JP2010186826A - 電荷検出装置及び電荷検出方法、並びに固体撮像装置及びその駆動方法、並びに撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】P型ウェル7を有するシリコン基板6と、P型ウェルに設けられたN+型のドレイン領域24及びソース領域25と、ドレイン領域24及びソース領域25の間に設けられたN型のチャネル領域23と、チャネル領域の上方に設けられたゲート28と、水平転送レジスタから転送された信号電荷を蓄積するN+型の電荷蓄積領域21と、チャネル領域23と電荷蓄積領域21との間に設けられたP型のチャネルバリア領域22と、電荷蓄積領域21に蓄積された信号電荷を掃き捨てるN+型のリセットドレイン部19を有する。
【選択図】図2
Description
ここで示す固体撮像装置では、トランジスタを構成する環状のゲート101が形成されており、ゲートの中央開口に対応するP型基板102のN型ウェル103表面にN+型のソース領域104が形成されている。また、ゲート101の周辺に対応するN型ウェル103表面にN+型のドレイン領域105が形成されている。更に、ソース領域104とドレイン領域105との間には、環状のP型のチャネル領域106が形成されており、チャネル領域106の下方に環状のN+型の電荷蓄積領域107が形成されている(例えば、特許文献1参照。)。
1.第1の実施の形態(CCD型固体撮像装置(エリアセンサ))
2.第2の実施の形態(CCD型固体撮像装置(リニアセンサ))
3.第3の実施の形態(CMOS型固体撮像装置)
4.第4の実施の形態(撮像装置)
[固体撮像装置の構成]
図1(a)は本発明を適用した固体撮像装置の一例であるCCD型固体撮像装置(エリアセンサ)を説明するための模式的な平面図である。また、図1(b)は本発明を適用した固体撮像装置の一例であるCCD型固体撮像装置(エリアセンサ)の水平転送レジスタの最終出力段(図1(a)中符号aで示す領域)を説明するための模式的な断面図である。なお、以下に示すBCD構成の電荷検出装置は、本発明を適用した電荷検出装置の一例でもある。
即ち、BCD部17、リセットドレイン部19及び電極20によってBCD構成の電荷検出装置を実現している。そして、出力ゲート部15から出力された信号電荷は、こうしたBCD構成の電荷検出装置によって、電荷検出がなされることとなる。
即ち、電荷蓄積領域21に信号電荷が蓄積されると、チャネル領域23の抵抗値に変化が生じ、ドレイン領域24、ソース領域25及びゲートとして機能する電極28から構成されるトランジスタの閾値が変化することとなる。そのために、電極26及び電極28に一定電圧が印加される様に構成し、トランジスタの閾値電圧の変化を電極27の電圧値の変動で検出可能としている。こうすることで、電極27からの出力信号(電圧値)によって、電荷蓄積領域21に蓄積された信号電荷量の検出が可能となるのである。
以下、上記の様に構成された固体撮像装置(エリアセンサ)の動作について説明を行う。即ち、本発明を適用した固体撮像装置の駆動方法の一例について説明を行う。なお、上記のBCD構成の電荷検出装置の動作については、本発明を適用した電荷検出方法の一例でもある。
垂直転送クロックの印加によって、受光部1から垂直転送レジスタ3に読み出した信号電荷が垂直方向に転送されることとなり、垂直転送レジスタ3によって垂直転送された信号電荷は水平転送レジスタ4に転送されることとなる。
即ち、従来のBCD構成の電荷検出装置では、信号電荷を掃き捨てる領域が信号電荷量を検出するトランジスタのドレイン領域と共通であったために、信号電荷量の検出後の掃き捨て動作時にソース−ドレイン間に電流が流れていた。これに対して、本発明を適用した固体撮像装置の電荷検出装置では、ドレイン領域24とリセットドレイン部19を別個に設けているために、信号電荷量の検出後の掃き捨て動作時にソース−ドレイン間に電流が流れることがない。そのために、上述の通り、消費電力の低減を実現することができるのである。
即ち、電荷検出装置の製造時に、ドレイン領域24とリセットドレイン領域19とを同時に形成することもできるし、ドレイン領域24とリセットドレイン領域19とを別々に形成することもできる。そのため、電荷検出装置の製造時の状況に応じて形成方法を選択することができることとなり、上述の様に、電荷検出装置の製造時に好都合である。
第1の実施の形態では、P型ウェル7にN+型の電荷蓄積領域21、P型のチャネルバリア領域22、N型のチャネル領域23、N+型のドレイン領域24、N+型のソース領域25が設けられた場合を例に挙げて説明を行っている。即ち、電荷蓄積領域21及びチャネル領域23のキャリアが共に電子である場合を例に挙げて説明を行っている。しかし、電荷蓄積領域21及びチャネル領域23のキャリアが共通していれば良く、そのキャリアは必ずしも電子である必要はなく、キャリアがホールであっても良い。
第1の実施の形態では、チャネル領域23がP型ウェル7に埋め込まれて構成された場合を例に挙げて説明を行っている。しかし、チャネル領域23は電荷蓄積領域21とキャリアが共通するように構成されていれば充分であって、必ずしもP型ウェル7に埋め込まれて構成される必要はない。但し、上述の様に、チャネル領域23がP型ウェル7に埋め込まれることによってRTS雑音を低減することができるために、RTS雑音低減という観点を考慮した場合には、チャネル領域23がP型ウェル7に埋め込まれた構成を採った方が好ましい。
[固体撮像装置の構成]
図4(a)は本発明を適用した固体撮像装置の他の一例であるCCD型固体撮像装置(リニアセンサ)を説明するための模式的な平面図である。また、図4(b)は本発明を適用した固体撮像装置の他の一例であるCCD型固体撮像装置(リニアセンサ)の転送レジスタの最終出力段を説明するための模式的な断面図である。なお、以下に示すBCD構成の電荷検出装置は、本発明を適用した電荷検出装置の一例でもある。
即ち、BCD部17A、リセットドレイン部19A及び電極20AによってBCD構成の電荷検出装置を実現している。そして、出力ゲート部15Aから出力された信号電荷は、こうしたBCD構成の電荷検出装置によって、電荷検出がなされることとなる。
即ち、電荷蓄積領域21Aに信号電荷が蓄積されると、チャネル領域23Aの抵抗値に変化が生じ、ドレイン領域24A、ソース領域25A及びゲートとして機能する電極28Aから構成されるトランジスタの閾値電圧が変化することとなる。そのために、電極26A及び電極28Aに一定電圧が印加される様に構成し、トランジスタの閾値の変化を電極27Aの電圧値の変動で検出可能としている。こうすることで、電極27Aからの出力信号(電圧値)によって、電荷蓄積領域21Aに蓄積された信号電荷量の検出が可能となるのである。
即ち、BCD部17B、リセットドレイン部19B及び電極20BによってBCD構成の電荷検出装置を実現している。そして、出力ゲート部15Bから出力された信号電荷は、こうしたBCD構成の電荷検出装置によって、電荷検出がなされることとなる。
即ち、電荷蓄積領域21Bに信号電荷が蓄積されると、チャネル領域23Bの抵抗値に変化が生じ、ドレイン領域24B、ソース領域25B及びゲートとして機能する電極28Bから構成されるトランジスタの閾値電圧が変化することとなる。そのために、電極26B及び電極28Bに一定電圧が印加される様に構成し、トランジスタの閾値の変化を電極27Bの電圧値の変動で検出可能としている。こうすることで、電極27Bからの出力信号(電圧値)によって、電荷蓄積領域21Bに蓄積された信号電荷量を検出が可能となるのである。
以下、上記の様に構成された固体撮像装置(リニアセンサ)の動作について説明を行う。即ち、本発明を適用した固体撮像装置の駆動方法の他の一例について説明を行う。なお、上記のBCD構成の電荷検出装置の動作については、本発明を適用した電荷検出方法の一例でもある。
即ち、従来のBCD構成の電荷検出装置では、信号電荷を掃き捨てる領域が信号電荷量を検出するトランジスタのドレイン領域と共通であったために、信号電荷量の検出後の掃き捨て動作時にソース−ドレイン間に電流が流れていた。これに対して、本発明を適用した固体撮像装置における第1のCCDリニアセンサ32の電荷検出装置では、ドレイン領域24Aとリセットドレイン部19Aを別個に設けている。そのために、信号電荷量の検出後の掃き捨て動作時にソース−ドレイン間に電流が流れることがなく、上述の通り、消費電力の低減を実現することができるのである。
即ち、従来のBCD構成の電荷検出装置では、信号電荷を掃き捨てる領域が信号電荷量を検出するトランジスタのドレイン領域と共通であったために、信号電荷量の検出後の掃き捨て動作時にソース−ドレイン間に電流が流れていた。これに対して、本発明を適用した固体撮像装置における第2のCCDリニアセンサ39の電荷検出装置では、ドレイン領域24Bとリセットドレイン部19Bを別個に設けている。そのために、信号電荷量の検出後の掃き捨て動作時にソース−ドレイン間に電流が流れることがなく、上述の通り、消費電力の低減を実現することができるのである。
即ち、電荷検出装置の製造時に、ドレイン領域24Aとリセットドレイン領域19Aとを同時に形成することもできるし、ドレイン領域24Aとリセットドレイン領域19Aとを別々に形成することもできる。そのため、電荷検出装置の製造時の状況に応じて形成方法を選択することができることとなり、上述の様に、電荷検出装置の製造時に好都合である。
即ち、電荷検出装置の製造時に、ドレイン領域24Bとリセットドレイン領域19Bとを同時に形成することもできるし、ドレイン領域24Bとリセットドレイン領域19Bとを別々に形成することもできる。そのため、電荷検出装置の製造時の状況に応じて形成方法を選択することができることとなり、上述の様に、電荷検出装置の製造時に好都合である。
第2の実施の形態では、P型ウェル7にN+型の電荷蓄積領域21A、P型のチャネルバリア領域22A、N型のチャネル領域23A、N+型のドレイン領域24A、N+型のソース領域25Aが設けられた場合を例に挙げて説明を行っている。即ち、第1のCCDリニアセンサ32の電荷検出装置の電荷蓄積領域21A及びチャネル領域23Aのキャリアが共に電子である場合を例に挙げて説明を行っている。しかし、電荷蓄積領域21A及びチャネル領域23Aのキャリアが共通していれば良く、そのキャリアは必ずしも電子である必要はなく、キャリアがホールであっても良い。
第2の実施の形態では、チャネル領域23A,23BがP型ウェル7に埋め込まれて構成された場合を例に挙げて説明を行っている。しかし、チャネル領域23A,23Bは電荷蓄積領域21A,21Bとキャリアが共通するように構成されれば充分であって、必ずしもP型ウェル7に埋め込まれて構成される必要はない。但し、上述の様に、チャネル領域23A,23BがP型ウェル7に埋め込まれることによってRTS雑音を低減することができる。そのために、RTS雑音低減という観点を考慮した場合には、チャネル領域23A,23BがP型ウェル7に埋め込まれた構成を採った方が好ましい。
[固体撮像装置の構成]
図5は本発明を適用した固体撮像装置の更に他の一例である裏面照射型のCMOS型固体撮像装置を説明するための概略構成図である。ここで示す固体撮像装置51は、画素部52と、周辺回路部とを有しており、これらが同一のシリコン基板上に搭載された構成となっている。第3の実施の形態では、周辺回路部として、垂直選択回路53、サンプルホールド相関二重サンプリング回路(S/H・CDS)54と、水平選択回路55と、タイミングジェネレータ(TG)56とを有する。更に、AGC回路57と、A/D変換回路58と、デジタルアンプ59とを有する。
即ち、BCD部85、リセットドレイン部88及び電極によってBCD構成の電荷検出装置を実現している。そして、受光部70で蓄積された信号電荷は、こうしたBCD構成の電荷検出装置によって、電荷検出がなされることとなる。
図2で示す様に、BCD部85は、受光部70から転送された信号電荷が蓄積されるN+型の電荷蓄積領域91と、電荷蓄積領域91の上方領域(シリコン基板の表面側領域)に設けられたP型のチャネルバリア領域92を有する。また、チャネルバリア領域92の上方領域(シリコン基板の表面側領域)に、P型ウェル7に埋め込まれて設けられたN型のチャネル領域93を有する。更に、チャネル領域93を挟む様にN+型のドレイン領域94及びソース領域95が設けられている。
即ち、電荷蓄積領域91に信号電荷が蓄積されると、チャネル領域93の抵抗値に変化が生じ、トレイン領域94、ソース領域95及びゲートとして機能する電極98から構成されるトランジスタの閾値電圧が変化することとなる。そのために、電極96及び電極98に一定電圧が印加される様に構成し、トランジスタの閾値の変化を電極97の電圧値の変動で検出可能としている。こうすることで、電極97からの出力信号(電圧値)によって、電荷蓄積領域91に蓄積された信号電荷量の検出が可能となるのである。
以下、上記の様に構成された固体撮像装置の動作について説明を行う。即ち、本発明を適用した固体撮像装置の駆動方法の更に他の一例について説明を行う。なお、上記のBCD構成の電荷検出装置の動作については、本発明を適用した電荷検出方法の一例でもある。
なお、電荷蓄積期間においては、転送トランジスタ62のゲート電極には負電圧が印加されており、転送トランジスタ62はオフの状態となっている。
なお、正電荷は、例えば電源電圧(3.3Vあるいは2.7V)である。
即ち、従来のBCD構成の電荷検出装置では、信号電荷を掃き捨てる領域が信号電荷量を検出するトランジスタのドレイン領域と共通であったために、信号電荷量の検出後の掃き捨て動作時にソース−ドレイン間に電流が流れていた。これに対して、本発明を適用した固体撮像装置の電荷検出装置では、ドレイン領域94とリセットドレイン部88を別個に設けているために、信号電荷量の検出後の掃き捨て動作時にソース−ドレイン間に電流が流れることがない。そのために、上述の通り、消費電力の低減を実現することができるのである。
即ち、電荷検出装置の製造時に、ドレイン領域94とリセットドレイン領域88とを同時に形成することもできるし、ドレイン領域94とリセットドレイン領域88とを別々に形成することもできる。そのため、電荷検出装置の製造時の状況に応じて形成方法を選択することができることとなり、上述の様に、電荷検出装置の製造時に好都合である。
第3の実施の形態では、P型ウェル7にN+型の電荷蓄積領域91、P型のチャネルバリア領域92、N型のチャネル領域93、N+型のドレイン領域94、N+型のソース領域95が設けられた場合を例に挙げて説明を行っている。即ち、電荷蓄積領域91及びチャネル領域93のキャリアが共に電子である場合を例に挙げて説明を行っている。しかし、電荷蓄積領域91及びチャネル領域93のキャリアが共通していれば良く、そのキャリアは必ずしも電子である必要はなく、キャリアがホールであっても良い。
第3の実施の形態では、チャネル領域93がP型ウェル7に埋め込まれて構成された場合を例に挙げて説明を行っている。しかし、チャネル領域93は電荷蓄積領域91とキャリアが共通するように構成されれば充分であって、必ずしもP型ウェル7に埋め込まれて構成される必要はない。但し、上述の様に、チャネル領域93がP型ウェル7に埋め込まれることによってRTS雑音を低減することができるために、RTS雑音低減という観点を考慮した場合には、チャネル領域93がP型ウェル7に埋め込まれた構成を採った方が好ましい。
[撮像装置の構成]
図8は本発明を適用した撮像装置の一例であるカメラ77を説明するための模式図である。そして、ここで示すカメラ77は、上記した第3の実施の形態の固体撮像装置を撮像デバイスとして用いたものである。
なお、メカニカルシャッタ72の開閉制御、駆動回路74の制御、信号処理回路75の制御等は、システムコントローラ76によって行われる。
2 読み出しゲート
3 垂直転送レジスタ
4 水平転送レジスタ
5 チャネルストップ領域
6 N型シリコン基板
7 P型ウェル
8 チャネル領域
9 トランスファ領域
10 ストレージ領域
14,14A,14B HOG電極
15,15A,15B 出力ゲート部
17,17A,17B BCD部
19,19A,19B リセットドレイン部
20,20A,20B 電極
21,21A,21B 電荷蓄積領域
22,22A,22B チャネルバリア領域
23,23A,23B チャネル領域
24,24A,24B ドレイン領域
25,25A,25B ソース領域
26,26A,26B 電極
27,27A,27B 電極
28,28A,28B 電極
31 CCD型固体撮像装置(リニアセンサ)
32 第1のCCDリニアセンサ
33 光電変換部
34 第1のセンサ列
35 第1の読み出しゲート
36 第1の転送レジスタ
37 第1のオーバーフローコントロールバリア
38 オーバーフロードレイン
39 第2のCCDリニアセンサ
40 第2のセンサ列
41 第2の読み出しゲート
42 第2の転送レジスタ
43 第2のオーバーフローコントロールバリア
51 固体撮像装置(CMOS型)
52 画素部
53 垂直選択回路
54 サンプルホールド相関二重サンプリング回路
55 水平選択回路
56 タイミングジェネレータ
57 AGC回路
58 A/D変換回路
59 デジタルアンプ
61 フォトダイオード
62 転送トランジスタ
63 増幅トランジスタ
64 アドレストランジスタ
65 リセットトランジスタ
66,68,69 駆動配線
70 受光部
71 レンズ
72 シリコン基板
73 固体撮像装置
74 駆動回路
75 信号処理回路
76 システムコントローラ
77 カメラ
78 メカニカルシャッタ
80 素子分離絶縁膜
81 電荷蓄積領域
82 P型ウェル
85 BCD部
86 P型領域
88 リセットドレイン部
91 電荷蓄積領域
92 チャネルバリア領域
93 チャネル領域
94 ドレイン領域
95 ソース領域
96,97,98 電極
Claims (6)
- 第1導電型の所定領域を有する基板と、
該基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型のドレイン領域と、
前記基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型のソース領域と、
前記ドレイン領域と前記ソース領域との間に設けられた第2導電型のチャネル領域と、
該チャネル領域上に絶縁膜を介して形成されたゲートと、
前記基板の前記所定領域内に設けられると共に、測定対象である信号電荷を蓄積することにより前記ドレイン領域、前記ソース領域及び前記ゲートを有して構成されるトランジスタの閾値電圧を変化させる第2導電型の電荷蓄積領域と、
前記チャネル領域と前記電荷蓄積領域との間に設けられた第1導電型のチャネルバリア領域と、
前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て領域とを備える
電荷検出装置。 - 前記チャネル領域は、前記所定領域内に埋め込まれている
請求項1に記載の電荷検出装置。 - 測定対象である信号電荷を、基板が有する第1導電型の所定領域内に設けられた第2導電型の電荷蓄積領域に蓄積する工程と、
前記電荷蓄積領域に信号電荷を蓄積することにより、前記基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型のドレイン領域と、前記基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型のソース領域と、前記ドレイン領域と前記ソース領域との間に設けられると共に、前記電荷蓄積領域との間に第1導電型のチャネルバリア領域が設けられた第2導電型のチャネル領域上に絶縁膜を介して形成されたゲートとを有して構成されるトランジスタに生じる閾値電圧の変化を検出する工程と、
前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を、前記ドレイン領域とは異なる電荷掃き捨て領域に掃き捨てる工程とを備える
電荷検出方法。 - 第1導電型の所定領域を有する基板と、
該基板の前記所定領域内に設けられ、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換素子と、
前記基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型のドレイン領域と、
前記基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型のソース領域と、
前記ドレイン領域と前記ソース領域との間に設けられた第2導電型のチャネル領域と、
該チャネル領域上に絶縁膜を介して形成されたゲートと、
前記基板の前記所定領域内に設けられると共に、前記光電変換素子で発生した信号電荷を蓄積することにより前記ドレイン領域、前記ソース領域及び前記ゲートを有して構成されるトランジスタの閾値電圧を変化させる第2導電型の電荷蓄積領域と、
前記チャネル領域と前記電荷蓄積領域との間に設けられた第1導電型のチャネルバリア領域と、
前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て領域とを備える
固体撮像装置。 - 基板が有する第1導電型の所定領域内に設けられた光電変換素子により入射光に応じた信号電荷を発生する工程と、
前記光電変換素子で発生した信号電荷を、前記基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型の電荷蓄積領域に蓄積する工程と、
前記電荷蓄積領域に信号電荷を蓄積することにより、前記基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型のドレイン領域と、前記基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型のソース領域と、前記ドレイン領域と前記ソース領域との間に設けられると共に、前記電荷蓄積領域との間に第1導電型のチャネルバリア領域が設けられた第2導電型のチャネル領域上に絶縁膜を介して形成されたゲートとを有して構成されるトランジスタに生じる閾値電圧の変化を検出する工程と、
前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を、前記ドレイン領域とは異なる電荷掃き捨て領域に掃き捨てる工程とを備える
固体撮像装置の駆動方法。 - 第1導電型の所定領域を有する基板と、該基板の前記所定領域内に設けられ、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換素子と、前記基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型のドレイン領域と、前記基板の前記所定領域内に設けられた第2導電型のソース領域と、前記ドレイン領域と前記ソース領域との間に設けられた第2導電型のチャネル領域と、該チャネル領域上に絶縁膜を介して形成されたゲートと、前記基板の前記所定領域内に設けられると共に、前記光電変換素子で発生した信号電荷を蓄積することにより前記ドレイン領域、前記ソース領域及び前記ゲートを有して構成されるトランジスタの閾値電圧を変化させる第2導電型の電荷蓄積領域と、前記チャネル領域と前記電荷蓄積領域との間に設けられた第1導電型のチャネルバリア領域と、前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て領域とを有する固体撮像装置と、
前記光電変換素子に入射光を導く光学系とを備える
撮像装置。
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