JP2011171467A - Solid-state image pickup element and driving method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子及びその駆動方法に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and a driving method thereof.
従来の固体撮像素子は、マトリクス状に配列された複数の画素を備えており、各画素は、1つのフォトダイオードと、1つのトランジスタを含んでいる。また、トランジスタのゲート電極の下方には、キャリアポケットと呼ばれるホールが集まり易い蓄積部が設けられている。フォトダイオードは、入射光の光量に応じてホールを発生させる。発生したホールは、蓄積部に蓄積される。トランジスタの閾値電圧は、蓄積部に蓄積されるホールの数に応じて変化する。そして、閾値電圧の変化に伴って変化するソース電圧を読み出すことによって、入射光の光量に応じたソース電圧、すなわち画素データが得られる。複数の画素データを用いることによって、1枚の画像データが生成される(例えば特許文献1参照)。 A conventional solid-state imaging device includes a plurality of pixels arranged in a matrix, and each pixel includes one photodiode and one transistor. In addition, a storage portion called a carrier pocket that easily collects holes is provided below the gate electrode of the transistor. The photodiode generates holes according to the amount of incident light. The generated holes are accumulated in the accumulation unit. The threshold voltage of the transistor changes according to the number of holes stored in the storage unit. Then, by reading a source voltage that changes with a change in threshold voltage, a source voltage corresponding to the amount of incident light, that is, pixel data is obtained. By using a plurality of pixel data, one piece of image data is generated (see, for example, Patent Document 1).
図7は、従来の固体撮像素子を示す断面図である。
(構造)
単位画素内に、光検出部である受光ダイオードと変調トランジスタとが隣接して設けられており、受光ダイオードは変調トランジスタの横に設置されている。受光ダイオード及び変調トランジスタは、P型シリコン基板11のN−型層12内に形成されたP−ウェル領域13に形成されている。また、トランジスタ部分では、シリコン基板11の表面にはゲート絶縁膜11aを介して変調用ゲート電極14が形成されている。N−型層12はシリコン基板11の表面にも薄く形成されている。変調用ゲート電極14の下部の基板表面にはチャネルとなるN−型層12を介してP型層(キャリアポケット)16が形成されている。このキャリアポケット16の直下にN−型層12が形成されており、P型シリコン基板11とキャリアポケット16は隔絶されている。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a conventional solid-state imaging device.
(Construction)
In the unit pixel, a light-receiving diode that is a light detection unit and a modulation transistor are provided adjacent to each other, and the light-receiving diode is disposed beside the modulation transistor. The light receiving diode and the modulation transistor are formed in a P − well region 13 formed in the N − type layer 12 of the P
変調用ゲート電極14はリング状を有しており、変調用ゲート電極14の内縁に囲まれるようにソース領域が形成され、変調用ゲート電極14の外縁を囲むようにドレイン領域が形成されている。また、変調用ゲート電極14、ソース領域及びドレイン領域それぞれには配線が電気的に接続されている。
The
(動作)
受光ダイオードに入射した光により発生した電荷は、変調トランジスタの下部のキャリアポケット16に転送される。その転送された電荷量により変調トランジスタの閾値が変化するため、この変化量で受光ダイオードに入射した光量を検出する。検出後は、変調トランジスタのチャネル部に高電圧が印加されるようにバイアスをかけ、キャリアポケット16に蓄積された電荷を下部のP型シリコン基板11に排出して一連の動作が終了する。
(Operation)
The charge generated by the light incident on the light receiving diode is transferred to the
上記従来の固体撮像素子には下記(1)〜(5)の課題がある。
(1)キャリアポケット下のN−型層12を介して基板からの電荷注入の恐れ
従来の固体撮像素子では、光電変換された電荷は、変調トランジスタの下部のキャリアポケット16に保存される。このキャリアポケット16はN−型層12によりP型シリコン基板11と隔絶されている必要があるため、ポテンシャルの障壁は高くしておく必要がある。もし、この障壁を低く設定してしまうと、基板からノイズ電荷が注入されてしまい、信号(S)の電荷なのか、基板からの注入によるノイズ電荷なのか、区別がつかなくなってしまい、問題である。
また、このN−型層12は、電荷リセット時には、電荷を排出する経路にもなるため、あまり高いポテンシャル障壁に設定してしまうと、電荷排出が困難になる。電圧をより高く印加することで、電荷排出ができるようになるが、当然ながら、高耐圧の駆動回路を設ける必要や、消費電力の増大に繋がつてしまう。
また、キャリアポケット16に蓄積できる電荷量を減らすことで対策も可能であるが、固体撮像素子の基本性能を劣化させるため、この方法もとるべきではない。
The conventional solid-state imaging device has the following problems (1) to (5).
(1) Risk of charge injection from the substrate via the N − type layer 12 below the carrier pocket In the conventional solid-state imaging device, the photoelectrically converted charge is stored in the
In addition, since the N − type layer 12 also serves as a path for discharging charges at the time of charge resetting, it becomes difficult to discharge charges if it is set to a very high potential barrier. By applying a higher voltage, it becomes possible to discharge charges, but naturally, it is necessary to provide a high-breakdown-voltage drive circuit and increase power consumption.
Although measures can be taken by reducing the amount of charge that can be stored in the
(2)変調トランジスタの電流寄生経路による読み出し時の異常出力
従来の固体撮像素子では、変調トランジスタをH(ハイ)状態で読み出しを行う。この際、ドレインからソースに電流が流れる経路は、表面のチャンネル部と、キャリアポケット16の直下のN−型層12を経由する経路(即ち、寄生Path)の2経路ができてしまう。暗時や比較的暗い光の場合は、N−型層12のポテンシャルは高くならないため、寄生Path経由の電流はさほど大きくならないが、強い光が入射した場合、寄生Pathのポテンシャルが高くなるため、寄生Pathによる出力(即ち、寄生出力)が大きくなり、特にN信号(ノイズ信号)が、非選択線の寄生出力で置き換わってしまい、S−Nの差分出力が小さくなってしまう。最悪の場合、選択線に暗い光の入射、非選択線に明るい光の入射があつた場合、選択線の出力が全くでなくなってしまう危険性がある。
この対策のため、飽和出力を落として、N出力値(Vn)を高い電圧に設定して、寄生出力が見えないようにする方法があるが、この方法では、飽和出力が小さくなる弊害をもっており、基本性能劣化となる。他に、寄生Pathの一部をなす、縦方向に伸びるソース下のN−型層12を浅く設定する方法で、寄生出力を緩和する方法もある。しかい、このN−型層12を浅くすると、ソースコンタクト下のN型不純物濃度が低下するため、金属とSiの界面で発生する暗電流が多く発生するようになってしまい、暗時特性の劣化につながってしまうという弊害がある。
(2) Abnormal output at the time of reading due to current parasitic path of modulation transistor In the conventional solid-state imaging device, reading is performed in the H (high) state of the modulation transistor. At this time, there are two paths through which a current flows from the drain to the source: a channel section on the surface and a path (that is, a parasitic path) via the N − type layer 12 immediately below the
As a countermeasure, there is a method of reducing the saturation output and setting the N output value (Vn) to a high voltage so that the parasitic output cannot be seen. However, this method has the adverse effect of reducing the saturation output. Basic performance is degraded. In addition, there is a method of reducing the parasitic output by a method of setting the N − type layer 12 under the source extending in the vertical direction, which is a part of the parasitic path, shallow. However, when the N − -
(3)受光ダイオード(光電変換素子)形成時のN型不純物領域(N−型層12)のせり上がりによる転送ポテンシャル障壁
受光ダイオードは、高エネルギーイオン注入を行うことにより形成される。 イオン注入は、レジストマスクを使って、受光ダイオードのみ開口して行われる。この際、レジスト境界(レジストマスクの端部)では、レジストのテーパーを介して、イオンが注入される。このため、平面上で見たとき、受光ダイオードの境界ではN型不純物が、シリコン基板11中の深い領域から浅い領域へせり上がってくるような構造になる。逆にこれを利用して、受光ダイオードは形成されているが、このせり上がりは、受光ダイオードから変調領域のキャリアポケット16へ電荷が転送される経路を切断する作用もしてしまう。このため、イオン注入の条件は制約を受ける。特に、高いエネルギーで注入しようすると、この切断する傾向は高くなっていくため、受光ダイオードを深く形成するための限界がでてしまう。結果として、弱い赤感度が低下してしまうため、基本特性の劣化に至るという弊害がある。
(3) Transfer potential barrier due to rising of N-type impurity region (N − -type layer 12) when forming light-receiving diode (photoelectric conversion element) The light-receiving diode is formed by performing high-energy ion implantation. The ion implantation is performed by opening only the light receiving diode using a resist mask. At this time, ions are implanted through the resist taper at the resist boundary (end portion of the resist mask). Therefore, when viewed on a plane, the structure is such that N-type impurities rise from a deep region to a shallow region in the
(4)変調トランジスタの下方のP型シリコン基板11にP型のリセット強化領域を形成する時のP型不純物領域のせり上がりによる転送ポテンシャルディップの形成
これも(3)と同様に考えることができる。キャリアポケット16の下方のN−型層12の下部に位置するP型シリコン基板11に、P型不純物を注入することにより高濃度化されたP型のリセット強化領域が形成される(仮にリセット強化領域が形成されない場合は、リセットされた電荷が有効に排出できなくなる不具合が生じることがある)。このP型のリセット強化領域は高エネルギーのイオン注入によって形成される。このイオン注入されたP型不純物は、受光ダイオードの境界(開口領域境界)でせり上がるため、受光ダイオードからキャリアポケット16ヘの転送PathのP型不純物が高濃度になってしまう。このため、ポテンシャルディップが形成されてしまい、転送不具合が生じるばかりでなく、不必要な時に、ディップに溜まったキャリアがでてきてしまいノイズ成分になることがある。また、最悪の場合、転送Pathからリセット強化領域の間のN−型層12のポテンシャルを下げてしまい、光電変換された電荷が、転送されずに、基板に抜けてしまうという弊害が起こり得る。このような弊害を避けるため、リセット強化領域形成のためのイオン注入条件にも制約がかかり、イオン注入方向やイオン注入エネルギーには注意を払う必要がある。
(4) Formation of transfer potential dip due to rising of the P-type impurity region when forming the P-type reset enhancement region on the P-
(5)Knee特性の発生
従来の固体撮像素子では、電荷蓄積部であるキャリアポケット16の飽和電荷量を上回るような光が入射した場合、発生電荷は受光ダイオードからキャリアポケット16へ行き、キャリアポケット16から基板の電荷排出経路へと排出される。しかし、特に強い光が入射した場合、基板の電荷排出経路へ排出される速度より、キャリアポケット16へ流れ込む電荷の方が多くなり、本来蓄積できるはずだった飽和電荷量より多くの電荷をキャリアポケット16に蓄積することになる。これによりKnee特性が出現するという課題がある。
(5) Generation of Knee characteristics In the conventional solid-state imaging device, when light that exceeds the saturation charge amount of the
以上のような不具合は、キャリアポケット16下のN−型層12の存在と、受光ダイオードと変調トランジスタの拡散層を平面的につくりわける必要があるところが原因となっており、特性向上、低電圧化のための足かせになっている。
The above problems are caused by the presence of the N − -
本発明の一態様は、上記のいずれかの課題を解決した固体撮像素子及びその駆動方法を提供することにある。 An aspect of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a driving method thereof that solve any of the above problems.
本発明の一態様は、受光ダイオードと光信号検出用トランジスタとを備えた固体撮像素子において、
半導体基板に形成された第1導電型拡散層と、
前記半導体基板の表層に前記第1導電型拡散層が残された状態で、前記第1導電型拡散層内に形成された第2導電型拡散層を有し、光照射により光発生電荷を発生する受光領域を備えた受光ダイオードと、
前記第2導電型拡散層内に形成され、前記光発生電荷が蓄積されるキャリアポケットと、
前記第1導電型拡散層内に形成され、前記キャリアポケットの隣に配置され、前記キャリアポケットに蓄積された前記光発生電荷を排出するための第2導電型の電荷排出用拡散層と、
前記半導体基板上に形成され、且つ前記キャリアポケットの上に形成され、且つ前記キャリアポケットと前記電荷排出用拡散層の相互間上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記第1導電型拡散層に形成されたソース部及びドレイン部と、
を具備し、
前記光信号検出用トランジスタは、前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記ソース部及び前記ドレイン部を有し、前記キャリアポケットに蓄積される前記光発生電荷により変調された閾値電圧を光信号として出力することを制御するものであることを特徴とする固体撮像素子である。
One aspect of the present invention is a solid-state imaging device including a light receiving diode and an optical signal detection transistor.
A first conductivity type diffusion layer formed on a semiconductor substrate;
The semiconductor substrate has a second conductivity type diffusion layer formed in the first conductivity type diffusion layer in a state where the first conductivity type diffusion layer is left on the surface layer of the semiconductor substrate, and generates photogenerated charges by light irradiation. A light receiving diode having a light receiving area to
A carrier pocket formed in the second conductivity type diffusion layer and storing the photogenerated charge;
A second conductivity type charge discharge diffusion layer formed in the first conductivity type diffusion layer, disposed next to the carrier pocket, and for discharging the photogenerated charge accumulated in the carrier pocket;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate and formed on the carrier pocket and between the carrier pocket and the charge discharging diffusion layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A source part and a drain part formed in the first conductivity type diffusion layer;
Comprising
The optical signal detection transistor includes the gate electrode, the gate insulating film, the source part, and the drain part, and outputs a threshold voltage modulated by the photogenerated charge accumulated in the carrier pocket as an optical signal. It is a solid-state image sensor characterized by controlling.
上記固体撮像素子によれば、従来技術のようなキャリアポケット下の第1導電型拡散層(例えばN−型層)を無くすことにより、従来技術のいずれかの課題を解決することができる。 According to the solid-state imaging device, any of the problems of the prior art can be solved by eliminating the first conductive type diffusion layer (for example, N − type layer) under the carrier pocket as in the prior art.
また、本発明の一態様に係る固体撮像素子において、
前記ゲート絶縁膜の膜厚は、前記キャリアポケットと前記電荷排出用拡散層の相互間上に形成された部分が、前記キャリアポケットの上に形成された部分に比べて薄く形成されていることが好ましい。
また、本発明の一態様に係る固体撮像素子において、
前記キャリアポケットの下方にも前記受光ダイオードが形成されていることが好ましい。
In the solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention,
The thickness of the gate insulating film is such that a portion formed between the carrier pocket and the charge discharging diffusion layer is formed thinner than a portion formed above the carrier pocket. preferable.
In the solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention,
It is preferable that the light receiving diode is also formed below the carrier pocket.
また、本発明の一態様に係る固体撮像素子において、
前記キャリアポケット及び前記ゲート電極それぞれの平面形状はリング状であることが好ましい。
In the solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention,
The planar shape of each of the carrier pocket and the gate electrode is preferably a ring shape.
また、本発明の一態様に係る固体撮像素子において、
前記第1導電型はN型であり、前記第2導電型はP型であることも可能である。
In the solid-state imaging device according to one embodiment of the present invention,
The first conductivity type may be an N type, and the second conductivity type may be a P type.
本発明の一態様は、上述したいずれかの固体撮像素子を駆動する方法であって、
前記受光領域への光照射により前記受光ダイオードで光発生電荷を発生させ、前記光発生電荷を前記キャリアポケットに蓄積する蓄積動作を行い、
前記キャリアポケットに蓄積された光発生電荷によって前記光信号検出用トランジスタの閾値電圧が変化した状態で、前記ゲート電極に第1のゲート電圧を印加し、前記ドレイン部にドレイン電圧を印加することで、前記ソース部からの信号を検出するシグナル変調動作を行い、
前記ゲート電極に前記第1のゲート電圧より低い電圧を印加し、前記ドレイン部に前記ドレイン電圧を印加することで、前記キャリアポケットと前記電荷排出用拡散層との間に電荷排出経路が形成され、前記キャリアポケットに残留する前記光発生電荷を排出するリセット動作を行い、
前記キャリアポケットに光発生電荷が蓄積されていない状態で、前記ゲート電極に前記第1のゲート電圧を印加し、前記ドレイン部に前記ドレイン電圧を印加することで、前記ソース部からの信号をノイズ信号として検出するノイズ変調動作を行うことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法である。
One aspect of the present invention is a method for driving any of the solid-state imaging devices described above,
Generating light-generated charges in the light-receiving diode by light irradiation to the light-receiving region, and performing an accumulation operation of storing the light-generated charges in the carrier pocket;
A first gate voltage is applied to the gate electrode and a drain voltage is applied to the drain portion in a state where the threshold voltage of the optical signal detection transistor is changed by the photogenerated charge accumulated in the carrier pocket. , Perform a signal modulation operation to detect a signal from the source unit,
By applying a voltage lower than the first gate voltage to the gate electrode and applying the drain voltage to the drain portion, a charge discharging path is formed between the carrier pocket and the charge discharging diffusion layer. Performing a reset operation for discharging the photogenerated charge remaining in the carrier pocket;
Applying the first gate voltage to the gate electrode and applying the drain voltage to the drain part in a state where no photo-generated charges are accumulated in the carrier pocket, the signal from the source part is noised. A solid-state imaging device driving method characterized by performing a noise modulation operation detected as a signal.
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it will be easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below.
図1は、本発明の実施形態に係る基板変調型の固体撮像素子を示す平面図である。図2は、図1に示すA−A'部の断面図である。 FIG. 1 is a plan view showing a substrate modulation type solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ shown in FIG.
(構造)
図1に示すように、固体撮像素子の単位画素内に、受光ダイオード103と変調トランジスタ(光信号検出用トランジスタ)102とが設けられている。単位画素は、縦横等間隔のピッチを有し、列又は行方向に対して斜めに向いている。
(Construction)
As shown in FIG. 1, a
図2に示すように、固体撮像素子は半導体基板として例えばP型シリコン基板1を有しており、このP型シリコン基板1には第1導電型拡散層として例えばN−型層2が形成されている。このN−型層2内には第2導電型拡散層として例えばP−ウェル領域3が形成されており、P−ウェル領域3には受光ダイオード103が形成されている。この受光ダイオード103は光照射により光発生電荷を発生する受光領域を備えている。また、P−ウェル領域3上(即ちシリコン基板1の表層)にはN−型層2が残されている。
As shown in FIG. 2, the solid-state imaging device has, for example, a P-
P−ウェル領域3内には、光発生電荷が蓄積されるキャリアポケット(P型層)6が形成されており、このキャリアポケット6の平面形状はリング状となっている。また、キャリアポケット6の直下にも電荷生成領域である受光ダイオードが形成されている。 A carrier pocket (P-type layer) 6 in which photogenerated charges are accumulated is formed in the P − well region 3, and the planar shape of the carrier pocket 6 is a ring shape. In addition, a light-receiving diode that is a charge generation region is also formed immediately below the carrier pocket 6.
N−型層2内には、キャリアポケット6に蓄積された光発生電荷を排出するための第2導電型の電荷排出用拡散層としてP+型高濃度拡散層5が形成されている。このP+型高濃度拡散層5は、キャリアポケット6の隣に配置され、基板表面に位置され且つP−ウェル領域3の外側に位置されている。
In the N − type layer 2, a P + type high
P型シリコン基板1の表面にはゲート絶縁膜1a,1bが形成されており、このゲート絶縁膜1a,1bはキャリアポケット6の上に位置され、且つキャリアポケット6とP+型高濃度拡散層5の相互間上に位置されている。ゲート絶縁膜1a,1bの膜厚は、キャリアポケット6とP+型高濃度拡散層5の相互間上に形成された部分1bが、キャリアポケット6の上に形成された部分1aに比べて薄く形成されている。このようにゲート絶縁膜の膜厚は部分1bが部分1aに比べて薄く形成されるという構成が好ましいが、この構成は必須の要件ではなく、ゲート絶縁膜の部分1bと部分1aが同一の膜厚で形成されていても良い。
ゲート絶縁膜1a,1bの上には変調用ゲート電極(光信号検出用ゲート電極)4が形成されており、この変調用ゲート電極4の平面形状はリング状とされている。この変調用ゲート電極4はリセット用ゲート電極としての機能も兼ねている。変調用ゲート電極4をリセット用ゲート電極として機能させることにより、ゲート絶縁膜の薄い部分1bの下のチャネル領域にはキャリアポケット6からP+型高濃度拡散層5へ電荷が排出される電荷排出経路が形成される。この電荷排出経路は、変調トランジスタと同一平面の横方向に形成される。
A modulation gate electrode (light signal detection gate electrode) 4 is formed on the
変調用ゲート電極4の内縁に囲まれるN−型層2にはソース部が形成されており、変調用ゲート電極4の外縁を囲むN−型層2にはドレイン部が形成されている。また、変調用ゲート電極4、ソース部及びドレイン部それぞれには配線が電気的に接続されている。
A source part is formed in the N − type layer 2 surrounded by the inner edge of the
変調トランジスタ102は、変調用ゲート電極4、ゲート絶縁膜1a、チャネルとなるN−型層2、ソース部及びドレイン部を有し、キャリアポケット6に蓄積される光発生電荷により変調された閾値電圧を光信号として出力することを制御するものである。
The
図3は、図2の構造断面図のX−X'線に沿う部分での変調時のポテンシャルダイアグラムを示す図である。図4は、図2の構造断面図のX−X'線に沿う部分でのリセット時のポテンシャルダイアグラムを示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a potential diagram at the time of modulation in a portion along the line XX ′ in the structure sectional view of FIG. FIG. 4 is a diagram showing a potential diagram at the time of resetting in a portion along the line XX ′ in the structure sectional view of FIG.
(動作)
受光ダイオードに入射した光により基板中で電荷(例えば正孔)を発生させ、この電荷を変調トランジスタの下部のキャリアポケット6に転送させる。図3に示すように、変調トランジスタは、キャリアポケット6に電荷が蓄積されると基板バイアスがかかるため、その電荷量により閾値が変化する。この変化量を受光ダイオードに入射した光量として検出する。検出後は、変調用ゲート電極4をリセット用ゲート電極として機能させることで、図4に示すように、キャリアポケット6からP+型高濃度拡散層5へ電荷排出を行い、一連の動作が終了する。
(Operation)
Electric charges (for example, holes) are generated in the substrate by light incident on the light receiving diode, and the electric charges are transferred to the carrier pocket 6 below the modulation transistor. As shown in FIG. 3, since the modulation transistor has a substrate bias when electric charges are accumulated in the carrier pocket 6, the threshold value changes depending on the amount of electric charges. This amount of change is detected as the amount of light incident on the light receiving diode. After the detection, the
図5は、図1及び図2に示す固体撮像素子の等価回路を示す図である。図6は、図1及び図2に示す固体撮像素子の駆動シーケンスを示す図である。
図5では、一つの固体撮像素子の等価回路を示しているが、このような固体撮像素子がマトリックス状に複数配置されることで(例えば500行×500列で配置されることで)、固体撮像装置が構成されている。
FIG. 5 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the solid-state imaging device illustrated in FIGS. 1 and 2. FIG. 6 is a diagram illustrating a driving sequence of the solid-state imaging device illustrated in FIGS. 1 and 2.
FIG. 5 shows an equivalent circuit of one solid-state image sensor. By arranging a plurality of such solid-state image sensors in a matrix (for example, by arranging 500 rows × 500 columns), a solid state An imaging device is configured.
図5に示すように、受光ダイオード103のN−型層2は共通ドレインラインDに電気的に接続されており、共通ドレインラインDは変調トランジスタ102のドレイン部に電気的に接続されている。変調トランジスタ102のソース部はソースラインSに電気的に接続されている。変調トランジスタ102のゲート電極4及びリセット用トランジスタ104のゲート電極4それぞれはゲートラインGに電気的に接続されている。このリセット用トランジスタ104は、図1及び図2に示す変調トランジスタ102のゲート電極を、前述したようにリセット用ゲート電極として機能させる際のトランジスタを意味している。
受光ダイオード103のP−ウェル領域3はキャリアポケット6に電気的に接続されている。受光ダイオード103のP−ウェル領域3はリセット用トランジスタ104のソース部又はドレイン部のいずれか一方に電気的に接続されている。リセット用トランジスタ104のソース部又はドレイン部のいずれか他方は接地ラインGNDに電気的に接続されている。
As shown in FIG. 5, the N − -
The P − well region 3 of the
次に、図5及び図6を参照して固体撮像素子の駆動方法について説明する。ただし、ここで説明する具体的な印加電圧は単なる一例であるため、本発明は具体的な印加電圧に限定して解釈されるものではない。 Next, a method for driving the solid-state imaging device will be described with reference to FIGS. However, the specific applied voltage described here is merely an example, and the present invention is not construed as being limited to the specific applied voltage.
まず光発生電荷の蓄積動作について説明する。
選択及び非選択それぞれの画素の変調トランジスタ102の変調用ゲート電極に選択ゲートラインG及び非選択ゲートラインを介して第2のゲート電圧(例えば2.6V)を印加し、共通ドレインラインDを介して変調トランジスタ102のドレイン部にドレイン電圧(例えば1.0V)を印加する。そして、受光ダイオード103の開口領域を介して入射した光により光発生電荷が生じる。受光ダイオード103に発生した光発生電荷のうち正孔が収集され、その正孔はキャリアポケットに蓄積される。
First, the operation of accumulating photogenerated charges will be described.
A second gate voltage (for example, 2.6 V) is applied to the modulation gate electrode of the
次に、光発生電荷量の検出を行うシグナル変調動作(S読み出し)について説明する。
キャリアポケットに蓄積された光発生電荷によって、変調トランジスタ102の閾値電圧が変化する。この状態で、選択された画素の変調用ゲート電極に選択ゲートラインGを介して第2のゲート電圧より高い第1のゲート電圧(例えば3.3V)を印加し、変調トランジスタ102のドレイン部に共通ドレインラインDを介してドレイン電圧(例えば3.3V)を印加する。非選択画素には非選択ゲートラインを介して変調用ゲート電極に第2のゲート電圧より低い電圧(例えば1.5V)を印加する。そして、ゲート電圧と連動して変化する非選択ソース部の電位を、選択された画素のソース部の電位よりも低下させることで画素を選択し、選択画素からの信号Vsを検出する。
Next, a signal modulation operation (S readout) for detecting the amount of photogenerated charges will be described.
The threshold voltage of the
次に、リセット動作について説明する。
リセット動作ではキャリアポケット及びP−ウェル領域3内に残留するキャリアを排出する。詳細には、選択画素の変調トランジスタ102の変調用ゲート電極(図5に示すリセット用トランジスタ104のゲート電極)に第1のゲート電圧より低い電圧(例えば0V)を印加し、非選択画素の変調用ゲート電極(図5に示すリセット用トランジスタ104のゲート電極)に第2のゲート電圧(例えば2.6V)を印加し、変調トランジスタ102のドレイン部に共通ドレインラインDを介してドレイン電圧(例えば3.3V)を印加する。そのため、P−ウェル領域3に急激なポテンシャル変化が生じ(図3及び図4参照)、光発生電荷をP+型高濃度拡散層5に排出するような強い電界が印加され、キャリアポケットとP+型高濃度拡散層5との間に電荷排出経路が形成されて、残留した光発生電荷は確実に排出される。この際、変調トランジスタ102のソース部の電位はフローティングとされる。
Next, the reset operation will be described.
In the reset operation, carriers remaining in the carrier pocket and the P − well region 3 are discharged. Specifically, a voltage lower than the first gate voltage (for example, 0 V) is applied to the modulation gate electrode of the
次に、ノイズ変調動作(N読み出し)について説明する。
ノイズ変調は、リセット後、光発生電荷が未だ蓄積されていない状態でシグナル変調動作(S読み出し)を行うものである。バイアス条件その他、シグナル変調動作と同等のことを行う。
Next, the noise modulation operation (N reading) will be described.
The noise modulation is a signal modulation operation (S readout) in a state where photogenerated charges are not accumulated after reset. Performs equivalent to the signal modulation operation, such as bias conditions.
このノイズ変調動作を行うことで、各画素が有する閾値のバラツキなどをノイズ信号Vnとして得ることが可能となる。上記したシーケンスで求めたシグナル変調信号Vsからここで求めたノイズ変調信号Vnを引き算することで、正味の光発生電荷信号を映像信号として抽出することができる。この映像信号の検出手段によれば各画素が有する閾値の分布や、ばらつきなどを打ち消すことができ、より高いSN比を有する画素信号の抽出を可能としている。 By performing this noise modulation operation, it is possible to obtain a variation in threshold value of each pixel as the noise signal Vn. By subtracting the noise modulation signal Vn obtained here from the signal modulation signal Vs obtained in the above sequence, a net photogenerated charge signal can be extracted as a video signal. According to this video signal detection means, it is possible to cancel the distribution of threshold values and variations of each pixel and to extract a pixel signal having a higher SN ratio.
ノイズ変調動作終了後には、再び蓄積動作が行われ、このサイクルを繰り返すことで画像信号が出力される。 After the noise modulation operation is completed, the accumulation operation is performed again, and an image signal is output by repeating this cycle.
以上、本発明の実施形態によれば、図7に示すキャリアポケット16の下のN−型層を撤廃することができ、変調トランジスタの下方にも受光ダイオードを形成することができ、P+型高濃度拡散層5及び固体撮像素子相互間の分離領域以外の全体に受光ダイオードを配置することができ、低電圧で電荷排出ができる横方向への電荷排出経路を形成することができる。これにより、従来技術における課題を以下のように解消することができる。
As described above, according to the embodiment of the invention, N under the
(1)基板からの電荷注入の恐れについて
キャリアポケット下部の、電荷を蓄積する障壁となるとともに、リセット時にリセット経路になる、N−型層を撤廃することにより、基板からの電荷の逆注入の心配がなくなり、キャリアポケットのポテンシャルを現状より深く設定できる。その結果、取り扱い電荷量を増加させることができるため、ダイナミックレンジが広く、ノイズに対しても強い特性をもつ、撮像素子が実現できる。
(1) Concerning the fear of charge injection from the substrate By eliminating the N - type layer, which becomes a barrier for storing charges at the bottom of the carrier pocket and also serves as a reset path at reset, the reverse injection of charges from the substrate is prevented. You don't have to worry and you can set your career pocket potential deeper than it currently is. As a result, since the amount of charge handled can be increased, an imaging element having a wide dynamic range and strong characteristics against noise can be realized.
(2)変調トランジスタの電流寄生経路による読み出し時の異常出力
寄生Pathがなくなるため、読み出し時の異常出力がなくなる。 また、ソース下の縦方向に伸びるN型不純物拡散層の構造設計を、寄生Pathを意識せずできるため、暗電流の少ない、より特性のよい撮像素子が実現できる。
(2) Abnormal output at the time of reading by the current parasitic path of the modulation transistor Since the parasitic path is eliminated, there is no abnormal output at the time of reading. In addition, since the structure design of the N-type impurity diffusion layer extending in the vertical direction under the source can be made without being aware of the parasitic path, an imaging element with less dark current and better characteristics can be realized.
(3)受光ダイオード(光電変換素子)形成時のN型不純物領域のせり上がりによる転送ポテンシャル障壁
製造プロセスエ程で、転送ポテンシャル障壁ができるステップがなくなるため、転送不良がなくなるとともに、受光ダイオード形成の不純物注入の自由度があがるため、特性に適した受光ダイオードを作製することができる。例えば、赤感度をあげるためには、受光ダイオードを深く構成することが望ましいが、受光ダイオード形成のエネルギーを高く設定することも可能になるため、特性の改善が容易である。
(3) Transfer potential barrier due to rising of N-type impurity region during formation of light receiving diode (photoelectric conversion element) Since there is no step in which a transfer potential barrier can be formed during the manufacturing process, there is no transfer failure, and the formation of the light receiving diode is eliminated. Since the degree of freedom of impurity implantation is increased, a light-receiving diode suitable for characteristics can be manufactured. For example, in order to increase the red sensitivity, it is desirable to make the light receiving diode deep, but since it is possible to set the energy for forming the light receiving diode high, it is easy to improve the characteristics.
(4)変調トランジスタの下方のP型シリコン基板にP型のリセット強化領域を形成する時のP型不純物領域のせり上がりによる転送ポテンシャルディップの形成
リセット強化領域そのものが不要になるため、当然ながら、P型不純物のせり上がりがなくなり、転送ポテンシャルディップがなくなり、転送不良や、ノイズ成分を低減させることができ、特性の改善が可能である。
(4) Formation of transfer potential dip due to rising of the P-type impurity region when forming the P-type reset enhancement region on the P-type silicon substrate below the modulation transistor Since the reset enhancement region itself is not necessary, P-type impurities do not rise, transfer potential dip is eliminated, transfer defects and noise components can be reduced, and characteristics can be improved.
なお、本実施形態では、P型シリコン基板の表面側から光が照射される表面照射型の固体撮像素子について説明しているが、シリコン基板の裏面側から光が照射される裏面照射型の固体撮像素子について本発明を適用することも可能である。 In the present embodiment, a front-illuminated solid-state imaging device in which light is irradiated from the front surface side of the P-type silicon substrate has been described. The present invention can also be applied to an image sensor.
1…P型シリコン基板、1a,1b…ゲート絶縁膜、2…N−型層、3…P−ウェル領域、4…変調用ゲート電極、5…P+型高濃度拡散層、6…キャリアポケット(P型層)、102…変調トランジスタ(光信号検出用トランジスタ)、103…受光ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (6)
半導体基板に形成された第1導電型拡散層と、
前記半導体基板の表層に前記第1導電型拡散層が残された状態で、前記第1導電型拡散層内に形成された第2導電型拡散層を有し、光照射により光発生電荷を発生する受光領域を備えた受光ダイオードと、
前記第2導電型拡散層内に形成され、前記光発生電荷が蓄積されるキャリアポケットと、
前記第1導電型拡散層内に形成され、前記キャリアポケットの隣に配置され、前記キャリアポケットに蓄積された前記光発生電荷を排出するための第2導電型の電荷排出用拡散層と、
前記半導体基板上に形成され、且つ前記キャリアポケットの上に形成され、且つ前記キャリアポケットと前記電荷排出用拡散層の相互間上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記第1導電型拡散層に形成されたソース部及びドレイン部と、
を具備し、
前記光信号検出用トランジスタは、前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記ソース部及び前記ドレイン部を有し、前記キャリアポケットに蓄積される前記光発生電荷により変調された閾値電圧を光信号として出力することを制御するものであることを特徴とする固体撮像素子。 In a solid-state imaging device including a light receiving diode and an optical signal detection transistor,
A first conductivity type diffusion layer formed on a semiconductor substrate;
The semiconductor substrate has a second conductivity type diffusion layer formed in the first conductivity type diffusion layer in a state where the first conductivity type diffusion layer is left on the surface layer of the semiconductor substrate, and generates photogenerated charges by light irradiation. A light receiving diode having a light receiving area to
A carrier pocket formed in the second conductivity type diffusion layer and storing the photogenerated charge;
A second conductivity type charge discharge diffusion layer formed in the first conductivity type diffusion layer, disposed next to the carrier pocket, and for discharging the photogenerated charge accumulated in the carrier pocket;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate and formed on the carrier pocket and between the carrier pocket and the charge discharging diffusion layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A source part and a drain part formed in the first conductivity type diffusion layer;
Comprising
The optical signal detection transistor includes the gate electrode, the gate insulating film, the source part, and the drain part, and outputs a threshold voltage modulated by the photogenerated charge accumulated in the carrier pocket as an optical signal. A solid-state image sensor that controls the operation.
前記ゲート絶縁膜の膜厚は、前記キャリアポケットと前記電荷排出用拡散層の相互間上に形成された部分が、前記キャリアポケットの上に形成された部分に比べて薄く形成されていることを特徴とする固体撮像素子。 In claim 1,
The thickness of the gate insulating film is such that a portion formed between the carrier pocket and the charge discharging diffusion layer is formed thinner than a portion formed on the carrier pocket. A solid-state imaging device.
前記キャリアポケットの下方にも前記受光ダイオードが形成されていることを特徴とする固体撮像素子。 In claim 1 or 2,
The solid-state imaging device, wherein the light-receiving diode is also formed below the carrier pocket.
前記キャリアポケット及び前記ゲート電極それぞれの平面形状はリング状であることを特徴とする固体撮像素子。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
A solid-state imaging device, wherein each of the carrier pocket and the gate electrode has a ring shape in plan view.
前記第1導電型はN型であり、前記第2導電型はP型であることを特徴とする固体撮像素子。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The solid-state imaging device, wherein the first conductivity type is an N-type and the second conductivity type is a P-type.
前記受光領域への光照射により前記受光ダイオードで光発生電荷を発生させ、前記光発生電荷を前記キャリアポケットに蓄積する蓄積動作を行い、
前記キャリアポケットに蓄積された光発生電荷によって前記光信号検出用トランジスタの閾値電圧が変化した状態で、前記ゲート電極に第1のゲート電圧を印加し、前記ドレイン部にドレイン電圧を印加することで、前記ソース部からの信号を検出するシグナル変調動作を行い、
前記ゲート電極に前記第1のゲート電圧より低い電圧を印加し、前記ドレイン部に前記ドレイン電圧を印加することで、前記キャリアポケットと前記電荷排出用拡散層との間に電荷排出経路が形成され、前記キャリアポケットに残留する前記光発生電荷を排出するリセット動作を行い、
前記キャリアポケットに光発生電荷が蓄積されていない状態で、前記ゲート電極に前記第1のゲート電圧を印加し、前記ドレイン部に前記ドレイン電圧を印加することで、前記ソース部からの信号をノイズ信号として検出するノイズ変調動作を行うことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 A method for driving the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5,
Generating light-generated charges in the light-receiving diode by light irradiation to the light-receiving region, and performing an accumulation operation of storing the light-generated charges in the carrier pocket;
A first gate voltage is applied to the gate electrode and a drain voltage is applied to the drain portion in a state where the threshold voltage of the optical signal detection transistor is changed by the photogenerated charge accumulated in the carrier pocket. , Perform a signal modulation operation to detect a signal from the source unit,
By applying a voltage lower than the first gate voltage to the gate electrode and applying the drain voltage to the drain portion, a charge discharging path is formed between the carrier pocket and the charge discharging diffusion layer. Performing a reset operation for discharging the photogenerated charge remaining in the carrier pocket;
Applying the first gate voltage to the gate electrode and applying the drain voltage to the drain part in a state where no photo-generated charges are accumulated in the carrier pocket, the signal from the source part is noised. A method for driving a solid-state imaging device, wherein a noise modulation operation detected as a signal is performed.
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