JP2008124395A - Solid state imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置、特にMOS型固体撮像装置の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a solid-state imaging device, particularly a MOS type solid-state imaging device.
近年、半導体装置の微細化が進むに伴い、MOS型固体撮像装置においても、微細化が進んでいる。MOS型固体撮像装置において、画素セルのピッチを微細化することにより、同じ光学サイズ、すなわち、画素アレイが存在する受光領域の面積が一定であっても、一定面積の受光領域に、より多くのセルを配置することができ、高解像度の固体撮像装置を構成することができる。 In recent years, with the progress of miniaturization of semiconductor devices, the miniaturization of MOS-type solid-state imaging devices has also progressed. In the MOS type solid-state imaging device, by reducing the pitch of the pixel cells, even if the area of the light receiving region where the pixel array exists is constant, the light receiving region having a constant area has a larger optical size. Cells can be arranged, and a high-resolution solid-state imaging device can be configured.
固体撮像装置において、画素セルのピッチを微細化する場合、フォトダイオード領域の面積を確保して、感度や飽和電子数の特性を維持することが優先される。このため、全ての素子を単純に比例縮小するのではなく、フォトダイオードの面積をできるだけ減らさずに、画素セルや周辺回路のトランジスタを微細化する。 In a solid-state imaging device, when the pixel cell pitch is reduced, priority is given to securing the area of the photodiode region and maintaining the characteristics of sensitivity and the number of saturated electrons. For this reason, the pixels of the pixel cell and the peripheral circuit are miniaturized without reducing the area of the photodiode as much as possible without simply reducing all the elements in proportion.
図4は、従来の固体撮像装置の一部の構成を示す回路図である。画素セル101からの信号は、垂直信号線109を経て周辺回路部へ出力される。フォトダイオード102で発生した信号電荷は、転送トランジスタ103を介して浮遊拡散層105に転送される。転送された信号電荷による浮遊拡散層105における電位は、負荷トランジスタ108とソースフォロワ回路を構成する増幅トランジスタ106のゲート入力となる。浮遊拡散層105の電位は、リセットトランジスタ104により、電源107の電位にリセットされる。
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a partial configuration of a conventional solid-state imaging device. A signal from the
次に、転送トランジスタ103のオン時とオフ時の間のポテンシャル振幅について説明する。図5は、フォトダイオード102、転送トランジスタ103および浮遊拡散層105の半導体基板表面付近の電子に対するポテンシャルを示す図である。なお、転送トランジスタ103の、フォトダイオード102および浮遊拡散層105との境界領域のポテンシャルは、表示しない。
Next, the potential amplitude between when the
図5(a)において、信号電荷帯116は、外部入射光に応じて、フォトダイオード102で発生した信号電荷により形成される。実線で示されたポテンシャル111は、転送トランジスタ103のオフ時のポテンシャルである。また、破線で示されたポテンシャル112は、転送トランジスタ103のオン時のポテンシャルであり、比較のために合わせて表示する。ポテンシャル112は、信号電荷帯116に対するポテンシャル障壁を有する。オフ時のポテンシャル111とオン時のポテンシャル112の差が、ポテンシャル振幅114である。電位117は、浮遊拡散層105のリセット時の電位であり、信号電荷帯116の電位より高く(図では、下の方が電位が高い)なるように、セットされている。
In FIG. 5A, a
図5(b)は、図5(a)の場合に比べて、転送トランジスタ103のポテンシャル振幅が大きい場合のポテンシャルを示す図である。オン時のポテンシャル113は、ポテンシャル障壁が形成されていない。
FIG. 5B is a diagram showing the potential when the potential amplitude of the
図6(a)は、図5(a)に示したポテンシャル振幅を有する転送トランジスタ103において、電荷の転送状態を示すポテンシャル図である。図6(a)において、オン時のポテンシャル112を実線で示し、オフ時のポテンシャルを111を破線で示す。図5(a)で示す信号電荷帯118を構成する一部の信号電荷がオン時のポテンシャル112を越えて、浮遊拡散層105へ移り、信号電荷帯119を形成する。また、フォトダイオード102に残留した信号電荷は、信号電荷帯118を形成する。残留した信号電荷は、残像として画像に影響する。
FIG. 6A is a potential diagram showing a charge transfer state in the
図6(b)は、図5(b)に示したポテンシャル振幅を有する転送トランジスタ103において、電荷の転送状態を示すポテンシャル図である。図6(b)において、オン時のポテンシャル113を実線で示し、オフ時のポテンシャルを111を破線で示す。また、比較のために、図6(a)に示す転送トランジスタのオン時のポテンシャル112を破線で示す。オン時のポテンシャル113は、図5(b)に示す信号電荷帯116に対して障壁とならないため、全ての信号電荷は、浮遊拡散層105へ移り、信号電荷帯120を形成する。従って、信号電荷帯119の最低電位は、信号電荷帯120の最低電位より高くなる。
FIG. 6B is a potential diagram showing a charge transfer state in the
次に、転送トランジスタ103におけるポテンシャル振幅の大きさによる、フォトダイオード102における電荷の蓄積量の影響について説明する。図7は、オン時とオフ時の間の、フォトダイオード102、転送トランジスタ103および浮遊拡散層105の半導体基板表面付近の電子に対するポテンシャル振幅の大きさを示す図である。
Next, the influence of the charge accumulation amount in the
図7(a)において、実線で示すポテンシャル121は、転送トランジスタ103のオフ時のポテンシャルである。また、破線で示すポテンシャル122は、転送トランジスタ103のオン時のポテンシャルであり、比較のために合わせて表示する。オフ時のポテンシャル121とオン時のポテンシャル122の差が、ポテンシャル振幅124である。
In FIG. 7A, a
フォトダイオード102に外部入射光により信号電荷が発生し、信号電荷により信号電荷帯126が形成される。外部入射光量が多いと、信号電荷帯126を構成する信号電荷の一部がオフ時のポテンシャル121の障壁を越え、信号電荷が浮遊拡散層105へ移動する。
A signal charge is generated in the
図7(b)は、図7(a)の場合に比べて、転送トランジスタ103のポテンシャル振幅が大きい場合のポテンシャルを示す図である。オフ時のポテンシャル123は、オフ時のポテンシャル121より、ポテンシャル障壁が高く形成されている。そのため、外部入射光量が多くても、信号電荷をフォトダイオード102に蓄積することができる。
FIG. 7B is a diagram showing the potential when the potential amplitude of the
図8(a)は、図7(a)に示したポテンシャル振幅を有する転送トランジスタ103において、電荷の転送状態を示すポテンシャル図である。フォトダイオード102に蓄積された信号電荷は、浮遊拡散層105へ移動し、信号電荷帯128を形成する。同様に、図8(b)は、図7(b)に示したポテンシャル振幅を有する転送トランジスタ103において、電荷の転送状態を示すポテンシャル図であり、フォトダイオード102に蓄積された信号電荷は、浮遊拡散層105へ移動し、信号電荷帯129を形成する。
FIG. 8A is a potential diagram showing a charge transfer state in the
信号電荷帯128は、フォトダイオード102で発生した信号電荷のうちリークしなかった信号電荷により形成される。一方、信号電荷帯129は、フォトダイオード102で生成された全ての信号電荷により形成される。
The
したがって、転送トランジスタ103のポテンシャル振幅を大きくとることにより、信号電荷のリークを抑え、図1に示す画素セル1のダイナミックレンジを広くすることができる。
Therefore, by increasing the potential amplitude of the
次に、リセットトランジスタ104のポテンシャル振幅の大きさによるリセットマージンの大きさ、および浮遊拡散層105における信号電荷の蓄積について説明する。図9は、浮遊拡散層105からリセットトランジスタ104を経て、電源107に至るポテンシャルを示す図である。図9(a)は、オン時のポテンシャル131が電源107の電位(2.9V)よりわずかに高い場合を示している。リセットマージン132が小さいと、リセットトランジスタ104のリセットトランジスタ104におけるポテンシャル振幅のばらつきにより、リセットマージン132が正の値とならない場合があり、この場合には、浮遊拡散層105を電源107の電位にリセットすることができない。
Next, the magnitude of the reset margin due to the magnitude of the potential amplitude of the
図9(b)は、オン時のポテンシャル134が電源107の電位(2.9V)より十分に高い場合を示す。このリセットトランジスタでは、リセットマージン135を十分にとることができるので、浮遊拡散105を電源107の電位にリセットすることができる。
FIG. 9B shows a case where the potential 134 at the time of ON is sufficiently higher than the potential (2.9 V) of the
また、図10は、浮遊拡散層105からリセットトランジスタ104を経て、電源107に至るポテンシャルを示す図である。図10(a)は、オフ時のポテンシャル136が低い場合を示す。信号電荷帯133を形成する一部の信号電荷は、オフ時のポテンシャル136を越えて、電源107へ至る。このため、浮遊拡散層105において、信号電荷を十分に蓄積することができない。図10(b)は、オフ時のポテンシャル137が高い場合を示す。オフ時のポテンシャル137は、信号電荷帯133よりも高いポテンシャル障壁を有するので、浮遊拡散層105に信号電荷を蓄積することができる。従って、ポテンシャル振幅を大きくすることにより、リセットマージンを大きくし、かつオフ時のリークを防ぐことができる。
FIG. 10 is a diagram showing the potential from the floating
しかしながら、素子の微細化は、ポテンシャル振幅を大きくするという要求とは逆行するものである。従来から固体撮像装置で取られている手段は、素子の微細化を行っても、電圧・ゲート酸化膜厚のスケーリングは行わず、ゲート電圧を保持する方法が取られている。 However, the miniaturization of the element goes against the requirement to increase the potential amplitude. As a means conventionally used in a solid-state imaging device, a method of maintaining a gate voltage without scaling a voltage and a gate oxide film thickness even when an element is miniaturized is employed.
ゲート電圧に対するポテンシャル振幅は、
(Cox/(Cox+Cdepl))×ΔVG ・・・(式11)
で表される。なお、Coxは、ゲート酸化膜容量であり、Cdep1は、空乏層容量であり、ΔVGは、ゲート電圧の変化量である。ポテンシャル振幅の値を大きくするには、ゲート電圧固定で、ゲート酸化膜を薄く(1/k倍)する第1の方法、ゲート酸化膜厚固定で、ゲート電圧を高く(k倍)する第2の方法がある。第1の方法および第2の方法におけるポテンシャル振幅は、それぞれ、
(k×Cox/(k×Cox+Cdepl))×ΔVG ・・・(式12)
(Cox/(Cox+Cdepl))×ΔVG×k ・・・(式13)
で表される。k>1の範囲においては、必ず第2の方法のポテンシャル振幅の方が大きい。つまり、酸化膜を薄くするよりも、ゲート電圧を高めたほうがポテンシャル振幅を高めるためには効率が良い。
The potential amplitude for the gate voltage is
(Cox / (Cox + Cdepl)) × ΔVG (Expression 11)
It is represented by Cox is a gate oxide film capacitance, Cdep1 is a depletion layer capacitance, and ΔVG is a change amount of the gate voltage. In order to increase the value of the potential amplitude, the first method in which the gate oxide film is thinned (1 / k times) with the gate voltage fixed, and the second method in which the gate voltage is increased (k times) with the gate oxide film thickness fixed. There is a way. The potential amplitudes in the first method and the second method are respectively
(K × Cox / (k × Cox + Cdepl)) × ΔVG (Expression 12)
(Cox / (Cox + Cdepl)) × ΔVG × k (Equation 13)
It is represented by In the range of k> 1, the potential amplitude of the second method is always larger. That is, it is more efficient to increase the potential amplitude by increasing the gate voltage than by reducing the thickness of the oxide film.
また、画素セルのピッチを微細化するために、ゲート電極の面積を小さくすると、1/fノイズが増加する。この問題を解決するために、ゲート酸化膜を薄くする構成をとる方法も知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、高いゲート印加電圧を用いるためには、酸化膜に掛かる電界が信頼性の保証されている強さになるように電圧を合わせ、ゲート酸化膜厚を厚く設定する必要がある。熱酸化膜において、信頼性も含めた電界は約5MV/cmが上限である。一方、ゲート酸化膜を厚くすると、1/fノイズが増加することが問題である。 However, in order to use a high gate applied voltage, it is necessary to match the voltage and set the gate oxide film thickness so that the electric field applied to the oxide film has a strength with which the reliability is guaranteed. In the thermal oxide film, the upper limit of the electric field including reliability is about 5 MV / cm. On the other hand, when the gate oxide film is thickened, the problem is that 1 / f noise increases.
一般に1/fノイズは、
Vn2=K/(Cox・W・L・f) ・・・(式14)
Vn :ノイズ電圧密度[V/Hz1/2]
K :定数
Cox:ゲート酸化膜容量[F/μm2]
W :ゲート幅[μm]
L :ゲート長[μm]
f :周波数[Hz]
で表わされる。微細化に伴って最小ゲート長・最小ゲート幅に近いサイズが用いられる画素セル内の増幅トランジスタは、1/fノイズの影響を最も受けやすいトランジスタのひとつである。ポテンシャル振幅を大きくするために、ゲート酸化膜を厚くする(Coxを小さくする)と、式14から、よりいっそう1/fノイズが増加する。このように、高いゲート印加電圧を用いるためにゲート酸化膜を、画素セルのすべてのトランジスタについて厚くするということは、固体撮像装置のS/N比を悪化させる要因になる。また、CCDにおいてもこれは課題となっている。
In general, 1 / f noise is
Vn 2 = K / (Cox · W · L · f) (Expression 14)
Vn: Noise voltage density [V / Hz 1/2 ]
K: Constant
Cox: Gate oxide film capacitance [F / μm 2 ]
W: Gate width [μm]
L: Gate length [μm]
f: Frequency [Hz]
It is represented by An amplification transistor in a pixel cell in which a size close to the minimum gate length / minimum gate width is used with miniaturization is one of the transistors that are most susceptible to 1 / f noise. If the gate oxide film is made thicker (Cox is made smaller) in order to increase the potential amplitude, 1 / f noise further increases from Equation 14. As described above, increasing the thickness of the gate oxide film for all the transistors in the pixel cell in order to use a high gate application voltage causes a deterioration in the S / N ratio of the solid-state imaging device. This is also a problem for CCDs.
本発明は、上記課題を解決するために、なされたものであり、転送トランジスタ、およびリセットトランジスタの少なくとも一方のポテンシャル振幅が大きく、1/fノイズの増加を抑えた固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and provides a solid-state imaging device that has a large potential amplitude of at least one of a transfer transistor and a reset transistor and suppresses an increase in 1 / f noise. Objective.
本発明の固体撮像装置は、画素セルが複数配置された受光部と、前記画素セルを駆動して信号を取り出す周辺回路部とを備え、前記画素セルは、光を受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、前記フォトダイオードで生成された信号電荷を転送する転送トランジスタと、前記転送された信号電荷を電圧に変換する浮遊拡散層と、前記浮遊拡散層を所定の電圧にリセットするリセットトランジスタと、前記浮遊拡散層の電位をゲート入力とする増幅トランジスタとを少なくとも有する。上記問題を解決するために、前記転送トランジスタ、および前記リセットトランジスタの、少なくとも一方のゲート酸化膜は、第1の膜厚で形成され、前記増幅トランジスタのゲート酸化膜は、第2の膜厚で形成され、第1の膜厚は、第2の膜厚よりも厚いことを特徴とする。 The solid-state imaging device of the present invention includes a light receiving unit in which a plurality of pixel cells are arranged, and a peripheral circuit unit that drives the pixel cell to extract a signal, and the pixel cell receives light to generate a signal charge. , A transfer transistor for transferring the signal charge generated by the photodiode, a floating diffusion layer for converting the transferred signal charge to a voltage, and a reset transistor for resetting the floating diffusion layer to a predetermined voltage And an amplifying transistor having the potential of the floating diffusion layer as a gate input. In order to solve the above problem, at least one gate oxide film of the transfer transistor and the reset transistor is formed with a first film thickness, and the gate oxide film of the amplification transistor is formed with a second film thickness. The first film thickness is greater than the second film thickness.
本発明によれば、転送トランジスタ、およびリセットトランジスタの少なくとも一方において、ゲート絶縁膜の厚みを厚くすることにより、ポテンシャル振幅が大きく、1/fノイズの増加を抑えた固体撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device that has a large potential amplitude and suppresses an increase in 1 / f noise by increasing the thickness of the gate insulating film in at least one of the transfer transistor and the reset transistor. it can.
本発明の固体撮像装置において、前記第1の膜厚で形成された転送トランジスタまたはリセットトランジスタに印加されるゲート電圧の最大値は、前記増幅トランジスタに印加されるゲート電圧の最大値に比べて同等または高い構成にすることができる。 In the solid-state imaging device of the present invention, the maximum value of the gate voltage applied to the transfer transistor or the reset transistor formed with the first film thickness is equal to the maximum value of the gate voltage applied to the amplification transistor. Or it can be a high configuration.
また、前記転送トランジスタ、前記リセットトランジスタおよび前記増幅トランジスタの中で、前記増幅トランジスタは、ゲートの面積が最小である構成にすることができる。この構成により、浮遊拡散層の容量を小さくでき、電荷―電圧変換効率が高くなり、ノイズを低減することができる。 In addition, among the transfer transistor, the reset transistor, and the amplification transistor, the amplification transistor can be configured to have a minimum gate area. With this configuration, the capacitance of the floating diffusion layer can be reduced, the charge-voltage conversion efficiency can be increased, and noise can be reduced.
また、前記増幅トランジスタとソースフォロワ回路を構成する負荷トランジスタのゲート酸化膜は、前記第2の膜厚で形成された構成にすることもできる。この構成により、負荷トランジスタの1/fノイズを低減することができる。 Further, the gate oxide film of the load transistor constituting the amplification transistor and the source follower circuit may be formed with the second film thickness. With this configuration, 1 / f noise of the load transistor can be reduced.
また、前記増幅トランジスタとソースフォロワ回路を構成する負荷トランジスタのゲートの面積は、前記増幅トランジスタのゲートの面積よりも大きく、前記負荷トランジスタのゲート酸化膜は、前記第1の膜厚で形成された構成にすることができる。この構成によっても、負荷トランジスタの1/fノイズを低減することができる。 The area of the gate of the load transistor that constitutes the amplification transistor and the source follower circuit is larger than the area of the gate of the amplification transistor, and the gate oxide film of the load transistor is formed with the first film thickness. Can be configured. Also with this configuration, 1 / f noise of the load transistor can be reduced.
また、前記増幅トランジスタのチャネル不純物プロファイルは、前記周辺回路部のトランジスタのチャネルプロファイルの少なくともひとつと共通である構成にすることができる。 Further, the channel impurity profile of the amplification transistor may be common to at least one of the channel profiles of the transistors in the peripheral circuit portion.
以下、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の一部の構成を示す回路図である。 Hereinafter, solid-state imaging devices according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a partial configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
図示しない周辺回路部により駆動応された画素セル1からの信号は、垂直信号線9を経て周辺回路部へ送信され、画像データが形成される。フォトダイオード2は、受光量に応じた信号電荷を生成する。転送トランジスタ3は、フォトダイオード2で生成された信号電荷を浮遊拡散層5に転送制御する。浮遊拡散層5は、増幅トランジスタ6のゲート電極、転送トランジスタ3、およびリセットトランジスタ4に接続されている。リセットトランジスタ4は、浮遊拡散層5の電位を電源7の電位にリセット制御する。増幅トランジスタ6は、負荷トランジスタ8とソースフォロワ回路を構成し、浮遊拡散層5の電位に応じた電位を垂直信号線9へ出力する。なお、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置では、画素セル1が複数配置されて、受光部が形成されている。
A signal from the pixel cell 1 driven by a peripheral circuit unit (not shown) is transmitted to the peripheral circuit unit via the
図2は、フォトダイオード2、転送トランジスタ3および浮遊拡散層5の構成を示す断面図である。転送トランジスタ3は、フォトダイオード2と、浮遊拡散層5との間の半導体基板11上に形成されたゲート酸化膜13(絶縁酸化膜)と、ゲート酸化膜13上に形成されたゲート電極12とを有している。また、図示しないが、図1に示すリセットトランジスタ4および増幅トランジスタ6も、ゲート酸化膜およびゲート酸化膜上に形成されたゲート電極を有している。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the
転送トランジスタ3とリセットトランジスタ4の少なくとも一方は、ゲート酸化膜が第1の膜厚で形成され、増幅トランジスタ6のゲート酸化膜は、第1の膜厚よりも薄い第2の膜厚で形成されている。第1の膜厚で形成された転送トランジスタ3とリセットトランジスタ4に印加されるゲート電圧の最大値を、増幅トランジスタ6に印加されるゲート電圧の最大値に比べて同等または高く設定する。この構成により、1/fノイズを悪化させずに、ポテンシャル振幅を大きくすることができる。
At least one of the transfer transistor 3 and the reset transistor 4 has a gate oxide film formed with a first film thickness, and the gate oxide film of the
また、増幅トランジスタ6は、ゲートの面積(ゲート長L×ゲート幅W)が、画素セル1のトランジスタ(転送トランジスタ3、リセットトランジスタ4、増幅トランジスタ6)のゲートの面積の中で最も小さく形成されている。
The
また、負荷トランジスタ8のゲート酸化膜は、第2の膜厚で形成されている。
Further, the gate oxide film of the
また、周辺回路部のトランジスタと増幅トランジスタは、共通の不純物濃度およびその深さ方向へのチャネルプロファイルを持ち、ゲート酸化膜の膜厚が異なるように構成されている。 In addition, the transistor and the amplification transistor in the peripheral circuit portion have a common impurity concentration and a channel profile in the depth direction, and are configured such that the thicknesses of the gate oxide films are different.
以下、本実施の形態に係る固体撮像装置において、1/fノイズを増加させず、ポテンシャル振幅を大きくすることができる理由についてより詳細に説明する。 Hereinafter, the reason why the potential amplitude can be increased without increasing the 1 / f noise in the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described in more detail.
まず、画素セル1のトランジスタにおいて、第1の膜厚を第2の膜厚よりも厚く構成し、転送トランジスタ3とリセットトランジスタ4に印加する最大電圧を増加トランジスタ6に印加する電位より大きくする構成について詳細に説明する。
First, in the transistor of the pixel cell 1, the first film thickness is made thicker than the second film thickness, and the maximum voltage applied to the transfer transistor 3 and the reset transistor 4 is made larger than the potential applied to the increasing
例えば、画素セル1の電源7の電圧が2.5Vであり、第1の膜厚を9nm、第2の膜厚を5nmであると、増幅トランジスタ6におけるゲート酸化膜容量Coxは、転送トランジスタ3(膜厚9nm)のゲート酸化膜容量Coxの9/5となる。従って、式14より、増幅トランジスタ6の1/fノイズは、転送トランジスタ3の1/fノイズの5/9に抑えることができる。
For example, when the voltage of the power supply 7 of the pixel cell 1 is 2.5 V, the first film thickness is 9 nm, and the second film thickness is 5 nm, the gate oxide film capacitance Cox in the
絶縁酸化膜の電界の上限が5MV/cmであると、転送トランジスタ3(膜厚9nm)には、最大4.5Vの電圧を印加することができる。ここで、膜厚5nmで、最大2.5Vの電圧を印加する場合(式1)と、膜厚9nmで、最大4.5Vの電圧を印加する場合(式2)のそれぞれの、ゲート電圧に対するポテンシャル振幅を計算する。
When the upper limit of the electric field of the insulating oxide film is 5 MV / cm, a voltage of 4.5 V at the maximum can be applied to the transfer transistor 3 (
ここで、εはゲート絶縁膜の誘電率であり、Sはゲート絶縁膜の面積であり、Cdeplは空乏層の容量である。実デバイスパラメータに基づき、実際に計算してみると、式1の値>式2の値となる。
Here, ε is the dielectric constant of the gate insulating film, S is the area of the gate insulating film, and Cdepl is the capacity of the depletion layer. When actually calculated based on the actual device parameters, the value of Expression 1> the value of
従って、転送トランジスタ3とリセットトランジスタ4の少なくとも一方に、印加されるゲート電圧の最大値を、増幅トランジスタ6に印加されるゲート電圧の最大値に比べて同等または高く設定する。転送トランジスタ3とリセットトランジスタ4は、増幅トランジスタ6に比べて、ゲート酸化膜が厚く形成され、ゲート酸化膜の電界の上限が高い。高いゲート電圧を印加することで、転送トランジスタ3とリセットトランジスタ4のポテンシャル振幅を大きくすることができ、残留電荷およびオフ時のリーク電流を低減することができる。
Therefore, the maximum value of the gate voltage applied to at least one of the transfer transistor 3 and the reset transistor 4 is set equal to or higher than the maximum value of the gate voltage applied to the
次に、増幅トランジスタ6のゲートの面積を、画素セル1のトランジスタの中で最も小さくする構成について、詳細に説明する。
Next, a configuration in which the area of the gate of the
浮遊拡散層5は、図3に示すように多くの寄生容量の影響を受けている。浮遊拡散層5の寄生容量は、基板11との容量CJ、リセットトランジスタ22のゲート電極との容量CR、転送トランジスタ21のゲート電極との容量CH、増幅トランジスタ6のドレイン側との容量CD、増幅トランジスタ6のソース側との容量CSなどが並列接続されて構成されている。浮遊拡散層5の合成容量C(実効浮遊容量)は、
C=CJ+CR+CH+CD+CS(1−G) ・・・(式3)
である。ここで、Gは増幅トランジスタのゲインである。増幅トランジスタ6のゲート幅W、ゲート長Lは、容量CDと容量CS値に寄与する。これは、容量CDが増幅トランジスタ6のゲート電極とドレインとの対向長であるゲート幅Wに比例し、容量CSが増幅トランジスタ6のゲート電極とソースとの対向長であるゲート幅Wに比例するためである。
The floating
C = C J + C R + C H + C D + C S (1-G) (Formula 3)
It is. Here, G is the gain of the amplification transistor. The gate width W and gate length L of the
固体撮像素子では、フォトダイオードに蓄積された電荷Qを、浮遊拡散層の容量Cで電荷―電圧変換することで増幅トランジスタの入力電位とするが、入力電位=Q/Cの値が大きい方がS/N比が良くなるため、浮遊拡散層の容量Cを出来るだけ小さくすることが望ましい。よってこの場合に、増幅トランジスタのゲート幅W、ゲート長Lを小さくしてゲート容量を小さくすることで、実効浮遊拡散層5の容量を小さくでき、変換ゲインを高めることができる。
In the solid-state imaging device, the charge Q accumulated in the photodiode is converted into charge-voltage by the capacitance C of the floating diffusion layer to obtain the input potential of the amplification transistor. However, the larger the value of input potential = Q / C is Since the S / N ratio is improved, it is desirable to make the capacitance C of the floating diffusion layer as small as possible. Therefore, in this case, by reducing the gate width W and the gate length L of the amplification transistor to reduce the gate capacitance, the capacitance of the effective floating
また、ゲート幅Wおよびゲート長Lを短くすることにより、画素セル1において、増幅トランジスタ6のゲートの面積が小さくなることにより、フォトダイオード2を大きく取ることができる。
Further, by shortening the gate width W and the gate length L, the area of the gate of the amplifying
式14に示すように、ゲート幅Wおよびゲート長Lを短くすると、1/fノイズが増加する。しかし、増幅トランジスタ6のゲート酸化膜をリセットトランジスタ4や転送トランジスタ3のゲート酸化膜に対して相対的に薄いまま(第2の膜厚)にすることによって、単位面積あたりのゲート容量の増加を抑制して、1/fノイズの増加を抑制することができる。
As shown in Expression 14, when the gate width W and the gate length L are shortened, 1 / f noise increases. However, by keeping the gate oxide film of the amplifying
また、負荷トランジスタ8のゲート酸化膜は、第2の膜厚で形成されることが好ましい。負荷トランジスタ8を第2の膜厚で構成することにより、式14に示すように、膜厚が薄いので1/fノイズを低減することができる。
The gate oxide film of the
また、負荷トランジスタ8のゲート酸化膜が厚くなる(第1の膜厚)場合には、負荷トランジスタ8の面積(ゲート長L×ゲート幅W)を増幅トランジスタ6の面積(ゲート長L×ゲート幅W)よりも大きくして、1/fノイズを低減することが望ましい。負荷トランジスタ8は、ソースフォロワ回路の増幅トランジスタ6に流れる電流を制御する定電流源としての役割をしているため、負荷トランジスタ8のノイズ電流の変化分は、増幅トランジスタ6の出力電圧にノイズとして重畳される。従って、負荷トランジスタ8で発生する1/fノイズの低減は、ソースフォロワ回路の出力ノイズの低減となる。
When the gate oxide film of the
つまり、負荷トランジスタ8については、(1)画素セルの増幅トランジスタ6と同様にゲート酸化膜を第2の膜厚で形成する、あるいは(2)ゲート酸化膜は第1の膜厚で形成し、ゲート電極のサイズを大きくする(負荷トランジスタ8は周辺回路に配置されることが多く、画素セル1内をレイアウトするように、フォトダイオード2を大きくするに伴ってトランジスタサイズを小さくする必要が無い場合)、サイズの目安としては少なくとも増幅トランジスタ6より大きくする、のいずれかを行えばよい。
That is, for the
また、周辺回路部のトランジスタ(例えば、負荷トランジスタ8)と増幅トランジスタ6のゲート酸化膜厚が異なり、増幅トランジスタ6と負荷トランジスタ8とで共通の不純物濃度およびその深さ方向へのチャネルプロファイルを持つような構成にしてもよい。この構成において、増幅トランジスタ6と、負荷トランジスタ8とは、しきい値電圧などのトランジスタ特性が異なる。増幅トランジスタ6のしきい値電圧などを負荷トランジスタ8と同じにしようとすると、チャネル不純物プロファイルを調整するための追加イオン注入工程が必要になる。
Further, the gate oxide film thickness of the peripheral circuit transistor (for example, load transistor 8) and the amplifying
しかし、以下のようにすることにより、追加イオン注入工程を設ける必要がなくなる。すなわち、増幅トランジスタ6のしきい値電圧が負荷トランジスタ8のしきい値電圧と異なっても、ソースフォロワ回路を構成する負荷トランジスタ8のドレイン電流を、負荷トランジスタ8のゲートバイアス電圧を変化させて調整することで、ソースフォロワ回路の動作点を変更できる。このように、負荷トランジスタ8のゲートバイアス電圧設定値を調整して動作範囲を設定すれば、ソースフォロワ回路として使用することができる。すなわち、この構成においては、増幅トランジスタ6を負荷トランジスタ8と共通のチャネル不純物プロファイルとすることにより製造工程(増幅トランジスタ6のチャネル不純物プロファイル形成工程)を減らすことができる。
However, it is not necessary to provide an additional ion implantation step by doing the following. That is, even if the threshold voltage of the amplifying
また、固体撮像装置における周辺回路部のCMOSトランジスタには数種類のチャンネル不純物プロファイルを持つものが形成されている場合、そのCMOSトランジスタの1つを増幅トランジスタの形成工程と合わせておけば、追加イオン注入工程を行う必要がなくなる。 Further, in the case where a CMOS transistor having several types of channel impurity profiles is formed in the peripheral circuit portion of the solid-state imaging device, if one of the CMOS transistors is combined with the formation process of the amplification transistor, additional ion implantation is performed. There is no need to perform a process.
以上のような構成にすることで、本実施の形態に係る固体撮像装置は、ポテンシャル振幅を大きくとることができ、トランジスタのオフ時のリーク電流および、オン時の残留電荷を防止することができる。また、ポテンシャル振幅を大きくしても、1/fノイズの増加を抑えることができる。 With the above configuration, the solid-state imaging device according to this embodiment can have a large potential amplitude, and can prevent leakage current when the transistor is off and residual charge when the transistor is on. . Even if the potential amplitude is increased, the increase in 1 / f noise can be suppressed.
本発明は、微細セルを持ち高解像度の固体撮像装置において、S/N比を向上させるという効果を有する固体撮像装置として利用可能である。 The present invention can be used as a solid-state imaging device having an effect of improving the S / N ratio in a high-resolution solid-state imaging device having fine cells.
1 画素セル
2 フォトダイオード
3 転送トランジスタ
4 リセットトランジスタ
5 浮遊拡散層
6 増幅トランジスタ
7 電源
8 負荷トランジスタ
9 垂直信号線
11 基板
12 ゲート電極
13 ゲート絶縁膜
21 転送トランジスタのゲート電極
22 リセットトランジスタのゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
前記画素セルを駆動して信号を取り出す周辺回路部とを備え、
前記画素セルは、
光を受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードで生成された信号電荷を転送する転送トランジスタと、
前記転送された信号電荷を電圧に変換する浮遊拡散層と、
前記浮遊拡散層を所定の電圧にリセットするリセットトランジスタと、
前記浮遊拡散層の電位をゲート入力とする増幅トランジスタとを少なくとも有する固体撮像装置において、
前記転送トランジスタ、および前記リセットトランジスタの、少なくとも一方のゲート酸化膜は、第1の膜厚で形成され、
前記増幅トランジスタのゲート酸化膜は、第2の膜厚で形成され、
第1の膜厚は、第2の膜厚よりも厚いことを特徴とする固体撮像装置。 A light receiving unit in which a plurality of pixel cells are arranged;
A peripheral circuit unit that drives the pixel cell and extracts a signal;
The pixel cell is
A photodiode that receives light and generates a signal charge;
A transfer transistor for transferring signal charges generated by the photodiode;
A floating diffusion layer for converting the transferred signal charge into a voltage;
A reset transistor for resetting the floating diffusion layer to a predetermined voltage;
In a solid-state imaging device having at least an amplification transistor having a gate input of the potential of the floating diffusion layer,
At least one gate oxide film of the transfer transistor and the reset transistor is formed with a first film thickness,
The gate oxide film of the amplification transistor is formed with a second film thickness,
The solid-state imaging device, wherein the first film thickness is thicker than the second film thickness.
前記負荷トランジスタのゲート酸化膜は、前記第1の膜厚で形成された請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 The area of the gate of the load transistor constituting the amplification transistor and the source follower circuit is larger than the area of the gate of the amplification transistor,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a gate oxide film of the load transistor is formed with the first film thickness.
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