JP2008305983A - Solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
ビデオカメラや電子スチルカメラなどでは、CCD型固体撮像素子や増幅型固体撮像素子を有している。これらの固体撮像素子では、光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されており、各画素の光電変換部にて信号電荷を生成する。増幅型固体撮像素子では、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンに導き、フローティングディフュージョンで信号電荷を電圧に変換し、その電圧に応じた信号を画素に設けられた増幅トランジスタによって画素から出力する。 Video cameras, electronic still cameras, and the like have a CCD solid-state image sensor and an amplification solid-state image sensor. In these solid-state imaging devices, a plurality of pixels having photoelectric conversion units are arranged in a matrix, and signal charges are generated in the photoelectric conversion units of the respective pixels. In the amplification type solid-state imaging device, the signal charge generated and accumulated in the photoelectric conversion unit of the pixel is guided to the floating diffusion, the signal charge is converted into a voltage by the floating diffusion, and a signal corresponding to the voltage is provided in the pixel. Output from the pixel by the amplification transistor.
増幅型固体撮像素子では、一般的に、各画素は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョン、該フローティングディフュージョンの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタ、前記光電変換部から前記フローティングディフュージョンに電荷を転送する転送トランジスタ、及び、前記フローティングディフュージョンの電位をリセットするリセットトランジスタを、有している(例えば、下記特許文献1,2)。
In an amplification type solid-state imaging device, each pixel generally includes a photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charges according to incident light, a floating diffusion that receives the signal charges and converts the signal charges into voltage, and the floating An amplification transistor that outputs a signal corresponding to the potential of the diffusion, a transfer transistor that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the floating diffusion, and a reset transistor that resets the potential of the floating diffusion (for example, The following
特許文献1に開示されている増幅型固体撮像素子では、各画素ごとに、光電変換部及び転送トランジスタのみならず、フローティングディフュージョン、増幅トランジスタ及びリセットトランジスタも、1組設けられている。したがって、特許文献1に開示されている増幅型固体撮像素子では、トランジスタ数が多いため、光電変換部のための面積が狭くなって開口率が低下してしまう。
In the amplification type solid-state imaging device disclosed in
そこで、特許文献2に開示されている増幅型固体撮像素子では、複数の画素で、1組のフローティングディフュージョン、増幅トランジスタ及びリセットトランジスタを共有している。このため、1画素当たりのトランジスタ数を削減することができ、開口率を大きくすることができる。開口率が大きいと、多くの電荷を扱うこととなり、SN比が良くなる。
Therefore, in the amplification type solid-state imaging device disclosed in
これらの従来の増幅型固体撮像素子では、トランジスタやフローティングディフュージョンを複数の画素で共有するか否かに拘わらず、前記フローティングディフュージョンの容量値は一定の値に固定されている。また、画素の増幅トランジスタは、ゲイン可変アンプではなくゲイン固定アンプである。
前述したように、従来の固体撮像素子では、フローティングディフュージョンの容量値が一定の値に固定されるとともに画素の増幅トランジスタがゲイン固定アンプであるため、各画素の変換ゲイン(フローティングディフュージョンが受け取る素電荷に対する増幅トランジスタの出力値の比)は固定値であり、その変換ゲインを調整することは不可能であった。 As described above, in the conventional solid-state imaging device, since the capacitance value of the floating diffusion is fixed to a constant value and the amplification transistor of the pixel is a gain fixing amplifier, the conversion gain of each pixel (elementary charge received by the floating diffusion) The ratio of the output value of the amplification transistor to the fixed value) is a fixed value, and the conversion gain cannot be adjusted.
したがって、前述した従来の固体撮像素子では、得られる信号のレベルを調整する場合、後段の信号処理回路で画素出力を増幅している。この場合、画素の増幅トランジスタのノイズやリセットノイズなどのノイズ成分も、信号処理回路で増幅されてしまうため、得られる信号のSN比が低下していた。 Therefore, in the conventional solid-state imaging device described above, when adjusting the level of the signal to be obtained, the pixel output is amplified by the signal processing circuit at the subsequent stage. In this case, since noise components such as noise of the pixel amplification transistor and reset noise are also amplified by the signal processing circuit, the SN ratio of the obtained signal is lowered.
例えば、前述した従来の固体撮像素子では、RGBの感度の相違を補償して信号レベルを揃える場合、感度の低いRGBいずれかの画素に関して得られる信号のSN比が低下していた。すなわち、固体撮像素子では、RGBの感度が異なっているため、各色の画素に対する対応色の入射光量が同じであっても、各色の画素の光電変換部で生成・蓄積される信号電荷の量が異なる。そこで、特定の画素の信号が信号処理回路で飽和しないようにするため、感度が高い色の画素、つまり同一入射光量に対して生成電荷数が多い画素に合わせて、いずれの画素の変換ゲインも同一に設定されている。したがって、同一入射光量に対して、感度の低い色の画素の出力のレベルは感度の高い色の画素の出力よりも低くなってしまう。これを補償して信号レベルを揃えるために、感度の低い色の画素の出力は信号処理回路で増幅する。その結果、感度の低い色の画素については、当該画素の増幅トランジスタのノイズやリセットノイズなどのノイズ成分も、信号処理回路で増幅されてしまうため、得られる信号のSN比が低下していたのである。 For example, in the above-described conventional solid-state imaging device, when the difference in RGB sensitivity is compensated and the signal levels are made uniform, the signal-to-noise ratio of the signal obtained with respect to any one of RGB pixels with low sensitivity has been lowered. That is, in the solid-state imaging device, the RGB sensitivities are different. Therefore, even if the incident light amounts of the corresponding colors for the pixels of each color are the same, the amount of signal charge generated and accumulated in the photoelectric conversion unit of each color pixel is the same. Different. Therefore, in order to prevent the signal of a specific pixel from being saturated by the signal processing circuit, the conversion gain of any pixel is set in accordance with a pixel having a high sensitivity, that is, a pixel having a large number of generated charges for the same incident light amount. They are set the same. Therefore, for the same incident light quantity, the output level of a pixel with a low sensitivity is lower than the output of a pixel with a high sensitivity. In order to compensate for this and make the signal level uniform, the output of the pixel of low sensitivity is amplified by the signal processing circuit. As a result, for a pixel with low sensitivity, noise components such as noise of the amplification transistor and reset noise of the pixel are also amplified by the signal processing circuit, so the signal-to-noise ratio of the obtained signal was reduced. is there.
また、例えば、前述した従来の固体撮像素子では、室内や夜間等においてストロボを使わずに高感度撮影を行う場合、後段の信号処理回路で各画素の画素出力を大きなゲインで増幅する。したがって、画素の増幅トランジスタのノイズやリセットノイズなどのノイズ成分も、信号処理回路で増幅されてしまうため、得られる信号のSN比が低下してしまい、ノイズの少ない高感度撮影を行うことができなかった。 Further, for example, in the conventional solid-state imaging device described above, when performing high-sensitivity shooting without using a strobe in a room or at night, the pixel output of each pixel is amplified with a large gain by a signal processing circuit in the subsequent stage. Therefore, noise components such as pixel amplification transistor noise and reset noise are also amplified by the signal processing circuit, so that the signal-to-noise ratio of the obtained signal is reduced, and high-sensitivity imaging with less noise can be performed. There wasn't.
さらに、例えば、前述した従来の固体撮像素子では、オート、プリセット及びマニュアルの各ホワイトバランスを行う場合、後段の信号処理回路で、各色の画素の画素出力をホワイトバランスに必要なそれぞれのゲインで増幅する。この場合、各画素の増幅トランジスタのノイズやリセットノイズなどのノイズ成分も、信号処理回路で増幅されてしまうため、得られる信号のSN比が低下していた。 Furthermore, for example, in the conventional solid-state imaging device described above, when performing auto, preset, and manual white balance, the pixel output of each color pixel is amplified by each gain necessary for white balance in the signal processing circuit in the subsequent stage. To do. In this case, since noise components such as noise of the amplification transistor and reset noise of each pixel are also amplified by the signal processing circuit, the S / N ratio of the obtained signal is lowered.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高いSN比で信号レベル調整を行うことができる固体撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a solid-state imaging device capable of adjusting a signal level with a high SN ratio.
前記課題を解決するため、本発明の第1の態様による固体撮像素子は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換するフローティング容量部、該フローティング容量部の電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタ、前記光電変換部から前記フローティング容量部に電荷を転送する転送トランジスタ、及び、前記フローティング容量部の電位をリセットするリセットトランジスタを有する画素を、複数備えた固体撮像素子であって、前記フローティング容量部は、供給される制御信号に応じて容量値が変化する可変容量部であるものである。 In order to solve the above problems, the solid-state imaging device according to the first aspect of the present invention includes a photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charges according to incident light, and receives the signal charges and converts the signal charges into a voltage. A floating capacitor, an amplifying transistor that outputs a signal corresponding to the potential of the floating capacitor, a transfer transistor that transfers charge from the photoelectric converter to the floating capacitor, and a reset transistor that resets the potential of the floating capacitor The floating capacitance unit is a variable capacitance unit whose capacitance value changes according to a supplied control signal.
本発明の第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記フローティング容量部は、前記制御信号を受けるゲート電極を有するMOS容量を含むものである。 In the solid-state imaging device according to the second aspect of the present invention, in the first aspect, the floating capacitor includes a MOS capacitor having a gate electrode that receives the control signal.
本発明の第3の態様による固体撮像素子は、前記第2の態様において、前記画素は当該画素を選択するための選択トランジスタを有し、前記選択トランジスタのゲート電極は行毎に共通して電気的に接続され、前記MOS容量のゲート電極は列毎に共通して電気的に接続されたものである。 The solid-state imaging device according to a third aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the second aspect, wherein the pixel has a selection transistor for selecting the pixel, and the gate electrode of the selection transistor is commonly used for each row. The gate electrodes of the MOS capacitors are electrically connected in common for each column.
本発明の第4の態様による固体撮像素子は、前記第2又は第3の態様において、前記フローティング容量部は、前記MOS容量の前記ゲート電極の下方の当該MOS容量を構成する半導体領域と隣接して配置された拡散領域により構成された拡散容量を含むものである。 In the solid-state imaging device according to the fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the floating capacitor portion is adjacent to a semiconductor region constituting the MOS capacitor below the gate electrode of the MOS capacitor. And a diffusion capacitor constituted by diffusion regions arranged in a row.
本発明の第5の態様による固体撮像素子は、前記第4の態様において、前記フローティング容量部は、前記拡散容量の前記拡散領域に電気的に接続された電極を有するMIMキャパシタ(Metal-Insulator-Metal)を含むものである。 A solid-state imaging device according to a fifth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the fourth aspect, wherein the floating capacitor section has an MIM capacitor (Metal-Insulator-) having an electrode electrically connected to the diffusion region of the diffusion capacitor. Metal).
本発明の第6の態様による固体撮像素子は、前記第2乃至第5のいずれかの態様において、前記フローティング容量部は、前記MOS容量の前記ゲート電極の下方の当該MOS容量を構成する半導体領域と隣接して配置されかつ前記増幅トランジスタのゲート電極に電気的に接続されたフローティングディフュージョンを含むものである。 In the solid-state imaging device according to a sixth aspect of the present invention, in any one of the second to fifth aspects, the floating capacitor portion is a semiconductor region constituting the MOS capacitor below the gate electrode of the MOS capacitor. And a floating diffusion that is disposed adjacent to and electrically connected to the gate electrode of the amplification transistor.
本発明の第7の態様による固体撮像素子は、前記第6の態様において、前記MOS容量を構成する前記半導体領域の不純物濃度は、当該半導体領域の前記フローティングディフュージョン側からその反対側にかけて、前記フローティングディフュージョン側が相対的に低くなるように、段階的又は連続的に変化したものである。 The solid-state imaging device according to a seventh aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the sixth aspect, wherein the impurity concentration of the semiconductor region constituting the MOS capacitor is the floating region from the floating diffusion side to the opposite side of the semiconductor region. It is changed stepwise or continuously so that the diffusion side is relatively low.
本発明の第8の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第7のいずれかの態様において、前記複数の画素のうちの2以上の所定数の画素毎に、当該所定数の画素が1組の前記フローティング容量部、前記増幅トランジスタ及び前記リセットトランジスタを共有したものである。 In the solid-state imaging device according to the eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the predetermined number of pixels is 1 for every two or more predetermined numbers of the plurality of pixels. A set of the floating capacitor, the amplification transistor, and the reset transistor are shared.
本発明の第9の態様による固体撮像素子は、前記第2乃至第7のいずれかの態様において、(i)前記画素は、当該画素を選択するための選択トランジスタを有し、(ii)前記複数の画素のうちの2つの画素毎に、当該2つの画素が1組の前記フローティング容量部、前記増幅トランジスタ、前記リセットトランジスタ及び前記選択トランジスタを共有し、(iii)前記2つの画素のうちの一方の画素の前記光電変換部に対する、当該2つの画素が共有する前記選択トランジスタ及び前記増幅トランジスタのそれぞれのゲート電極の位置関係と、前記2つの画素のうちの他方の画素の前記光電変換部に対する、当該2つの画素が共有する前記リセットトランジスタ及び前記MOS容量のそれぞれのゲート電極の位置関係とが、ほぼ同じであるものである。 The solid-state imaging device according to a ninth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the second to seventh aspects, wherein (i) the pixel has a selection transistor for selecting the pixel, and (ii) the For every two pixels of the plurality of pixels, the two pixels share one set of the floating capacitor, the amplification transistor, the reset transistor, and the selection transistor, and (iii) of the two pixels The positional relationship between the gate electrodes of the selection transistor and the amplification transistor shared by the two pixels with respect to the photoelectric conversion unit of one pixel, and the photoelectric conversion unit of the other pixel of the two pixels The positional relationship between the gate electrodes of the reset transistor and the MOS capacitor shared by the two pixels is substantially the same. A.
本発明の第9の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第9のいずれかの態様において、前記複数の画素が複数のグループに分けられてそのグループ毎に互いに異なる色のカラーフィルタが設けられ、前記複数の画素の前記フローティング容量部に前記制御信号を供給する制御部を備え、前記制御部は、同じ色のカラーフィルタが設けられた画素のフローティング容量部の容量値が、当該画素からの信号読み出し時においてほぼ同じ容量値となるように、前記制御信号を供給するものである。 A solid-state imaging device according to a ninth aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to any one of the first to ninth aspects, wherein the plurality of pixels are divided into a plurality of groups, and color filters having different colors are provided for each group. A control unit that supplies the control signal to the floating capacitance units of the plurality of pixels, and the control unit has a capacitance value of a floating capacitance unit of a pixel provided with a color filter of the same color from the pixel. The control signal is supplied so that the capacitance values are substantially the same when the signal is read out.
本発明の第11の態様による固体撮像素子は、前記第10の態様において、前記制御部は、前記各色のカラーフィルタが設けられた画素に対する対応色の入射光量が同じである場合に前記各色のカラーフィルタが設けられた画素の出力がほぼ同じになるように、前記制御信号を供給するものである。 The solid-state imaging device according to an eleventh aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the tenth aspect, wherein the control unit has the same amount of incident light of the corresponding color with respect to the pixel provided with the color filter of each color. The control signal is supplied so that the outputs of the pixels provided with the color filters are substantially the same.
高いSN比で信号レベル調整を行うことができる固体撮像素子を提供することができる。 It is possible to provide a solid-state imaging device capable of performing signal level adjustment with a high S / N ratio.
以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態] [First Embodiment]
図1は、本発明の第1の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。本実施の形態による固体撮像素子は、シリコン基板上にCMOSプロセスを使用してCMOS型の固体撮像素子として形成されており、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラなどに搭載される。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. The solid-state imaging device according to the present embodiment is formed as a CMOS type solid-state imaging device on a silicon substrate using a CMOS process, and is mounted on, for example, a digital still camera or a video camera.
本実施の形態による固体撮像素子は、2次元状に配置された複数の単位画素1(図1では、3×3個の画素1のみを示す。)と、垂直走査回路2と、水平走査回路3と、フローティング容量制御回路4と、画素1の各列ごとに設けられた垂直信号線5と、各垂直信号線5に接続された定電流源6と、画素1で光電変換された光情報を含む光信号を伝送する第1の水平信号線7Sと、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号としてのいわゆる暗信号を伝送する第2の水平信号線7Nと、差動出力アンプ8と、を備えている。なお、画素1の数が限定されるものではないことは、言うまでもない。
The solid-state imaging device according to the present embodiment includes a plurality of unit pixels 1 (only 3 × 3
また、本実施の形態による固体撮像素子は、画素1の各列に対応して、前記光信号を蓄積する光信号蓄積容量CS、前記暗信号を蓄積する暗信号蓄積容量CN、光信号垂直転送トランジスタTS、暗信号垂直転送トランジスタTN、光信号水平転送トランジスタHS、及び、暗信号水平転送トランジスタHNを有している。なお、実際には、水平信号線7S,7Nをそれぞれ所定タイミングでリセットするための各トランジスタが設けられるが、それらのトランジスタの図示は省略している。
Further, the solid-state imaging device according to the present embodiment corresponds to each column of the
本実施の形態では、各画素1は、入射光に応じた信号電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードPDと、前記信号電荷を受け取って前記信号電荷を電圧に変換するフローティング容量部FCと、フローティング容量部FCの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタAMPと、フォトダイオードPDからフローティング容量部FCに電荷を転送する転送トランジスタTXと、フローティング容量部FCの電位をリセットするリセットトランジスタRESと、当該画素1を選択するための選択トランジスタSELとを有し、図1に示すように接続されている。なお、本実施の形態では、画素1のトランジスタAMP,TX,RES,SELは、全てnMOSトランジスタである。
In the present embodiment, each
転送トランジスタTXのゲートは、行毎に、垂直走査回路2からの転送トランジスタTXを制御する制御信号φTXを転送トランジスタTXに供給する制御線に、接続されている。リセットトランジスタRESのゲートは、行毎に、垂直走査回路2からのリセットトランジスタRESを制御する制御信号φRESをリセットトランジスタRESに供給する制御線に、接続されている。選択トランジスタSELのゲートは、行毎に、垂直走査回路2からの選択トランジスタSELを制御する制御信号φSELを選択トランジスタSELに供給する制御線に、接続されている。図1において、Vddは電源電圧である。
The gate of the transfer transistor TX is connected to a control line for supplying the control signal φTX for controlling the transfer transistor TX from the
フローティング容量部FCは、ゲート電極37(後述するMOS容量MCのゲート電極37であり、図2及び図3参照を参照されたい。)を有し、フローティング容量制御回路4からゲート電極37に供給される制御信号φVgに応じて容量値が変化する可変容量部となっている。フローティング容量部FCの具体的な構造は、後に詳述する。本実施の形態では、フローティング容量部FCのゲート電極37は、列毎に、フローティング容量制御回路4からの制御信号φVgを当該ゲート電極37に供給する制御線9に接続されている。本実施の形態では、フローティング容量制御回路4からは制御信号φVgが電圧パルスで出力され、制御信号φVgはフローティング容量部FCのゲート電極37に印加される。この制御信号φVgによって、フローティング容量部FCの容量値が調整され、ひいては、画素1の変換ゲイン(フローティング容量部FCが受け取る素電荷に対する増幅トランジスタAMPの出力値の比)が調整される。フローティング容量部FCの容量値をC、素電荷をq、増幅トランジスタAMPによるソースフォロアゲインをGsfとすると、画素1の変換ゲインGは、G=Gfs・q/Cで表される。各画素1の変換ゲインGは、それぞれ、選択トランジスタのパルスφSELと制御信号φVgとの組み合わせで画素1を選択することで、自由に調整することができる。
The floating capacitor portion FC has a gate electrode 37 (a
フォトダイオードPDは、入射光の光量(被写体光)に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタTXは、転送パルス(制御信号)φTXの高レベル期間にオンし、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷をフローティング容量部FCに転送する。リセットトランジスタRESは、リセットパルス(制御信号)φRESの高レベル期間にオンし、フローティング容量部FCをリセットする。 The photodiode PD generates a signal charge according to the amount of incident light (subject light). The transfer transistor TX is turned on during a high level period of the transfer pulse (control signal) φTX, and transfers the signal charge accumulated in the photodiode PD to the floating capacitor unit FC. The reset transistor RES is turned on during a high level period of the reset pulse (control signal) φRES to reset the floating capacitor unit FC.
増幅トランジスタAMPは、そのドレインが電源電圧Vddに接続され、そのゲートがフローティング容量部FCに接続され、そのソースが選択トランジスタSELのドレインに接続され、定電流源6を負荷とするフォースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタAMPは、フローティング容量部FCの電圧値に応じて、選択トランジスタSELを介して垂直信号線5に読み出し電流を出力する。選択トランジスタSELは、選択パルス(制御信号)φSELの高レベル期間にオンし、増幅トランジスタAMPのソースを垂直信号線5に接続する。
The amplification transistor AMP has a drain that is connected to the power supply voltage Vdd, a gate that is connected to the floating capacitor FC, a source that is connected to the drain of the selection transistor SEL, and a force follower circuit that uses the constant
垂直走査回路3は、画素1の行毎に、選択パルスφSEL、リセットパルスφRES及び転送パルスφTXをそれぞれ出力する。
The
相関二重サンプリングによって、ノイズ信号が重畳された画素信号からノイズ成分が除去される。相関二重サンプリングは、選択トランジスタSELをオンしてソースフォロア動作をさせた後、暗信号垂直転送トランジスタTNをオンしてノイズ信号を蓄積容量CNに蓄積する。次いで、暗信号垂直転送トランジスタTNをオフし、光信号垂直転送トランジスタTSをオンして、転送トランジスタTXをオンすることで、蓄積容量CSに信号を蓄積する。さらに、水平走査回路3からの制御信号φHにより、蓄積容量CN,CSにそれぞれ蓄積された両信号を水平信号線7N,7Sにそれぞれ読み出して、差動出力アンプ8によって2つの信号の差分をとって、相関2重サンプリングを行う。
By the correlated double sampling, the noise component is removed from the pixel signal on which the noise signal is superimposed. In correlated double sampling, the selection transistor SEL is turned on to perform a source follower operation, and then the dark signal vertical transfer transistor TN is turned on to accumulate a noise signal in the storage capacitor CN. Next, the dark signal vertical transfer transistor TN is turned off, the optical signal vertical transfer transistor TS is turned on, and the transfer transistor TX is turned on, thereby accumulating signals in the storage capacitor CS. Further, both signals accumulated in the storage capacitors CN and CS are read out to the
ここで、図1に示す固体撮像素子の各画素1の構造について、図2及び図3を参照して説明する。図2は、図1に示す固体撮像素子の2×2個の画素1を模式的に示す概略平面図である。図2において、制御信号φSEL,φRES,φTXをそれぞれ供給するための制御配線及び電源Vddの配線は、省略している。図3は、図2中のA−A’線に沿った概略断面図である。実際には、フォトダイオードFDの上部にはカラーフィルタやマイクロレンズが配置されるが、ここでは省略する。もっとも、本発明はいわゆる白黒の固体撮像素子にも適用することができ、その場合にはカラーフィルタは設けられない。また、図3において、接続関係の理解を容易にするため、図2中のA−A’線に沿った断面に現れないフォトダイオードPD等も回路図の如く示している。この点は、後述する図6、図7、図9、図11、図14及び図15についても同様である。
Here, the structure of each
なお、本実施の形態では、カラーフィルタの組み合わせとしてR、G、Bを用いる系が採用され、ベイヤー配列が採用されている。もっとも、ストライプ配列などを採用してもよいし、また、補色系(例えば、マゼンタ、グリーン、シアン及びイエローを用いる系)を採用してもよい。 In the present embodiment, a system using R, G, and B is employed as a combination of color filters, and a Bayer array is employed. However, a stripe arrangement or the like may be employed, or a complementary color system (for example, a system using magenta, green, cyan, and yellow) may be employed.
本実施の形態では、N型シリコン基板21上にP型ウエル22を設け、P型ウエル22中にフォトダイオードPDなどの画素部における各素子を配置させている。各画素1は、LOCOSによる厚いシリコン酸化膜23及びその下に必要に応じて配置された分離拡散(図示せず)によって分離されている。厚いシリコン酸化膜23が形成されていない領域が、能動領域となる。
In the present embodiment, a P-
図2及び図3において、符号31〜35は、前述した各トランジスタの一部となっているN型不純物拡散領域である。符号36,38〜40は、ポリシリコンによる各トランジスタのゲート電極である。符号37は、ポリシリコンによるMOS容量MCのゲート電極である。なお、符号33は電源電圧Vddが印加される電源拡散部であり、符号31,32はフローティング容量部FCの一部を構成するフローティングディフュージョンである。ゲート電極36,38,40は、制御配線(図示せず)とそれぞれ接続されており、垂直走査回路2から出力される制御信号φTX、φRES、φSELがそれぞれ印加される。MOS容量MCのゲート電極37は、制御配線9と接続されており、フローティング容量制御回路4から制御信号φVgが印加される。
2 and 3,
図面には示していないが、フォトダイオードPDは、P型ウエル22中に設けられたN型の電荷蓄積層とその表面側に配置されたP型の空乏化防止層からなる埋め込み型フォトダイオードである。しかし、フォトダイオードPDは、空乏化防止層の無いフォトダイオードにしても良い。フォトダイオードPDは、入射する光を光電変換し、生じた電荷を前記電荷蓄積層に蓄積する。フォトダイオードPDの電荷蓄積層に蓄積された電荷は、転送トランジスタTXがオン状態とされることによってフローティング容量部FCに転送される。
Although not shown in the drawing, the photodiode PD is an embedded photodiode composed of an N-type charge storage layer provided in the P-
転送トランジスタTXは、フォトダイオードPDの電荷蓄積層をソース、フローティング容量部FCの一部を構成するフローティングディフュージョン31をドレインとしたMOSトランジスタである。転送トランジスタTXは、そのゲート36に印加される制御信号φTXにより駆動される。
The transfer transistor TX is a MOS transistor having the charge storage layer of the photodiode PD as a source and the floating
フローティング容量部FCは、フローティングディフュージョン31,32及びMOS容量MCを有している。さらに詳しくは、フローティング容量部FCには、配線41、増幅トランジスタAMPのゲート電極39の容量も含まれている。フローティングディフュージョン31とフローティングディフュージョン32とは、配線41によって電気的に接続されている。また、フローティングディフュージョン31,32は、配線41によって増幅トランジスタAMPのゲート電極39と電気的に接続されている。MOS容量MCは、フローティングディフュージョン32と隣接するP型ウエルの領域(P型半導体領域)と、当該P型半導体領域上に比較的薄い酸化膜(絶縁膜)24を介して形成されたゲート電極37とを有し、NMOSトランジスタとして構成されている。MOS容量MCは、例えば+5Vの制御電圧Vgをゲート電極37で受けたときに、ゲート電極37下の半導体領域に形成される反転層50により、容量として作用する。一方、0Vの制御電圧Vgをゲート電極37で受けたときには、反転層50はできないため、MOS容量MCの容量値は小さくなる。このように、MOS容量MCの容量値はゲート電極37へ供給する制御信号φVgに応じて変化する。MOS容量MCがこのように可変容量であるので、フローティングディフュージョン31,32の容量値は固定値であるが、フローティング容量部FCは、全体として、ゲート電極37に供給される制御信号φVgに応じて容量値が変化する可変容量部となっている。よって、制御信号φVgを変えることで、画素1の変換ゲインG=Gfs・q/Cを変えることができる。フォトダイオードPDから転送トランジスタTXを介して転送されてきた電荷は、フローティング容量部FCの全体に蓄えられる。
The floating capacitor unit FC includes floating diffusions 31 and 32 and a MOS capacitor MC. More specifically, the floating capacitance portion FC includes the capacitance of the
なお、本実施の形態では、MOS容量MCにおけるゲート電極37下の半導体領域(P型ウエル領域)の不純物濃度は、当該半導体領域のフローティングディフュージョン32側からその反対側にかけて、ほぼ一定である。
In the present embodiment, the impurity concentration of the semiconductor region (P-type well region) under the
増幅トランジスタAMPは、電源拡散部33をドレイン、拡散領域34をソースとするMOSトランジスタである。前述したように、増幅トランジスタAMPのゲート電極39は、フローティングディフュージョン32,33に接続されている。フォトダイオードPDから転送トランジスタTXを介してフローティング容量部FCに転送されてきた電荷は、フローティング容量部FCで電圧に変換され、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極39に印加される。そして、増幅トランジスタAMPは、そのゲート電極39の電圧に応じた電気信号を出力する。したがって、増幅トランジスタAMPは、フォトダイオードPDで生成・蓄積された電荷の量に応じた電気信号(画素信号)を出力する。フローティング容量部FCに転送されてきた電荷数がNであるとすれば、増幅トランジスタAMPの出力はG・Nだけ変化する。
The amplification transistor AMP is a MOS transistor having the power
選択トランジスタSELは、拡散領域34ドレインを、拡散領域35をソースとするMOSトランジスタである。選択トランジスタSELは、オン状態にされることで、増幅トランジスタAMPの出力を垂直信号線5に出力する。すなわち、増幅トランジスタAMPと選択トランジスタSELによって、ソースフォロワによる読み出しが可能となっている。
The selection transistor SEL is a MOS transistor having the drain of the
リセットトランジスタRESは、電源拡散部33をドレイン、フローティングディフュージョン32をソースとするMOSトランジスタである。リセットトランジスタRESは、オン状態にされることで、フローティング容量部FCに蓄積されている電荷をリセットする。
The reset transistor RES is a MOS transistor having the power
本実施の形態では、図2に示すように、フォトダイオードPD、転送トランジスタTX及びフローティングディフュージョン31は、図2中の横方向(行方向)に一列に配置されている。また、図2及び図3に示すように、選択トランジスタSEL、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及びMOS容量MCは、フォトダイオードPD、転送トランジスタTX及びフローティングディフュージョン31が並ぶ列と平行に一列に配置されている。選択トランジスタSEL、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及びMOS容量MCは、図2中の横方向(行方向)に延在する一つの能動領域に対してゲート電極40〜37を所定間隔をあけて配置することにより形成されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the photodiode PD, the transfer transistor TX, and the floating
本実施の形態では、各トランジスタSEL,AMP,RES及びMOS容量MCにおいて、ゲート電極40〜37に隣接する拡散層(ソースおよびドレイン)は、ドレイン近傍の電界を緩和するために、いわゆるLDD(Lightly Doped Drain)構造を有している。図3において、符号35a,34a,33a,32aはは、LDD構造を構成する低不純物濃度のN型拡散領域を示している。なお、本発明の適用範囲は、LDD構造を有するトランジスタ構造に限定されない。例えば、シングルドレイン構造およびダブルドレイン構造のトランジスタが形成される固体撮像素子に本発明を適用してもよい。
In the present embodiment, in each transistor SEL, AMP, RES and MOS capacitor MC, the diffusion layers (source and drain) adjacent to the
図4は、本実施の形態による固体撮像素子の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、図1に示すように、ベイヤー配列が採用され、n行目でかつm列目の画素1をG画素とし、n+1行目かつm列目の画素1をR画素とし、n行目かつm+1列目の画素1をB画素とし、n+1行目かつm+1列目の画素1をG画素として説明する。また、ここでは、説明を簡単にするために、B画素とG画素は同じ感度で、R画素のみが感度が低いものとして説明する。
FIG. 4 is a timing chart showing an example of the reading operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, a Bayer array is adopted, and the
本実施の形態では、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素1のフォトダイオードPDの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、各行が順次選択され、各行について順次同じ動作が行われていく。図4は、n行目の画素1が選択され、引き続いてn+1行目の画素1が選択された場合の動作を示している。また、図4では、制御信号φVgについては、m列目とm+1列目のみしか示していない。
In this embodiment, after a mechanical shutter (not shown) is opened for a predetermined exposure period and charges are accumulated in the charge accumulation layer of the photodiode PD of each
期間T1において、垂直走査回路2によりn行目の画素1が選択され、n行目のリセットパルスφRES(n)が低レベルに変化し、n行目のリセットトランジスタRESがオフする。また、期間T1において、n行目の選択パルスφSEL(n)が高レベルに変化し、n行目の選択トランジスタSELがオンする。n行目の選択トランジスタSELのオンにより、n行目の増幅トランジスタAMPのソースは垂直出力線5に接続される。そして、n行目の増幅トランジスタAMPは、定電流源6によってソースフォロア回路として動作する。さらに、期間T1において、n行目の画素のうち感度の高いG画素及びB画素の列(本例では、ベイヤー配列であるので、全列)の制御信号φVg(m列目のφVg(m)、m+1列目のφVg(m+1)など)が高レベルとされる。その結果、期間T1において、高レベルの制御信号φVgが印加された列(m列目、m+1列目など)の画素のフローティング容量部FCの容量が大きくなって当該列の画素の変換ゲインGが小さくなる。
In the period T1, the
期間T1が開始した後、期間T5において、ノイズ転送パルスφTNが高レベルに変化し、暗信号垂直転送トランジスタTNがオンし、リセット状態に対応するノイズ信号(暗信号)が暗信号蓄積容量CNに蓄積される。この動作は、n行目の全ての画素1に対して同時並列に実行される。この後、期間T6において、n行目の転送パルスφTX(n)が高レベルに変化し、n行目の転送トランジスタTXがオンする。n行目の転送トランジスタTXのオンにより、n行目のフォトダイオードPDで光電変換され蓄積されていた信号電荷が、対応するフローティング容量部FCに転送される。これによって、フローティング容量部FCの電圧は転送されてきた電荷量に応じた電圧となり、この電圧が増幅トランジスタAMPのゲート電極39に印加される。
After the period T1 starts, in the period T5, the noise transfer pulse φTN changes to a high level, the dark signal vertical transfer transistor TN is turned on, and a noise signal (dark signal) corresponding to the reset state is applied to the dark signal storage capacitor CN. Accumulated. This operation is executed simultaneously in parallel for all the
次に、期間T1内の期間T7において、光信号転送パルスφTSが高レベルに変化し、光信号垂直転送トランジスタTSがオンし、光信号が光信号蓄積容量CSに蓄積される。このとき、n行目の画素のうち感度の高いG画素及びB画素の列の制御信号φVg(m列目のφVg(m)、m+1列目のφVg(m+1)など)が高レベルとされて当該画素の変換ゲインGが小さいので、低ゲインのG信号又はB信号がn行目の各列の画素信号として光信号蓄積容量CSに蓄積される。この動作は、n行目の全ての画素1に対して同時並列に実行される。
Next, in the period T7 in the period T1, the optical signal transfer pulse φTS changes to a high level, the optical signal vertical transfer transistor TS is turned on, and the optical signal is stored in the optical signal storage capacitor CS. At this time, the control signal φVg (φVg (m) in the mth column, φVg (m + 1) in the m + 1th column, etc.) of the G pixel and B pixel columns having high sensitivity among the pixels in the nth row is set to the high level. Since the conversion gain G of the pixel is small, a low gain G signal or B signal is accumulated in the optical signal storage capacitor CS as a pixel signal in each column of the nth row. This operation is executed simultaneously in parallel for all the
期間T1後の期間T2において、水平走査回路3からの制御信号φHによる水平走査によって水平転送トランジスタHS,HNが列毎に順次オンされ、蓄積容量CS,CNに蓄積されていた光信号及び暗信号が列毎に順次水平信号線7S,7Nに読み出され、差動出力アンプ8によってそれらの信号の差分が取られて外部へ出力される。このように差分をとることで、相関二重サンプリングが実現され、ノイズ信号が重畳された画素信号からノイズ成分が除去される。
In the period T2 after the period T1, the horizontal transfer transistors HS and HN are sequentially turned on for each column by the horizontal scanning by the control signal φH from the
次に、期間T3,T4において、n行目に関して期間T1,T2に行われたのと同様の動作が、n+1行目について行われる。ただし、期間T3において、n+1行目の画素のうち感度の低いR画素の列の制御信号φVg(m列目のφVg(m)など)が低レベルとされる一方、n+1行目の画素のうち感度の高いG画素の列の制御信号φVg(m+1列目のφVg(m+1)など)が高レベルとされる。その結果、期間T3において、低レベルの制御信号φVgが印加された列(m列目など)の画素のフローティング容量部FCの容量が小さくなって当該列の画素の変換ゲインGが大きくなる一方、高レベルの制御信号φVgが印加された列(m+1列目など)の画素のフローティング容量部FCの容量が大きくなって当該列の画素の変換ゲインGが小さくなる。したがって、低ゲインのG信号及び高ゲインのR信号が画素から得られる。 Next, in the periods T3 and T4, operations similar to those performed in the periods T1 and T2 with respect to the nth row are performed for the (n + 1) th row. However, in the period T3, the control signal φVg (such as φVg (m) in the m-th column) of the low-sensitivity R pixel among the pixels in the n + 1-th row is set to the low level, while the pixel in the n + 1-th row A control signal φVg (such as φVg (m + 1) in the (m + 1) th column) of the G pixel column having a high sensitivity is set to the high level. As a result, in the period T3, the capacitance of the floating capacitor portion FC of the pixel in the column (m-th column or the like) to which the low-level control signal φVg is applied decreases, and the conversion gain G of the pixel in the column increases. The capacity of the floating capacitor portion FC of the pixel in the column (such as the (m + 1) th column) to which the high-level control signal φVg is applied increases, and the conversion gain G of the pixel in the column decreases. Therefore, a low gain G signal and a high gain R signal are obtained from the pixel.
本実施の形態では、このようにして、高感度のG画素及びB画素からは低ゲインの画素信号を得ることができる一方、低感度のR画素からは高ゲインの画素信号を得ることができる。したがって、制御信号φVgの前記高レベル及び前記低レベルを適宜設定することで、各色の画素に対する対応色の入射光量が同じ場合に、各色の画素から得られる画素出力のレベルをほぼ同じにすることができ、RGBの感度の相違を補償して信号レベルを揃えることができる。 In this embodiment, in this way, a low gain pixel signal can be obtained from the high sensitivity G pixel and B pixel, while a high gain pixel signal can be obtained from the low sensitivity R pixel. . Therefore, by appropriately setting the high level and the low level of the control signal φVg, when the incident light amounts of the corresponding colors with respect to the pixels of the respective colors are the same, the levels of the pixel outputs obtained from the pixels of the respective colors are made substantially the same. It is possible to make the signal level uniform by compensating for the difference in sensitivity of RGB.
そして、本実施の形態では、制御信号φVgによりフローティング容量部FCの容量値を調整することで、画素1の変換ゲインGを調整し、これにより信号レベル調整を行うことができる。したがって、このような信号レベル調整は、増幅トランジスタAMPのノイズやリセットノイズなどのノイズ成分の増幅を伴うものではないため、高いSN比で信号レベル調整を行うことができる。よって、本実施の形態のようにRGBの感度の相違の補償に適用した場合、その補償を高いSN比で行うことができる。本実施の形態では、後段の信号処理回路で低感度のR画素の出力を増幅しなくても、RGBの感度の相違を補償することができるので、RGBの感度の相違を高いSN比で補償することができる。
In the present embodiment, the conversion gain G of the
図5は、本実施の形態による固体撮像素子の変換ゲインGと制御信号φVgとの関係の一例を示すグラフである。この例の場合、例えば、低感度のR画素に対して与える低レベルの制御信号φVgを0Vとし、高感度のG画素及びB画素に対して与える高レベルの制御信号φVgを5Vとすることができる。この場合、R画素に対して37μV/e−の高い変換ゲインGが得られ、G画素及びB画素に対して23μV/e−の低い変換ゲインGが得られる。図5から、φVgの電圧を自由に選ぶことによって、変換ゲインGを調整できることがわかる。 FIG. 5 is a graph showing an example of the relationship between the conversion gain G and the control signal φVg of the solid-state imaging device according to the present embodiment. In this example, for example, the low level control signal φVg given to the low-sensitivity R pixel is set to 0V, and the high level control signal φVg given to the high-sensitivity G pixel and B pixel is set to 5V. it can. In this case, a high conversion gain G of 37 μV / e− is obtained for the R pixel, and a low conversion gain G of 23 μV / e− is obtained for the G pixel and the B pixel. FIG. 5 shows that the conversion gain G can be adjusted by freely selecting the voltage of φVg.
以上、本発明の固体撮像素子をRGBの感度の相違の補償に用いる例について説明した。しかしながら、本発明の固体撮像素子は、このような用途に限定されるものではなく、種々の信号レベル調整に用いることができる。 In the above, the example which uses the solid-state image sensor of this invention for compensation of the difference in RGB sensitivity was demonstrated. However, the solid-state imaging device of the present invention is not limited to such applications, and can be used for various signal level adjustments.
本実施の形態では、フローティング容量制御回路4は、同じ色の画素1にはその読み出し時において同じレベルの制御信号φVgを与えることで、同じ色の画素1のフローティング容量部FCの容量値が、当該画素1からの信号読み出し時においてほぼ同じ値になるように、各画素1のフローティング容量部FCのゲート電極37に制御信号φVgを供給し、各色ごとにフローティング容量部FCの容量値を制御している。そして、本実施の形態では、フローティング容量制御回路4は、高レベルと低レベルの2値の信号を制御信号φVgとして供給し、フローティング容量部FCの容量値は2値のいずれかに調整されている。しかしながら、本発明は、このような例に限定されるものではない。
In the present embodiment, the floating
例えば、前記フローティング容量制御回路4は、外部からの指令信号に応じて、3値以上の多値の制御信号φVgあるいはアナログの制御信号φVgを出力し得るように構成してもよい。この場合、例えば、フローティング容量制御回路4が、カメラ内で当該固体撮像素子外から、ホワイトバランス調整指令信号を受けて、その指令信号に応じた制御信号φVgを各画素1に供給して、各色ごとにフローティング容量部FCの容量値を制御することで、高いSN比でホワイトバランスをとることができる。また、例えば、室内や夜間等においてストロボを使わずに高感度撮影を行う場合、カメラ内の当該固体撮像素子外からその旨の指令信号に応じて、通常撮影時に比べて、各画素の変換ゲインGが高まるように制御信号φVgを制御することで、高いSN比で高感度撮影を行うことができる。このとき、変換ゲインGのダイナミックレンジが所望の範囲となるように、フローティングディフュージョン31,32の容量値やMOS容量MCの容量値可変範囲などを適宜設定しておけばよい。これらの点は、後述する各実施の形態についても同様である。
For example, the floating
[第2の実施の形態] [Second Embodiment]
図6は、本発明の第2の実施の形態による固体撮像素子を示す概略断面図であり、図3に対応している。図6において、図3中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 6, elements that are the same as or correspond to those in FIG. 3 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、前記第1の実施の形態に比べて、MOS容量MCのゲート長(ゲート電極37の図3中の左右方向の長さ)が長くなっている点のみである。
The present embodiment differs from the first embodiment in that the gate length of the MOS capacitor MC (the left and right sides of the
本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。また、本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態に比べて、MOS容量MCの容量値の可変幅が大きくなり、ひいては、フローティング容量部FCの容量値の可変幅が大きくなる。 Also in this embodiment, the same advantages as those in the first embodiment can be obtained. Further, according to the present embodiment, the variable width of the capacitance value of the MOS capacitor MC becomes larger than that of the first embodiment, and as a result, the variable width of the capacitance value of the floating capacitor portion FC becomes larger.
[第3の実施の形態] [Third Embodiment]
図7は、本発明の第3の実施の形態による固体撮像素子を示す概略断面図であり、図3に対応している。図7において、図3中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 7, elements that are the same as or correspond to those in FIG. 3 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、以下に説明する点のみである。前記第1の実施の形態では、前述したように、MOS容量MCにおけるゲート電極37下の半導体領域(P型ウエル領域)の不純物濃度は、当該半導体領域のフローティングディフュージョン32側からその反対側にかけて、ほぼ一定である。これに対して、本実施の形態では、図7に示すように、MOS容量MCにおけるゲート電極37下の半導体領域(P型ウエル領域)のうちのフローティングディフュージョン32側の領域60aの不純物濃度の方が、当該半導体領域のうちのその反対側の領域60bの不純物濃度よりも低く設定されている。例えば、領域60aの不純物濃度はp型で1×1016/cm3であり、領域60bの不純物濃度はp型で8×1016/cm3である。
This embodiment is different from the first embodiment only in the points described below. In the first embodiment, as described above, the impurity concentration of the semiconductor region (P-type well region) under the
このようにゲート電極37下の半導体領域の不純物濃度を設定すると、領域60aと領域60bとで反転層50のできる電圧が異なるため、印加電圧(制御信号)φVgを上げていくと、まず、領域60aに反転層50ができ、更に印加電圧φVgを上げていくと領域60bにも反転層ができる。したがって、本実施の形態によれば、図8に示すように、前記第1の実施の形態に比べて、印加電圧φVgに対して変換ゲインGを緩やかに変えることができ、MOS容量MC(ひいては、フローティング容量部FC)の容量値の調整が容易になる。なお、図8は、本実施の形態による固体撮像素子の変換ゲインGと制御信号φVgとの間係の一例を示すグラフである。図8には、第1の実施の形態による固体撮像素子の変換ゲインGと制御信号φVgとの関係の一例(図5に示すものと同じ)も併せて記載してある。
When the impurity concentration of the semiconductor region under the
以上の点以外については、本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。 Except for the above points, the present embodiment can provide the same advantages as those of the first embodiment.
なお、本実施の形態では、ゲート電極37下の半導体領域の不純物濃度を2段階に段階的に変えたが、フローティングディフュージョン32側の不純物濃度が相対的に低くなるように、3段階以上に段階的に変えてもよいし、連続的に変えてもよい。
In the present embodiment, the impurity concentration of the semiconductor region under the
[第4の実施の形態] [Fourth Embodiment]
図9は、本発明の第4の実施の形態による固体撮像素子を示す概略断面図であり、図3に対応している。図9において、図3中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 9, elements that are the same as or correspond to those in FIG. 3 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、本実施の形態では、MOS容量MCのゲート電極37下の半導体領域(P型ウエル領域)と隣接して配置されたN型拡散領域70が追加され、フローティング容量部FCが、フローティングディフュージョン31,32及びMOS容量MCの他に、N型拡散領域70による拡散容量も含んでいる点のみである。なお、N型拡散領域70は、ゲート電極37側の端部に、LDD構造を構成する低不純物濃度のN型拡散領域70aを有しているが、このようなLDD構造は必ずしも必要ではない。
This embodiment differs from the first embodiment in this embodiment in that the N-type diffusion disposed adjacent to the semiconductor region (P-type well region) under the
本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。また、本実施の形態では、制御信号φVgが小さければMOS容量MCのゲート電極37の下に反転層50ができないため、フローティング容量部FCの容量値には拡散領域70による拡散容量の容量値は加わらない。これに対し、制御信号φVgが大きくなると、反転層50を介して拡散領域70がフローティングディフュージョン32と繋がるため、フローティング容量部FCの容量値には、拡散領域70による拡散領域の容量値も加わる。したがって、本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態に比べて、フローティング容量部FCの容量値の可変幅が大きくなる。
According to the present embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained. In the present embodiment, if the control signal φVg is small, the
ところで、一旦制御信号φVgが大きくなって拡散領域70に電荷が蓄積された後に、制御信号φVgが小さくなってMOS容量MCのゲート電極37下の半導体領域に反転層50ができなくなると、拡散領域70に蓄積されていた電荷はそのまま拡散領域70に残留することになる。したがって、当該残留電荷をそのまま放置するとすれば、次回に信号電荷が新たに拡散領域70に蓄積されようとしたときに、新たな信号電荷が残留電荷に重畳されることになり、適切な電荷電圧変換が行われなくなってしまう。このため、前述した図4に示すタイミングチャートに従って動作させると、適切な電荷電圧変換が行われなくなってしまう。
By the way, once the control signal φVg is increased and charges are accumulated in the
そこで、本実施の形態による固体撮像素子は、図4に示すタイミングチャートによる動作に代えて、例えば、図10に示すタイミングチャートによる動作が行われる。図10に示す動作が図4に示す動作と異なる所は、期間T1,T3のような各行の行選択期間(各行の読み出し期間)の直前の各期間Tresにおいて、全ての列の制御信号φVgを高レベルにする点のみである。期間Tresにおいては、リセットパルスφRESが高レベルでリセットトランジスタRESがオンしている。したがって、期間Tresにおいて、制御信号φVgを高レベルにすることで、MOS容量MCがなすトランジスタがオンになるので、拡散領域70に蓄積されていた残留電荷が、MOS容量MC及びリセットトランジスタRESを経由して排出され、当該残留電荷がリセットされる。よって、本実施の形態による固体撮像素子は、図10に示すタイミングチャートによる動作を行うことで、適切な電荷電圧変換が行われることになる。
Therefore, the solid-state imaging device according to the present embodiment performs, for example, an operation according to the timing chart shown in FIG. 10 instead of the operation according to the timing chart shown in FIG. The operation shown in FIG. 10 differs from the operation shown in FIG. 4 in that the control signals φVg of all the columns are set in each period Tres immediately before the row selection period (reading period of each row) such as periods T1 and T3. It is only a point to make it a high level. In the period Tres, the reset pulse φRES is at a high level and the reset transistor RES is on. Therefore, by setting the control signal φVg to a high level in the period Tres, the transistor formed by the MOS capacitor MC is turned on, so that the residual charge accumulated in the
[第5の実施の形態] [Fifth Embodiment]
図11は、本発明の第5の実施の形態による固体撮像素子を示す概略断面図であり、図9に対応している。図11において、図9中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 11, elements that are the same as or correspond to those in FIG. 9 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.
本実施の形態による固体撮像素子が前記第4の実施の形態による固体撮像素子と異なる所は、MIMキャパシタ80が追加されている点のみである。MIMキャパシタ80は、金属電極81,82と、その間のシリコン酸化層等の絶縁層83とから構成されている。MIMキャパシタ80の一方の電極81は、拡散領域70と電気的に接続されている。したがって、本実施の形態によれば、フローティング容量部FCは、フローティングディフュージョン31,32、MOS容量MC及びN型拡散領域70による拡散容量の他に、MIMキャパシタ80も含んでいる。
The solid-state imaging device according to the present embodiment is different from the solid-state imaging device according to the fourth embodiment only in that an MIM capacitor 80 is added. The MIM capacitor 80 includes
本実施の形態によっても前記第4の実施の形態と同様の利点が得られる。しかも、本実施の形態によれば、MIMキャパシタ80の分だけ、フローティング容量部FCの容量値の可変幅が更に大きくなる。 This embodiment can provide the same advantages as those of the fourth embodiment. Moreover, according to the present embodiment, the variable width of the capacitance value of the floating capacitor portion FC is further increased by the amount of the MIM capacitor 80.
なお、本実施の形態による固体撮像素子も、前記第4の実施の形態による固体撮像素子と同様に、図4に示すタイミングチャートによる動作に代えて、例えば、図10に示すタイミングチャートによる動作が行われる。 Note that the solid-state imaging device according to the present embodiment also operates according to the timing chart shown in FIG. 10, for example, instead of the operation according to the timing chart shown in FIG. 4, similarly to the solid-state imaging device according to the fourth embodiment. Done.
[第6の実施の形態] [Sixth Embodiment]
図12は、本発明の第6の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図であり、図1に対応している。図1では3×3個の画素1を示しているのに対し、図12では6×3個の画素1(3×3個の画素ブロック101)を示している。図13は、図12に示す固体撮像素子の2×2個の画素1(1×2個の画素ブロック101)を模式的に示す概略平面図であり、図2に対応している。図14は、図13中のB−B’線に沿った概略断面図である。図15は、図13中のC−C’線に沿った概略断面図である。図12乃至図15において、図1乃至図3中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
FIG. 12 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. FIG. 1
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、列方向に隣り合う2つの画素1毎に、当該2つの画素1が1組のフローティング容量部FC、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有している点と、これに伴って各要素の配置が変更されている点のみである。図12及び図13では、1組のフローティング容量部FC、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有する2つの画素1を、画素ブロック101として示している。また、図12及び図13では、画素ブロック101内の上側の画素1のフォトダイオードPD及び転送トランジスタTXをそれぞれ符号PDA,TXAで示し、画素ブロック101内の下側の画素1のフォトダイオードPD及び転送トランジスタTXをそれぞれ符号PDB,TXBで示し、両者を区別している。また、転送トランジスタTXAのゲート電極36に供給される制御信号をφTXAとし、転送トランジスタTXBのゲート電極36に供給される制御信号をφTXBとし、両者を区別している。なお、図1ではnは画素行を示しているが、図12ではnは画素ブロック101の行を示している。
This embodiment is different from the first embodiment in that, for each of two
図16は、本実施の形態による固体撮像素子の読み出し動作の一例を示すタイミングチャートであり、図4に対応している。なお、ベイヤー配列が採用され、各画素のカラーフィルタの色が図12に示すように設定されているものとする。ここでも、前記第1の実施の形態の場合と同様に、説明を簡単にするために、B画素とG画素は同じ感度で、R画素のみが感度が低いものとする。 FIG. 16 is a timing chart showing an example of the reading operation of the solid-state imaging device according to the present embodiment, and corresponds to FIG. It is assumed that a Bayer arrangement is adopted and the color filter color of each pixel is set as shown in FIG. Here, as in the case of the first embodiment, in order to simplify the description, it is assumed that the B pixel and the G pixel have the same sensitivity and only the R pixel has a low sensitivity.
本実施の形態では、メカニカルシャッタ(図示せず)が所定の露光期間だけ開かれて各画素ブロック101の各画素1のフォトダイオードPDA,PDBの電荷蓄積層に電荷が蓄積された後、画素ブロック101の各行が順次選択され、各行について順次同じ動作が行われていく。図16は、n行目の画素ブロック101が選択され、引き続いてn+1行目の画素ブロック101が選択された場合の動作を示している。また、図16では、制御信号φVgについては、m列目とm+1列目のみしか示していない。
In the present embodiment, after a mechanical shutter (not shown) is opened for a predetermined exposure period and charges are accumulated in the charge accumulation layers of the photodiodes PDA and PDB of each
図16を図4と比較すると理解できるように、期間T11,T12において、n行目の画素ブロック101の下側の画素1に関して、図4中の期間T1,T2とそれぞれ同様の動作が行われる。次に、期間T13,T14において、n行目の画素ブロック101の上側の画素1に関して、図4中の期間T3,T4とそれぞれ同様の動作が行われる。その後、期間T15,T16,T17,T18において、n+1行目の画素ブロック101に関して、期間T11,T12,T13,T14とそれぞれ同様の動作が行われる。
As can be understood by comparing FIG. 16 with FIG. 4, in periods T11 and T12, operations similar to those in periods T1 and T2 in FIG. . Next, in periods T13 and T14, operations similar to those in periods T3 and T4 in FIG. 4 are performed on the
したがって、本実施の形態によれば、2つの画素1が1組のフローティング容量部FC、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有しているにも拘わらず、前記第1の実施の形態と同様に、各色の画素に対する対応色の入射光量が同じ場合に、各色の画素から得られる画素出力のレベルをほぼ同じにすることができ、RGBの感度の相違を補償して信号レベルを揃えることができ、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる。
Therefore, according to the present embodiment, although the two
そして、本実施の形態では、2つの画素1が1組のフローティング容量部FC、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有しているので、1画素当たりのトランジスタ数を削減することができ、開口率を大きくすることができる。
In this embodiment, since the two
また、本実施の形態では、図13に示すように、画素ブロック101のうちの上側の画素1のフォトダイオードPDAに対する、当該画素ブロック101の2つの画素1が共有する選択トランジスタSEL及び増幅トランジスタAMPのそれぞれのゲート電極40,39の位置関係と、当該画素ブロック101のうちの下側の画素1のフォトダイオードPDBに対する、当該画素ブロック101の2つの画素1が共有するリセットトランジスタRES及びMOS容量MCのそれぞれのゲート電極38,37の位置関係とが、ほぼ同じになっている。したがって、本実施の形態では、各フォトダイオードPDA,PDBに対して光学的な条件がほぼ同じになる。もし、MOS容量MC(したがって、そのゲート電極37)がなければ、フォトダイオードPDAに対しては2つのゲート電極40,39が配置されるのに対し、フォトダイオードPDBに対しては1つのゲート電極38しか配置されないことになる。この場合、フォトダイオードPDA,PDBを外れた光は、フォトダイオードPDAとフォトダイオードPDBとでその近傍に配置されたゲート電極の配置状況の差によって、反射等に差が出てしまう。この差が出力差となって現れてしまい、画質が低下してしまう。これに対し、本実施の形態では、フォトダイオードPDAとフォトダイオードPDBとでその近傍に配置されたゲート電極の配置状況がほぼ同じであるので、画質の低下を抑制することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 13, the selection transistor SEL and the amplification transistor AMP shared by the two
本実施の形態では、列方向に隣り合う2つの画素1毎に、当該2つの画素1が1組のフローティング容量部FC、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有しているが、本発明では、例えば、列方向に隣り合う3つ以上の所定数の画素1毎に、当該所定数の画素1が1組のフローティング容量部FC、増幅トランジスタAMP、リセットトランジスタRES及び選択トランジスタSELを共有するようにしてもよい。
なお、前記第1の実施の形態と変形して前記第2乃至第5の実施の形態を得たとの同様に、本実施の形態を変形してもよい。
In the present embodiment, for every two
The present embodiment may be modified in the same manner as the second to fifth embodiments obtained by modifying the first embodiment.
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
例えば、前記各実施の形態は適宜任意に組み合わせてもよい。例えば、前記第3の実施の形態と前記第4又は第5の実施の形態とを組み合わせてもよい。 For example, the above embodiments may be arbitrarily combined as appropriate. For example, the third embodiment may be combined with the fourth or fifth embodiment.
4 フローティング容量制御回路
PD フォトダイオード
AMP 増幅トランジスタ
RES リセットトランジスタ
TX 転送トランジスタ
SEL 選択トランジスタ
FC フローティング容量部
MC MOS容量
4 Floating capacitance control circuit PD Photodiode AMP Amplifying transistor RES Reset transistor TX Transfer transistor SEL Select transistor FC Floating capacitance section MC MOS capacitance
Claims (11)
前記フローティング容量部は、供給される制御信号に応じて容量値が変化する可変容量部であることを特徴とする固体撮像素子。 A photoelectric conversion unit that generates and accumulates signal charges according to incident light, a floating capacitance unit that receives the signal charges and converts the signal charges into a voltage, an amplification transistor that outputs a signal according to the potential of the floating capacitance unit, A solid-state imaging device including a plurality of pixels each having a transfer transistor that transfers charges from the photoelectric conversion unit to the floating capacitance unit, and a reset transistor that resets the potential of the floating capacitance unit,
The solid-state imaging device, wherein the floating capacitance portion is a variable capacitance portion whose capacitance value changes according to a supplied control signal.
前記選択トランジスタのゲート電極は、行毎に共通して電気的に接続され、
前記MOS容量のゲート電極は、列毎に共通して電気的に接続されたことを特徴とする請求項2記載の固体撮像素子。 The pixel has a selection transistor for selecting the pixel,
The gate electrode of the selection transistor is electrically connected in common for each row,
3. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the gate electrode of the MOS capacitor is electrically connected in common for each column.
前記複数の画素のうちの2つの画素毎に、当該2つの画素が1組の前記フローティング容量部、前記増幅トランジスタ、前記リセットトランジスタ及び前記選択トランジスタを共有し、
前記2つの画素のうちの一方の画素の前記光電変換部に対する、当該2つの画素が共有する前記選択トランジスタ及び前記増幅トランジスタのそれぞれのゲート電極の位置関係と、前記2つの画素のうちの他方の画素の前記光電変換部に対する、当該2つの画素が共有する前記リセットトランジスタ及び前記MOS容量のそれぞれのゲート電極の位置関係とが、ほぼ同じである、
ことを特徴とする請求項請求項2乃至7のいずれかに記載の固体撮像素子。 The pixel has a selection transistor for selecting the pixel,
For every two pixels of the plurality of pixels, the two pixels share a set of the floating capacitor, the amplification transistor, the reset transistor, and the selection transistor,
The positional relationship between the gate electrodes of the selection transistor and the amplification transistor shared by the two pixels with respect to the photoelectric conversion unit of one of the two pixels, and the other of the two pixels The positional relationship between the gate electrode of each of the reset transistor and the MOS capacitor shared by the two pixels with respect to the photoelectric conversion unit of the pixel is substantially the same.
The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the solid-state imaging device is provided.
前記複数の画素の前記フローティング容量部に前記制御信号を供給する制御部を備え、
前記制御部は、同じ色のカラーフィルタが設けられた画素のフローティング容量部の容量値が、当該画素からの信号読み出し時においてほぼ同じ容量値となるように、前記制御信号を供給することを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の固体撮像素子。 The plurality of pixels are divided into a plurality of groups, and color filters of different colors are provided for each group,
A control unit that supplies the control signal to the floating capacitance units of the plurality of pixels;
The control unit supplies the control signal so that a capacitance value of a floating capacitance unit of a pixel provided with a color filter of the same color is substantially the same when reading a signal from the pixel. The solid-state imaging device according to claim 1.
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