JP2013175783A - 光電変換装置及びそれを用いた撮像システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光電変換装置は、光電変換素子の一部を構成する第1導電型の第1の半導体領域と、第1の半導体領域よりも浅くに配された光電変換素子の一部を構成する第2導電型の第2の半導体領域と、第1導電型の第3の半導体領域と、第1の半導体領域の不純物濃度よりも、高い不純物濃度を有し、浅くに配され、第1の半導体領域と電気的に接続された第1導電型の第4の半導体領域と、を有する。更に、第3の半導体領域上の第1のゲート電極と、第3の半導体領域と第4の半導体領域との導通を制御するための第2のゲート電極と、を有する。
【選択図】 図2
Description
このような光電変換装置に関して、特許文献1には低電圧で信号電荷の読み出しを行い、かつ信号電荷の取り残しをなくする構成の開示がある。具体的には、フォトダイオード領域の一端と略隣接する第1のゲート電極と、第1のゲート電極に隣接した第2のゲート電極と、第2のゲート電極の一端に略隣接したドレイン領域とを有する光電変換装置である。
本発明は、光電変換素子とドレイン領域との導通の制御が容易で、光電変換素子からの電荷の転送効率が向上した光電変換装置を提供することを目的とする。
前記光電変換素子の信号電荷が転送される第1導電型の第3の半導体領域と、前記第1の半導体領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有し、前記第1の半導体領域及び前記第2の半導体領域と前記第3の半導体領域との間であって前記第1の半導体領域よりも前記主表面側に配され、前記第1の半導体領域と電気的に接続された第1導電型の第4の半導体領域と、前記第4の半導体領域の上部に絶縁膜を介して配された、第1のゲート電極と、前記第3の半導体領域と前記第4の半導体領域との間であって前記主表面の上部に絶縁膜を介して配された第2のゲート電極と、を有することを特徴とする。
まず、本発明が適用されうる画素について、図1を用いて説明する。図1は素子をブロックとして示した平面模式図である。100は画素であり、101は光電変換素子、102は電荷保持部、103は浮遊拡散部、104は電荷転送部である。その他の素子については、簡単に105としてまとめて示す。その他の素子とは、例えば増幅用のMOSトランジスタやリセット用のMOSトランジスタなどであり、詳細な構成は任意である。また、素子分離領域については無視している。画素とは少なくとも光電変換素子を1つ含む最小の繰り返し単位であり、この画素100が1次元もしくは2次元状に配列して撮像領域を構成する。図1では3つの画素100の配列を示している。このような画素100のAB線の断面図を図2に示す。
φ204は第1のゲート電極204を制御する制御信号であり、第1のゲート電極204に供給される電圧を示す。φ206は第2のゲート電極206を制御する制御信号であり、第2のゲート電極206に供給される電圧を示す。本実施形態では、制御信号φ204と制御信号φ207が取りうるローレベルを−1V、ハイレベルを5Vとする。電圧(207)は、第3の半導体領域207の電圧変化を模式的に示したものである。状態(207)は第3の半導体領域にて行われる動作を示しており、状態(101)とは光電変換素子101の状態を示しており、ここでは蓄積の期間を示すものである。t1からt9はタイミングを示している。以下、駆動について説明する。
蓄積動作時に制御信号φ204がローレベルであることによって、第1のゲート電極204の下部に信号電荷と反対極性の電荷(正孔)が蓄積され、第4の半導体領域205における主表面、即ち半導体基板からの暗電流を低減することが可能となる。本実施形態においては、制御信号φ204は常にローレベルに設定されており、常に暗電流を低減することが可能である。また、制御信号φ206がローレベルであることによって、第4の半導体領域205と第3の半導体領域207とを十分に分離し、かつ第二のゲート電極下の半導体基板の表面から生成される暗電流も抑制している。
本実施形態は、第1の実施形態とは制御信号φ204が異なる。また、第1の実施形態の構成において、第1の半導体領域と第4の半導体領域とのポテンシャル関係が異なる。
図5は動作タイミング図を、図6は図5の駆動を行った場合の各半導体領域の信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示したものである。図5は図3に、図6は図4に対応し、同様の機能の場合には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態は、制御信号φ204と制御信号φ206とのローレベルが異なる点が、第2の実施形態と異なる。本実施形態では、制御信号φ204のローレベルを−3Vとし、制御信号φ206のローレベルを−1Vとした。つまり、第1のゲート電極に供給される電圧のローレベルより第2のゲート電極に供給される電圧のローレベルが高い。このような電圧関係にすることで、第2のゲート電極206と第3の半導体領域207との間の耐圧を向上させることが可能となる。それは、次のような理由による。第3の半導体領域207にはリセット時に高い電位に設定される。この時、第1のゲート電極204と第2のゲート電極206にローレベルの電圧が供給されると、隣接する第2のゲート電極206と第3の半導体領域207との電界が大きくなる場合がある。そこで、第1のゲート電極204よりも第2のゲート電極206のローレベルの電圧を高くすることで、隣接する第2のゲート電極206と第3の半導体領域207との電圧を小さくすることができる。よって、絶縁耐圧を保ちつつ暗電流の混入を低減することが可能となる。
言い換えると、第2のゲート電極に供給されるローレベルの制御信号の値は、第1のゲート電極に供給されるローレベルの制御信号の値と第2のゲート電極に供給されるハイレベルの制御信号の値との間を取る。このような電圧を供給することにより、暗電流の混入を低減し、第2のゲート電極の耐圧を維持することが可能となる。もちろん、図4(a)のような第1の半導体領域202と第4の半導体領域205のポテンシャル関係を有する構成に対しても、本実施形態の駆動方法を適用することは可能である。
本実施形態では、第1の実施形態とは画素の構成が異なる。図8は素子をブロックとして示した平面模式図である。801、804、813、816は光電変換素子、802、805、812、815は電荷保持部、803、806、812、815は電荷転送部、807は浮遊拡散部である。その他の素子は808としてまとめて示す。その他の素子とは、例えば増幅用のMOSトランジスタやリセット用のMOSトランジスタなどであり、詳細な構成は任意である。800は画素ユニットであり、4つの光電変換素子801、804、813、816を含み、読み出し回路808を4つの光電変換素子で共有化している。つまり、画素ユニット800は4つの画素を含むと言える。各画素は、光電変換素子と電荷保持部と電荷転送部とを有する。例えば、第1の画素は光電変換素子801と電荷保持部802と電荷転送部803とを有する。第2の画素は光電変換素子804と電荷保持部805と電荷転送部806とを有する。第3の画素は光電変換素子813と電荷保持部812と電荷転送部811とを有する。第4の画素は光電変換素子816と電荷保持部815と電荷転送部814とを有する。画素ユニット800は光電変換素子801と804との組と光電変換素子813、816との組に分けることが可能である。そして、電荷転送部806、811及び電荷保持部805、812はそれぞれ2つの光電変換素子に共有化されている。このような画素ユニット800のAB線の断面図、すなわち1つの組の断面図を図9に示す。
第4の半導体領域905の上部を第1のゲート電極904が、第5の半導体領域の上部を第3のゲート電極907が覆っている。このような構成によって、第1の実施形態の構成に比べて1つの光電変換素子あたりの素子の数を削減することが可能となる。また、不純物濃度の高い第4の半導体領域905と第5の半導体領域908とを第2の半導体領域902よりも主表面915近くに配置している。このような構成によって、第5の半導体領域908と第3の半導体領域910との間の導通及び非導通の制御を容易にしつつ、信号電荷を効率よく転送することが可能となる。また、比較的低い空乏化電圧で、n+領域に数多くの信号電荷を貯めることができるため、飽和電荷数の向上が期待できる。また、浮遊拡散部と同一ノードの部分の総面積は実施形態1の場合と同等にすることが可能となる。例えば、増幅用のMOSトランジスタの入力部となる場合には、信号電荷1つあたりの電圧感度も従来通りに保つことができる。
φ909は第4のゲート電極909を制御する制御信号であり、第4のゲート電極909に供給される電圧を示す。本実施形態では、制御信号φ904と制御信号φ907のローレベルを−3V、ハイレベルを5Vとし、制御信号φ906と制御信号φ909のローレベルを−1V、ハイレベルを5Vとする。電圧(910)は、第3の半導体領域910の電圧の変化を模式的に示したものである。状態(910)は第3の半導体領域にて行われる動作を示しており、状態(シャッター)とは撮像システムのメカニカルシャッターの状態を示しており、露光や遮光を示すものである。t1からt14はタイミングを示している。以下、駆動を説明する。第1の実施形態と同様の動作については、説明を省略する。
本実施形態では、第1の実施形態から第4の実施形態までで説明してきた光電変換装置を撮像システムに適用した場合について、図12を用いて説明する。撮像システムとは、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラや携帯電話用デジタルカメラである。
その後、露光量を制御するために、全体制御・演算部1209が絞り1203を開放にする。光電変換装置1204から出力された信号は、撮像信号処理回路1205をスルーしてA/D変換器1206へ提供される。A/D変換器1206は、その信号をA/D変換して信号処理部1207に出力する。信号処理部1207は、そのデータを処理して全体制御・演算部1209に提供し、全体制御・演算部1209において露出量を決定する演算を行う。全体制御・演算部1209は、決定した露出量に基づいて絞りを制御する。
また、第1の半導体領域及び第2の半導体領域は第1のゲート電極204の下部(領域102)に配されていてもよい。
201 第2導電型のウエル
202 第1導電型の第1の半導体領域
203 第2導電型の第2の半導体領域
204 第1のゲート電極
205 第1導電型の第4の半導体領域
206 第2のゲート電極
207 第1導電型の第3の半導体領域
212 主表面
Claims (8)
- 主表面を有する半導体基板と、
光電変換素子の一部を構成する第1導電型の第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域に積層され、前記光電変換素子の一部を構成する、前記第1導電型と反対導電型の第2導電型の第2の半導体領域と、
前記光電変換素子の信号電荷が転送される第1導電型の第3の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有し、前記第1の半導体領域及び前記第2の半導体領域と前記第3の半導体領域との間であって前記第1の半導体領域よりも前記主表面側に配され、前記第1の半導体領域と電気的に接続された第1導電型の第4の半導体領域と、
前記第4の半導体領域の上部に絶縁膜を介して配された、第1のゲート電極と、
前記第3の半導体領域と前記第4の半導体領域との間であって前記主表面の上部に絶縁膜を介して配された第2のゲート電極と、を有することを特徴とする光電変換装置。 - それぞれ前記第1の半導体領域と前記第2の半導体領域とを含む、複数の前記光電変換素子が配され、
前記複数の光電変換素子それぞれに前記第1のゲート電極が配され、
前記複数の第1のゲート電極に共通の制御線を有することを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 - それぞれ前記第1の半導体領域と前記第2の半導体領域とを含む、複数の前記光電変換素子が配され、
前記複数の光電変換素子に前記第1のゲート電極が連続して配されていることを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。 - 前記第1の半導体領域と、前記第2の半導体領域と、前記第4の半導体領域と、前記第1のゲート電極と、前記第2のゲート電極とをそれそれ1つずつ有する第1の画素と第2の画素とを有し、
前記第1の画素の第4の半導体領域と前記第3の半導体領域との間に、前記第2の画素の第4の半導体領域が配され、
複数の前記画素は前記第3の半導体領域を共有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光電変換装置。 - 前記第1の画素の信号電荷は前記第2の画素の第4の半導体領域を介して前記第3の半導体領域へ転送されることを特徴とする請求項4に記載の光電変換装置。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理回路とを有する撮像システム。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光電変換装置の駆動方法であって、少なくとも前記光電変換素子に信号電荷を蓄積する期間中は、前記第1のゲート電極に、前記第4の半導体領域に前記信号電荷と反対の極性を有する電荷が蓄積するような電圧を供給することを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
- 前記第2のゲート電極に供給される前記第3の半導体領域と前記第4の半導体領域とを非導通状態にするための電圧は、前記第1のゲート電極に供給される前記第4の半導体領域に前記信号電荷と反対の極性を有する電荷を蓄積させるための電圧と、前記第2のゲート電極に供給される前記第3の半導体領域と前記第4の半導体領域とを導通状態にするための電圧との間の値であることを特徴とする請求項7に記載の光電変換装置の駆動方法。
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