JP2014011253A - 固体撮像装置および電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】画素数が増大した構成であっても画像信号の高速読み出しが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に沿って配線された信号線と、前記各光電変換部に対して電気的に接続されたものであって、ゲート電極の両脇にチャネル幅方向の大きさおよび深さの少なくとも一方のサイズが異なる2つの不純物領域を有する構成であると共に、当該2つの不純物領域のうち前記サイズが小さい不純物領域に対して前記信号線が接続された出力トランジスタとを備えた固体撮像装置である。
【選択図】図1

Description

本技術は、固体撮像装置および電子機器に関し、特にはCMOS構成の固体撮像装置、およびこの固体撮像装置を用いた電子機器に関する。
固体撮像装置のうち、画素毎に画素駆動回路が設けられた、いわゆるCMOS型の固体撮像装置では、各画素の光電変換部で変換された電荷が、画素駆動回路に備えられた増幅トランジスタで増幅され、その増幅された電荷が信号線に出力される。
このようなCMOS型の固体撮像装置においては、増幅トランジスタの微細化により、ランダムノイズ(Random Telegraph Signal Noise)が発生し、このノイズが点滅点を形成して表示特性を劣化させる問題が発生している。これを防止するための構成として、例えば増幅トランジスタのゲート面積を、画素駆動回路を構成する他のトランジスタのゲート面積よりも大きくする構成が提案されている(下記特許文献1参照)。
特開2009−212248号公報
ところで、上述したCMOS型の固体撮像装置においては、1本の信号線に対して複数の画素駆動回路が接続される。ここで、各信号線に対する画素回路の接続部分は、トランジスタのソース/ドレインであって、信号線の動作速度を遅延させる容量成分となる不純物領域である。このため、画素数の増加は、信号線に接続される容量成分の増大を引き起こし、その結果として画像信号の読み出し動作速度が低下する問題があった。
そこで本技術は、画素数が増大した構成であっても画像信号の高速読み出しが可能な固体撮像装置を提供すること、およびこの固体撮像装置を用いることで性能の向上が図られた電子機器を提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本技術は、複数の光電変換部と、これらの光電変換部に沿って配線された信号線と、各光電変換部に対して電気的に接続された出力トランジスタとを備えた固体撮像装置である。特に、出力トランジスタは、ゲート電極の両脇に、チャネル幅方向の大きさおよび深さの少なくとも一方のサイズが異なる2つの不純物領域を配置した構成である。そしてこれら2つの不純物領域のうち、サイズが小さい不純物領域に対して、上述した信号線が接続されている。
また本技術はこのような構成の固体撮像装置を備えた電子機器でもある。
このような構成の固体撮像装置は、出力トランジスタを構成する2つの不純物領域のサイズを異なるものとし、サイズの小さい不純物領域を信号線に対して接続させた構成である。このため、信号線に接続される各不純物領域による容量成分が削減され、信号線の動作速度の向上が図られる。
以上説明したように本技術によれば、信号線に接続される各不純物領域による容量成分が削減されることにより、信号線の動作速度の向上が図られるため、画素数が増大した場合であっても信号線を介しての撮像信号の高速読み出しが可能である。
本技術が適用される固体撮像装置の一例を示す概略構成図である。 第1実施形態の固体撮像装置の要部の構成を示す平面図である。 図2のA−A断面に相当する断面図である。 第1実施形態の変形例1を説明するための要部の平面図である。 第1実施形態の変形例2を説明するための断面図である。 図5の断面図に対応する平面図である。 第1実施形態の変形例3を説明するための平面図である。 第2実施形態の固体撮像装置の要部の構成を示す平面図である。 図8のA−A断面に相当する断面図である。 第3実施形態の固体撮像装置の要部の構成を示す平面図である。 図10のA−A断面に相当する断面図である。 第4実施形態の電子機器の構成を示す概略構成図である。
以下、本技術の実施の形態を、図面に基づいて次に示す順に説明する。
1.実施形態の固体撮像装置の概略構成例
2.第1実施形態(選択トランジスタを出力トランジスタとした固体撮像装置の例)
3.変形例1(出力トランジスタのゲート電極の位置を変更した例)
4.変形例2(出力トランジスタの不純物領域の深さで調整した例)
5.変形例3(光電変換部を拡大した例)
6.第2実施形態(増幅トランジスタを出力トランジスタとした固体撮像装置の第1例)
7.第3実施形態(増幅トランジスタを出力トランジスタとした固体撮像装置の第2例)
8.第4実施形態(固体撮像装置を用いた電子機器)
≪1.実施形態の固体撮像装置の概略構成例≫
図1に、本技術の固体撮像装置の一例として、MOS型の固体撮像装置の概略構成を示す。
この図に示す固体撮像装置1は、例えば単結晶シリコンからなる半導体基板2の一主面側に撮像領域3を有している。撮像領域3内には、複数の画素4が規則的に二次元配列されている。各画素4内には、不純物領域で構成された光電変換部と共に、フローティングディフュージョンと、読出ゲートと、その他の複数のトランジスタ(いわゆるMOSトランジスタ)とで構成された画素駆動回路が設けられている。尚、複数の画素4で画素駆動回路の一部を共有している場合もある。
以上のような撮像領域3の周辺部分には、垂直駆動回路5、カラム信号処理回路6、水平駆動回路7、およびシステム制御回路8などの周辺回路が設けられている。
垂直駆動回路5は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動線9を選択し、選択された画素駆動線9に画素4を駆動するためのパルスを供給し、撮像領域3に配列された画素4を行単位で駆動する。すなわち、垂直駆動回路5は、撮像領域3に配列された各画素を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、画素駆動線9に対して垂直に配線された信号線10を通して、各画素4において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路6に供給する。
カラム信号処理回路6は、画素の例えば列ごとに配置されており、1行分の画素4から出力される信号を画素列ごとにノイズ除去などの信号処理を行う。すなわちカラム信号処理回路6は、画素固有の固定パターンノイズを除去するための相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double sampling)や、信号増幅、アナログ/デジタル変換(AD:Analog/Digital Conversion)等の信号処理を行う。
水平駆動回路7は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路6の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路6の各々から画素信号を出力させる。
システム制御回路8は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像装置1の内部情報などのデータを出力する。すなわち、システム制御回路8では、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路5、カラム信号処理回路6、および水平駆動回路7などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、これらの信号を垂直駆動回路5、カラム信号処理回路6、および水平駆動回路7等に入力する。
以上のような各周辺回路5〜8と、撮像領域3に設けられた画素駆動回路とで、各画素4を駆動する駆動回路が構成されている。尚、周辺回路5〜8は、撮像領域3に積層される位置に配置されていても良い。
≪2.第1実施形態≫
(選択トランジスタを出力トランジスタとした固体撮像装置の例)
図2は、第1実施形態の固体撮像装置1-1の要部の構成を示す平面模式図であり、図1における撮像領域3の一部を拡大した平面図に相当する。また図3は、図2におけるA−A断面に相当する断面図である。
これらの図に示すように、第1実施形態の固体撮像装置1-1における撮像領域3には、半導体基板2の一主面側を素子分離11で分離した複数の第1アクティブ領域2aおよび第2アクティブ領域2bが形成されている。そしてこれらの第1アクティブ領域2aおよび第2アクティブ領域2bに対応して、光電変換部PDと4つのトランジスタTTr,RTr,ATr,STrとが配置されている。
これら4つのトランジスタは画素駆動回路を構成するものであり、転送トランジスタTTr、リセットトランジスタRTr、増幅トランジスタATr、および選択トランジスタSTrである。これら4つのトランジスタのうち、転送トランジスタTTrは、光電変換部PDと共に第1アクティブ領域2aに設けられている。これに対して、リセットトランジスタRTr、増幅トランジスタATr、および選択トランジスタSTrの3つは、第2アクティブ領域2bに設けられている。またこれら3つのトランジスタRTr,ATr,STrは、2つの光電変換部PDに対して共通で設けられ、2つの画素で画素駆動回路の一部を共有する構成となっている。
以上のような構成において本第1実施形態では、第2アクティブ領域2bに設けられた選択トランジスタSTrが、出力トランジスタとして信号線10に接続された構成である。そして出力トランジスタを構成する選択トランジスタSTrが、サイズが異なる2つの不純物領域を備えているところが特徴的である。またこれにともない、選択トランジスタSTrが設けられた第2アクティブ領域2bの開口形状が、一部の開口幅を狭くした形状で構成されているところが特徴的である。
以下、上述した各構成要素の詳細な構成を、第1アクティブ領域2aおよび第2アクティブ領域2b、光電変換部PD、転送トランジスタTTr、リセットトランジスタRTr、増幅トランジスタATr、選択トランジスタSTr、信号線10の順に説明する。次いで、この固体撮像装置1-1の駆動を説明する。
<第1アクティブ領域2aおよび第2アクティブ領域2b>
第1アクティブ領域2aおよび第2アクティブ領域2bは、半導体基板2に設けた素子分離11によって分離された領域であって、素子が形成される半導体領域である。素子分離11は、一例として溝型素子分離のような絶縁性の領域として形成されており、ここでは各第1アクティブ領域2aおよび各第2アクティブ領域2bを互いに独立した半導体領域として分離している。
このうち第1アクティブ領域2aは、2つの光電変換部PDとこれらの間に設けられたフローティングディフュージョンFDとの形成部分を連続的に開口する平面形状で形成されている。
一方、第2アクティブ領域2bは、第1アクティブ領域2aに沿って所定の開口幅W0で形成され、その長さ方向の一端が開口幅W0よりもサイズの小さい開口幅W(<W0)で形成されている。このようなサイズの小さい開口幅Wの部分は、例えば所定の開口幅W0の中央に設けられている。この開口幅Wは、一定であって良いが、一定で無くても良く第2アクティブ領域2bの端縁に向かって小さくなっても良い。一例として、所定の開口幅W0に対して、サイズの小さい開口幅Wは、[W]<[(2/3)×W0]程度であることとする。
尚、第2アクティブ領域2bの開口形状は、開口幅W0で構成された部分の長さ方向の一端に、サイズの小さな開口幅Wの部分を延設させた構成であれば図示した形状に限定されることはない。例えば、所定の開口幅W0で構成された部分における幅方向の一方側に偏って、サイズの小さい開口幅Wの部分を設けた構成であっても良い。
また、本実施形態においては、これらの第1アクティブ領域2aと第2アクティブ領域2bとは、互いに独立して設けられた場合を例示したが、第1アクティブ領域2aと第2アクティブ領域2bとは、連続した領域として形成されていても良い。
<光電変換部PD>
図2の平面図のみに図示される光電変換部PDは、半導体基板2の第1アクティブ領域2aに設けられている。各光電変換部PDは、第1アクティブ領域2aに形成されたp型の不純物領域とn型の不純物領域とで構成されたフォトダイオードであり、各画素の広い領域を占めるように設けられている。このような光電変換部PDは、少なくとも素子分離11が形成された深さにおいては、素子分離11をマスクにして形成され、第1アクティブ領域2aの開口形状とほぼ一致する平面形状を有する。ここでは例えば、p型の半導体基板2内に設けられたn型の不純物領域を蓄積領域とし、これに接して半導体基板2の表面層および内部に設けられたp型の不純物領域との間のpn接合によって光電変換部PDが構成されている。
<転送トランジスタTTr>
図2の平面図のみに図示される転送トランジスタTTrは、光電変換部PDを構成要素の一部として第1アクティブ領域2aに設けられている。このような転送トランジスタTTrは、光電変換部PDに隣接して第1アクティブ領域2a上に設けられた転送ゲートTGと、この転送ゲートTGに隣接して設けられたフローティングディフュージョンFDとを備えている。フローティングディフュージョンFDは、半導体基板2の第1アクティブ領域2aの表面層に形成された不純物領域であり、光電変換部PDを構成する蓄積領域と同じ導電型(ここではn型)の不純物領域である。
これにより、転送トランジスタTTrは、光電変換部PDの蓄積領域を構成するn型の不純物領域と、n型の不純物領域で構成されたフローティングディフュージョンFDとをソース/ドレインとしたnチャネルのMOSトランジスタとして動作する。
各転送トランジスタTTrは、1つのフローティングディフュージョンFDを、2組の光電変換部PDと転送ゲートTGとで共有する構成となっている。このため、フローティングディフュージョンFDを共有する2つの光電変換部PDは、連続して開口する第1アクティブ領域2aに設けられている。
上記構成において、フローティングディフュージョンFDは、後述するリセットトランジスタRTrと増幅トランジスタATrとに接続される。また転送ゲートTGは、ここでの図示を省略した画素駆動線に接続され、転送信号φTが供給される。
尚、転送トランジスタTTrの構成は、上述した構成に限定されることはない。例えば各光電変換部PDおよび転送ゲートTGには、それぞれフローティングディフュージョンFDを設けた構成でも良い。また、さらに3組以上の光電変換部PDと転送ゲートTGとによって、1つのフローティングディフュージョンFDを共有する構成であっても良い。
<リセットトランジスタRTr>
リセットトランジスタRTrは、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分に設けられている。このリセットトランジスタRTrは、第2アクティブ領域2bを開口幅W0の方向に横断して設けられたリセットゲートRGと、リセットゲートRGの両脇の第2アクティブ領域2bに設けられた第1不純物領域21および第2不純物領域22とを備えている。これらの第1不純物領域21および第2不純物領域22は、素子分離11とリセットゲートRGとをマスクにした平面形状を有する。したがって、第1不純物領域21と第2不純物領域22とは、チャネル幅方向の大きさが同じである。ここでチャネル幅方向とは、アクティブ領域をゲートが横断する方向である。また第1不純物領域21と第2不純物領域22とは、半導体基板2の表面層に、それぞれが同じ深さで形成されている。
上記構成において、リセットゲートRGには、ここでの図示を省略した画素駆動線が接続され、リセット信号φRが入力される。また第1不純物領域21および第2不純物領域22は、いわゆるソース/ドレインであって、第1不純物領域21はフローティングディフュージョンFDに接続され、第2不純物領域22には電源電圧Vddが供給される。
<増幅トランジスタATr>
増幅トランジスタATrは、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分に、リセットトランジスタRTrの第2不純物領域22を共有する状態で設けられている。この増幅トランジスタATrは、第2アクティブ領域2bを開口幅W0の方向に横断して設けられた増幅ゲートAGと、増幅ゲートAGの両脇の第2アクティブ領域2bに設けられた第2不純物領域22および第3不純物領域23とを備えている。これらの第2不純物領域22および第3不純物領域23は、素子分離11と増幅ゲートAGとをマスクにした平面形状を有する。したがって、第2不純物領域22と第3不純物領域23とは、チャネル幅方向の大きさが同じである。また、半導体基板2の表面層に、それぞれが同じ深さで形成されている。
上記構成において、増幅ゲートAGはフローティングディフュージョンFDに接続される。また第2不純物領域22および第3不純物領域23は、いわゆるソース/ドレインであって、第2不純物領域22は先に説明したように電源電圧Vddが供給される。
<選択トランジスタSTr>
選択トランジスタSTrは、出力トランジスタとして用いられるものであり、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分からサイズの小さい開口幅Wの部分にかけて配置される。この選択トランジスタSTrは、増幅トランジスタATrの第3不純物領域23を共有する状態で設けられている。これにより、この選択トランジスタSTrは、増幅トランジスタATrおよび転送トランジスタTTrのフローティングディフュージョンFDを介して、光電変換部PDに対して電気的に接続されたものとなっている。
また選択トランジスタSTrは、第2アクティブ領域2bを開口幅W0の方向に横断して設けられた選択ゲートSGと、選択ゲートSGの両脇の第2アクティブ領域2bに設けられた第3不純物領域23および第4不純物領域24とを備えている。
このうち選択ゲートSGは、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分上に配置される。このため、第3不純物領域23および第4不純物領域24のうち、増幅トランジスタATrと共有される第3不純物領域23は、その全体が第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分に設けられる。これに対して、もう一方の第4不純物領域24は、第2アクティブ領域2bにおいて、所定の開口幅W0の部分と、サイズの小さい開口幅Wの部分とにまたがって設けられる。これらの第3不純物領域23および第4不純物領域24は、素子分離11と選択ゲートSGとをマスクにした平面形状を有する。したがって、第3不純物領域23と第4不純物領域24とは、これらによって構成される選択トランジスタSTrのチャネル幅方向の大きさが異なるものであると言える。
上記構成において、選択ゲートSGには、ここでの図示を省略した画素駆動線が接続され、選択信号φSが入力される。また第3不純物領域23および第4不純物領域24は、いわゆるソース/ドレインであって、上述したチャネル幅方向のサイズが小さい第4不純物領域24が信号線10に接続される。
<信号線10>
信号線10は、光電変換部PDの配列に沿って垂直方向に配線されている。図3に示したように、これらの各信号線10は、素子分離11が形成された半導体基板2上を覆って成膜された層間絶縁膜13の上部に形成されている。また各信号線10は、層間絶縁膜13に形成された接続孔13aを介して、光電変換部PD間に配置された各選択トランジスタSTrを構成する第4不純物領域24に接続されている。
ここで、1本の信号線10には、信号線10に沿って配置された複数の選択トランジスタSTrの第4不純物領域24が接続されている。例えば、撮像領域3内に、水平画素数4000個×垂直画素数2000個の画素が配置されて、垂直方向に配列された2つの光電変換部で1つの画素駆動回路を共有している場合、1つの信号線10に対して1000個の第4不純物領域24が接続されることになる。
<固体撮像装置1-1の駆動>
以上のような各構成要素で構成された固体撮像装置1-1の画素駆動回路は、通常の4トランジスタ構成の画素駆動回路と同様に、次のように駆動される。すなわち先ず、光電変換部PDで光電変換され、ここに蓄積された信号電荷(ここでは、電子)は、転送ゲートTGに転送信号φTが与えられることによってフローティングディフュージョンFDに転送される。
また、光電変換部PDからフローティングディフュージョンFDへの信号電荷の転送に先立ち、リセットゲートRGにリセット信号φRが与えられる。これにより、フローティングディフージョンFDの電位がリセットされる。
そして、フローティングディフージョンFDの電位をリセットした後に、選択ゲートSGに対して選択信号φSが与えられる。これにより、フローティングディフージョンFDの電位が、リセット電位として増幅トランジスタATrから選択トランジスタSTrを介して信号線10に出力される。また、光電変換部PDからフローティングディフージョンFDに信号電荷を転送した後にも、選択ゲートSGに対して選択信号φSが与えられる。これにより、フローティングディフュージョンFDの電位が信号電位として増幅トランジスタATrから選択トランジスタSTrを介して信号線10に出力される。
<第1実施形態の効果>
以上のような構成の固体撮像装置1-1では、出力トランジスタとして用いられる選択トランジスタSTrのソース/ドレインを構成する第3不純物領域23と第4不純物領域24とを、チャネル幅方向の大きさが異なるものとしている。このような構成において、チャネル幅方向の大きさ(サイズ)の小さい第4不純物領域24に対して信号線10を接続させている。このため、信号線10に接続される各第4不純物領域24の容量が削減されることになり、信号線10の動作速度の向上が図られる。この結果、画素数が増大し、一つの信号線10に接続される画素回路が増加した場合であっても、信号線10を介しての撮像信号の高速読み出しが可能である。
また選択トランジスタSTrが設けられた第2アクティブ領域2bは、先の第4不純物領域24が配置された部分のみが、選択トランジスタSTrのチャネル幅方向に小さい開口形状である。このため、選択トランジスタSTrは、選択ゲートSG下のチャネル幅がある程度の大きさに保たれ、特性劣化が抑えられたものとなる。さらに、チャネル幅方向のサイズの大きな第3不純物領域23を選択トランジスタSTrと共有する増幅トランジスタATrも、増幅ゲートAG下のチャネル幅の大きさがある程度の大きさに保たれたものとなる。したがって、増幅トランジスタATrにおけるチャネル領域の大きさ(面積)が確保され、増幅トランジスタATrの微細化に起因するランダムノイズの発生を防止する効果を得ることもできる。
以上より、本第1実施形態の固体撮像装置1-1によれば、ランダムノイズの低減と画像信号の高速読み出しとの両立を図ることが可能である。
≪3.変形例1≫
(出力トランジスタのゲート電極の位置を変更した例)
図4は、第1実施形態の変形例1を説明するための平面図であり、第1実施形態で説明した第2アクティブ領域2bの配置部分の周辺を拡大した図である。この図に示すように、変形例1の固体撮像装置1-1aは、第2アクティブ領域2bに対する選択ゲートSGの配置状態が第1実施形態とは異なる。他の構成は第1実施形態と同様である。
すなわち変形例1の固体撮像装置1-1aでは、出力トランジスタとして用いられる選択トランジスタSTrの選択ゲートSGが、第2アクティブ領域2bにおいて、サイズの小さい開口幅Wの部分に設けられる。このため、選択トランジスタSTrを構成する第3不純物領域23および第4不純物領域24のうち、増幅トランジスタATrと共有される第3不純物領域23は、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分から開口幅Wの部分に掛けて設けられる。これに対して、もう一方の第4不純物領域24は、第2アクティブ領域2bにおいて、サイズの小さい開口幅Wの部分に設けられることになる。
尚、選択ゲートSGは、第2アクティブ領域2bにおいて、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分とサイズの小さい開口幅Wの部分とにまたがって設けられても良い。
<変形例1の効果>
以上のような変形例1の固体撮像装置1-1aであっても、第1実施形態の固体撮像装置と同様に、ランダムノイズの低減と画像信号の高速読み出しとの両立を図ることが可能である。
≪4.変形例2≫
(出力トランジスタの不純物領域の深さで調整した例)
図5は、第1実施形態の変形例2を説明するための断面図である。また図6は、図5の断面図に対応する平面図である。これらの図に示すように、変形例2の固体撮像装置1-1bは、選択トランジスタSTrを構成する第4不純物領域24’の形状が第1実施形態とは異なる。他の構成は第1実施形態と同様である。
すなわち変形例2の固体撮像装置1-1bでは、出力トランジスタとして用いられる選択トランジスタSTrにおいて、ソース/ドレインとして用いられる第4不純物領域24’が、他の不純物領域21,22,23よりも浅く形成されている。一方、この第4不純物領域24’は、チャネル幅方向の大きさが、他の不純物領域21,22,23と同じ大きさの平面形状で形成されている。これにともない、この選択トランジスタSTrが配置される第2アクティブ領域2b’の開口形状は、所定の開口幅W0の矩形形状となっている。
以上のような第2アクティブ領域2b’に設けられる各トランジスタRTr,ATr,STrのゲートRG,AG,SGは、第2アクティブ領域2b’の開口幅W0方向にわたって平行に配置されている。
<変形例2の効果>
以上のような変形例2の固体撮像装置1-1bでは、出力トランジスタとして用いられる選択トランジスタSTrのソース/ドレインを構成する第3不純物領域23と第4不純物領域24’とを、深さが異なるものとしている。このような構成において、深さの小さい第4不純物領域24’に対して信号線10を接続させている。このため、第1実施形態と同様に、信号線10に接続される各第4不純物領域24’の容量が削減され、信号線10を介しての撮像信号の高速読み出しが可能である。
また選択トランジスタSTrが設けられた第2アクティブ領域2b’は、所定の開口幅W0を保った矩形の開口形状で構成されている。このため、第1実施形態と同様に、選択トランジスタSTrは、チャネル幅がある程度の大きさに保たれ特性劣化が抑えられたものとなる。また増幅トランジスタATrも、チャネル幅の大きさがある程度の大きさに保たれ、増幅トランジスタATrの微細化に起因するランダムノイズの発生を防止する効果を得ることが可能になる。
以上より変形例2の固体撮像装置1-1bであっても、第1実施形態の固体撮像装置と同様に、ランダムノイズの低減と画像信号の高速読み出しとの両立を図ることが可能である。
また更なる効果として、第2アクティブ領域2b’の開口形状が矩形形状で良いため、第2アクティブ領域2b’を形成するためのマスクを変更する必要はなく、製造コストの上昇が抑えられる。
尚、この変形例2においては、第2アクティブ領域2b’の開口形状を矩形形状とし、第4不純物領域24’のチャネル幅方向の大きさは、他の不純物領域21,22,23と同じ大きさであることとした。しかしながら本変形例2の構成は、第1実施形態や変形例1の構成と組み合わせても良い。この場合、第1実施形態や変形例1の構成において、第4不純物領域24’の深さを他の不純物領域21,22,23よりも浅くすれば良い。このような各構成であれば、第1実施形態や変形例1の構成と比較して、さらに信号線10に接続される第4不純物領域24’の容量を小さくすることができ、読み出し速度のさらなる高速化を図ることが可能である。
≪5.変形例3≫
(光電変換部を拡大した例)
図7は、第1実施形態の変形例3を説明するための断面図である。この図に示すように、変形例3の固体撮像装置1-1cは、光電変換部PDが設けられる第1アクティブ領域2a’の開口形状が拡張部Eを備えている。他の構成は第1実施形態と同様である。
すなわち変形例3の固体撮像装置1-1cでは、光電変換部PDが設けられる第1アクティブ領域2a’の開口形状が、第2アクティブ領域2b側に拡張された拡張部Eを備えている。第1実施形態において詳細に説明したように、出力トランジスタとしての選択トランジスタSTrが設けられた第2アクティブ領域2bは、長さ方向の一端が開口幅W0よりもサイズの小さい開口幅W(<W0)で形成されている。このため、第2アクティブ領域2bにおいて開口幅が縮小された部分に、第1アクティブ領域2a’を平面的に拡張させた拡張部Eを設ける。これにともない、この第1アクティブ領域2a’に形成される光電変換部PDの平面形状も、拡張部Eの分だけ拡張される。
<変形例3の効果>
以上のような変形例3の構成であれば、第1実施形態の効果に加えて、光電変換部PDの占有面積を広くして受光感度の向上を図ることが可能になる。
尚、この変形例3の構成は、図4を用いて説明した変形例1の構成と組み合わせることができ、組み合わせることによって、それぞれの効果を得ることができる。
≪6.第2実施形態≫
(増幅トランジスタを出力トランジスタとした固体撮像装置の第1例)
図8は、第2実施形態の固体撮像装置1-2の要部の構成を示す平面図であり、図1における撮像領域3の一部を拡大した平面図に相当する。また図9は、図8におけるA−A断面に相当する断面図である。これらの図に示す第2実施形態の固体撮像装置1-2が、第1実施形態の固体撮像装置と異なるところは、出力トランジスタとして増幅トランジスタATrを用いたところにある。これにともない、第2アクティブ領域2bにおける3つのトランジスタRTr,STr,ATrの配置順が第1実施形態とは異なる。他の構成は第1実施形態と同様であるため、重複する構成の説明は省略する。
すなわち本第2実施形態の固体撮像装置1-2は、第1実施形態と同様の開口形状の第1アクティブ領域2aおよび第2アクティブ領域2bを備えている。また第1アクティブ領域2aには、第1実施形態と同様の光電変換部PDと転送トランジスタTTrとが設けられている。これに対して第2アクティブ領域2bには、第1実施形態とは異なり、後述するように、増幅トランジスタATrを信号線10に接続させる状態で3つのトランジスタRTr,STr,ATrが設けられている。
<リセットトランジスタRTr>
このうちリセットトランジスタRTrの配置状態および接続状態は、第1実施形態と同様である。
<選択トランジスタSTr>
選択トランジスタSTrは、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分に、リセットトランジスタRTrの第2不純物領域22を共有する状態で設けられている。この選択トランジスタSTrは、第2アクティブ領域2bを開口幅W0の方向に横断して設けられた選択ゲートSGと、選択ゲートSGの両脇の第2アクティブ領域2bに設けられた第2不純物領域22および第3不純物領域23とを備えている。これらの第2不純物領域22および第3不純物領域23は、素子分離11と選択ゲートSGとをマスクにした平面形状を有する。したがって、第2不純物領域22と第3不純物領域23とは、チャネル幅方向の大きさが同じである。また、半導体基板2の表面層に、それぞれが同じ深さで形成されている。
上記構成において、選択ゲートSGには、ここでの図示を省略した画素駆動線が接続され、選択信号φSが入力される。また第2不純物領域22および第3不純物領域23は、いわゆるソース/ドレインであって、リセットトランジスタRTrと共有される第2不純物領域22には電源電圧Vddが供給される。
<増幅トランジスタATr>
増幅トランジスタATrは、出力トランジスタとして用いられるものであり、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分からサイズの小さい開口幅Wの部分にかけて配置される。この増幅トランジスタATrは、選択トランジスタSTrの第3不純物領域23を共有する状態で設けられている。
また増幅トランジスタATrは、第2アクティブ領域2bを開口幅W0の方向に横断して設けられた増幅ゲートAGと、増幅ゲートAGの両脇の第2アクティブ領域2bに設けられた第3不純物領域23および第4不純物領域24とを備えている。
このうち増幅ゲートAGは、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分に配置される。このため、第3不純物領域23および第4不純物領域24のうち、選択トランジスタSTrと共有される第3不純物領域23は、その全体が第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分に設けられる。これに対して、もう一方の第4不純物領域24は、第2アクティブ領域2bにおいて、所定の開口幅W0の部分と、サイズの小さい開口幅Wの部分とにまたがって設けられる。これらの第3不純物領域23および第4不純物領域24は、素子分離11と増幅ゲートAGとをマスクにした平面形状を有する。したがって、第3不純物領域23と第4不純物領域24とは、これらによって構成される増幅トランジスタATrのチャネル幅方向の大きさが異なるものであると言える。
上記構成において、増幅ゲートAGはフローティングディフュージョンFDに接続される。これにより、この増幅トランジスタATrは、転送トランジスタTTrのフローティングディフュージョンFDを介して光電変換部PDに対して電気的に接続されたものとなっている。
また第3不純物領域23および第4不純物領域24は、いわゆるソース/ドレインであって、上述したチャネル幅方向のサイズが小さい第4不純物領域24が信号線10に接続される。
<固体撮像装置1-2の駆動>
以上のような各構成要素で構成された固体撮像装置1-2の画素駆動回路は、第1実施形態の固体撮像装置1-1と同様に駆動される。だたし、選択ゲートSGに対して選択信号φSが与えられた場合、フローティングディフージョンFDの電位は、選択トランジスタを介することなく増幅トランジスタATrから信号線10に出力される。
<第2実施形態の効果>
以上のような構成の固体撮像装置1-2では、出力トランジスタとして用いられる増幅トランジスタATrのソース/ドレインを構成する第3不純物領域23と第4不純物領域24とを、チャネル幅方向の大きさが異なるものとしている。このような構成において、チャネル幅方向の大きさ(サイズ)の小さい第4不純物領域24に対して信号線10を接続させている。このため第1実施形態と同様に、信号線10に接続される各第4不純物領域24の容量が削減されることになり、一つの信号線10に接続される画素回路が増加した場合であっても、信号線を介しての撮像信号の高速読み出しが可能である。
また第2アクティブ領域2bは、先の第4不純物領域24が配置された部分のみが、チャネル幅方向に小さい開口形状である。このため第1実施形態と同様に、選択トランジスタSTrは、選択ゲートSG下のチャネル幅がある程度の大きさに保たれ、特性劣化が抑えられたものとなる。さらに、増幅トランジスタATrも、増幅ゲートAG下のチャネル幅の大きさがある程度の大きさに保たれ、増幅トランジスタATrの微細化に起因するランダムノイズの発生を防止する効果を得ることが可能になる。
以上より、本第2実施形態の固体撮像装置1-2であっても、ランダムノイズの低減と画像信号の高速読み出しとの両立を図ることが可能である。
尚、上述した第2実施形態の構成は、図5および図6を用いて説明した第1実施形態の変形例2、および図7を用いて説明した第1実施形態の変形例3と組み合わせることができ、組み合わせることによって、それぞれの効果を得ることができる。また、ランダムノイズの影響を考慮しなくて良い場合であれば、図4を用いて説明した第1実施形態の変形例1の構成と組み合わせても良い。
≪7.第3実施形態≫
(増幅トランジスタを出力トランジスタとした固体撮像装置の第2例)
図10は、第3実施形態の固体撮像装置1-3の要部の構成を示す平面図であり、図1における撮像領域3の一部を拡大した平面図に相当する。また図11は、図10におけるA−A断面に相当する断面図である。これらの図に示す第3実施形態の固体撮像装置1-3が、第1実施形態の固体撮像装置と異なるところは、第2アクティブ領域2bに2つのトランジスタを設け、出力トランジスタとして増幅トランジスタATrを用いたところにある。他の構成は第1実施形態と同様であるため、重複する構成の説明は省略する。
すなわち本第3実施形態の固体撮像装置1-3は、第1実施形態と同様の開口形状の第1アクティブ領域2aおよび第2アクティブ領域2bを備えている。また第1アクティブ領域2aには、第1実施形態と同様の光電変換部PDと転送トランジスタTTrとが設けられている。これに対して第2アクティブ領域2bには、第1実施形態とは異なり、後述するように2つのトランジスタRTr,ATrが設けられており、このうち増幅トランジスタATrが信号線10に接続されている。
<リセットトランジスタRTr>
リセットトランジスタRTrの配置状態および接続状態は、第1実施形態と同様である。
<増幅トランジスタATr>
増幅トランジスタATrは、出力トランジスタとして用いられるものであり、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分からサイズの小さい開口幅Wの部分にかけて配置される。この増幅トランジスタATrは、リセットトランジスタRTrの第2不純物領域22を共有する状態で設けられている。
また増幅トランジスタATrは、第2アクティブ領域2bを開口幅W0の方向に横断して設けられた増幅ゲートAGと、増幅ゲートAGの両脇の第2アクティブ領域2bに設けられた第2不純物領域22および第3不純物領域23とを備えている。
このうち増幅ゲートAGは、第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分に配置される。このため、第2不純物領域22および第3不純物領域23のうち、リセットトランジスタRTrと共有される第2不純物領域22は、その全体が第2アクティブ領域2bにおける所定の開口幅W0の部分に設けられる。これに対して、もう一方の第3不純物領域23は、第2アクティブ領域2bにおいて、所定の開口幅W0の部分と、サイズの小さい開口幅Wの部分とにまたがって設けられる。これらの第2不純物領域22および第3不純物領域23は、素子分離11と増幅ゲートAGとをマスクにした平面形状を有する。したがって、第2不純物領域22と第3不純物領域23とは、これらによって構成される増幅トランジスタATrのチャネル幅方向の大きさが異なるものであると言える。
上記構成において、増幅ゲートAGはフローティングディフュージョンFDに接続される。これにより、この増幅トランジスタATrは、フローティングディフュージョンFDを介して光電変換部PDに対して電気的に接続されたものとなっている。
また第2不純物領域22および第3不純物領域23は、いわゆるソース/ドレインであって、上述したチャネル幅方向のサイズが小さい第3不純物領域23が信号線10に接続される。
<固体撮像装置1-3の駆動>
以上のような各構成要素で構成された固体撮像装置1-3の画素駆動回路は、通常の3トランジスタ構成の画素駆動回路と同様である。すなわち先ず、光電変換部PDで光電変換され、ここに蓄積された信号電荷(ここでは、電子)は、転送ゲートTGに転送信号φTが与えられることによってフローティングディフュージョンFDに転送される。そして、フローティングディフュージョンFDの電位によって、画素の選択、非選択がなされ、選択された画素におけるフローティングディフュージョンFDの電位が信号電位として増幅トランジスタATrから信号線10に出力される。
また、光電変換部PDからフローティングディフュージョンFDへの信号電荷の転送に先立ち、リセットゲートRGにリセット信号φRが与えられることにより、フローティングディフージョンFDの電位がリセットされる。
<第3実施形態の効果>
以上のような構成の固体撮像装置1-3では、出力トランジスタとして用いられる増幅トランジスタATrのソース/ドレインを構成する第2不純物領域22と第3不純物領域23とを、チャネル幅方向の大きさが異なるものとしている。このような構成において、チャネル幅方向の大きさ(サイズ)の小さい第3不純物領域23に対して信号線10を接続させている。このため第1実施形態と同様に、信号線10に接続される各第3不純物領域23の容量が削減されることになり、一つの信号線10に接続される画素回路が増加した場合であっても、信号線を介しての撮像信号の高速読み出しが可能である。
また増幅トランジスタATrが設けられた第2アクティブ領域2bは、先の第3不純物領域23が配置された部分のみが、増幅トランジスタATrのチャネル幅方向に小さい開口形状である。このため第1実施形態と同様に、増幅トランジスタATrは、増幅ゲートAG下のチャネル幅の大きさがある程度の大きさに保たれ、増幅トランジスタATrの微細化に起因するランダムノイズの発生を防止する効果を得ることが可能になる。
以上より、本第3実施形態の固体撮像装置1-3であっても、ランダムノイズの低減と画像信号の高速読み出しとの両立を図ることが可能である。
尚、上述した第3実施形態の構成は、図5および図6を用いて説明した第1実施形態の変形例2、および図7を用いて説明した第1実施形態の変形例3と組み合わせることができ、組み合わせることによって、それぞれの効果を得ることができる。また、ランダムノイズの影響を考慮しなくて良い場合であれば、図4を用いて説明した第1実施形態の変形例1の構成と組み合わせても良い。
また以上説明した各実施形態および変形例では、半導体基板2の一主面側を、第1アクティブ領域2aと第2アクティブ領域2bとに分離し、第2アクティブ領域2bに複数のトランジスタを配置した構成を説明した。しかしながら、フローティングディフュージョンと、各トランジスタRTr,ATr,STrとの接続関係が、例示した接続関係と等価であれば良い。このため、第1アクティブ領域2aと第2アクティブ領域2bとは連続した領域であっても良い。また第2アクティブ領域2bは、各トランジスタRTr,ATr,STrがそれぞれ配分された2つまたは3つの領域に分離されていても良い。
≪8.第4実施形態≫
(固体撮像装置を用いた電子機器)
上述の各実施形態および変形例で説明した本技術に係る固体撮像装置は、例えばデジタルカメラやビデオカメラ等のカメラシステム、さらには撮像機能を有する携帯電話、あるいは撮像機能を備えた他の機器などの電子機器用の固体撮像装置に設けることができる。
図12は、本技術に係る電子機器の一例として、固体撮像素子を用いたカメラの構成図を示す。本実施形態例に係るカメラは、静止画像又は動画撮影可能なビデオカメラを例としたものである。このカメラ91は、固体撮像装置1と、固体撮像装置1の撮像領域に入射光を導く光学系93と、シャッタ装置94と、固体撮像装置1を駆動する駆動回路95と、固体撮像装置1の出力信号を処理する信号処理回路96とを有する。
固体撮像装置1は、上述した各実施形態および変形例で説明した構成の固体撮像装置である。光学系(光学レンズ)93は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置1における撮像領域の撮像面上に結像させる。この撮像面には、複数の画素が配列され、この画素を構成する固体撮像素子の光電変換部に対して、光学系93からの入射光が導かれる。これにより、固体撮像装置1の光電変換部内に、一定期間信号電荷が蓄積される。このような光学系93は、複数の光学レンズから構成された光学レンズ系としても良い。
シャッタ装置94は、固体撮像装置1への光照射期間及び遮光期間を制御する。駆動回路95は、固体撮像装置1及びシャッタ装置94に駆動信号を供給し、供給した駆動信号(タイミング信号)により、固体撮像装置1の信号処理回路96への信号出力動作の制御、およびシャッタ装置94のシャッタ動作を制御する。すなわち、駆動回路95は、駆動信号(タイミング信号)の供給により、固体撮像装置1から信号処理回路96への信号転送動作を行う。信号処理回路96は、固体撮像装置1から転送された信号に対して、各種の信号処理を行う。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいは、モニタに出力される。
以上説明した本実施形態に係る電子機器によれば、各実施形態で説明したようにランダムノイズの低減と画像信号の高速読み出しとの両立が図られた固体撮像装置を備えたことにより、撮像機能を有する電子機器の小型化および高機能化を達成することが可能になる。
尚、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)
複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部に沿って配線された信号線と、
前記各光電変換部に対して電気的に接続されたものであって、ゲート電極とその両脇にチャネル幅方向の大きさおよび深さの少なくとも一方のサイズが異なる2つの不純物領域を有する構成であると共に、当該2つの不純物領域のうち前記サイズが小さい不純物領域に対して前記信号線が接続された出力トランジスタとを備えた
固体撮像装置。
(2)
前記光電変換部が設けられた第1アクティブ領域と、
一端側の開口幅が小さく形成された第2アクティブ領域とを備え、
前記出力トランジスタは、前記第2アクティブ領域の開口幅が小さい部分を前記サイズが小さい不純物領域としている
(1)記載の固体撮像装置。
(3)
前記光電変換部に電気的に接続された増幅ゲートを有し、当該増幅ゲートが前記第2アクティブ領域の開口幅が大きな部分に設けられた構成の増幅トランジスタを備えた
(2)記載の固体撮像装置。
(4)
前記増幅トランジスタは、前記サイズが大きい不純物領域を前記出力トランジスタと共有する
(3)記載の固体撮像装置。
(5)
前記出力トランジスタは、選択信号が入力される選択ゲートを有する選択トランジスタである
(4)記載の固体撮像装置。
(6)
前記選択ゲートは、前記第2アクティブ領域の開口幅が大きな部分に形成された
(5)記載の固体撮像装置。
(7)
前記増幅トランジスタは、前記信号線が接続された前記出力トランジスタとして設けられた
(3)または(4)記載の固体撮像装置。
(8)
前記第2アクティブ領域に、前記サイズが大きい不純物領域を前記増幅トランジスタと共有すると共に、選択信号が入力される選択ゲートを有する選択トランジスタを備えた
(7)記載の固体撮像装置。
(9)
前記第2アクティブ領域に、前記サイズが大きい不純物領域を前記増幅トランジスタと共有すると共に、リセット信号が入力されるリセットゲートを有するリセットトランジスタを備えた
(7)記載の固体撮像装置。
(10)
前記光電変換部に隣接して配置された転送ゲートと、
前記転送ゲートに隣接して配置されたフローティングディフュージョンとを備え、
前記フローティングディフュージョンを介して前記光電変換部に前記出力トランジスタが電気的に接続されている
(1)〜(9)の何れかに記載の固体撮像装置。
(11)
前記第1アクティブ領域と前記第2アクティブ領域とは、素子分離で分離されている
(2)〜(10)の何れかに記載の固体撮像装置。
(12)
複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部に沿って配線された信号線と、
前記各光電変換部に対して電気的に接続されたものであって、ゲート電極とその両脇にチャネル幅方向の大きさおよび深さの少なくとも一方のサイズが異なる2つの不純物領域を有する構成であると共に、当該2つの不純物領域のうち前記サイズが小さい不純物領域に対して前記信号線が接続された出力トランジスタと、
前記光電変換部に入射光を導く光学系とを備えた
電子機器。
1-1,1-1a,1-1b,1-1c,1-2,1-3…固体撮像装置、
2a,2a’…第1アクティブ領域、
2b,2b’…第2アクティブ領域、
10…信号線、
11…素子分離、
21…第1不純物領域、
22…第2不純物領域、
23…第3不純物領域、
24,24’…第4不純物領域、
93…光学系、
AG…増幅ゲート、
ATr…増幅トランジスタ、
FD…フローティングディフュージョン、
PD…光電変換部、
RG…リセットゲート、
RTr…リセットトランジスタ、
SG…選択ゲート、
STr…選択トランジスタ、
TG…転送ゲート、
TTr…転送トランジスタ

Claims (12)

  1. 複数の光電変換部と、
    前記複数の光電変換部に沿って配線された信号線と、
    前記各光電変換部に対して電気的に接続されたものであって、ゲート電極とその両脇にチャネル幅方向の大きさおよび深さの少なくとも一方のサイズが異なる2つの不純物領域を有する構成であると共に、当該2つの不純物領域のうち前記サイズが小さい不純物領域に対して前記信号線が接続された出力トランジスタとを備えた
    固体撮像装置。
  2. 前記光電変換部が設けられた第1アクティブ領域と、
    一端側の開口幅が小さく形成された第2アクティブ領域とを備え、
    前記出力トランジスタは、前記第2アクティブ領域の開口幅が小さい部分を前記サイズが小さい不純物領域としている
    請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 前記光電変換部に電気的に接続された増幅ゲートを有し、当該増幅ゲートが前記第2アクティブ領域の開口幅が大きな部分に設けられた構成の増幅トランジスタを備えた
    請求項2記載の固体撮像装置。
  4. 前記増幅トランジスタは、前記サイズが大きい不純物領域を前記出力トランジスタと共有する
    請求項3記載の固体撮像装置。
  5. 前記出力トランジスタは、選択信号が入力される選択ゲートを有する選択トランジスタである
    請求項4記載の固体撮像装置。
  6. 前記選択ゲートは、前記第2アクティブ領域の開口幅が大きな部分に形成された
    請求項5記載の固体撮像装置。
  7. 前記増幅トランジスタは、前記信号線が接続された前記出力トランジスタとして設けられた
    請求項3記載の固体撮像装置。
  8. 前記第2アクティブ領域に、前記サイズが大きい不純物領域を前記増幅トランジスタと共有すると共に、選択信号が入力される選択ゲートを有する選択トランジスタを備えた
    請求項7記載の固体撮像装置。
  9. 前記第2アクティブ領域に、前記サイズが大きい不純物領域を前記増幅トランジスタと共有すると共に、リセット信号が入力されるリセットゲートを有するリセットトランジスタを備えた
    請求項7記載の固体撮像装置。
  10. 前記光電変換部に隣接して配置された転送ゲートと、
    前記転送ゲートに隣接して配置されたフローティングディフュージョンとを備え、
    前記フローティングディフュージョンを介して前記光電変換部に前記出力トランジスタが電気的に接続されている
    請求項1記載の固体撮像装置。
  11. 前記第1アクティブ領域と前記第2アクティブ領域とは、素子分離で分離されている
    請求項2記載の固体撮像装置。
  12. 複数の光電変換部と、
    前記複数の光電変換部に沿って配線された信号線と、
    前記各光電変換部に対して電気的に接続されたものであって、ゲート電極とその両脇にチャネル幅方向の大きさおよび深さの少なくとも一方のサイズが異なる2つの不純物領域を有する構成であると共に、当該2つの不純物領域のうち前記サイズが小さい不純物領域に対して前記信号線が接続された出力トランジスタと、
    前記光電変換部に入射光を導く光学系とを備えた
    電子機器。
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