount of received light, and a reading unit that reads the signal charge generated by the photoelectric conversion element at a predetermined read timing,
Voltage accumulation means for changing a substrate bias voltage applied to the well region during a period of signal charge accumulation by the photoelectric conversion element;
A solid-state imaging device.
前記読み出し部による信号電荷の読み出し時に、前記ウェル領域に所定の基板バイアス電圧を印加する、
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 Solid-state imaging in which a well region formed on a semiconductor substrate is provided with a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the amount of received light, and a reading unit that reads out the signal charge generated by the photoelectric conversion element at a predetermined read timing A device driving method,
A predetermined substrate bias voltage is applied to the well region when the signal charge is read by the reading unit;
A method for driving a solid-state imaging device.
前記光電変換素子による信号電荷の蓄積期間中に、前記ウェル領域に印加した基板バイアス電圧を変化させる、
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 Solid-state imaging in which a well region formed on a semiconductor substrate is provided with a photoelectric conversion element that generates a signal charge according to the amount of received light, and a reading unit that reads out the signal charge generated by the photoelectric conversion element at a predetermined read timing A device driving method,
A substrate bias voltage applied to the well region is changed during a signal charge accumulation period of the photoelectric conversion element;
A method for driving a solid-state imaging device.
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