JP2875289B2 - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device

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JP2875289B2
JP2875289B2 JP1201173A JP20117389A JP2875289B2 JP 2875289 B2 JP2875289 B2 JP 2875289B2 JP 1201173 A JP1201173 A JP 1201173A JP 20117389 A JP20117389 A JP 20117389A JP 2875289 B2 JP2875289 B2 JP 2875289B2
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重喜 西沢
一八男 竹本
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は半導体集積回路に関し、特に光電変換素子
である固体撮像素子に関し、フォトダイオードの光電変
換信号を増幅する増幅素子とその選択動作とプリチャー
ジ動作を行うスイッチ素子をMOSFET(絶縁ゲート型電界
効果トランジスタ)を用いた画素増幅形固体撮像素子に
利用して有効な技術に関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and more particularly, to a solid-state imaging device which is a photoelectric conversion device, and an amplifying device for amplifying a photoelectric conversion signal of a photodiode, a selection operation thereof, and a pre-amplifier. The present invention relates to a technology effective when a switch element performing a charging operation is used in a pixel amplification type solid-state imaging device using a MOSFET (insulated gate type field effect transistor).

〔従来の技術〕[Conventional technology]

固体撮像素子の高感度及び高SN比の要求に答えるもの
として、例えば1986年のテレビジョン学会全国大会予稿
集PP.51−52で報告されているように、フォトダイオー
ドにより形成した光電変換信号をソースフォロワアンプ
により直接外部に読み出すものがある。
As a response to the demand for high sensitivity and a high S / N ratio of the solid-state imaging device, for example, a photoelectric conversion signal formed by a photodiode is reported as reported in 1986 There is one that directly reads out to the outside by a source follower amplifier.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上記従来の画素セルでは、外部に光電変換信号を読み
出す素子のプロセスバラツキが問題となっていた。この
発明の目的は、プロセスバラツキの影響を受けることな
く、高感度及び高品質の画像信号を得ることができる固
体撮像装置を提供することにある。
In the above-mentioned conventional pixel cell, there has been a problem of a process variation of an element for reading a photoelectric conversion signal to the outside. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of obtaining high-sensitivity and high-quality image signals without being affected by process variations.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本願において開示される発明のうち代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
The outline of a typical invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.

光電変換素子と、該光電変換素子の信号を読み出すス
イッチ素子と、該スイッチ素子と電気的に接続される第
1のキャパシタと、第2のキャパシタとを有し、上記第
1のキャパシタは、上記スイッチ素子と接続される第1
の電極と、上記第2のキャパシタと電気的に接続される
第2の電極とを有し、上記スイッチ素子を介し、第1の
タイミングでプリチャージ電圧が与えられ、第2のタイ
ミングにて上記光電変換素子からの実質的な光電変換信
号に対応した電圧が与えられ、上記第1または第2のタ
イミングにて上記第2の電極がフローティング状態とさ
れ、上記第2のキャパシタは、上記第2の電極がフロー
ティング状態とされるタイミングにて、上記第1のキャ
パシタと直列形態に接続され、基準とする上記プリチャ
ージ電圧から、上記光電変換信号に対応した電圧を差し
引いた出力信号を保持することを特徴とする固体撮像装
置とする。
A photoelectric conversion element, a switch element for reading a signal from the photoelectric conversion element, a first capacitor electrically connected to the switch element, and a second capacitor, wherein the first capacitor is The first connected to the switch element
And a second electrode electrically connected to the second capacitor, a precharge voltage is applied at a first timing via the switch element, and the precharge voltage is applied at a second timing. A voltage corresponding to a substantial photoelectric conversion signal from the photoelectric conversion element is applied, the second electrode is brought into a floating state at the first or second timing, and the second capacitor is connected to the second capacitor. At the timing when the electrode is brought into a floating state, it is connected in series with the first capacitor, and holds an output signal obtained by subtracting a voltage corresponding to the photoelectric conversion signal from the precharge voltage as a reference. And a solid-state imaging device.

〔作用〕[Action]

上記した手段によれば、キャパシタを介して光電変換
信号を取り出すものであるため、フォトダイオードの容
量値と読み出し用のキャパシタとの容量比に従って出力
される画素信号の増幅が行われるとともに、選択経路に
おける素子の特性のバラツキによる画像への悪影響を防
止することができる。
According to the above-described means, since the photoelectric conversion signal is extracted through the capacitor, the pixel signal output is amplified in accordance with the capacitance ratio between the capacitance value of the photodiode and the capacitor for reading, and the selection path is selected. In this case, it is possible to prevent an adverse effect on an image due to variations in element characteristics.

〔実施例〕〔Example〕

第2図には、この発明が適用されるカラー用の画素増
幅型固体撮像素子の一実施例の要部回路図が示されてい
る。同図では、代表として例示的に示された3行、3列
分の画素アレイとその選択回路及び信号読み出し回路が
示されている。上記固体撮像素子を構成する各回路素子
は、公知の半導体集積回路の製造技術によって、特に制
限されないが、単結晶シリコンのような1個の半導体基
板上において形成される。
FIG. 2 is a main part circuit diagram of an embodiment of a color pixel amplification type solid-state imaging device to which the present invention is applied. FIG. 1 shows a pixel array of three rows and three columns, a selection circuit thereof, and a signal readout circuit, which are exemplarily shown as representatives. Each circuit element constituting the solid-state imaging device is formed on a single semiconductor substrate such as single crystal silicon, though not particularly limited, by a known semiconductor integrated circuit manufacturing technique.

上記固体撮像素子は、次の各回路より構成される。1
つの画素セルは、アノード側電極が回路の接地電位に結
合されたフォトダイオードD1と、そのフォトダイオード
D1のカソード側電極にゲートが結合された増幅MOSFETQ2
と、上記フォトダイオードD1のカソード側電極にプリチ
ャージ(リセット)電圧を供給するスイッチMOSFETQ1及
び上記増幅MOSFETQ2のソース側に設けられた選択用のス
イッチMOSFETQ3とから構成される。
The solid-state imaging device includes the following circuits. 1
One pixel cell consists of a photodiode D1 whose anode electrode is coupled to the circuit ground potential,
Amplification MOSFET Q2 with gate coupled to cathode side electrode of D1
And a switch MOSFET Q1 for supplying a precharge (reset) voltage to the cathode electrode of the photodiode D1 and a selection switch MOSFET Q3 provided on the source side of the amplification MOSFET Q2.

増幅MOSFETQ2のドレインはQ1のドレインと同じくPDRV
に結合され、スイッチMOSFETQ3のゲートは、横方向に延
長して配置される第2の行選択線(垂直走査線)HL12に
結合される。同じ行に配置された他の画素セルの同様な
増幅MOSFETQ5,Q8のドレイン及びスイッチMOSFETQ6,Q9の
ゲートも上記MOSFETQ2,Q3と同様に結合される。プリチ
ャージ用のスイッチMOSFETQ1のゲートは、横方向に延長
して配置される第1の行選択線(垂直走査線)HL11に結
合される。同様に同じ行に配置された他の画素セルのプ
リチャージ用のスイッチMOSFETQ4及びQ7も上記第1の行
選択線HL11に結合される。
The drain of the amplifying MOSFET Q2 is the same as the drain of Q1
And the gate of the switch MOSFET Q3 is coupled to a second row selection line (vertical scanning line) HL12 extending in the horizontal direction. The drains of the similar amplification MOSFETs Q5 and Q8 and the gates of the switch MOSFETs Q6 and Q9 of the other pixel cells arranged on the same row are coupled in the same manner as the MOSFETs Q2 and Q3. The gate of the switch MOSFET Q1 for precharging is coupled to a first row selection line (vertical scanning line) HL11 that is arranged to extend in the horizontal direction. Similarly, switch MOSFETs Q4 and Q7 for precharging other pixel cells arranged in the same row are also coupled to the first row selection line HL11.

上記読み出し用のスイッチMOSFETQ3のソースは、縦方
行に延長して配置される列信号線(垂直信号線)V1に結
合される。同じ列に配置される他の画素セルの同様なス
イッチMOSFETのソースも上記信号線V1に結合される。こ
のことは、他の列の画素セルにおいても、上記読み出し
用のスイッチMOSFETQ6、Q9等のソースは、それぞれ同様
な列信号線V2,V3に結合される。
The source of the switch MOSFET Q3 for reading is coupled to a column signal line (vertical signal line) V1 arranged to extend in a vertical row. The sources of similar switch MOSFETs of other pixel cells arranged in the same column are also coupled to the signal line V1. This means that the source of the readout switch MOSFETs Q6 and Q9 is also coupled to the similar column signal lines V2 and V3 in the pixel cells in other columns.

上記各列信号線V1〜V3と端子VRVとの間には、リセッ
ト用のスイッチMOSFETQ16〜Q18がそれぞれ設けられる。
端子VRVには、リセット電圧が供給される。これらのリ
セット用のスイッチMOSFETQ16〜Q18のゲートは、共通接
続されて端子VRPに結合される。この端子VRPには、後述
する読み出し用のキャパシタCV1〜CV3をリセットさせる
リセット信号が供給される。
Reset switch MOSFETs Q16 to Q18 are provided between the column signal lines V1 to V3 and the terminal VRV, respectively.
A reset voltage is supplied to the terminal VRV. The gates of these reset switch MOSFETs Q16 to Q18 are commonly connected and coupled to terminal VRP. The terminal VRP is supplied with a reset signal for resetting read capacitors CV1 to CV3 described later.

この実施例の画素セルには、カラー撮像を行うため
に、第1行目の第1列目の画素セルにはイエローYeのカ
ラーフィルタが形成され、第1行目の第2列目の画素セ
ルにはシアンCyのカラーフィルタが形成され、第2行目
の第1列目の画素セルにはグリーンGのカラーフィルタ
が形成され、第2行目の第2行目の画素セルにはホワイ
ト(透明)Wのフィルタが形成される。上記構成を基本
パターンとして同様なパターンの繰り返してにより、各
カラーフィルタが形成される。
In the pixel cell of this embodiment, in order to perform color imaging, a color filter of yellow Ye is formed in the pixel cell of the first row and the first column, and the pixel of the second column of the first row is formed. A color filter of cyan Cy is formed in the cell, a color filter of green G is formed in the pixel cell of the first column in the second row, and a white filter is formed in the pixel cell of the second row in the second row. A (transparent) W filter is formed. Each color filter is formed by repeating the same pattern using the above configuration as a basic pattern.

この実施例では、上記のようなカラーフィルタに対応
した各カラー画素信号の独立読み出しを行うため、上記
代表として例示的に示されている奇数行の第1の行選択
線HL11,HL31は、それぞれスイッチMOSFETQ10、Q14を介
して縦方向に延長されるタイミング信号線に結合され
る。このタイミング信号線は端子PDR1に結合される。こ
の端子PDR1には、奇数行の画素セルをリセットさせるリ
セットタイミング信号が供給される。上記代表として例
示的に示されている偶数行の第1の行選択線HL21は、ス
イッチMOSFETQ12を介して縦方向に延長されるタイミン
グ信号線に結合される。このタイミング信号線は端子PD
R2に結合される。この端子PDR2には、偶数行の画素セル
をリセットさせるリセットタイミング信号が供給され
る。
In this embodiment, the first row selection lines HL11 and HL31 of the odd-numbered rows exemplarily shown as the representatives are respectively read in order to independently read the respective color pixel signals corresponding to the color filters as described above. It is coupled to a timing signal line extending in the vertical direction via switch MOSFETs Q10 and Q14. This timing signal line is coupled to terminal PDR1. This terminal PDR1 is supplied with a reset timing signal for resetting the pixel cells in the odd-numbered rows. The even-numbered first row selection line HL21 exemplarily shown as the representative is coupled to a timing signal line extending in the vertical direction via a switch MOSFET Q12. This timing signal line is connected to terminal PD
Combined with R2. This terminal PDR2 is supplied with a reset timing signal for resetting the pixel cells in the even rows.

上記代表として例示的に示されている奇数行の第2の
行選択線HL12及びHL32は、それぞれスイッチMOSFETQ11,
Q15を介して縦方向に延長されるタイミング信号線に結
合される。このタイミング信号線は端子VD1に結合され
る。この端子VD1には、奇数行の画素セルの読み出しを
行うタイミング信号が供給される。上記代表として例示
的に示されている偶数行の第2の行選択線HL22は、スイ
ッチMOSFETQ13を介して縦方向に延長されるタイミング
信号線に結合される。このタイミング信号線は端子VD2
に結合される。この端子VD2には、偶数行の画素セルの
読み出しを行うタイミング信号が供給される。
The odd-numbered second row selection lines HL12 and HL32 exemplarily shown as the representatives are respectively connected to the switch MOSFETs Q11, Q11,
It is coupled to a timing signal line extending in the vertical direction via Q15. This timing signal line is coupled to terminal VD1. The terminal VD1 is supplied with a timing signal for reading out the odd-numbered rows of pixel cells. The even-numbered second row selection line HL22 exemplarily shown as the representative is coupled to a timing signal line extending in the vertical direction via a switch MOSFET Q13. This timing signal line is connected to terminal VD2
Is combined with The terminal VD2 is supplied with a timing signal for reading out the pixel cells in the even-numbered rows.

上記同じ行のスイッチMOSFETQ10,Q11,Q12,Q13及びQ1
4,Q15のゲートは、それぞれ共通化されて、垂直シフト
レジスタVSRにより形成される垂直選択信号VS1,VS2及び
VS3が供給される。
Switch MOSFETs Q10, Q11, Q12, Q13 and Q1 in the same row as above
The gates of Q4 and Q15 are commonly used, and the vertical selection signals VS1, VS2 and VS2 formed by the vertical shift register VSR.
VS3 is supplied.

なお、第2図において、上記第2行目及び第3行目に
配属される画素セルを構成する各素子には、図面が複雑
になってしまうのを防止するため、回路記号を付加する
のを省略するものである。
In FIG. 2, a circuit symbol is added to each element constituting the pixel cells assigned to the second and third rows in order to prevent the drawing from becoming complicated. Is omitted.

この実施例では、上記のようなフォトダイオードD1等
の光電変換信号をソースフォロワ増幅MOSFETQ2、スイッ
チMOSFETQ3及びプリチャージMOSFETQ1において素子特性
のプロセスバラツキの影響を受けることく取り出すため
に次の読み出し回路が付加れる。
In this embodiment, the following readout circuit is added to take out the photoelectric conversion signal of the photodiode D1 or the like as described above without being affected by the process variation of the element characteristics in the source follower amplification MOSFET Q2, the switch MOSFET Q3, and the precharge MOSFET Q1. It is.

上記各列信号線V1〜V3は、キャパシタCV1〜CV3の一方
の電極に結合されるう。これらのキャパシタCV1〜CV3の
他方の電極は、一方においてスイッチMOSFETQ20〜Q22を
介して横方向に延長される制御線に結合される。この制
御線は端子CRVに結合される。この端子CRVには、キャパ
シタCV1〜CV3をリセットするためと、画素セルからの読
み出しをキャパシタCV1〜CV3にそれぞれ取り込むための
電圧が供給される。上記スイッチMOSFETQ20〜Q22のゲー
トは、共通に結合されて端子CRPから供給される制御信
号によりスイッチ制御される。端子CPRには、上記キャ
パシタCV1〜CV3をリセットさせるためのタイミング信号
が供給される。
Each of the column signal lines V1 to V3 is coupled to one electrode of each of the capacitors CV1 to CV3. The other electrodes of these capacitors CV1 to CV3 are on the one hand coupled to control lines extending laterally via switch MOSFETs Q20 to Q22. This control line is coupled to terminal CRV. The terminal CRV is supplied with a voltage for resetting the capacitors CV1 to CV3 and a voltage for reading data from a pixel cell into the capacitors CV1 to CV3. The gates of the switch MOSFETs Q20 to Q22 are commonly coupled and switch-controlled by a control signal supplied from a terminal CRP. A timing signal for resetting the capacitors CV1 to CV3 is supplied to the terminal CPR.

上記のキャパシタCV1の他方の電極は、他方において
スイッチMOSFETQ23とQ24をそれぞれ介してキャパシタCS
1とCS2の一方の電極に接続される。これらのキャパシタ
CS1とCS2の他方の電極は、上記端子CRVに結合された制
御線に結合される。上記キャパシタCS1とCS2の一方の電
極は、スイッチMOSFETQ29及びQ30を介して横方向に延長
される出力信号線にそれぞれ結合される。上記スイッチ
MOSFETQ29に対応された出力信号線は、端子S1に結合さ
れる。端子S1はイエローYeのカラー画素信号を出力す
る。上記スイッチMOSFETQ30に対応された出力信号線
は、端子S2に結合される。端子S2はグリーンGのカラー
画素信号を出力する。上記スイッチMOSFETQ29及びQ30の
ゲートには、水平シフトレジスタHSRにより形成される
垂直選択信号HS1が供給される。
The other electrode of the capacitor CV1 is connected to the capacitor CS via the switch MOSFETs Q23 and Q24, respectively.
Connected to one electrode of 1 and CS2. These capacitors
The other electrodes of CS1 and CS2 are connected to a control line connected to the terminal CRV. One electrode of each of the capacitors CS1 and CS2 is coupled to an output signal line extending in the lateral direction via switch MOSFETs Q29 and Q30, respectively. The above switch
An output signal line corresponding to MOSFET Q29 is coupled to terminal S1. The terminal S1 outputs a yellow Ye color pixel signal. An output signal line corresponding to the switch MOSFET Q30 is coupled to the terminal S2. The terminal S2 outputs a green G color pixel signal. The gates of the switch MOSFETs Q29 and Q30 are supplied with a vertical selection signal HS1 formed by a horizontal shift register HSR.

上記キャパシタCV2の他方の電極は、他方においてス
イッチMOSFETQ25とQ26をそれぞれ介してキャパシタCS3
とCS4の一方の電極に接続される。これらのキャパシタC
S3とCS4の他方の電極は、上記端子CRVに結合された制御
線に結合される。上記キャパシタCS3とCS4の一方の電極
は、スイッチMOSFETQ31及びQ32を介して横方向に延長さ
れる出力信号線にそれぞれ結合される。上記スイッチMO
SFETQ31に対応された出力信号線は、端子S3に結合され
る。端子S3はシアンCyのカラー画素信号を出力する。上
記スイッチMOSFETQ32に対応された出力信号線は、端子S
4に結合される。端子S4はホワイトWのカラー画素信号
を出力する。上記スイッチMOSFETQ31及びQ32のゲートに
は、水平シフトレジスタHSRにより形成される垂直選択
信号HS2が供給される。
The other electrode of the capacitor CV2 is connected to the capacitor CS3 via switch MOSFETs Q25 and Q26, respectively.
And one electrode of CS4. These capacitors C
The other electrodes of S3 and CS4 are connected to a control line connected to the terminal CRV. One electrode of each of the capacitors CS3 and CS4 is coupled to an output signal line extending in the lateral direction via switch MOSFETs Q31 and Q32. Switch MO above
An output signal line corresponding to SFET Q31 is coupled to terminal S3. The terminal S3 outputs a cyan Cy color pixel signal. The output signal line corresponding to the switch MOSFET Q32 is connected to the terminal S
Combined into 4. The terminal S4 outputs a white W color pixel signal. The gates of the switch MOSFETs Q31 and Q32 are supplied with a vertical selection signal HS2 formed by a horizontal shift register HSR.

上記キャパシタCV3の他方の電極は、上記キャパシタC
V1と同様な回路からなるスイッチMOSFET及びキャパシタ
が設けられる。これは、信号線V3が信号線V1と同様にイ
エローYeとグリーンGの画素セルが接続されることに対
応している。ただし、出力用のキャパシタCS5とCS6に対
応した出力スイッチMOSFETQ33とQ34のゲートには、水平
シフトレジスタHSRにより形成される垂直選択信号HS3供
給される。
The other electrode of the capacitor CV3 is connected to the capacitor CV3.
A switch MOSFET and a capacitor having the same circuit as V1 are provided. This corresponds to the fact that the signal line V3 is connected to the pixel cells of yellow Ye and green G similarly to the signal line V1. However, the gates of the output switch MOSFETs Q33 and Q34 corresponding to the output capacitors CS5 and CS6 are supplied with the vertical selection signal HS3 formed by the horizontal shift register HSR.

上記第2の固体撮像素子の読み出し動作の一例を第3
図に示した等価回路図と第4図に示したタイミング図を
参照して説明する。
An example of the read operation of the second solid-state imaging device is described as a third example.
A description will be given with reference to the equivalent circuit diagram shown in the figure and the timing diagram shown in FIG.

第3図には、フォトダイオードD1とMOSFETQ1ないしQ3
からなる画素セルに着目した読み出し等価回路図が示さ
れている。この等価回路図では、端子VRVとCRVには、回
路の接地電位が与えられている。
FIG. 3 shows a photodiode D1 and MOSFETs Q1 to Q3.
Is a read equivalent circuit diagram focusing on a pixel cell composed of. In this equivalent circuit diagram, the ground potential of the circuit is given to the terminals VRV and CRV.

画素セルの読み出しの前に、タイミング信号CRPとVRP
がハイレベルにされ、スイッチMOSFETQ20とQ16がオン状
態にされる。それ故、キャパシタCV1の両端には回路の
接地電位が与えられることによってリセットされる。こ
れにより、キャパシタCV1の出力側電極の電位Vaは回路
の接地電位にされる。このことは、図示しない他の全て
のキャパシタCV2,CV3等においても同様である。
Before reading out the pixel cells, the timing signals CRP and VRP
Is set to the high level, and the switch MOSFETs Q20 and Q16 are turned on. Therefore, the capacitor CV1 is reset by applying the circuit ground potential to both ends. Thus, the potential Va of the output electrode of the capacitor CV1 is set to the circuit ground potential. The same applies to all other capacitors CV2, CV3, etc., not shown.

上記タイミング信号VRPがロウレベルにされてスイッ
チMOSFETQ16がオフ状態にされた後に、タイミング信号H
L12(VD1)がハイレベルにされる。このとき、垂直シフ
トレジスタVSRは、第1行目の垂直選択信号VS1をハイレ
ベルにしているものとする。上記タイミング信号HL12
(VD1)のハイレベルに同期して、読み出し用のスイッ
チMOSFETQ3がオン状態になる。したがって、フォトダイ
オードD1に蓄積された光電変換電圧は、ソースフォロワ
増幅MOSFETQ2のゲート,ソースとスイッチMOSFETQ3を介
してキャパシタCV1に伝えられる。なお、同様に他のキ
ャパシタCV2,CV3等においても対応する画素セルの光電
変換電圧が伝えられる。
After the timing signal VRP is set to a low level and the switch MOSFET Q16 is turned off, the timing signal H
L12 (VD1) is set to high level. At this time, it is assumed that the vertical shift register VSR sets the vertical selection signal VS1 of the first row to a high level. The above timing signal HL12
In synchronization with the high level of (VD1), the switch MOSFET Q3 for reading is turned on. Therefore, the photoelectric conversion voltage accumulated in the photodiode D1 is transmitted to the capacitor CV1 via the gate and source of the source follower amplification MOSFET Q2 and the switch MOSFET Q3. Similarly, the photoelectric conversion voltage of the corresponding pixel cell is transmitted to the other capacitors CV2, CV3, and the like.

上記キャパシタCV1に取り込まれた光電変換電圧は、
フォトダイオードD1に対して行われたプリチャージ動作
によるプリチャージ電圧がフォトダイオードD1〜D3で発
生した光電流により放電された残り電圧に対応したもの
である。このとき、上記プリチャージ電圧にはMOSFETQ1
等のコンダクタンス特性のバラツキに対応したバラツキ
が発生するとともに、上記残り電圧を読み出させる増幅
MOSFETQ2等のゲート,ソース間のしきい値電圧及びスイ
ッチMOSFETQ3等のコンダクタンス特性にバラツキが発生
する。それ故、上記キャパシタCV1に取り込まれた電圧
には、上記のような各素子のプロセスバラツキの影響を
受けたものとなる。
The photoelectric conversion voltage taken into the capacitor CV1 is
The precharge voltage by the precharge operation performed on the photodiode D1 corresponds to the remaining voltage discharged by the photocurrent generated in the photodiodes D1 to D3. At this time, the precharge voltage is
Amplification that causes variations in the conductance characteristics, such as variations in the conductance characteristics, and reads the remaining voltage
The threshold voltage between the gate and the source of the MOSFET Q2 and the like and the conductance characteristics of the switch MOSFET Q3 and the like vary. Therefore, the voltage taken into the capacitor CV1 is affected by the process variation of each element as described above.

この実施例では、上記キャパシタCV1に取り込まれた
電圧をそのまま出力させるのではなく、端子CRPに供給
されるタイミング信号をロウレベルにしてスイッチMOSF
ETQ20をオフ状態にする。これにより、キャパシタCV1の
出力側はフローティング状態になる。この後に、端子PD
RVを一定の直流電位に保っておいて、端子PDR1(HL11)
にハイレベルのタイミング信号を供給する。これによっ
て、上記のように垂直選択信号VS1のハイレベルである
ことからスイッチMOSFETQ1がオン状態になり、フォトダ
イオードD1にはプリチャージ電圧が供給される。
In this embodiment, the voltage taken in the capacitor CV1 is not output as it is, but the timing signal supplied to the terminal CRP is set to a low level to set the switch MOSF.
Turn off the ETQ20. As a result, the output side of the capacitor CV1 enters a floating state. After this, the terminal PD
Keep RV at a constant DC potential and connect to terminal PDR1 (HL11)
Is supplied with a high-level timing signal. As a result, since the vertical selection signal VS1 is at the high level as described above, the switch MOSFET Q1 is turned on, and the precharge voltage is supplied to the photodiode D1.

したがって、キャパシタCV1の信号線側V1にはプリチ
ャージ電圧に従った電圧となり、これに応じてキャパシ
タCV1の出力側もレベルシフトされる。言い換えるなら
ば、キャパシタCV1の出力側電極にはフォトダイオードD
1により形成された光電変換電圧のみが現れるものとな
る。なぜなら、上記のプリチャージ電圧を基準にしてい
るため、プリチャージMOSFETQ1のプロセスバラツキ分が
相殺されて零にできる。また、回路の接地電位ではなく
上記のようなプリチャージ電圧を基準電圧として出力信
号を形成するため、増幅MOSFETQ2やスイッチMOSFETQ3の
プロセスバラツキが相殺される。このような光電変換電
圧は、上記キャパシタCV1と直列形成に接続されるキャ
パシタCS1に取り込まれるものとなる。
Accordingly, the voltage on the signal line side V1 of the capacitor CV1 becomes a voltage according to the precharge voltage, and the output side of the capacitor CV1 is level-shifted accordingly. In other words, the photodiode D is connected to the output electrode of the capacitor CV1.
Only the photoelectric conversion voltage formed by 1 appears. Because the pre-charge voltage is used as a reference, the process variation of the pre-charge MOSFET Q1 can be offset to zero. Further, since the output signal is formed using the above precharge voltage as a reference voltage instead of the ground potential of the circuit, the process variation of the amplification MOSFET Q2 and the switch MOSFET Q3 is canceled. Such a photoelectric conversion voltage is taken into the capacitor CS1 connected in series with the capacitor CV1.

したがって、水平走査信号HS1によりスイッチMOSFETQ
29をオン状態にしたとき、スイッチMOSFETQ20を介して
端子S1には、上記キャパシタCS1に保持されている上記
フォトダイオードD1により形成された光電変換電圧のみ
が得られるものとなる。
Therefore, the switch MOSFET Q
When 29 is turned on, only the photoelectric conversion voltage formed by the photodiode D1 held by the capacitor CS1 is obtained at the terminal S1 via the switch MOSFET Q20.

キャパシタCV1等は、スイッチMOSFETQ3等のソース側
に結合される。MOSFETのソースは、寄生フォトダイオー
ドを構成するためスメアといったような偽信号がたまり
易い。この実施例では、読み出し用のキャパシタCS1等
を選択的に接続するスイッチMOSFETQ23を上記信号電荷
を取り込んだ後にオフ状態にさせることによって、上記
偽信号の影響を受けなくすることができる。
The capacitor CV1 and the like are coupled to the source side of the switch MOSFET Q3 and the like. Since the source of the MOSFET constitutes a parasitic photodiode, a false signal such as a smear easily accumulates. In this embodiment, the influence of the false signal can be eliminated by turning off the switch MOSFET Q23 for selectively connecting the read capacitor CS1 and the like after capturing the signal charge.

第3図の等価回路図では、1つの画素セルの読み出し
の説明を行うものであるため、キャパシタCS1とキャパ
シタVC1との間に設けられるスイッチMOSFETQ23を省略し
て示している。図示しない他のキャパシタCV2、CV3に
も、上記同様にパラレルに光電変換電圧の読み出しが行
われているから、それと直列に接続されるキャパシタに
保持された信号電圧が水平走査信号HS2、HS3に同期し
て、それぞれがシリアルに出力されるものとなる。
In the equivalent circuit diagram of FIG. 3, since the reading of one pixel cell is described, the switch MOSFET Q23 provided between the capacitors CS1 and VC1 is omitted. Since the reading of the photoelectric conversion voltage is performed in parallel with the other capacitors CV2 and CV3 (not shown) in the same manner as described above, the signal voltage held in the capacitor connected in series with the capacitors is synchronized with the horizontal scanning signals HS2 and HS3. Then, each is serially output.

図示しないが、上記画素セルからキャパシタへの信号
読み出しを行う各タイミング信号は、水平帰線期間にお
いて発生される。
Although not shown, each timing signal for reading a signal from the pixel cell to the capacitor is generated in a horizontal blanking period.

第5図には、第2図の実施例回路におけるカラー画素
の独立読み出し動作の一例を示すタイミング図が示され
ている。
FIG. 5 is a timing chart showing an example of the independent read operation of the color pixel in the circuit of the embodiment shown in FIG.

上記の4つのカラー画素により1つの画素を構成する
ため、垂直シフトレジスタVSRは、2つの行L1とL2を同
時選択状態にする。また、垂直シフトレジスタVSRの出
力部にインタレースゲート回路を設けて、奇数フィール
ドでは上記1行L1と2行を同時選択し、偶数フィールド
では第2行L2と第3行L3を同時選択するものとしてもよ
い。このように奇数フィールドと偶数フィールドとで1
本分づらせて一対づつ選択状態にするようにし、インタ
レースに対応した空間的重心が上下に移動させた画像信
号を得ることができるものとなる。
Since one pixel is composed of the above four color pixels, the vertical shift register VSR simultaneously sets two rows L1 and L2. Also, an interlace gate circuit is provided at the output of the vertical shift register VSR to simultaneously select the above-mentioned one row L1 and two rows in an odd field and to simultaneously select the second row L2 and a third row L3 in an even field. It may be. As described above, 1 is used for the odd field and the even field.
The image signals can be obtained in such a manner as to be selected one by one and the spatial center of gravity corresponding to the interlace is moved up and down.

したがって、水平帰線期間の前半において上記同様に
タイミング信号CDP1、VD1及びPDR1を前記同様な順序で
発生させて第1行目L1の画素セルの信号をキャパシタCS
1、CS3、CS5等に保持させる。この後、タイミング信号V
RP、CRPを一端ロウレベルにした後に再びハイレベルに
して前記同様なプリチャージ動作を行った後に、タイミ
ング信号CDP2、VD2及びPDR2を上記同様な順序で発生さ
せる。これにより、第2行目L2の信号がキャパシタCS
2、CS4及びCS6等に保持される。
Therefore, in the first half of the horizontal retrace period, the timing signals CDP1, VD1, and PDR1 are generated in the same order as described above, and the signal of the pixel cells in the first row L1 is transferred to the capacitor CS.
1, let CS3, CS5, etc. hold. After this, the timing signal V
After the RP and CRP are once set to the low level and then set to the high level again to perform the same precharge operation, the timing signals CDP2, VD2 and PDR2 are generated in the same order as described above. As a result, the signal of L2 in the second row is
2, CS4, CS6, etc.

そして、上記のような水平帰線期間が終了して映像期
間に入ると、水平シフトレドストHSRのシフト動作に対
応して水平走査信号HS1〜HS3等が時系列的に形成され
る。したがって、水平走査信号HS1に同期して端子S1とS
2からキャパシタCS1とCS2に保持されていたイエローYe
とグリーンGの信号が、水平走査信号HS2に同期して端
子S3とS4からキャパシタCS3とCS4に保持されていたシア
ンCyとホワイトWの信号が出力される。以下、上記水平
走査動作に同期して同様な順序で各カラー画素信号がそ
れぞれ独立して出力される。
Then, when the horizontal blanking period ends and the video period starts, the horizontal scanning signals HS1 to HS3 and the like are formed in a time series in accordance with the shift operation of the horizontal shift redest HSR. Therefore, the terminals S1 and S1 are synchronized with the horizontal scanning signal HS1.
Yellow Ye held in capacitors CS1 and CS2 from 2
And the green G signal are output from the terminals S3 and S4 in synchronization with the horizontal scanning signal HS2 to output the cyan Cy and white W signals held in the capacitors CS3 and CS4. Hereinafter, each color pixel signal is output independently in the same order in synchronization with the horizontal scanning operation.

以上説明した回路構成は、半導体基板上に形成される
が、配線間のクロストーク等寄生効果に注意を払った構
造としなければならない。
Although the circuit configuration described above is formed on a semiconductor substrate, it is necessary to pay attention to parasitic effects such as crosstalk between wirings.

(実施例I) 第1図及び第6図に本実施例における画素部のレイア
ウト図を示す。第2図及び第3図の回路図との対応を取
るために、第1図及び第6図では前と同一記号をもちい
てある。特に制限されないが、N基板を用いて以下に説
明する。第6図はカラーフィルターを施したYe画素セ
ル、Cy画素セル、G画素セル及びW画素セルの1組を示
したものである。このうち、第6図のYe画素セルについ
て拡大したものを第1図に示してある。
(Embodiment I) FIGS. 1 and 6 are layout diagrams of a pixel portion in this embodiment. In FIGS. 1 and 6, the same symbols are used as in FIG. 1 and FIG. 6 in order to correspond to the circuit diagrams in FIG. 2 and FIG. Although not particularly limited, a description will be given below using an N substrate. FIG. 6 shows a set of a Ye pixel cell, a Cy pixel cell, a G pixel cell, and a W pixel cell to which a color filter has been applied. FIG. 1 shows an enlarged view of the Ye pixel cell shown in FIG.

図中、Ye及びW画素のフォトダイオード受光部には、
BLインプラ層(BL)としてボロンをイオン打込みしてあ
る。これはYe及びW画素のフォトダイオード容量を増加
させて、G及びCyと同一照度で飽和させるようにしたも
のである。これにより、信号が飽和したときに着色する
ハイライト現象を防止することが出来る。また、外部回
路処理などによりハイライト現象を防止し、BLインプラ
層を不要とした構成としても良い。各画素におけるフォ
トダイオード部及びMOSトランジスタ部の配置は、水平
走査線方向にフォトダイオード部とMOSトランジスタ部
を交互に配置した構成としてあり、水平方向の変調度を
上げることができる。
In the figure, the photodiode light receiving sections of the Ye and W pixels include:
Boron is ion-implanted as a BL implantation layer (BL). This is to increase the photodiode capacitance of the Ye and W pixels so that they are saturated at the same illuminance as G and Cy. Thereby, it is possible to prevent a highlight phenomenon in which a signal is colored when the signal is saturated. In addition, it is also possible to adopt a configuration in which the highlight phenomenon is prevented by external circuit processing or the like and the BL implant layer is unnecessary. The arrangement of the photodiode section and the MOS transistor section in each pixel is such that the photodiode section and the MOS transistor section are alternately arranged in the horizontal scanning line direction, so that the degree of modulation in the horizontal direction can be increased.

以下、第1図について詳細に説明する。第1A図は、一
つの画素セルとその周辺についてのパターンレイアウト
を示したものである。第1B図は、そのうちの画素区画用
のゲート電極G1及びその下層に設けられたP+層(P1)の
みを示したもので、第1C図はゲート電極(G1,G2A,G2B,G
2C)及びフィールド酸化膜L(通称ロコス酸化膜と呼ば
れる)のみを示したものである。第1A図中、7A−7A,7B
−7B,7C−7C部の縦断面構造を第7A、第7B、第7C図にそ
れぞれ示してある。
Hereinafter, FIG. 1 will be described in detail. FIG. 1A shows a pattern layout for one pixel cell and its periphery. FIG. 1B shows only the gate electrode G1 for the pixel section and the P + layer (P1) provided thereunder, and FIG. 1C shows the gate electrodes (G1, G2A, G2B, G
2C) and the field oxide film L (commonly referred to as a LOCOS oxide film). In FIG.1A, 7A-7A, 7B
FIGS. 7A, 7B and 7C show the longitudinal sectional structures of the portions -7B and 7C-7C, respectively.

画素は第1C図に示す、フォトダイオード部D1とMOSFET
Q1,Q2,Q3(Q1〜Q3は第3図のトランジスタに対応し、そ
れぞれプリチャージ用スイッチMOSFET、ソースフォロワ
増幅MOSFET、読み出し用スイッチMOSFETを示す。)から
成る。フォトダイオード部D1のN層(N1)は、フォトダ
イオードのN層を深くして長波長側での感度を向上させ
る役割のインプラ層である。なお、フォトダイオード部
D1とMOSFET部は第1C図のフィールド酸化膜Lにより電気
的に分離されている。
The pixel is a photodiode D1 and MOSFET shown in Fig. 1C.
Q1, Q2, and Q3 (Q1 to Q3 correspond to the transistors in FIG. 3 and represent a precharge switch MOSFET, a source follower amplification MOSFET, and a read switch MOSFET, respectively). The N layer (N1) of the photodiode section D1 is an implantation layer that plays a role of deepening the N layer of the photodiode to improve the sensitivity on the long wavelength side. The photodiode section
D1 and the MOSFET section are electrically separated by the field oxide film L in FIG. 1C.

本実施例においては、第1B図に示すように各画素セル
間の電気的分離は、ポリシリコン1層のゲート電極G1
(PDRV)とG1電極下のP+層(P1)の両方の作用によって
行われている。ゲート電極G1(PDRV)は、各画素セルを
拡散領域としたMOS構造を構成するためのものであり、M
OSトランジスタの拡散領域形成時のインプラ防止マスク
も兼ねている。また、第1A図及び第7C図に示すように、
G1電極と基板の拡散層(N+層)とはコンタクト穴(C1)
を介して接続され、ソースフォロワアンプQ2の電源電位
及びプリチャージMOSFETQ1の電源電位を共通化してい
る。このようにG1電極をMOSトランジスタQ1,Q2の電源ラ
インとして共通化して使用するため、G1電源下にPFBイ
ンプラ層としてP+層(P1)を形成し、G1電極をゲートす
るMOSFETのしきい値電圧を、電源ラインの電源電圧に比
べ充分高く設定することを可能としている。
In this embodiment, as shown in FIG. 1B, the electrical isolation between the pixel cells is made by a gate electrode G1 of polysilicon one layer.
(PDRV) and the P + layer under the G1 electrode (P1). The gate electrode G1 (PDRV) is for configuring a MOS structure with each pixel cell as a diffusion region.
Also serves as an implantation prevention mask when forming a diffusion region of the OS transistor. Also, as shown in FIGS. 1A and 7C,
Contact hole (C1) between G1 electrode and substrate diffusion layer (N + layer)
The power supply potential of the source follower amplifier Q2 and the power supply potential of the precharge MOSFET Q1 are shared. In this way, the G1 electrode is used as a common power supply line for the MOS transistors Q1 and Q2. Therefore, a P + layer (P1) is formed as a PFB implantation layer under the G1 power supply, and the threshold voltage of the MOSFET that gates the G1 electrode is set. The voltage can be set sufficiently higher than the power supply voltage of the power supply line.

これにより、G1電極をソースフォロワアンプQ2の電源
及びプリチャージMOSFETQ1の電源として用いながら、各
画素間の電気的分離も同時に行なうことが可能となる。
こうした画素分離構造による効果を述べると以下の様に
なる。
This makes it possible to simultaneously perform electrical isolation between pixels while using the G1 electrode as a power supply for the source follower amplifier Q2 and a power supply for the precharge MOSFET Q1.
The effect of such a pixel separation structure is as follows.

(1)電源ラインになるG1電極が固体撮像素子の受光面
全体をメッシュ状におおうことになり、過渡電流流入に
よる電源ラインの振れをゲート−基板間容量で抑えるこ
とができる。(Pウェルはある直流電位に固定されてお
り、ゲート下の絶縁膜は非常に薄いため大きな容量値と
なる。) (2)フィールド酸化膜SiO2による画素分離で問題とな
る暗電流を、本構造では応力歪が発生しないため十分に
小さな値に抑えることが可能となる。
(1) Since the G1 electrode serving as the power supply line covers the entire light receiving surface of the solid-state imaging device in a mesh shape, the swing of the power supply line due to the flow of transient current can be suppressed by the gate-substrate capacitance. (The P-well is fixed at a certain DC potential, and the insulating film under the gate is very thin, resulting in a large capacitance value.) (2) The dark current which becomes a problem in pixel separation by the field oxide film SiO 2 is Since the structure does not generate stress strain, it can be suppressed to a sufficiently small value.

(3)フォトダイオード表面に浅いP+層を形成すると、
界面状態の悪いフォトダイオード表面で発生する暗電流
をG1電極下のP+層を介してウェルへ掃き出すことも可能
となり、高感度化を進めることができる。
(3) When a shallow P + layer is formed on the photodiode surface,
Dark current generated on the surface of the photodiode having a poor interface state can be swept out to the well through the P + layer below the G1 electrode, and the sensitivity can be increased.

(4)P+層で各画素を区画することで、基板のウェル抵
抗を低減することができる。
(4) By dividing each pixel by the P + layer, the well resistance of the substrate can be reduced.

以上述べたこと以外で、G1電極を電源ラインと共通化
して使用しない場合などにおいては、画素分離をゲート
電極G1(PDRV)のみ、あるいはP+層(P1)のみのどちら
かで行ってもよいことは勿論である。なおこの技術は固
体撮像素子に限られるものではなく、一般の半導体集積
回路に広く利用されるものである。
Other than the above, in the case where the G1 electrode is not used in common with the power supply line, the pixel separation may be performed using only the gate electrode G1 (PDRV) or only the P + layer (P1). Of course. This technique is not limited to solid-state imaging devices, but is widely used for general semiconductor integrated circuits.

本実施例においては、ポリシリコン2層構造のレイア
ウトを示してある。第1C図に示すように、画素区画用の
MOSトランジスタのゲート電極G1を第一層ポリシリコン
とし、アクティブMOSトランジスタのゲート電極G2A,G2
B,G2Cを第二層ポリシリコンとして使用してある。ゲー
ト電極G1を第一層ポリシリコンとしたことで、第二層ゲ
ートの動作電位に無関係に画素分離ができ、かつアクテ
ィブMOSゲートとして使用する第二層ポリシリコンの酸
化工程でのダメージを、第一層ポリシリコンに比べて少
なくすることができる。
In this embodiment, a layout of a polysilicon two-layer structure is shown. As shown in FIG.
The gate electrode G1 of the MOS transistor is the first layer polysilicon, and the gate electrodes G2A and G2 of the active MOS transistor are
B and G2C are used as the second layer polysilicon. By using the first layer polysilicon for the gate electrode G1, pixel separation can be performed irrespective of the operating potential of the second layer gate, and damage in the oxidation process of the second layer polysilicon used as the active MOS gate can be reduced. The number of layers can be reduced as compared with polysilicon.

また、画素区画用のMOSトランジスタのゲート電極を
第二層ポリシリコンとし、アクティブMOSトランジスタ
のゲート電極を第一層ポリシリコンとして使用してもよ
い。この場合は、先に述べた例でのデメリットである。
第一層ポリシリコンのエッチング残りによる、アクティ
ブMOSゲート電極間のショートをなくすことができる
が、アクティブMOSゲートの駆動パルスで画素区画用のM
OSトランジスタがオンしないよう、そのしきい値電圧を
十分高くする必要がある。
Further, the gate electrode of the MOS transistor for pixel division may be used as the second layer polysilicon, and the gate electrode of the active MOS transistor may be used as the first layer polysilicon. This case is a disadvantage in the example described above.
Although a short circuit between the active MOS gate electrodes due to the etching residue of the first layer polysilicon can be eliminated, the drive pulse for the active MOS gate causes the M for pixel division to be removed.
The threshold voltage needs to be sufficiently high so that the OS transistor is not turned on.

第1A図及び第7A図に示すように、ポリシリコン2層の
ゲート線G2Aは、ソースフォロワアンプQ2のゲート線と
して、コンタクト穴(C2)によりフォトダイオードD1と
接続をとるためのものである。第1C図に示すように、ゲ
ート線G2Bはプリチャージ用スイッチMOSFETQ1のゲート
線として行選択線HL11に接続され、ゲート線G2Cは、読
み出し用スイッチMOSFETQ3のゲート線として、行選択線
HL12に接続される。
As shown in FIGS. 1A and 7A, the gate line G2A of the two-layer polysilicon is for connecting to the photodiode D1 through the contact hole (C2) as the gate line of the source follower amplifier Q2. As shown in FIG. 1C, the gate line G2B is connected to the row selection line HL11 as the gate line of the precharge switch MOSFET Q1, and the gate line G2C is connected to the row selection line HL11 as the gate line of the read switch MOSFET Q3.
Connected to HL12.

第1C図中、画素のほぼ中央を走るゲート線HL12(G2
B)と画素の下端部を走るゲート線HL11(G2C)は、互い
に交差しないよう水平走査線方向に平行配置されてお
り、同一層でパターンニングでき工程数を減らすことが
できる。なお、ロコス酸化膜Lがゲート線HL12下にそれ
と平行にフォトダイオード部途中まで引き出してあるの
は、ロコス酸化膜Lでゲート線HL12とフォトダイオード
部D1のカップリング容量を少なくし、読み出し時のカッ
プリングノイズを防止するようにしたものである。ま
た、ゲート線HL11は画素分離用電極G1上に重ねて配置さ
れており、画素の開口率を上げることができる。
In FIG. 1C, the gate line HL12 (G2
B) and the gate line HL11 (G2C) running at the lower end of the pixel are arranged in parallel in the horizontal scanning line direction so as not to intersect with each other, so that patterning can be performed on the same layer and the number of steps can be reduced. The reason that the LOCOS oxide film L is drawn out of the gate line HL12 in parallel with the gate line HL12 to the middle of the photodiode portion is that the LOCOS oxide film L reduces the coupling capacitance between the gate line HL12 and the photodiode portion D1 and reduces This is to prevent coupling noise. Further, the gate line HL11 is disposed so as to overlap the pixel separation electrode G1, and the aperture ratio of the pixel can be increased.

他方、第1A図で領域Eはしきい値電圧制御(DMOS化を
防ぐ)のためを行なうEインプラを防止するためのマス
ク領域を示し、この領域のしきい値電圧を下げる役割を
する。領域EEはEEインプラ層を示し、スイッチMOSFETQ3
オフ時のリーク電流防止するため、Q3のしきい値電圧を
上げるようにしたものである。
On the other hand, in FIG. 1A, a region E shows a mask region for preventing E implantation for threshold voltage control (to prevent DMOS), and plays a role of lowering the threshold voltage of this region. The region EE shows the EE implantation layer and the switch MOSFET Q3
The threshold voltage of Q3 is raised to prevent a leak current at the time of off.

第1C図に示すように、MOSFETQ1,Q2,Q3のトランジスタ
チャンネル長Lは、第二のポリシリコンゲート幅により
形成され、チャンネル幅Wはフィールド酸化膜Lと区画
用の第一層ポリシリコンゲート(またはP+層(P1))の
垂直距離によって形成されている。また、これらの各画
素のMOSトランジスタ部は、第1A図及び第7C図に示すコ
ンタクト穴(C3)を経由し接続されるアルミ出力線(V
1)により遮光されており、新たに遮光用の膜を設ける
必要をなくしている。
As shown in FIG. 1C, the transistor channel length L of the MOSFETs Q1, Q2, and Q3 is formed by the second polysilicon gate width, and the channel width W is equal to the field oxide film L and the first layer polysilicon gate for partitioning ( Or the vertical distance of the P + layer (P1)). The MOS transistor portion of each pixel is connected to an aluminum output line (V) connected via a contact hole (C3) shown in FIGS. 1A and 7C.
Light is shielded by 1), eliminating the need to provide a new light-shielding film.

第10A,第10B図は、本発明主要部のプロセスフローチ
ャートを示したものである。図中、Aは第1A図における
断面7A−7Aを示し、Bは断面7B−7B、Cは断面7C−7Cを
示したものである。以下、第10図の流れ図に従った順で
製造プロセスを説明する。
10A and 10B show a process flowchart of the main part of the present invention. In the figure, A shows a section 7A-7A in FIG. 1A, B shows a section 7B-7B, and C shows a section 7C-7C. The manufacturing process will be described below in the order according to the flowchart of FIG.

(a)N基板上に、ボロンインプラ(インプラはImplan
tationの略称である)及び熱拡散によりPウェルを形成
する工程である。EEインプラは、さらにボロンをイオン
打ち込みし、高VthMOS化領域を形成するものである。図
中、RPはフォトレジストを示す。
(A) On a N substrate, boron implant (Implan is Implan
This is a step of forming a P well by thermal diffusion. The EE implant implants boron further to form a high VthMOS region. In the figure, RP indicates a photoresist.

(b)Ye,W画素の受光部にボロンインプラを行った後窒
素中で熱拡散を行い、同一照度で信号電流が飽和するよ
うフォトダイオードD1の容量を調節する工程である。
(B) In this step, after boron implantation is performed on the light receiving portion of the Ye, W pixel, thermal diffusion is performed in nitrogen, and the capacitance of the photodiode D1 is adjusted so that the signal current is saturated at the same illuminance.

(c)受光部にリンインプラを行い、深いN型のフォト
ダイオードD1を形成する工程である。
(C) This is a step of performing phosphorus implantation on the light receiving section to form a deep N-type photodiode D1.

(d)図中、SiNはナイトライドを示す。ボロンをイオ
ン打ち込みし、SiNを付けたままで熱拡散及び熱酸化を
行い、フィールド酸化膜(L)を形成する工程である。
先にイオン打ち込みしたボロンはフィールド酸化膜下面
にP+領域を形成し、チャンネルストッパーの働きをす
る。
(D) In the figure, SiN indicates a nitride. This is a step of forming a field oxide film (L) by ion-implanting boron and performing thermal diffusion and thermal oxidation while attaching SiN.
The previously implanted boron forms a P + region on the lower surface of the field oxide film and acts as a channel stopper.

(e)ボロンインプラにより画素区画用のP+層(P1)を
形成する工程である。イオン打ち込み後、窒素中で熱拡
散を行う。
(E) A step of forming a P + layer (P1) for pixel division by boron implantation. After ion implantation, thermal diffusion is performed in nitrogen.

(f)図中、GI1は第一ゲート酸化膜によって出来る酸
化膜であり、ゲート電極G1下のMOSトランジスタのゲー
ト絶縁膜の厚さを決めるものである。MOSFETQ2周辺以外
の領域のDMOS(Depletion−type MOS)化を防ぐため
に、ボロンインプラを行う工程である。
(F) In the figure, GI1 is an oxide film formed by the first gate oxide film and determines the thickness of the gate insulating film of the MOS transistor below the gate electrode G1. This is a step of performing boron implantation in order to prevent DMOS (Depletion-type MOS) in a region other than the periphery of the MOSFET Q2.

(g)MOSFETQ1,Q2のN+拡散と第一ポリシリコンゲートG
1との接続を取るC1コンタクト部のTHホトを行う工程で
ある。THホトとは、通常のコンタクト穴を形成し、アル
ミを中継とした接続方法ではなく、第7C図に示すように
ポリシリコンゲートG1とN+拡散層を直接接続できるよう
にコンタクト部の酸化膜を除去するためのホト工程をい
う。
(G) N + diffusion of MOSFET Q1 and Q2 and first polysilicon gate G
This is a step of performing a TH photo at a C1 contact portion for making a connection with 1. The TH photo is an oxide film at the contact part that allows a direct connection between the polysilicon gate G1 and the N + diffusion layer as shown in Fig. Refers to a photo process for removing

(h)第一ポリシリコンゲートG1を形成する工程であ
る。GI1を除去した後に、GI2を形成する。GI2は第二ゲ
ート酸化膜によって出来る酸化膜であり、ゲート電極G2
(G2A,G2B,G2C)下のMOSトランジスタのゲート絶液膜の
厚さを決めるものである。フォトダイオードD1と第二ポ
リシリコンゲートG2Aとの接続を取るためのコンタクト
穴C2をTHホトにより形成する。
(H) The step of forming the first polysilicon gate G1. After removing GI1, GI2 is formed. GI2 is an oxide film formed by the second gate oxide film, and the gate electrode G2
(G2A, G2B, G2C) Determines the thickness of the gate insulating film of the MOS transistor below. A contact hole C2 for making a connection between the photodiode D1 and the second polysilicon gate G2A is formed using a TH photo.

(i)第二ポリシリコンゲートG2(G2A,G2B,G2C)を形
成する工程である。
(I) forming a second polysilicon gate G2 (G2A, G2B, G2C);

(j)リンインプラ、窒素中での熱拡散により、MOSFET
領域のN+拡散、及びフォトダイオード部表面のN+層を形
成する工程である。これらの拡散領域は、第1C図中の斜
線を施してない領域、すなわちポリシリコンゲート及び
ロコス酸化膜以外の領域に形成される。この後、フォト
ダイオードD1を埋込N型化の形にするため、ボロンイン
プラによりフォトダイオード表面をP+化してもよい。
(J) Phosphorus implantation, thermal diffusion in nitrogen, MOSFET
This is a step of forming N + diffusion in the region and forming an N + layer on the surface of the photodiode portion. These diffusion regions are formed in regions not hatched in FIG. 1C, that is, regions other than the polysilicon gate and the LOCOS oxide film. Thereafter, in order to make the photodiode D1 into a buried N-type, the surface of the photodiode may be made P + by boron implantation.

(k)PSG(P2O5・SiO2)層間保護膜をデポした後、コ
ンタクト穴C3を介してMOSFETQ3のN+拡散に接続されるア
ルミ出力線をMOSトランジスタ部を覆うようにして形成
する工程である。
(K) After depositing the PSG (P 2 O 5 · SiO 2 ) interlayer protective film, an aluminum output line connected to the N + diffusion of MOSFET Q3 through contact hole C3 is formed so as to cover the MOS transistor portion. It is a process.

(実施例II) 第8図は本発明における他の実施例を示したものであ
る。第8図における9A−9A,9B−9B,9C−9C部の縦断面構
造を第9A,第9B,第9C図にそれぞれ示してある。
Embodiment II FIG. 8 shows another embodiment of the present invention. 9A, 9B, and 9C show vertical cross-sectional structures of portions 9A-9A, 9B-9B, and 9C-9C in FIG. 8, respectively.

第8図はポリシリコン3層構造のレイアウトを示した
ものである。図中、画素区画用のMOSトランジスタのゲ
ート電極G1を第一層ポリシリコンとし、ソースフォロワ
アンプQ2のゲート線G2A及びプリチャージ用スイッチMOS
FETQ1のゲート線G2Bを第二層ポリシリコンとし、読み出
し用スイッチMOSFETQ3のゲート線G3を第三層ポリシリコ
ンとしてある。
FIG. 8 shows a layout of a polysilicon three-layer structure. In the figure, the gate electrode G1 of the MOS transistor for pixel division is made of first layer polysilicon, the gate line G2A of the source follower amplifier Q2 and the switch MOS for precharging.
The gate line G2B of the FET Q1 is a second-layer polysilicon, and the gate line G3 of the readout switch MOSFET Q3 is a third-layer polysilicon.

三層構造としたことで、実施例Iに比べてより大きな
開口率が得られるが、反面中間のゲート線G2Bの配線容
量が上面のG3間及び下面のG1間と二倍の容量値となるた
め、その駆動パルスの波形がなまってしまうという欠点
を有する。また第8図及び第9C図に示すように、N+
(N2)は、G1電極の電気抵抗を下げるために行なうリン
処理によって、スルーホール(C1)から拡散して形成さ
れるN+層が隣接するN+層まで、つまりG1電極の外側まで
到達しない場合、あらかじめN+層を形成しておいて隣接
するN+層との導通をとるようにしたものである。よっ
て、N+層との導通がC1からの拡散でとれる場合は必要で
ない。
With the three-layer structure, a larger aperture ratio can be obtained than in Example I, but the wiring capacitance of the middle gate line G2B is twice as large as that between G3 on the upper surface and between G1 on the lower surface. Therefore, there is a disadvantage that the waveform of the driving pulse is distorted. Further, as shown in FIG. 8 and FIG. 9C, N + layer (N2) is by phosphorylation process performed in order to reduce the electrical resistance of the G1 electrode, N + layer formed by diffusion from the through-hole (C1) In the case where does not reach the adjacent N + layer, that is, does not reach the outside of the G1 electrode, an N + layer is formed in advance to establish conduction with the adjacent N + layer. Therefore, it is not necessary when conduction with the N + layer can be obtained by diffusion from C1.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りであ
る。すなわち、画素セルからの読み出しを、キャパシタ
を介しプリチャージ電圧を基準とすることで、プリチャ
ージMOSFETや増幅MOSFETの素子特性のバラツキによるノ
イズが発生せず、高感度で高画質な画像信号を得ること
ができる。
The effect obtained by the representative one of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. That is, readout from a pixel cell is performed with reference to a precharge voltage via a capacitor, so that noise due to variations in element characteristics of a precharge MOSFET and an amplification MOSFET does not occur, and a high-sensitivity, high-quality image signal is obtained. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1A図は、この発明が適用された画素増幅型固体撮像素
子の画素部基本セルの一実施例を示すレイアウト図、 第1B図、第1C図は、第1A図における主要部を示すレイア
ウト図、 第2図は、この発明が適用された画素増幅型固体撮像素
子の一実施例を示す要部回路図、 第3図は、その読み出し動作を説明するための等価回路
図、 第4図は、その読み出し動作の一例を説明するためのタ
イミング図、 第5図は、カラー画像信号の読み出し動作の一例を説明
するためのタイミング図、 第6図は、この発明が適用された画素増幅型固体撮像素
子の画素部の一実施例を示す要部レイアウト図、 第7A図は、第1A図の7A−7A切断線で切った断面図、 第7B図は、第1A図の7B−7B切断線で切った断面図、 第7C図は、第1A図の7C−7C切断線で切った断面図、 第8図は、この発明が適用された画素増幅型固体撮像素
子の画素部基本セルの他の一実施例を示す要部レイアウ
ト図、 第9A図は、第8図の9A−9A切断線で切った断面図、 第9B図は、第8図の9B−9B切断線で切った断面図、 第9C図は、第8図の9C−9C切断線で切った断面図、 第10A図、第10B図は、この発明が適用された画素増幅型
固体撮像素子の一実施例を示す要部プロセスフローチャ
ート図である。 VSR……垂直シフトレジスタ、VSRE……感度設定用の垂
直シフトレジスタ、HSR……水平シフトレジスタ。
FIG. 1A is a layout diagram showing one embodiment of a pixel unit basic cell of a pixel amplification type solid-state imaging device to which the present invention is applied. FIGS. 1B and 1C are layout diagrams showing main parts in FIG. 1A. FIG. 2 is a main part circuit diagram showing an embodiment of a pixel amplification type solid-state imaging device to which the present invention is applied, FIG. 3 is an equivalent circuit diagram for explaining the readout operation, and FIG. FIG. 5 is a timing chart for explaining an example of the read operation, FIG. 5 is a timing chart for explaining an example of a color image signal read operation, and FIG. 6 is a pixel amplification type solid-state to which the present invention is applied. FIG. 7A is a sectional view taken along section line 7A-7A in FIG. 1A, and FIG. 7B is a sectional view taken along section line 7B-7B in FIG. 1A. 7C is a cross-sectional view taken along section line 7C-7C of FIG. 1A, and FIG. FIG. 9A is a layout view of a main part showing another embodiment of a pixel unit basic cell of a pixel amplification type solid-state imaging device to which the present invention is applied; FIG. 9A is a cross-sectional view taken along section line 9A-9A in FIG. 9B is a sectional view taken along section line 9B-9B in FIG. 8, FIG. 9C is a sectional view taken along section line 9C-9C in FIG. 8, FIG. 10A and FIG. FIG. 4 is a main part process flow chart showing an embodiment of a pixel amplification type solid-state imaging device to which is applied. VSR: Vertical shift register, VSRE: Vertical shift register for sensitivity setting, HSR: Horizontal shift register.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−294182(JP,A) 特開 昭63−276377(JP,A) 特開 平1−154678(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/339 H01L 27/14 - 27/148 H04N 5/335 Continuation of front page (56) References JP-A-63-294182 (JP, A) JP-A-63-276377 (JP, A) JP-A-1-154678 (JP, A) (58) Fields studied (Int) .Cl. 6 , DB name) H01L 21/339 H01L 27/14-27/148 H04N 5/335

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】光電変換素子と、該光電変換素子の信号を
読み出すスイッチ素子と、該スイッチ素子と電気的に接
続される第1のキャパシタと、第2のキャパシタとを有
し、上記第1のキャパシタは、上記スイッチ素子と接続
される第1の電極と、上記第2のキャパシタと電気的に
接続される第2の電極とを有し、上記スイッチ素子を介
し、第1のタイミングでプリチャージ電圧が与えられ、
第2のタイミングにて上記光電変換素子からの実質的な
光電変換信号に対応した電圧が与えられ、上記第1また
は第2のタイミングにて上記第2の電極がフローティン
グ状態とされ、上記第2のキャパシタは、上記第2の電
極がフローティング状態とされるタイミングにて、上記
第1のキャパシタと直列形態に接続され、基準とする上
記プリチャージ電圧から、光電変換信号に対応した電圧
を差し引いた出力信号を保持することを特徴とする固体
撮像装置。
A first capacitor electrically connected to the switch element; a first capacitor electrically connected to the switch element; and a second capacitor electrically connected to the switch element. Has a first electrode connected to the switch element and a second electrode electrically connected to the second capacitor, and is pre-charged at a first timing via the switch element. Charge voltage is given,
At a second timing, a voltage corresponding to a substantial photoelectric conversion signal from the photoelectric conversion element is applied, and at the first or second timing, the second electrode is brought into a floating state, Is connected in series with the first capacitor at a timing when the second electrode is brought into a floating state, and a voltage corresponding to a photoelectric conversion signal is subtracted from the reference precharge voltage. A solid-state imaging device which holds an output signal.
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