JP2935492B2 - Solid-state image sensor and optical signal detection method using solid-state image sensor - Google Patents
Solid-state image sensor and optical signal detection method using solid-state image sensorInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像素子及び
固体撮像素子による光信号検出方法に関し、より詳しく
は、ビデオカメラ、電子カメラ、画像入力カメラ、スキ
ャナー、又はファクシミリ等に用いられる閾値電圧変調
方式のMOS型固体撮像素子及び固体撮像素子による光
信号検出方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state image pickup device and an optical signal detection method using the solid-state image pickup device, and more particularly, to a threshold voltage modulation used in a video camera, an electronic camera, an image input camera, a scanner, a facsimile or the like. 1. Field of the Invention The present invention relates to a MOS-type solid-state imaging device of a system and an optical signal detection method using the solid-state imaging device.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体イメージセンサは量産性に優れて
いるため、パターンの微細化技術の進展に伴い、ほとん
どの画像入力デバイス装置に適用されている。なかで
も、CCD(電荷結合素子)は光感度が高く、ノイズレ
ベルが低いため、ビデオカメラやファクシミリ等代表的
な画像装置に多く採用されている。2. Description of the Related Art Since semiconductor image sensors are excellent in mass productivity, they have been applied to most image input device devices with the development of finer pattern technology. Above all, CCDs (Charge Coupled Devices) have high light sensitivity and low noise levels, and thus are widely used in typical imaging devices such as video cameras and facsimile machines.
【0003】しかし、CCD(電荷結合素子)には以下
のような問題があり、これらの問題に応えられる技術の
開発が望まれている。即ち、 消費電力、動作電圧が高い、 CMOSデバイス等の半導体素子と異なり、複雑な製
造技術を必要とするため、生産コストが高い、 製造技術がCMOSデバイス等の半導体素子と異なっ
ているため、CCD内に複雑な周辺回路を作り込みにく
い。However, CCDs (Charge Coupled Devices) have the following problems, and it is desired to develop a technology that can solve these problems. That is, unlike semiconductor devices such as CMOS devices, which have high power consumption and high operating voltage, they require complicated manufacturing technology, and therefore have high production costs. Since the manufacturing technology is different from semiconductor devices such as CMOS devices, CCDs are required. It is difficult to create complicated peripheral circuits inside.
【0004】このような状況に加え、近年、固体撮像素
子の応用市場が拡大してきており、MOS型固体撮像素
子が見直されるようになってきている。また、半導体微
細化技術によりサブミクロン以下のデバイスを作成する
ことが可能になってきている。一方、イメージセンサ本
体の特性については、MOS型イメージセンサとCCD
イメージセンサとの性能差は大きく、特に、MOS型イ
メージセンサにおいてランダム雑音特性や固定雑音特性
の改善が必要とされており、根本的な性能向上が望まれ
ていた。In addition to such a situation, in recent years, the application market of solid-state imaging devices has been expanding, and MOS-type solid-state imaging devices have been reviewed. In addition, it has become possible to fabricate sub-micron or smaller devices using semiconductor miniaturization technology. On the other hand, regarding the characteristics of the image sensor body, MOS type image sensors and CCD
The performance difference from the image sensor is large. In particular, the improvement of the random noise characteristic and the fixed noise characteristic is required in the MOS image sensor, and a fundamental improvement in performance has been desired.
【0005】これに対して、マイクロレンズ技術の進歩
により光電変換部を局所化でき、且つ微細化技術により
画素毎に2〜3トランジスタからなる増幅回路が集積で
きるようになり感度の向上を図ることができた。このた
め、X,Yの2つのうち1つのMOSスイツチ部で発生
する熱雑音(kTC雑音)や素子ばらつきによって生じ
る固定パターン雑音を回路的にある程度低減させること
が可能となった。On the other hand, with the advancement of the microlens technology, the photoelectric conversion portion can be localized, and the miniaturization technology makes it possible to integrate an amplifier circuit consisting of two or three transistors for each pixel, thereby improving the sensitivity. Was completed. For this reason, thermal noise (kTC noise) generated in one of the two MOS switches, X and Y, and fixed pattern noise generated due to element variation can be reduced to some extent in a circuit.
【0006】このような点から、CMOS技術による微
細なトランジスタ増幅回路を受光デバイスの画素内に形
成した、いわゆるアクティブCMOSイメージセンサが
注目されている。アクティブCMOSイメージセンサ
は、通常のCMOS技術以外の特殊な製造技術を必要と
しないため、CMOS周辺回路を受光部分と同一のチッ
プに集積化し易く、安価に製造できる。また、消費電
力、及び動作電圧が小さいという特長を有する。From such a point, a so-called active CMOS image sensor, in which a fine transistor amplifier circuit based on CMOS technology is formed in a pixel of a light receiving device, has attracted attention. Since the active CMOS image sensor does not require any special manufacturing technology other than the normal CMOS technology, the CMOS peripheral circuit can be easily integrated on the same chip as the light receiving portion, and can be manufactured at low cost. Further, it has features of low power consumption and low operating voltage.
【0007】このため、将来、複雑な信号処理回路を搭
載したワンチップカメラの実現にむけて大いに期待され
ている。アクティブCMOSイメージセンサ素子の改良
型として以下の具体例が挙げられる。即ち、CMD(Ch
arge Modulation Device:電荷変調素子)型固体撮像素
子は特開昭60−140752号公報,特開昭60−2
06063号公報,特開平6−120473号公報等に
公開されている。この素子は光電変換素子構造にCCD
的な特徴を取り入れた素子であり、また、開口率を向上
させるためMOSトランジスタのゲート電極をフォトゲ
ート電極構造としている。光励起によって発生した電荷
をMOSトランジスタのフォトゲート電極下のゲート酸
化膜とSi層の界面に蓄積させて、電流制御を行うもの
である。電荷の掃出を完全空乏化モードで行うため、ト
ランジスタの熱雑音特性を改善できる。[0007] For this reason, there is a great expectation for the realization of a one-chip camera equipped with a complicated signal processing circuit in the future. The following specific examples are given as improved types of the active CMOS image sensor element. That is, CMD (Ch
An arge Modulation Device (charge modulation device) type solid-state imaging device is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos.
06063, JP-A-6-120473 and the like. This element is a photoelectric conversion element structure with CCD
In addition, the gate electrode of the MOS transistor has a photogate electrode structure in order to improve the aperture ratio. The electric charge generated by the photoexcitation is accumulated at the interface between the gate oxide film under the photogate electrode of the MOS transistor and the Si layer to control the current. Since the charge is discharged in the completely depleted mode, the thermal noise characteristics of the transistor can be improved.
【0008】また、BCMD(Bulk Charge Modulated
Device)型固体撮像素子は特開昭64−14959号公
報等に公開されている。図13(a)に示すように、こ
の素子も開口率を向上させるためMOSトランジスタの
ゲート電極7をフォトゲート電極構造とし、フォトゲー
ト電極7下のN層2上に光発生電荷の蓄積層3を設けて
いる。この場合、フォトゲート電極7直下のチャネル領
域よりも基板1側に光発生電荷の蓄積層3を設けて、光
発生電荷がフォトゲート電極7下のN層9と接するゲー
ト酸化膜6の界面にトラップされるのを抑制し、それに
起因するノイズを抑制している。なお、図13(a)
中、符号2はN層、4はソース拡散領域、5はドレイン
拡散領域、8は定電流電源である。Further, BCMD (Bulk Charge Modulated)
A device type solid-state imaging device is disclosed in, for example, JP-A-64-14959. As shown in FIG. 13A, this device also has a photogate electrode structure for the gate electrode 7 of the MOS transistor in order to improve the aperture ratio, and the photogenerated charge storage layer 3 is formed on the N layer 2 under the photogate electrode 7. Is provided. In this case, the photo-generated charge accumulation layer 3 is provided on the substrate 1 side of the channel region immediately below the photo-gate electrode 7 so that the photo-generated charge is located at the interface of the gate oxide film 6 in contact with the N layer 9 below the photo-gate electrode 7 Trapping is suppressed, and noise caused by the trapping is suppressed. FIG. 13 (a)
Reference numeral 2 denotes an N layer, 4 denotes a source diffusion region, 5 denotes a drain diffusion region, and 8 denotes a constant current power supply.
【0009】さらに、閾値電圧変調方式の固体撮像素子
は特開平2−304973号公報に公開されている。こ
の素子においては、リングゲート電極構造を有し、リン
グゲート電極構造の中央部にソース拡散領域が形成さ
れ、リングゲート電極を囲むようにドレイン拡散領域が
形成されている。この場合、ドレイン拡散領域が埋込み
フォトダイオードの高濃度不純物拡散層を兼ねている。
受光部をトランジスタ領域の外に設けたこと、及びチャ
ネル幅方向の一部のチャネル幅領域下のウエル領域内に
ソース拡散領域からドレイン拡散領域にわたって信号電
荷に対してポテンシャルの低いところを一か所設けたこ
とを特徴としている。Further, a solid-state image pickup device using a threshold voltage modulation method has been disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 2-304973. This device has a ring gate electrode structure, a source diffusion region is formed in the center of the ring gate electrode structure, and a drain diffusion region is formed so as to surround the ring gate electrode. In this case, the drain diffusion region also serves as the high-concentration impurity diffusion layer of the buried photodiode.
The light receiving portion is provided outside the transistor region, and a portion having a low potential with respect to signal charges from the source diffusion region to the drain diffusion region is formed in a well region below a part of the channel width region in the channel width direction. It is characterized by having been provided.
【0010】この素子では、埋込みフォトダイオードに
光を照射して電荷を発生させ、埋込みフォトダイオード
への光発生電荷の蓄積により基板バイアス効果を利用し
て閾値を制御する。特に、微弱な強度の光照射であって
光発生電荷の数が少ない場合に有効であり、信号電荷に
対してポテンシャルの低いところに光発生電荷を集めて
感度の不均一を抑え、固定パターン雑音の抑制を図って
いる。In this device, the embedded photodiode is irradiated with light to generate charges, and the threshold is controlled by utilizing the substrate bias effect by accumulating the light-generated charges in the embedded photodiode. This is particularly effective when the light intensity is low and the number of photo-generated electric charges is small. Is being controlled.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、CMD
型固体撮像素子では、光電変換に用いる電荷が半導体表
面付近に存在するため、表面での電荷捕獲或いは散乱に
よるランダム雑音成分は除去しきれないという問題があ
る。BCMD型固体撮像素子では、図13(a)に示す
ように、電荷蓄積層3がフォトゲート電極7下のチャネ
ル領域全域に存在するため、トランジスタを十分に飽和
させることが難しく、図13(b)に示すように、電流
−電圧特性が三極管領域特性となってしまう。このた
め、ソースフォロワで光発生電荷を電圧に変換する上で
十分な直線性が得られないという問題がある。However, the CMD
In the solid-state imaging device, there is a problem that a random noise component due to charge trapping or scattering on the surface cannot be completely removed because charges used for photoelectric conversion exist near the semiconductor surface. In the BCMD type solid-state imaging device, as shown in FIG. 13A, since the charge storage layer 3 exists in the entire channel region below the photogate electrode 7, it is difficult to sufficiently saturate the transistor. ), The current-voltage characteristic becomes a triode region characteristic. For this reason, there is a problem that sufficient linearity cannot be obtained when the photo-generated charges are converted into a voltage by the source follower.
【0012】また、電荷蓄積層3内でのキャリア分布は
フォトゲート電極7下のチャネル領域全体に散在し、チ
ャネル領域全体が電流変調に寄与するので、注入電荷量
に対するポテンシャル変調の線型性に乏しく、かつ電荷
検出容量も比較的大きいため変換効率も劣るという問題
がある。さらに、CMD型及びBCMD型固体撮像素子
はフォトゲート電極構造ということで共通し、受光部の
MOS構造固有の入射光の多重干渉による分光感度特性
の劣化の問題がある。Further, the carrier distribution in the charge storage layer 3 is scattered throughout the channel region below the photogate electrode 7, and the entire channel region contributes to current modulation. Therefore, the linearity of the potential modulation with respect to the injected charge is poor. In addition, since the charge detection capacity is relatively large, the conversion efficiency is poor. Further, the CMD type and BCMD type solid-state imaging devices have a common photogate electrode structure, and there is a problem of deterioration of spectral sensitivity characteristics due to multiple interference of incident light inherent to the MOS structure of the light receiving unit.
【0013】さらに、フォトゲート電極構造では、製造
工程上、透光性を有する薄いポリシリコン膜からなるフ
ォトゲート電極の形成が必要となる等、特殊で複雑な製
造プロセスが要求されるという問題もある。一部のチャ
ネル幅領域下のウエル内に信号電荷に対してポテンシャ
ルの低いところを一か所設けた固体撮像素子では、その
ポテンシャルの低いところを、一部のチャネル幅領域下
のウエル領域内であってソース拡散領域からドレイン拡
散領域にわたって設けているため、電流−電圧特性が三
極管領域の特性となり、ソースフォロワで光発生電荷を
電圧に変換する上で十分な直線性が得られないという問
題がある。Furthermore, the photogate electrode structure requires a special and complicated manufacturing process, such as the necessity of forming a photogate electrode made of a thin translucent polysilicon film in the manufacturing process. is there. In a solid-state imaging device in which one portion having a low potential for signal charge is provided in a well below a part of the channel width region, the low potential portion is formed in a well region below a part of the channel width region. The current-voltage characteristic becomes that of a triode region because it is provided from the source diffusion region to the drain diffusion region, and there is a problem that sufficient linearity cannot be obtained when the photo-generated charge is converted into a voltage by the source follower. is there.
【0014】本発明は、上述の事情に鑑みてなされたも
のであり、光発生電荷の表面捕獲或いは散乱に起因する
雑音を低減し、分光感度特性や変換効率の向上を図ると
ともに、直線性に優れた光電変換特性を得ることがで
き、また、CMOSの製造技術と同じ製造技術を用いて
受光部を作成することができる固体撮像素子及び固体撮
像素子による光検出方法を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and reduces noise due to surface capture or scattering of photo-generated charges, improves spectral sensitivity characteristics and conversion efficiency, and improves linearity. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a light detection method using the solid-state imaging device, which can obtain excellent photoelectric conversion characteristics and can form a light receiving section using the same manufacturing technology as that of CMOS. I do.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明は固体撮像素子に係り、受光ダイオ
ードと光信号検出用の絶縁ゲート型電界効果トランジス
タとを備えた単位画素が複数配列された固体撮像素子に
おいて、前記受光ダイオードは、一導電型の半導体基板
上の反対導電型の半導体層に形成された一導電型のウエ
ル領域と、前記ウエル領域の表層に形成された反対導電
型の不純物拡散領域とを有し、前記絶縁ゲート型電界効
果トランジスタは、前記ウエル領域の表層に前記不純物
拡散領域と一体的に形成された反対導電型のドレイン拡
散領域と、前記ウエル領域の表層に前記ドレイン拡散領
域と間隔を置いて形成された反対導電型のソース拡散領
域と、前記ドレイン拡散領域と前記ソース拡散領域との
間のウエル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲ
ート電極と、前記ゲート電極下のウエル領域の表層の電
流担体が移動する、反対導電型の不純物層を有するチャ
ネル領域と、前記チャネル領域の下のウエル領域内のソ
ース拡散領域の近辺に前記ウエル領域よりも高い不純物
濃度を有する一導電型の高濃度埋込層とを有することを
特徴としている。According to one aspect of the present invention, there is provided a solid-state imaging device, comprising a plurality of unit pixels each having a light receiving diode and an insulated gate field effect transistor for detecting an optical signal. In the arrayed solid-state imaging devices, the light-receiving diode includes a well region of one conductivity type formed in a semiconductor layer of the opposite conductivity type on a semiconductor substrate of one conductivity type, and an opposite conductivity type formed in a surface layer of the well region. An insulated gate field effect transistor, wherein the insulated gate field effect transistor has an opposite conductivity type drain diffusion region formed integrally with the impurity diffusion region on a surface layer of the well region; and a surface layer of the well region. A source diffusion region of the opposite conductivity type formed at a distance from the drain diffusion region, and a well region between the drain diffusion region and the source diffusion region. A gate electrode formed via a gate insulating film, a channel region having an impurity layer of the opposite conductivity type in which a current carrier in a surface layer of the well region below the gate electrode moves, and a well region below the channel region And a high concentration buried layer of one conductivity type having a higher impurity concentration than the well region in the vicinity of the source diffusion region.
【0016】請求項2の発明は、請求項1に記載の固体
撮像素子に係り、前記高濃度埋込層はチャネル幅方向全
域にわたって形成されていることを特徴としている。請
求項3の発明は、請求項1又は2に記載の固体撮像素子
に係り、前記ソース拡散領域の近辺は、前記ドレイン拡
散領域から前記ソース拡散領域に至るチャネル長方向の
一部領域であって、前記ソース拡散領域側であることを
特徴としている。According to a second aspect of the present invention, there is provided the solid-state imaging device according to the first aspect, wherein the high-concentration buried layer is formed over the entire area in the channel width direction. The invention according to claim 3 relates to the solid-state imaging device according to claim 1 or 2, wherein the vicinity of the source diffusion region is a partial region in a channel length direction from the drain diffusion region to the source diffusion region. , On the source diffusion region side.
【0017】請求項4の発明は、請求項1乃至3のいず
れかに記載の固体撮像素子に係り、前記ゲート電極はリ
ング状を有し、前記ソース拡散領域は前記ゲート電極の
中央部の前記ウエル領域の表層に形成されており、前記
ドレイン拡散領域は前記ゲート電極を囲むように前記ウ
エル領域の表層に形成されており、前記高濃度埋込層は
前記ソース拡散領域を囲むように前記ウエル領域内に形
成されていることを特徴としている。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the solid-state imaging device according to any one of the first to third aspects, wherein the gate electrode has a ring shape, and the source diffusion region is provided at a central portion of the gate electrode. The drain diffusion region is formed in the surface layer of the well region, the drain diffusion region is formed in the surface layer of the well region so as to surround the gate electrode, and the high concentration buried layer is formed in the well region so as to surround the source diffusion region. It is characterized in that it is formed in the region.
【0018】請求項5の発明は、請求項1乃至4のいず
れかに記載の固体撮像素子に係り、前記絶縁ゲート型電
界効果トランジスタのゲート電極及びその周辺は遮光さ
れていることを特徴としている。請求項6の発明は、請
求項1乃至5のいずれかに記載の固体撮像素子に係り、
前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース拡散領
域に負荷回路が接続されてソースフォロワ回路を構成し
ていることを特徴としている。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the solid-state imaging device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the gate electrode of the insulated gate field effect transistor and its periphery are shielded from light. . The invention according to claim 6 relates to the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5,
A load circuit is connected to a source diffusion region of the insulated gate field effect transistor to form a source follower circuit.
【0019】請求項7の発明は、請求項6に記載の固体
撮像素子に係り、前記ソースフォロワ回路のソース出力
は映像信号出力に接続されていることを特徴としてい
る。請求項8の発明は、請求項1乃至7のいずれかに記
載の固体撮像素子に係り、前記単位画素は行方向及び列
方向に並んでいることを特徴としている。請求項9の発
明は、請求項8に記載の固体撮像素子に係り、前記行方
向に並ぶ前記各単位画素の絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタのドレイン拡散領域がともに接続され、前記行毎
にドレイン電圧を送るドレイン電圧供給線と、前記行方
向に並ぶ前記各単位画素の絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタのゲート電極がともに接続され、前記行毎に垂直
走査信号を伝える垂直走査信号供給線と、前記列方向に
並ぶ前記各単位画素の絶縁ゲート型電界効果トランジス
タのソース拡散領域がともに接続された、前記列毎に設
けられた複数の垂直出力線と、前記各垂直出力線がそれ
ぞれ接続された光検出信号入力端子と、光検出信号出力
端子と、水平走査信号入力端子とを有し、前記列毎に設
けられたスイッチと、 前記各スイッチの光検出信号出
力端子がともに接続された共通の水平出力線と、前記複
数の垂直出力線のうちの一つを選択する水平走査信号を
前記スイッチの水平走査信号入力端子に伝える水平走査
信号供給線と、前記ドレイン電圧供給線が接続され、行
毎に選択的にドレイン電圧を供給するドレイン電圧駆動
走査回路と、前記垂直走査信号供給線が接続され、行毎
に選択的に垂直走査信号を供給する垂直走査信号駆動走
査回路と、前記水平走査信号供給線が接続され、列毎に
選択的に水平走査信号を供給する水平走査信号駆動走査
回路と、前記水平出力線に接続され、前記駆動走査回路
により選択された一つの前記絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタとの間でソースフォロワを形成する負荷回路
と、前記ソースフォロワのソース出力に接続された映像
信号出力とを有することを特徴としている。According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the solid-state imaging device according to the sixth aspect, wherein a source output of the source follower circuit is connected to a video signal output. The invention of claim 8 relates to the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7, wherein the unit pixels are arranged in a row direction and a column direction. According to a ninth aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the eighth aspect, the drain diffusion regions of the insulated gate type field effect transistors of the unit pixels arranged in the row direction are connected together, and the drain voltage is set for each row. A drain voltage supply line, a gate electrode of the insulated gate field effect transistor of each of the unit pixels arranged in the row direction, and a vertical scanning signal supply line for transmitting a vertical scanning signal for each row; A plurality of vertical output lines provided for each column, to which the source diffusion regions of the insulated gate field effect transistors of the unit pixels arranged in the direction are connected together; and a photodetector connected to each of the vertical output lines. A switch having a signal input terminal, a light detection signal output terminal, and a horizontal scanning signal input terminal, provided for each of the columns, and a light detection signal output terminal of each of the switches A common horizontal output line connected together, a horizontal scanning signal supply line for transmitting a horizontal scanning signal for selecting one of the plurality of vertical output lines to a horizontal scanning signal input terminal of the switch, and the drain voltage A drain voltage driving scanning circuit connected to a supply line and selectively supplying a drain voltage for each row, and a vertical scanning signal driving circuit connected to the vertical scanning signal supply line and selectively supplying a vertical scanning signal for each row A scanning circuit connected to the horizontal scanning signal supply line, a horizontal scanning signal driving scanning circuit for selectively supplying a horizontal scanning signal for each column, and a horizontal scanning signal driving scanning circuit connected to the horizontal output line and selected by the driving scanning circuit; Having a load circuit forming a source follower with one of the insulated gate field effect transistors, and a video signal output connected to a source output of the source follower. It is a symptom.
【0020】請求項10の発明は、請求項1乃至9のい
ずれかに記載の固体撮像素子に係り、前記固体撮像素子
は一つの前記半導体基板に形成されていることを特徴と
している。請求項11の発明は、固体撮像素子による光
信号検出方法に係り、光照射によってp型のウエル領域
内に発生した電子及び正孔のうち該光発生正孔を前記ウ
エル領域内に形成した絶縁ゲート型電界効果トランジス
タのn型のソース拡散領域の近辺に埋め込まれた、前記
ウエル領域よりも高濃度のp型の高濃度埋込層に導いて
蓄積させ、該蓄積した光発生正孔の量により前記絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタの閾値を変化させ、該閾値
の変化量を受光量として検出することを特徴としてい
る。According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the solid-state imaging device according to any one of the first to ninth aspects, wherein the solid-state imaging device is formed on one semiconductor substrate. The invention according to claim 11 relates to an optical signal detection method using a solid-state imaging device, wherein the photo-generated holes are formed in the well region among the electrons and holes generated in the p-type well region by light irradiation. A p-type high-concentration buried layer having a higher concentration than the well region, which is buried in the vicinity of the n-type source diffusion region of the gate type field effect transistor, and is accumulated. And changes the threshold value of the insulated gate field effect transistor, and detects the amount of change in the threshold value as the amount of received light.
【0021】請求項12の発明は、固体撮像素子による
光信号検出方法に係り、光照射によってn型のウエル領
域内に発生した電子及び正孔のうち該光発生電子を前記
ウエル領域内に形成した絶縁ゲート型電界効果トランジ
スタのp型のソース拡散領域の近辺に埋め込まれた、前
記ウエル領域よりも高濃度のn型の高濃度埋込層に導い
て蓄積させ、該蓄積した光発生電子の量により前記絶縁
ゲート型電界効果トランジスタの閾値を変化させ、該閾
値の変化量を受光量として検出することを特徴としてい
る。According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a method for detecting an optical signal by a solid-state image sensor, wherein the photo-generated electrons of the electrons and holes generated in the n-type well region by light irradiation are formed in the well region. The insulated gate field effect transistor is guided to an n-type high-concentration buried layer embedded near the p-type source diffusion region having a higher concentration than the well region and accumulated therein. The threshold value of the insulated gate field effect transistor is changed according to the amount, and the amount of change in the threshold value is detected as the amount of received light.
【0022】請求項13の発明は、固体撮像素子による
光信号検出方法に係り、請求項1乃至10のいずれかに
記載の固体撮像素子による光信号検出方法において、前
記半導体基板、前記ウエル領域及び前記高濃度埋込層は
p型であり、前記半導体層、前記不純物拡散領域、前記
ドレイン拡散領域及び前記ソース拡散領域はn型であ
り、前記不純物拡散領域、前記ドレイン拡散領域、前記
ゲート電極及び前記ソース拡散領域に動作電圧よりも高
い電圧を印加し、前記ウエル領域及び高濃度埋込層内の
正孔を前記半導体基板に、電子を前記不純物拡散領域、
前記ドレイン拡散領域及び前記ソース拡散領域にそれぞ
れ排出して空乏化することで画素の初期化を行い、光照
射により前記受光ダイオードのウエル領域内に正孔及び
電子を生じさせ、前記不純物拡散領域及び前記ドレイン
拡散領域に動作電圧を印加し、かつ前記ゲート電極に前
記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート領域のポ
テンシャルが前記受光ダイオードのポテンシャルよりも
低くなるような電圧を印加し、前記光発生正孔を前記ウ
エル領域内を移動させて前記高濃度埋込層に前記光発生
正孔を蓄積させ、前記ドレイン拡散領域及び前記ゲート
電極に動作電圧を印加し、前記光発生正孔が蓄積した前
記高濃度埋込層上にチャネル長方向に低電界の反転領域
を形成するとともに、前記高濃度埋込層上を除くチャネ
ル領域に前記チャネル長方向に高電界領域を形成し、前
記ドレイン拡散領域及び前記ゲート電極に前記絶縁ゲー
ト型電界効果トランジスタが飽和状態で動作するような
動作電圧を印加し、前記絶縁ゲート型電界効果トランジ
スタをソースフォロワに形成して前記光発生正孔が前記
高濃度埋込層に蓄積されたことにより前記絶縁ゲート型
電界効果トランジスタの閾値電圧の変化を、前記絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタのソース拡散領域の電位変
化に変えることで信号を検出することを特徴としてい
る。According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a method for detecting an optical signal using a solid-state image sensor, wherein the semiconductor substrate, the well region, and the light source are detected by the solid-state image sensor according to any one of the first to tenth aspects. The high concentration buried layer is p-type, the semiconductor layer, the impurity diffusion region, the drain diffusion region and the source diffusion region are n-type, and the impurity diffusion region, the drain diffusion region, the gate electrode and A voltage higher than an operating voltage is applied to the source diffusion region, holes in the well region and the high-concentration buried layer are transferred to the semiconductor substrate, electrons are transferred to the impurity diffusion region,
The pixel is initialized by being discharged and depleted to the drain diffusion region and the source diffusion region, and holes and electrons are generated in the well region of the light receiving diode by light irradiation, and the impurity diffusion region and Applying an operating voltage to the drain diffusion region, and applying a voltage to the gate electrode so that the potential of the gate region of the insulated gate field effect transistor is lower than the potential of the light receiving diode; Is moved in the well region to accumulate the photo-generated holes in the high-concentration buried layer, an operating voltage is applied to the drain diffusion region and the gate electrode, and the photo-generated holes are accumulated. A low electric field inversion region is formed in the channel length direction on the concentration buried layer, and the channel is formed in the channel region except on the high concentration buried layer. A high electric field region is formed in the length direction of the transistor, and an operating voltage is applied to the drain diffusion region and the gate electrode so that the insulated gate field effect transistor operates in a saturated state. The change in the threshold voltage of the insulated gate field effect transistor due to the formation of the follower and the accumulation of the photogenerated holes in the high concentration buried layer changes the potential of the source diffusion region of the insulated gate field effect transistor. It is characterized by detecting a signal by changing to a change.
【0023】請求項14の発明は、固体撮像素子による
光信号検出方法に係り、請求項1乃至10のいずれかに
記載の固体撮像素子による光信号検出方法において、前
記半導体基板、前記ウエル領域及び前記高濃度埋込層は
n型であり、前記半導体層、前記不純物拡散領域、前記
ドレイン拡散領域及び前記ソース拡散領域はp型であ
り、前記不純物拡散領域、前記ドレイン拡散領域、前記
ゲート電極及び前記ソース拡散領域に動作電圧よりも負
側に大きい電圧を印加し、前記ウエル領域及び高濃度埋
込層内の電子を前記半導体層に、正孔を前記不純物拡散
領域、前記ドレイン拡散領域及び前記ソース拡散領域に
それぞれ排出して空乏化することで画素の初期化を行
い、光照射により前記受光ダイオードのウエル領域内に
正孔及び電子を生じさせ、前記不純物拡散領域及び前記
ドレイン拡散領域に動作電圧を印加し、かつ前記ゲート
電極に前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート
領域のポテンシャルが前記受光ダイオードのポテンシャ
ルよりも高くなるような電圧を印加し、前記光発生電子
を前記ウエル領域内を移動させて前記高濃度埋込層に前
記光発生電子を蓄積させ、前記ドレイン拡散領域及び前
記ゲート電極に動作電圧を印加し、前記光発生電子が蓄
積した前記高濃度埋込層上に低電界の反転領域を形成す
るとともに、前記高濃度埋込層上を除くチャネル領域に
高電界領域を形成し、前記ドレイン拡散領域及び前記ゲ
ート電極に前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタが飽
和状態で動作するような動作電圧を印加し、前記絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタをソースフォロワに形成し
て前記光発生電子が前記高濃度埋込層に蓄積されたこと
による前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタの閾値電
圧の変化を、前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタの
ソース拡散領域の電位変化に変えることで信号を検出す
ることを特徴としている。According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a method for detecting an optical signal by using a solid-state imaging device. In the method for detecting an optical signal using a solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 10, the semiconductor substrate, the well region and The high concentration buried layer is n-type, the semiconductor layer, the impurity diffusion region, the drain diffusion region and the source diffusion region are p-type, and the impurity diffusion region, the drain diffusion region, the gate electrode and A voltage higher on the negative side than the operating voltage is applied to the source diffusion region, electrons in the well region and the high-concentration buried layer are applied to the semiconductor layer, holes are formed in the impurity diffusion region, the drain diffusion region and the Each pixel is initialized by being discharged to the source diffusion region and depleted, and holes and electrons are generated in the well region of the light receiving diode by light irradiation. Applying an operating voltage to the impurity diffusion region and the drain diffusion region, and applying a voltage to the gate electrode such that the potential of the gate region of the insulated gate field effect transistor is higher than the potential of the light receiving diode. Moving the photo-generated electrons in the well region to accumulate the photo-generated electrons in the high-concentration buried layer, applying an operating voltage to the drain diffusion region and the gate electrode, and accumulating the photo-generated electrons. Forming a low electric field inversion region on the high concentration buried layer, forming a high electric field region in a channel region except on the high concentration buried layer, and forming the insulated gate in the drain diffusion region and the gate electrode. An operating voltage is applied so that the field-effect transistor operates in a saturated state, and the insulated gate field-effect transistor is source-fed. The change in the threshold voltage of the insulated gate field effect transistor due to the formation of the lower photogenerated electrons in the high concentration buried layer is caused by the change in the potential of the source diffusion region of the insulated gate field effect transistor. The characteristic is that the signal is detected by changing to.
【0024】本発明においては、チャネル領域の下のウ
エル領域内であってソース拡散領域の近辺に、例えばド
レイン拡散領域からソース拡散領域に至るチャネル長方
向の一部領域であって、ソース拡散領域側に、かつチャ
ネル領域の幅方向の一部に或いは幅方向全体にわたっ
て、ウエル領域と同じ一導電型を有し、かつウエル領域
よりも高い不純物濃度を有する高濃度埋込層(キャリア
ポケット)を設けている。In the present invention, a part of the source diffusion region in the channel length direction from the drain diffusion region to the source diffusion region, for example, in the well region below the channel region and near the source diffusion region. A high-concentration buried layer (carrier pocket) having the same conductivity type as the well region and having a higher impurity concentration than the well region is provided on the side and partially or entirely in the width direction of the channel region. Provided.
【0025】例えば、リング状のゲート電極を用いる場
合、ゲート電極の中央部のウエル領域の表層にソース拡
散領域を形成し、ゲート電極を囲むようにウエル領域の
表層にドレイン拡散領域を形成し、ソース拡散領域を囲
むようにウエル領域内に高濃度埋込層を形成する。この
ような構成では、p型のウエル領域におけるp型の高濃
度埋込層の場合、p型の高濃度埋込層のところで正孔に
対してポテンシャルが一番低くなる。或いは、n型のウ
エル領域におけるn型の高濃度埋込層の場合、n型の高
濃度埋込層のところで電子に対してポテンシャルが一番
高くなる。For example, when a ring-shaped gate electrode is used, a source diffusion region is formed on the surface of the well region at the center of the gate electrode, and a drain diffusion region is formed on the surface of the well region so as to surround the gate electrode. A high concentration buried layer is formed in the well region so as to surround the source diffusion region. In such a configuration, in the case of the p-type high-concentration buried layer in the p-type well region, the potential is lowest for holes at the p-type high-concentration buried layer. Alternatively, in the case of the n-type high-concentration buried layer in the n-type well region, the potential is highest for electrons at the n-type high-concentration buried layer.
【0026】さらに、ウエル領域は受光ダイオードと電
界効果トランジスタとで共通し、受光ダイオードの不純
物拡散領域と電界効果トランジスタのドレイン拡散領域
とは一体的に形成されている。また、高濃度埋込層はソ
ース拡散領域の近くに設けられている。高濃度埋込層が
ソース拡散領域の近傍に配置されているため、受光ダイ
オード部分のウエル領域で発生した光発生電荷を高濃度
埋込層に集めやすい。Further, the well region is common to the light receiving diode and the field effect transistor, and the impurity diffusion region of the light receiving diode and the drain diffusion region of the field effect transistor are formed integrally. The high-concentration buried layer is provided near the source diffusion region. Since the high-concentration buried layer is arranged near the source diffusion region, it is easy to collect photo-generated charges generated in the well region of the light-receiving diode portion in the high-concentration buried layer.
【0027】即ち、p型のウエル領域を用い、かつ検出
トランジスタをnMOSとした場合、光発生電荷のうち
正孔を用い、ドレイン拡散領域よりもソース拡散領域の
方の電位を低く設定する。或いは、n型のウエル領域を
用い、かつ検出トランジスタをpMOSとした場合、光
発生電荷のうち電子を用い、ドレイン拡散領域よりもソ
ース拡散領域の方の電位を高く設定する。例えば、ドレ
イン拡散領域に正又は負の動作電圧VDDを印加し、ゲ
ート電極に低い電圧を印加したとき、電界効果トランジ
スタのドレイン拡散領域、即ち受光ダイオードの不純物
拡散領域からソース拡散領域の方に光発生電荷が向かう
ような電界が生じる。That is, when a p-type well region is used and the detection transistor is an nMOS, holes in the photo-generated charges are used, and the potential of the source diffusion region is set lower than that of the drain diffusion region. Alternatively, when an n-type well region is used and the detection transistor is a pMOS, the potential of the source diffusion region is set higher than that of the drain diffusion region by using electrons of the photo-generated charges. For example, when a positive or negative operating voltage VDD is applied to the drain diffusion region and a low voltage is applied to the gate electrode, light is emitted from the drain diffusion region of the field effect transistor, that is, from the impurity diffusion region of the light receiving diode to the source diffusion region. An electric field is generated such that the generated charges are directed.
【0028】したがって、初期化により、読み出しが終
わった光発生電荷やウエル領域内のアクセプタ等を中性
化している正孔等の残留電荷を半導体基板内から排出し
た後、上記のように電圧を印加したとき、受光ダイオー
ド部分のウエル領域内で発生した光発生電荷は、高濃度
埋込層の方に移動し、高濃度埋込層に蓄積される。一度
高濃度埋込層に光発生電荷が集まると、そこの低い電位
のため容易に脱出できなくなるため、ウエル領域内での
光発生電荷の拡散を防止することができ、高濃度埋込層
に光発生電荷を効率的に蓄積することができる。Therefore, after the photo-generated electric charges after reading and the residual electric charges such as holes neutralizing the acceptors and the like in the well region are discharged from the semiconductor substrate by the initialization, the voltage is increased as described above. When applied, the photo-generated charges generated in the well region of the light receiving diode part move toward the high concentration buried layer and are accumulated in the high concentration buried layer. Once the photo-generated charges accumulate in the high-concentration buried layer, they cannot be easily escaped due to the low potential.Therefore, the diffusion of the photo-generated charges in the well region can be prevented. Photo-generated charges can be efficiently accumulated.
【0029】なお、高濃度埋込層に蓄積された光発生電
荷でもゲート電極、ドレイン拡散領域及びソース拡散領
域に動作電圧よりも大きい電圧を印加して電界を高める
ことにより、排除することができる。光発生電荷が高濃
度埋込層内に蓄積されると、蓄積量に応じてフェルミレ
ベルが変化し、空間電荷は減少するため、トランジスタ
の閾値電圧の低下をもたらす。同時に、電荷保存則によ
り、高濃度埋込層上に反転領域が形成され、反転領域内
で高濃度埋込層内に蓄積された光発生電荷と逆の導電型
のキャリアが増加し、チャネルコンダクタンスは増大す
る。The photo-generated charges accumulated in the high-concentration buried layer can be eliminated by applying a voltage higher than the operating voltage to the gate electrode, the drain diffusion region and the source diffusion region to increase the electric field. . When the photo-generated charges are accumulated in the high-concentration buried layer, the Fermi level changes in accordance with the accumulated amount, and the space charge decreases, resulting in a decrease in the threshold voltage of the transistor. At the same time, an inversion region is formed on the high-concentration buried layer according to the law of conservation of charge, and carriers of the opposite conductivity type to the photo-generated charges accumulated in the high-concentration buried layer increase in the inversion region, and the channel conductance increases. Increases.
【0030】一方、高濃度埋込層以外の領域ではポテン
シャルが高く光発生電荷が蓄積しないので、高濃度埋込
層上以外のウエル領域表面には反転領域が生ぜず、高電
界領域が生じることになる。このように一つのチャネル
領域に反転領域と高電界領域とが生じることにより、ト
ランジスタは飽和状態で動作するようになる。従って、
ゲート電圧にトランジスタが動作しうるゲート電圧を印
加すると、ソースフォロワとして配線接続されたトラン
ジスタは、閾値電圧に追随してソース電位を変化させ
る。On the other hand, since regions other than the high-concentration buried layer have a high potential and do not accumulate photo-generated charges, no inversion region is formed on the surface of the well region other than on the high-concentration buried layer, and a high electric field region is generated. become. As described above, the inversion region and the high electric field region are generated in one channel region, so that the transistor operates in a saturated state. Therefore,
When a gate voltage at which the transistor can operate is applied to the gate voltage, the transistor connected as a source follower changes the source potential following the threshold voltage.
【0031】しかも、トランジスタが飽和状態で動作す
るので、電流はゲート−ソース間の電位差のみで決ま
る。このため、ソース電位の変化は光発生電荷の蓄積量
のみにより決まる。従って、このソース電位をビデオ信
号として出力することにより、線型性の良い光電変換を
行うことが可能になる。Moreover, since the transistor operates in a saturated state, the current is determined only by the potential difference between the gate and the source. For this reason, the change in the source potential is determined only by the amount of accumulated photo-generated charges. Therefore, by outputting this source potential as a video signal, it is possible to perform photoelectric conversion with good linearity.
【0032】また、光発生電荷の蓄積量と反転領域の電
荷の増減分は均衡しているので、光発生電荷の蓄積量は
ゲート絶縁膜容量への充電量と等価であり、閾値電圧の
変化分が出力される。ここで、ゲート絶縁膜容量への充
電は、キャリアポケットとしての高濃度埋込層上のゲー
ト絶縁膜容量に限定されるため、酸化膜厚、高濃度埋込
層の面積及び深さにより検出感度を決定することができ
る。しかも、この検出容量は殆ど固定容量と見なせるの
で、電荷−電圧変換の伝達特性の線型性に極めて優れた
高感度検出が可能となる。Further, since the amount of accumulated photo-generated charges and the amount of increase / decrease of the charges in the inversion region are balanced, the accumulated amount of photo-generated charges is equivalent to the amount of charge to the gate insulating film capacitance, and the change in the threshold voltage. The minute is output. Here, since the charging to the gate insulating film capacitance is limited to the gate insulating film capacitance on the high concentration buried layer as a carrier pocket, the detection sensitivity depends on the oxide film thickness, the area and the depth of the high concentration buried layer. Can be determined. In addition, since this detection capacitor can be regarded as almost a fixed capacitor, highly sensitive detection with extremely excellent linearity of the transfer characteristic of the charge-voltage conversion becomes possible.
【0033】さらに、トランジスタの表面がデプレショ
ン化している場合、ホールに対して障壁が存在すること
になる。このとき、他の方式で用いられているフォトゲ
ート電極構造では、表面は光発生電荷により満たされて
いるため、表面は平衡化し、熱的励起による暗電流発生
や寄生ホール蓄積によるポテンシャル変調が問題とな
る。Further, when the surface of the transistor is depleted, a barrier exists for holes. At this time, in the photogate electrode structure used in other methods, since the surface is filled with photo-generated charges, the surface is equilibrated, and dark current generation due to thermal excitation and potential modulation due to parasitic hole accumulation are problems. Becomes
【0034】一方、この発明においては、トランジスタ
のチャネル領域は、残留電荷を掃出し(初期化)後に空
乏状態が保持される。しかも、トランジスタ領域が遮光
されているため、過剰なキャリア層を形成するに至らな
い。従って、仮に表面に捕獲されたキャリアも、障壁を
乗り越えずして暗電流となることはなく、表面からノイ
ズ成分を抑制することができる。On the other hand, in the present invention, the depletion state of the channel region of the transistor is maintained after the residual charge is swept (initialized). In addition, since the transistor region is shielded from light, an excessive carrier layer is not formed. Therefore, even if the carriers trapped on the surface do not cross the barrier and become dark current, noise components can be suppressed from the surface.
【0035】以上のように、電流を制御すべき光発生電
荷を何れの半導体層表面部分とも相互作用しない孤立し
たチャネル領域下のウエル領域ヘ注入して、ソース拡散
領域付近の電位障壁を変化させている。即ち、光発生電
荷をソース拡散領域近くに集めることによりトランジス
タの閾値電圧を制御するような構造とすることで、雑音
成分を持たず、線型性が良く、かつ高感度検出が可能な
理想的な閾値電圧変調方式CMOSイメージセンサ素子
を提供することができる。As described above, the photo-generated charges whose current is to be controlled are injected into the well region under the isolated channel region which does not interact with any semiconductor layer surface portion, thereby changing the potential barrier near the source diffusion region. ing. In other words, by forming a structure in which the threshold voltage of the transistor is controlled by collecting the photo-generated charges near the source diffusion region, it has no noise component, has good linearity, and is ideal for high-sensitivity detection. A threshold voltage modulation type CMOS image sensor element can be provided.
【0036】[0036]
【実施の形態】以下に、図面を参照しながら本発明の実
施の形態について説明する。図1は、本発明の実施の形
態に係るCMOSイメージセンサの単位画素内における
素子レイアウトについて示す平面図である。図1に示す
ように、単位画素101内に、受光ダイオード111と
光信号検出用MOSトランジスタ112とが隣接して設
けられている。これらは、一つのウエル領域15を共有
している。即ち、受光ダイオード111のウエル領域1
5は光照射による電荷の発生領域を構成し、光信号検出
用MOSトランジスタ112のウエル領域15はゲート
領域を構成している。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing an element layout in a unit pixel of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a light receiving diode 111 and an optical signal detecting MOS transistor 112 are provided adjacent to each other in a unit pixel 101. These share one well region 15. That is, the well region 1 of the light receiving diode 111
Reference numeral 5 denotes a region where charges are generated by light irradiation, and the well region 15 of the MOS transistor 112 for detecting an optical signal forms a gate region.
【0037】受光ダイオード111の不純物拡散領域1
7と光信号検出用MOSトランジスタ112のドレイン
拡散領域17aとはウエル領域15の表層に一体的に形
成されている。ドレイン拡散領域17aはリング状のゲ
ート電極19の外周部を取り囲むように形成され、リン
グ状のゲート電極19の中心部にソース拡散領域16が
形成されている。ゲート電極19下のウエル領域15内
であって、ソース拡散領域16の周辺部に、ソース拡散
領域16を取り囲むようにキャリアポケット(高濃度埋
込層)25が形成されている。The impurity diffusion region 1 of the light receiving diode 111
7 and the drain diffusion region 17a of the optical signal detection MOS transistor 112 are integrally formed on the surface layer of the well region 15. The drain diffusion region 17 a is formed so as to surround the outer periphery of the ring-shaped gate electrode 19, and the source diffusion region 16 is formed at the center of the ring-shaped gate electrode 19. In the well region 15 below the gate electrode 19 and around the source diffusion region 16, a carrier pocket (high concentration buried layer) 25 is formed so as to surround the source diffusion region 16.
【0038】なお、光信号検出用MOSトランジスタ1
12の動作時にゲート電極19下のウエル領域15の表
面のチャネル領域が反転状態或いはデプレション状態を
保つように、チャネル領域にはn型の不純物を導入した
n型不純物層(反対導電型の不純物層)が形成されてい
る。ドレイン拡散領域17aはドレイン電圧(VDD)
供給線22と接続され、ゲート電極19は垂直走査信号
(VSCAN)供給線21に接続され、ソース拡散領域
16は垂直出力線20に接続されている。It should be noted that the optical signal detecting MOS transistor 1
An n-type impurity layer (an opposite conductivity type impurity) doped with an n-type impurity is formed in the channel region so that the channel region on the surface of the well region 15 under the gate electrode 19 maintains the inversion state or the depletion state during the operation of the gate electrode 12. Layer) is formed. The drain diffusion region 17a has a drain voltage (VDD)
The gate electrode 19 is connected to a vertical scanning signal (VSCAN) supply line 21, and the source diffusion region 16 is connected to a vertical output line 20.
【0039】また、受光ダイオード111の受光窓24
以外の領域は金属層(遮光膜)23により遮光されてい
る。次に、本発明の実施の形態に係るCMOSイメージ
センサのデバイス構造を断面図を用いて説明する。図2
の上の図は、図1のA−A線断面図に相当する、本発明
の実施の形態に係るCMOSイメージセンサのデバイス
構造について示す断面図である。図2の下の図は、半導
体基板表面に沿うポテンシャル図である。The light receiving window 24 of the light receiving diode 111
The other area is shielded from light by the metal layer (light shielding film) 23. Next, a device structure of the CMOS image sensor according to the embodiment of the present invention will be described with reference to a cross-sectional view. FIG.
1 is a cross-sectional view showing a device structure of the CMOS image sensor according to the embodiment of the present invention, which corresponds to a cross-sectional view taken along line AA of FIG. The lower diagram of FIG. 2 is a potential diagram along the surface of the semiconductor substrate.
【0040】図3の上の図は、チャネル領域下のウエル
領域15内のキャリアポケット25の付近を詳細に示す
断面図である。また、図3の下の図は、光発生ホールが
キャリアポケット25に蓄積されているときの、キャリ
アポケット25を含む半導体基板表面に平行な面、即ち
図中のF−F線に沿うポテンシャル図である。但し、キ
ャリアポケット25上のチャネル領域の反転領域の電子
の分布を同じ図に記載している。The upper part of FIG. 3 is a sectional view showing in detail the vicinity of the carrier pocket 25 in the well region 15 below the channel region. 3 is a potential diagram along the plane parallel to the surface of the semiconductor substrate including the carrier pocket 25, that is, the line FF in the figure, when the photogenerating holes are accumulated in the carrier pocket 25. It is. However, the distribution of electrons in the inversion region of the channel region on the carrier pocket 25 is shown in the same figure.
【0041】図4は図1のB−B線断面図であり、図5
は図1のC−C線断面図である。図2の上の図に示すよ
うに、p型シリコンからなる基板11上にn型シリコン
をエピタキシャル成長し、エピタキシャル層(n型層)
12を形成する。以上が半導体基板を構成する。このn
型層12にp型のウェル領域15が形成されている。な
お、隣接する単位画素間に各単位画素を分離するよう
に、フィールド絶縁膜14とその下の素子分離拡散領域
13とが形成されている。FIG. 4 is a sectional view taken along line BB of FIG.
FIG. 2 is a sectional view taken along line CC of FIG. 1. As shown in the upper part of FIG. 2, n-type silicon is epitaxially grown on a substrate 11 made of p-type silicon, and an epitaxial layer (n-type layer) is formed.
12 is formed. The above constitutes the semiconductor substrate. This n
A p-type well region 15 is formed in the mold layer 12. Note that a field insulating film 14 and an element isolation diffusion region 13 thereunder are formed so as to separate each unit pixel between adjacent unit pixels.
【0042】次に、受光ダイオード111の詳細につい
て図2及び図4により説明する。即ち、ウェル領域15
と、ウェル領域15に大部分の領域がかかるようにn型
層12の表層に形成された不純物拡散領域17とで構成
されている。即ち、正孔(ホール)に対する埋め込み構
造をしている。不純物拡散領域17はドレイン電圧(V
DD)供給線22に接続されて正の電位にバイアスされ
る。これにより、入射光により発生したホールは不純物
拡散領域17の下のウェル領域15内に存在するように
なるため、界面捕獲準位の多い半導体層表面に影響され
ず、雑音の低減を図ることができる。Next, details of the light receiving diode 111 will be described with reference to FIGS. That is, the well region 15
And an impurity diffusion region 17 formed in the surface layer of the n-type layer 12 such that most of the region extends over the well region 15. That is, it has a buried structure for holes. The impurity diffusion region 17 has a drain voltage (V
DD) Connected to the supply line 22 and biased to a positive potential. As a result, holes generated by the incident light are present in the well region 15 below the impurity diffusion region 17, so that noise can be reduced without being affected by the surface of the semiconductor layer having many interface trap levels. it can.
【0043】次に、光信号検出用MOSトランジスタ
(nMOS)112の詳細について図2及び図5により
説明する。即ち、リング状のゲート電極19がn+ 型の
不純物拡散領域17と一体的に形成されたn+ 型のドレ
イン拡散領域17aにより囲まれた構造を有する。リン
グ状のゲート電極19の中央部にn+ 型のソース拡散領
域16が形成されている。そして、ドレイン拡散領域1
7aとソース拡散領域16の間のウエル領域15上にゲ
ート絶縁膜18を介してゲート電極19が形成されてい
る。ゲート電極19下のウエル領域15の表層がチャネ
ル領域となる。Next, details of the optical signal detecting MOS transistor (nMOS) 112 will be described with reference to FIGS. That is, it has a structure in which the ring-shaped gate electrode 19 is surrounded by the n + -type drain diffusion region 17a formed integrally with the n + -type impurity diffusion region 17. An n + type source diffusion region 16 is formed at the center of the ring-shaped gate electrode 19. Then, the drain diffusion region 1
A gate electrode 19 is formed on the well region 15 between the source region 7a and the source diffusion region 16 with a gate insulating film 18 interposed therebetween. The surface layer of the well region 15 below the gate electrode 19 becomes a channel region.
【0044】また、チャネル領域の下のウエル領域15
内に、チャネル長方向の一部領域、即ちソース拡散領域
16の周辺部であって、ソース拡散領域16を囲むよう
に、p+ 型のキャリアポケット25が形成されている。
このp+ 型のキャリアポケット25は、例えばイオン注
入法により形成することができる。キャリアポケット2
5は表面に生じるチャネル領域よりも下側のウエル領域
15内に形成される。キャリアポケット25はチャネル
領域にかからないように形成することが望ましい。さら
に、通常動作電圧において、チャネル領域を反転状態或
いはデプレーション状態に保持するため、チャネル領域
に適当な濃度のn型不純物を導入してn型不純物層15
aを形成することが必要である。The well region 15 below the channel region
Inside, a p + -type carrier pocket 25 is formed so as to surround a part of the region in the channel length direction, that is, the periphery of the source diffusion region 16 and surround the source diffusion region 16.
The p + type carrier pocket 25 can be formed by, for example, an ion implantation method. Carrier pocket 2
5 is formed in a well region 15 below a channel region formed on the surface. It is desirable that the carrier pocket 25 be formed so as not to cover the channel region. Further, in order to keep the channel region in an inversion state or a depletion state at a normal operating voltage, an appropriate concentration of n-type impurity is introduced into the channel region to form the n-type impurity layer 15.
It is necessary to form a.
【0045】上記したp+ 型のキャリアポケット25で
は光発生電荷のうち光発生ホールに対するポテンシャル
が低くなるため、ドレイン拡散領域17aに高電圧を印
加したときに光発生ホールがこのキャリアポケット25
に集まる。図は光発生ホールがキャリアポケット25に
蓄積されている状態を示す。図2の下図に光発生ホール
がキャリアポケット25に蓄積し、チャネル領域に電子
が誘起されて反転領域が生じている状態のポテンシャル
図を示す。また、チャネル領域下のウエル領域15内の
キャリアポケット25の付近の素子構造断面とポテンシ
ャル図の詳細を図3に示す。Since the potential of the p + -type carrier pocket 25 among the photo-generated charges with respect to the photo-generated hole becomes low, when a high voltage is applied to the drain diffusion region 17a, the photo-generated hole becomes the carrier pocket 25.
Gather in The figure shows a state in which light generation holes are accumulated in the carrier pocket 25. The lower diagram of FIG. 2 shows a potential diagram in a state where light generation holes are accumulated in the carrier pocket 25 and electrons are induced in the channel region to generate an inversion region. FIG. 3 shows details of a cross section of the element structure near the carrier pocket 25 in the well region 15 below the channel region and a potential diagram.
【0046】次に、図6(a),(b)を参照して上記
の構造の単位画素を用いたCMOSイメージセンサの全
体の構成について説明する。図6(a)は、本発明の実
施の形態におけるCMOSイメージセンサの回路構成図
を示す。図6(a)に示すように、このCMOSイメー
ジセンサは、2次元アレーセンサの構成を採っており、
上記した構造の単位画素が列方向及び行方向にマトリク
ス状に並ぶように配置されている。Next, with reference to FIGS. 6A and 6B, the overall configuration of a CMOS image sensor using the unit pixels having the above structure will be described. FIG. 6A shows a circuit configuration diagram of the CMOS image sensor according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6A, this CMOS image sensor employs a two-dimensional array sensor configuration.
The unit pixels having the above structure are arranged in a matrix in the column direction and the row direction.
【0047】また、垂直走査信号(VSCAN)の駆動
走査回路102及びドレイン電圧(VDD)の駆動走査
回路103が画素領域を挟んでその左右に配置されてい
る。行毎に行方向に並ぶ全ての単位画素101内のMO
Sトランジスタ112のドレインに、ドレイン電圧(V
DD)の駆動走査回路103から行毎に一つずつでてい
るドレイン電圧供給線22a,22bがそれぞれ接続さ
れている。さらに、行毎に行方向に並ぶ全ての単位画素
101内のMOSトランジスタ112のゲートに、垂直
走査信号(VSCAN)の駆動走査回路102から行毎
に一つずつでている垂直走査信号供給線21a,21b
がそれぞれ接続されている。A drive scanning circuit 102 for the vertical scanning signal (VSCAN) and a drive scanning circuit 103 for the drain voltage (VDD) are arranged on the left and right sides of the pixel region. MOs in all unit pixels 101 arranged in the row direction for each row
The drain voltage (V
DD), the drain voltage supply lines 22a and 22b, one for each row, are connected from the drive scanning circuit 103. Further, the gates of the MOS transistors 112 in all the unit pixels 101 arranged in the row direction for each row are connected to the vertical scanning signal supply lines 21a, one for each row, from the drive scanning circuit 102 for the vertical scanning signal (VSCAN). , 21b
Are connected respectively.
【0048】また、列毎に列方向に並ぶ全ての単位画素
101内のMOSトランジスタ112のソースが列毎に
異なる垂直出力線20a,20bに接続されている。各
垂直出力線20a,20bは列毎に異なるスイッチとし
てのMOSトランジスタ105a,105bのドレイン
(光検出信号入力端子)28a,29aに1つずつ接続
されている。各スイッチ105a,105bのゲート
(水平走査信号入力端子)28b,29bは水平走査信
号(HSCAN)の駆動走査回路104に接続されてい
る。The sources of the MOS transistors 112 in all the unit pixels 101 arranged in the column direction for each column are connected to different vertical output lines 20a and 20b for each column. Each of the vertical output lines 20a and 20b is connected one by one to drains (photodetection signal input terminals) 28a and 29a of MOS transistors 105a and 105b as switches different for each column. Gates (horizontal scanning signal input terminals) 28b and 29b of the switches 105a and 105b are connected to a driving scanning circuit 104 for horizontal scanning signals (HSCAN).
【0049】また、各スイッチ105a,105bのソ
ース(光検出信号出力端子)28c,29cは共通の定
電流源106を通して映像信号出力107に接続されて
いる。即ち、各単位画素101内のMOSトランジスタ
112のソースは定電流源106に接続され、画素単位
のソースフォロワ回路を形成する。従って、各MOSト
ランジスタ112のゲート−ソース間の電位差、及びバ
ルク−ソース間の電位差は接続された定電流源(負荷回
路)106により決定される。The sources (light detection signal output terminals) 28c and 29c of the switches 105a and 105b are connected to a video signal output 107 through a common constant current source 106. That is, the source of the MOS transistor 112 in each unit pixel 101 is connected to the constant current source 106, forming a source follower circuit for each pixel. Therefore, the potential difference between the gate and the source and the potential difference between the bulk and the source of each MOS transistor 112 are determined by the connected constant current source (load circuit) 106.
【0050】垂直走査信号(VSCAN)及び水平走査
信号(HSCAN)により、遂次、各単位画素のMOS
トランジスタ112を駆動して光の入射量に比例した映
像信号(Vout )が読み出される。上記のように、単位
画素101は受光ダイオード111及びMOSトランジ
スタ112で構成されるので、画素の部分をCMOS技
術を用いて作成することができる。従って、上記画素部
分と、駆動走査回路102〜104及び定電流源106
等周辺回路とを全て同じ半導体基板に作成することがで
きる。The vertical scanning signal (VSCAN) and the horizontal scanning signal (HSCAN) are used to sequentially turn on the MOS of each unit pixel.
By driving the transistor 112, a video signal (Vout) proportional to the amount of incident light is read out. As described above, since the unit pixel 101 includes the light receiving diode 111 and the MOS transistor 112, the pixel portion can be formed by using the CMOS technology. Therefore, the pixel portion, the drive scanning circuits 102 to 104 and the constant current source 106
All peripheral circuits can be formed on the same semiconductor substrate.
【0051】図6(b)は、本発明に係るCMOSイメ
ージセンサを動作させるための各入出力信号のタイミン
グチャートを示す。p型のウエル領域15を用い、かつ
光信号検出用トランジスタ112がnMOSの場合に適
用する。素子動作は掃出期間(初期化)−蓄積期間−読
出期間−掃出期間(初期化)−・・というように繰り返
し行う。FIG. 6B is a timing chart of each input / output signal for operating the CMOS image sensor according to the present invention. This is applied when the p-type well region 15 is used and the optical signal detection transistor 112 is an nMOS. The element operation is repeatedly performed in the order of a sweeping period (initialization), an accumulation period, a reading period, a sweeping period (initialization), and so on.
【0052】このとき、固体撮像素子の動作に伴って単
位画素101のウエル領域15内のポテンシャルが変化
する様子についても、図7,図8,及び図9のポテンシ
ャル図を参照しながら同時に説明する。さらに、単位画
素101内の光信号検出用MOSトランジスタ112の
電流−電圧特性について図10に示すグラフを参照しな
がら同時に説明する。At this time, how the potential in the well region 15 of the unit pixel 101 changes with the operation of the solid-state imaging device will be described simultaneously with reference to the potential diagrams of FIGS. 7, 8, and 9. . Further, the current-voltage characteristics of the optical signal detection MOS transistor 112 in the unit pixel 101 will be described simultaneously with reference to the graph shown in FIG.
【0053】図7乃至図9において、縦軸はポテンシャ
ルを表し、横軸は基板表面からの深さを表す。また、図
7(a),図8(a),図9(a)は、それぞれ掃出期
間(初期化),蓄積期間,読出期間における図4のD−
D線断面でのポテンシャル分布を表す。さらに、図7
(b),図8(b),図9(b)は、それぞれ掃出期間
(初期化),蓄積期間,読出期間における図5のE−E
線断面でのポテンシャル分布を表す。7 to 9, the vertical axis represents potential, and the horizontal axis represents depth from the substrate surface. FIGS. 7 (a), 8 (a), and 9 (a) show D-D of FIG. 4 during the sweeping period (initialization), the accumulation period, and the reading period, respectively.
5 shows a potential distribution in a cross section along line D. Further, FIG.
(B), FIG. 8 (b), and FIG. 9 (b) show the EE of FIG. 5 in the sweeping period (initialization), the accumulation period, and the reading period, respectively.
This represents the potential distribution in the line section.
【0054】まず、掃出期間は、光発生電荷(ホール)
を蓄積する前に、読み出しが終わった光発生電荷や、ア
クセプタやドナー等を中性化し、或いは表面準位に捕獲
されている正孔や電子等、光信号の読み出し前の残留電
荷を半導体内から排出する期間である。即ち、この動作
を光発生電荷の基板掃出し動作(初期化動作)といい、
行単位で行われる。First, during the sweep period, the photo-generated charges (holes)
Before accumulating light, the photo-generated charges that have been read out, the acceptors and donors are neutralized, or the residual charges before reading the optical signal, such as holes and electrons trapped in the surface states, are stored in the semiconductor. It is a period to discharge from. In other words, this operation is called a substrate discharging operation (initialization operation) of the photo-generated charges,
It is done line by line.
【0055】初期化動作を行うのは、次の蓄積期間にキ
ャリアポケット25を空にして新たな光発生電荷を蓄積
するためである。即ち、蓄積された光発生電荷だけを映
像信号として取り出し、残留電荷によるノイズを防止す
るためである。この場合、ドレイン拡散領域17a、ゲ
ート電極19及びソース拡散領域16に通常の動作電圧
よりも大きい電圧を印加する。即ち、VDD供給線22
a,22bに約+5Vの電圧を供給してドレイン拡散領
域17aに印加し、VSCAN供給線21a,21bに
約+5Vの電圧を供給してゲート電極19に印加する。
また、ゲート電極19に約+5Vの電圧を印加すること
によりチャネル領域が導通するため、ドレイン拡散領域
17aに印加された約+5Vの電圧がそのままソース拡
散領域16に印加される。The reason why the initialization operation is performed is to empty the carrier pocket 25 and store new photo-generated charges in the next storage period. That is, it is for taking out only the accumulated photo-generated electric charges as a video signal and preventing noise due to residual electric charges. In this case, a voltage higher than a normal operation voltage is applied to the drain diffusion region 17a, the gate electrode 19, and the source diffusion region 16. That is, the VDD supply line 22
A voltage of about +5 V is supplied to the drain electrodes 17 a and 22 b and applied to the drain diffusion region 17 a, and a voltage of about +5 V is supplied to the VSCAN supply lines 21 a and 21 b and applied to the gate electrode 19.
When a voltage of about +5 V is applied to the gate electrode 19, the channel region becomes conductive, so that a voltage of about +5 V applied to the drain diffusion region 17 a is directly applied to the source diffusion region 16.
【0056】この電圧印加は、図7(a),(b)に示
すように、pn接合を逆バイアスし、ウェル領域15内
の電界がN領域及びP領域を通してp+ 型の基板11方
向に向くようにする。これにより、ウエル領域15その
他半導体内に残留するホールはp+ 型の基板11に排出
され、電子はソース拡散領域16やドレイン拡散領域1
7から排出される。特に、光発生電荷がキャリアポケッ
ト25に蓄積されている場合、トランジスタが飽和状態
で動作しうるゲート電圧及びドレイン電圧では光発生電
荷をキャリアポケット25から排出させることはできな
いが、5V程度のさらに高いゲート電圧及びドレイン電
圧を印加することにより、光発生電荷をキャリアポケッ
ト25から排出させることができる。This voltage application reversely biases the pn junction as shown in FIGS. 7A and 7B, and the electric field in the well region 15 is directed toward the p + type substrate 11 through the N region and the P region. Face it. Thereby, the well region 15 and other holes remaining in the semiconductor are discharged to the p + -type substrate 11, and the electrons are transferred to the source diffusion region 16 and the drain diffusion region 1.
It is discharged from 7. In particular, when the photo-generated charges are accumulated in the carrier pocket 25, the photo-generated charges cannot be discharged from the carrier pocket 25 at a gate voltage and a drain voltage at which the transistor can operate in a saturated state, but are higher than about 5V. By applying a gate voltage and a drain voltage, photo-generated charges can be discharged from the carrier pocket 25.
【0057】残留電荷が排出された後ではウエル領域1
5は空乏化した状態にある。上記したような初期化は、
残留電荷を生じさせないので、キャリヤの熱的ゆらぎに
よる熱雑音(kTC雑音)が発生せず、理想的である。
なお、この初期化動作においては、電流パスが無いた
め、オンチップに搭載された昇圧回路が容易に使用でき
る。After the residual charges are discharged, the well region 1
5 is in a depleted state. Initialization as described above,
Since no residual charge is generated, thermal noise (kTC noise) due to thermal fluctuation of the carrier does not occur, which is ideal.
In this initialization operation, since there is no current path, the booster circuit mounted on the chip can be used easily.
【0058】次に、蓄積期間は、光照射により光発生電
荷を発生させ、その光発生電荷をチャネル領域下のウエ
ル領域15内のキャリアポケット25に蓄積させる期間
である。なお、この蓄積期間では水平走査時間単位での
電子シャッター動作も可能である。この場合、光照射前
に、VDD供給線22a,22bを通して、全ての単位
画素101内のMOSトランジスタ112のドレイン拡
散領域17にMOSトランジスタが動作しうる凡そ+2
〜3V程度の電圧を印加するとともに、VSCAN供給
線21a,21bを通して、列毎にMOSトランジスタ
112のゲートにMOSトランジスタがカットオフ状態
を維持するような低い電圧を印加する。このように、光
発生電荷の蓄積は各水平走査信号線上に配列されたセン
サ列毎に行う。Next, the accumulation period is a period in which photo-generated charges are generated by light irradiation and the photo-generated charges are stored in the carrier pocket 25 in the well region 15 below the channel region. In this accumulation period, an electronic shutter operation in units of horizontal scanning time is also possible. In this case, before the light irradiation, through the VDD supply lines 22a and 22b, the drain transistors 17 of the MOS transistors 112 in all of the unit pixels 101 are approximately +2 at which the MOS transistors can operate.
A voltage of about 3 V is applied, and a low voltage is applied to the gate of the MOS transistor 112 for each column through the VSCAN supply lines 21a and 21b so that the MOS transistor maintains a cutoff state. Thus, the accumulation of the photo-generated charges is performed for each sensor row arranged on each horizontal scanning signal line.
【0059】ドレイン拡散領域17aへの電圧印加によ
り、p型のウェル領域15内の多数キャリヤ(正孔)は
p+ 型の基板11側に掃きだされるため、ウェル領域1
5内は空乏化し、アクセプタからなる負の空間電荷層が
存在する。この状態で画素領域に光を照射すると、受光
ダイオード111のウエル領域15に電子−正孔対が発
生する。By applying a voltage to the drain diffusion region 17a, majority carriers (holes) in the p-type well region 15 are swept out to the p + -type substrate 11 side.
5 is depleted, and a negative space charge layer composed of an acceptor exists. When the pixel region is irradiated with light in this state, electron-hole pairs are generated in the well region 15 of the light receiving diode 111.
【0060】ここで、MOSトランジスタ112のゲー
ト電圧が低く設定されているので、光発生電荷のうち、
光発生電子はドレイン電圧によりドレイン拡散領域17
から排出される。一方、光発生ホールはソース拡散領域
16の低い電位に引かれてソース拡散領域16の方に移
動し、最も電位の低くなっているキャリアポケット25
に蓄積される。この状態を図8(a),(b)に示す。Here, since the gate voltage of the MOS transistor 112 is set low, of the photo-generated charges,
The photo-generated electrons are supplied to the drain diffusion region 17 by the drain voltage.
Is discharged from On the other hand, the light-generating holes are attracted to the low potential of the source diffusion region 16 and move toward the source diffusion region 16, and the carrier pocket 25 having the lowest potential is formed.
Is accumulated in This state is shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b).
【0061】蓄積期間での光発生ホールの移動はp型の
ウエル領域15内でのみ行われるので、光発生ホールの
移動に際して半導体表面の影響を受けることはなく、雑
音成分は発生しない。ところで、トランジスタの表面が
デプレション化している場合、ホールに対して障壁が存
在することになる。Since the movement of the light-generating hole during the accumulation period is performed only in the p-type well region 15, the movement of the light-generating hole is not affected by the semiconductor surface, and no noise component is generated. By the way, when the surface of the transistor is depleted, a barrier exists for holes.
【0062】他の方式で用いられているフォトゲート電
極構造では、図11(c)に示すように、表面は光発生
電荷により満たされているため、表面は平衡化し、熱的
励起による暗電流発生や寄生ホール蓄積によるポテンシ
ャル変調が問題となる。一方、この実施の形態において
は、トランジスタのチャネル領域は、図11(a)に示
すように、初期化後に空乏状態が保持される。しかも、
図11(b)に示すように、トランジスタのゲート及び
その周辺が遮光されているため、過剰なキャリア層を形
成するに至らない。従って、仮に表面に捕獲されたキャ
リアも、障壁を乗り越えずして暗電流となることはな
く、表面からのノイズ成分を抑制することができる。In a photogate electrode structure used in another method, as shown in FIG. 11C, the surface is filled with photo-generated charges, so that the surface is equilibrated and dark current due to thermal excitation is generated. Potential modulation due to generation and accumulation of parasitic holes poses a problem. On the other hand, in this embodiment, the channel region of the transistor is kept in a depleted state after initialization, as shown in FIG. Moreover,
As shown in FIG. 11B, since the gate of the transistor and its periphery are shielded from light, an excessive carrier layer is not formed. Therefore, even if the carriers trapped on the surface do not cross the barrier and become a dark current, the noise component from the surface can be suppressed.
【0063】読出期間は、蓄積された光発生電荷に基づ
く映像信号(Vout )を読みだす期間である。光信号検
出用MOSトランジスタ112をソースフォロワ回路と
して動作させ、映像信号(Vout )を出力する。この場
合、MOSトランジスタ112が飽和状態で動作するよ
うに、VDD供給線22a,22bにより、行毎にMO
Sトランジスタ112のドレインに凡そ+2〜3V程度
の電圧を印加するとともに、VSCAN供給線21a,
21bにより、列毎にMOSトランジスタ112のゲー
トに凡そ+2〜3V程度の電圧を印加する。さらに、光
信号検出用MOSトランジスタ112のソースに定電流
源106を接続して一定の電流を流すようにする。The readout period is a period for reading out a video signal (Vout) based on the accumulated photo-generated charges. The optical signal detecting MOS transistor 112 is operated as a source follower circuit to output a video signal (Vout). In this case, the VDD supply lines 22a and 22b provide an MO for each row so that the MOS transistor 112 operates in a saturated state.
A voltage of about +2 to 3 V is applied to the drain of the S transistor 112, and the VSCAN supply line 21a,
By 21b, a voltage of about +2 to 3 V is applied to the gate of the MOS transistor 112 for each column. Furthermore, the constant current source 106 is connected to the source of the optical signal detection MOS transistor 112 so that a constant current flows.
【0064】ところで、この読出期間の直前の蓄積期間
で、光発生電荷がキャリアポケット25内に蓄積されて
いる。光発生電荷がキャリアポケット25内に蓄積され
ると、蓄積量に応じてフェルミレベルが変化し、空間電
荷は減少するため、トランジスタの閾値電圧の低下をも
たらす。同時に、電荷保存則により、キャリアポケット
25上に反転領域が形成され、反転領域内でキャリアポ
ケット25内に蓄積された光発生ホールの量と同じ量の
電子が増加し、チャネルコンダクタンスは増大する。By the way, the photo-generated charges are accumulated in the carrier pocket 25 in the accumulation period immediately before the readout period. When the photo-generated charges are accumulated in the carrier pocket 25, the Fermi level changes in accordance with the accumulated amount, and the space charge decreases, resulting in a decrease in the threshold voltage of the transistor. At the same time, an inversion region is formed on the carrier pocket 25 according to the law of conservation of charge, and the same amount of electrons as the amount of photogenerated holes accumulated in the carrier pocket 25 increases in the inversion region, thereby increasing the channel conductance.
【0065】この場合、キャリアポケット25上の表面
電位はゲート長方向にほぼ一定値となり、反転領域に
は、キャリアである電子が一様な密度で分布する。一
方、ドレイン拡散領域17a側では、空間電荷密度が低
いため、表面に反転領域は生ぜず、高電界領域が生じ
る。このように、チャネル領域の一部に反転領域が生
じ、他の部分に高電界領域が生じているため、図10に
示すように、光信号検出用MOSトランジスタ112は
飽和状態での動作が可能となる。In this case, the surface potential on the carrier pocket 25 has a substantially constant value in the gate length direction, and electrons as carriers are distributed at a uniform density in the inversion region. On the other hand, since the space charge density is low on the drain diffusion region 17a side, no inversion region is generated on the surface, and a high electric field region is generated. As described above, since the inversion region is generated in a part of the channel region and the high electric field region is generated in the other part, the MOS transistor 112 for detecting an optical signal can operate in a saturated state as shown in FIG. Becomes
【0066】従って、光信号検出用MOSトランジスタ
112の各電極に通常の動作電圧を印加すると、トラン
ジスタ112は飽和状態で動作する。このとき、トラン
ジスタ112は定電流動作によるソースフォロワ回路を
形成しているので、負帰還作用によりトランジスタ11
2に一定電流が流れるようにゲート−ソース間の電位差
を減少させるべく、図9(a),(b)に示すように、
ソース電位が高くなる。このソース電位の変化を映像信
号出力107に出力する。Accordingly, when a normal operating voltage is applied to each electrode of the MOS transistor 112 for detecting an optical signal, the transistor 112 operates in a saturated state. At this time, since the transistor 112 forms a source follower circuit by a constant current operation, the transistor 11
As shown in FIGS. 9A and 9B, in order to reduce the potential difference between the gate and the source so that a constant current flows in
The source potential increases. The change in the source potential is output to the video signal output 107.
【0067】なお、上記の読出動作を次のように理解し
てもよい。即ち、図10に示すように、光信号検出用M
OSトランジスタ112は飽和領域で動作するため、ド
レイン−ソース間の電位差はゲート電極19下のポテン
シャルで決定され、その電位差によりp型のウェル領域
15内にはソース拡散領域16方向の電界が存在する。The above read operation may be understood as follows. That is, as shown in FIG.
Since the OS transistor 112 operates in the saturation region, the potential difference between the drain and the source is determined by the potential below the gate electrode 19, and an electric field in the direction of the source diffusion region 16 exists in the p-type well region 15 due to the potential difference. .
【0068】従って、光発生ホールはソース拡散領域1
6付近のフェルミ電位を正の方向に変化させるが、電流
値はその定電流源106により決定されているため、ソ
ース側のポテンシャル障壁高さは保存される。このた
め、図9(a),(b)に示すように、ソース電位(V
S)には、光発生ホールの注入により中性化された空間
電荷層の電位差分の変化が現れる。すなわち、バルク電
位を光発生ホール量により変化させ、ソースフォロワ出
力を変化させることができる。Therefore, the light generation hole is located in the source diffusion region 1
The Fermi potential near 6 changes in the positive direction, but since the current value is determined by the constant current source 106, the potential barrier height on the source side is preserved. Therefore, as shown in FIGS. 9A and 9B, the source potential (V
In S), a change in the potential difference of the space charge layer neutralized by the injection of the photogenerating holes appears. That is, it is possible to change the source potential follower output by changing the bulk potential according to the amount of light generation holes.
【0069】これにより、光照射量に比例した映像信号
(Vout )を得ることができる。この場合、光発生ホー
ルと反転領域の電荷の増減分は均衡しているので、光発
生ホールによる電荷量はゲート絶縁膜18容量への充電
量と等価であり、閾値電圧の変化分が出力される。ここ
で、図12(a),(b)に示すように、ゲート絶縁膜
18容量への充電は、キャリアポケット25上のゲート
絶縁膜18容量に限定されるため、ゲート酸化膜厚、キ
ャリアポケット25の面積及び深さにより検出感度を決
定することができる。また、キャリアポケット25とい
う限られた領域に光発生ホールが蓄積されるため、変換
効率もよい。As a result, a video signal (Vout) proportional to the amount of light irradiation can be obtained. In this case, since the increase and decrease of the charge in the light generation hole and the inversion region are balanced, the amount of charge due to the light generation hole is equivalent to the amount of charge to the capacitance of the gate insulating film 18, and the change in the threshold voltage is output. You. Here, as shown in FIGS. 12A and 12B, charging to the capacity of the gate insulating film 18 is limited to the capacity of the gate insulating film 18 on the carrier pocket 25. The detection sensitivity can be determined by the area and the depth of 25. In addition, since light generation holes are accumulated in a limited area such as the carrier pocket 25, the conversion efficiency is good.
【0070】しかも、この検出容量は殆ど固定容量と見
なせるので、電荷−電圧変換の伝達特性の線型性に極め
て優れた高感度検出が可能となる。次に、図6(a),
(b)にしたがって、一連の連続した固体撮像素子の光
検出動作を簡単に説明する。即ち、初期化動作によりウ
エル領域やその他の半導体層内に残る電荷を排出する。Moreover, since this detection capacitor can be regarded as almost a fixed capacitor, high-sensitivity detection with extremely excellent linearity of the transfer characteristic of the charge-voltage conversion becomes possible. Next, FIG.
According to (b), a series of light detection operations of the solid-state imaging device will be briefly described. That is, the charge remaining in the well region and other semiconductor layers due to the initialization operation is discharged.
【0071】次いで、トランジスタのゲート電極19に
低いゲート電圧を印加し、ドレイン拡散領域17aにト
ランジスタの動作に必要な約2〜3Vの電圧(VDD)
を印加する。このとき、ウエル領域15は空乏化し、ド
レイン拡散領域17aからソース拡散領域16に向かう
電界が生じる。光照射により電子−ホール対(光発生電
荷)が生じると、上記電界によりこの光発生電荷のうち
光発生ホールがゲート領域に注入され、かつキャリアポ
ケット25に蓄積される。これにより、チャネル領域か
ら基板11側に広がる空乏層幅が制限されるとともに、
そのソース拡散領域16付近のポテンシャルが変調され
て、MOSトランジスタ112の閾値電圧が変動する。Next, a low gate voltage is applied to the gate electrode 19 of the transistor, and a voltage (VDD) of about 2-3 V required for the operation of the transistor is applied to the drain diffusion region 17a.
Is applied. At this time, the well region 15 is depleted, and an electric field is generated from the drain diffusion region 17a to the source diffusion region 16. When an electron-hole pair (photo-generated charge) is generated by light irradiation, a photo-generated hole of the photo-generated charge is injected into the gate region and accumulated in the carrier pocket 25 by the electric field. This limits the width of the depletion layer extending from the channel region to the substrate 11 side,
The potential near the source diffusion region 16 is modulated, and the threshold voltage of the MOS transistor 112 fluctuates.
【0072】ここで、ゲート電極19にMOSトランジ
スタ112が飽和状態で動作しうる約2〜3Vのゲート
電圧を印加し、ドレイン拡散領域17aにMOSトラン
ジスタ112が動作しうる約2〜3Vの電圧VDDを印
加する。これにより、チャネル領域の一部に低電界の反
転領域が形成され、残りの部分に高電界領域が形成され
る。Here, a gate voltage of about 2 to 3 V at which the MOS transistor 112 can operate in a saturated state is applied to the gate electrode 19, and a voltage VDD of about 2 to 3 V at which the MOS transistor 112 can operate at the drain diffusion region 17a. Is applied. Thus, a low electric field inversion region is formed in a part of the channel region, and a high electric field region is formed in the remaining part.
【0073】さらに、MOSトランジスタ112のソー
ス拡散領域16に定電流源106を接続して一定の電流
を流す。これにより、MOSトランジスタ112はソー
スフォロワ回路を形成し、従って、光発生ホールによる
MOSトランジスタの閾値電圧の変動に追随してソース
電位が変化し、出力電圧の変化をもたらす。これによ
り、光照射量に比例した映像信号(Vout )を取り出す
ことができる。Further, the constant current source 106 is connected to the source diffusion region 16 of the MOS transistor 112 so that a constant current flows. As a result, the MOS transistor 112 forms a source follower circuit, so that the source potential changes following the change in the threshold voltage of the MOS transistor due to the light-generating hole, resulting in a change in the output voltage. As a result, a video signal (Vout) proportional to the light irradiation amount can be obtained.
【0074】以上のように、この発明の実施の形態によ
れば、掃出動作(初期化)−蓄積動作−読出動作の一連
の過程において、光発生ホールが移動するときに、半導
体表面やチャネル領域内の雑音源と相互作用しない理想
的な光電変換機構を実現することができる。また、キャ
リアポケット25をチャネル領域下の一部領域に設けて
いるため、チャネル領域の一部を反転領域とし、残りの
部分を高電界領域とすることができる。これにより、図
10に示すように、トランジスタを飽和状態で動作させ
ることができる。しかも、ソースフォロワ回路を形成し
ているので、光発生電荷による閾値電圧の変化をソース
電位の変化として検出することができる。このため、線
型性の良い光電変換を行うことができる。As described above, according to the embodiment of the present invention, when the light generating holes move in a series of processes of the sweeping operation (initialization), the storage operation, and the reading operation, An ideal photoelectric conversion mechanism that does not interact with a noise source in the region can be realized. Further, since the carrier pocket 25 is provided in a partial region below the channel region, a part of the channel region can be an inversion region and the remaining portion can be a high electric field region. This allows the transistor to operate in a saturated state as shown in FIG. In addition, since the source follower circuit is formed, a change in the threshold voltage due to the photo-generated charges can be detected as a change in the source potential. Therefore, photoelectric conversion with good linearity can be performed.
【0075】なお、図13(b)に示す従来例のBCM
D型固体撮像素子の場合、電流−電圧特性は3極管特性
となり、飽和状態での動作が難しい。このため、線型性
の良い光電変換を行うことは難しいといえる。さらに、
受光ダイオード111と光信号検出用MOSトランジス
タ112とを別々に設けているので、フォトゲート電極
への光照射のような多重干渉による分光感度特性の劣化
を防止することができる。The conventional BCM shown in FIG.
In the case of a D-type solid-state imaging device, the current-voltage characteristics are triode characteristics, and it is difficult to operate in a saturated state. Therefore, it can be said that it is difficult to perform photoelectric conversion with good linearity. further,
Since the light receiving diode 111 and the optical signal detecting MOS transistor 112 are separately provided, it is possible to prevent deterioration of spectral sensitivity characteristics due to multiple interference such as light irradiation on a photogate electrode.
【0076】また、素子構成は、受光ダイオード111
と光信号検出用MOSトランジスタ112との単純な組
合わせで行えるため、開口率を向上できる。さらに、ゲ
ート電圧を変化させ、ソースフォロワの利得及びソース
容量を調整できる特性を生かして、固定パターン雑音を
抑制することができる。なお、上記実施の形態では、p
型のウエル領域15にp+ 型のキャリアポケット25を
設けてホールを蓄積し、nMOSトランジスタ(光信号
検出用MOSトランジスタ)112により光信号を検出
しているが、n型のウエル領域を用い、n+ 型のキャリ
アポケットを設けて電子を蓄積し、pMOSトランジス
タ(光信号検出用MOSトランジスタ)により光信号を
検出するようにしてもよい。The element configuration is such that the light receiving diode 111
And the MOS transistor 112 for light signal detection can be achieved by a simple combination, so that the aperture ratio can be improved. Furthermore, the fixed pattern noise can be suppressed by utilizing the characteristic that the gate voltage is changed and the gain and source capacitance of the source follower can be adjusted. In the above embodiment, p
A p + -type carrier pocket 25 is provided in the p-type well region 15 to accumulate holes, and an optical signal is detected by an nMOS transistor (optical signal detection MOS transistor) 112. The n-type well region is used. An n + -type carrier pocket may be provided to accumulate electrons and an optical signal may be detected by a pMOS transistor (optical signal detection MOS transistor).
【0077】また、固体撮像素子の全体の構成を示す図
6(a)において、掃出期間で、ゲート電極19に約+
5Vの電圧を印加することによりチャネル領域を導通さ
せてドレイン拡散領域17aに印加された約+5Vの電
圧をそのままソース拡散領域16に印加するようにして
いる。しかし、切り換え手段を介して掃出期間だけソー
ス拡散領域16に約+5Vの電圧を供給するような電源
を別にソース拡散領域16に接続してもよい。In FIG. 6A showing the entire configuration of the solid-state imaging device, in the sweeping period, about +
The channel region is made conductive by applying a voltage of 5 V, and the voltage of about +5 V applied to the drain diffusion region 17 a is applied to the source diffusion region 16 as it is. However, a power source that supplies a voltage of about +5 V to the source diffusion region 16 only during the sweeping period via the switching means may be separately connected to the source diffusion region 16.
【0078】さらに、上記固体撮像素子の全体の構成を
示す図6(a)において、負荷回路として定電流源を用
いているが、容量負荷を用いてもよい。この場合、光発
生電荷の蓄積により光信号検出用トランジスタ112の
ソース電位が変化すると、その変化により容量が充電さ
れるため、その充電電圧を映像信号として取り出すこと
ができる。また、定電流源や容量負荷の他に、ソースフ
ォロワを形成する、高インピーダンスを有するその他の
負荷回路を用いることが可能である。Further, in FIG. 6A showing the overall configuration of the solid-state imaging device, a constant current source is used as a load circuit, but a capacitive load may be used. In this case, when the source potential of the optical signal detection transistor 112 changes due to accumulation of the photo-generated charges, the capacitor is charged by the change, so that the charging voltage can be extracted as a video signal. In addition to the constant current source and the capacitive load, other load circuits having a high impedance and forming a source follower can be used.
【0079】[0079]
【発明の効果】以上のように、本発明に係る閾値電圧変
調方式の固体撮像素子においては、ウエル領域を共有す
る受光ダイオードと絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
とを備え、かつトランジスタのチャネル領域の下のウエ
ル領域内のソース拡散領域の近くに高濃度埋込層(キャ
リアポケット)を備えている。As described above, the solid-state imaging device of the threshold voltage modulation type according to the present invention includes the light receiving diode sharing the well region and the insulated gate type field effect transistor, and is provided below the channel region of the transistor. A high concentration buried layer (carrier pocket) is provided near the source diffusion region in the well region.
【0080】このため、受光ダイオード部で発生した光
発生電荷を半導体内部を移動させて高濃度埋込層に蓄積
させ、トランジスタの閾値電圧を変化させることができ
る。従って、残留電荷の掃出(初期化)、光電変換、蓄
積、電圧変換に至るまで熱雑音(kTC雑音)や半導体
表面捕獲雑音等を抑制することができる。これにより、
低雑音の固体撮像素子を提供することができ、MOS型
イメージセンサの性能をCCD型イメージセンサの性能
以上に向上することができる。For this reason, the photo-generated charges generated in the light receiving diode portion can be moved inside the semiconductor and accumulated in the high concentration buried layer, and the threshold voltage of the transistor can be changed. Therefore, thermal noise (kTC noise), semiconductor surface capture noise, and the like can be suppressed until the residual charge is swept (initialized), photoelectrically converted, accumulated, and converted into a voltage. This allows
A low-noise solid-state imaging device can be provided, and the performance of a MOS image sensor can be improved over that of a CCD image sensor.
【0081】また、高濃度埋込層をチャネル領域下の一
部領域に設けているため、チャネル領域の一部を反転領
域とし、残りの部分を高電界領域とすることができる。
これにより、トランジスタを飽和状態で動作させること
ができる。しかも、定電流駆動で代表される高インピー
ダンスの負荷回路を接続したソースフォロワ回路を形成
しているので、光発生電荷による閾値電圧の変化をソー
ス電位の変化として検出することができる。このため、
線型性の良い光電変換を行うことができる。Further, since the high-concentration buried layer is provided in a partial region below the channel region, a part of the channel region can be an inversion region and the remaining portion can be a high electric field region.
Thus, the transistor can be operated in a saturated state. In addition, since a source follower circuit is formed by connecting a high impedance load circuit typified by constant current driving, a change in threshold voltage due to photo-generated charges can be detected as a change in source potential. For this reason,
Photoelectric conversion with good linearity can be performed.
【0082】さらに、素子構成は、受光ダイオードと光
信号検出用MOSトランジスタとの単純な組合わせで行
えるため、開口率を向上できる。また、ゲート電圧を変
化させ、ソースフォロワの利得及びソース容量を調整で
きる特性を生かして、固定パターン雑音を抑制すること
ができる。さらに、既存のCMOSプロセス技術により
受光部の製作可能であるため、極めて安価に、かつ周辺
回路も同一基板に作成することができる。Further, since the element configuration can be realized by a simple combination of the light receiving diode and the MOS transistor for detecting an optical signal, the aperture ratio can be improved. Further, the fixed pattern noise can be suppressed by utilizing the characteristic that the gate voltage is changed and the gain and the source capacitance of the source follower can be adjusted. Further, since the light receiving section can be manufactured by the existing CMOS process technology, the peripheral circuit can be formed on the same substrate at extremely low cost.
【図1】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の単位
画素内の素子レイアウトを示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing an element layout in a unit pixel of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の単位
画素内の素子の構造を示す、図1のA−A線断面図であ
る。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1, showing a structure of a device in a unit pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention;
【図3】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の単位
画素内のキャリアポケット及びその周辺部の詳細を示す
断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating details of a carrier pocket in a unit pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention and a peripheral portion thereof;
【図4】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の単位
画素内の受光ダイオードの構造を示す、図1のB−B線
断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 1, illustrating a structure of a light receiving diode in a unit pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention;
【図5】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の単位
画素内の光信号検出用MOSトランジスタの構造を示
す、図1のC−C線断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 1, illustrating a structure of a MOS transistor for detecting an optical signal in a unit pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention;
【図6】図6(a)は、本発明の実施の形態に係る固体
撮像素子の全体の回路構成を示す図である。図6(b)
は、図6(a)の固体撮像素子を動作させる際のタイミ
ングチャートである。FIG. 6A is a diagram illustrating an overall circuit configuration of a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 (b)
7 is a timing chart when the solid-state imaging device of FIG. 6A is operated.
【図7】図7(a)は、本発明の実施の形態に係る固体
撮像素子の動作時の掃出期間のある状態における、図4
のD−D線断面でのポテンシャル分布を示す図である。
図7(b)は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子
の動作時の掃出期間のある状態における、図5のE−E
線断面でのポテンシャル分布を示す図である。FIG. 7A is a diagram illustrating a state in which a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention has a sweeping period during operation;
FIG. 4 is a diagram showing a potential distribution in a cross section taken along line DD of FIG.
FIG. 7B is a diagram illustrating a state where there is a sweep period during the operation of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention.
It is a figure showing the potential distribution in the line section.
【図8】図8(a)は、本発明の実施の形態に係る固体
撮像素子の動作時の蓄積期間のある状態における、図4
のD−D線断面でのポテンシャル分布を示す図である。
図8(b)は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子
の動作時の蓄積期間のある状態における、図5のE−E
線断面でのポテンシャル分布を示す図である。FIG. 8A is a diagram illustrating a state in which there is an accumulation period during operation of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a diagram showing a potential distribution in a cross section taken along line DD of FIG.
FIG. 8B is a diagram illustrating a state where there is an accumulation period during operation of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention.
It is a figure showing the potential distribution in the line section.
【図9】図9(a)は、本発明の実施の形態に係る固体
撮像素子の動作時の読出期間のある状態における、図4
のD−D線断面でのポテンシャル分布を示す図である。
図9(b)は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子
の動作時の読出期間のある状態における、図5のE−E
線断面でのポテンシャル分布を示す図である。FIG. 9A is a diagram illustrating a state in which there is a readout period during operation of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a diagram showing a potential distribution in a cross section taken along line DD of FIG.
FIG. 9B is a diagram illustrating a state where there is a readout period during operation of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention.
It is a figure showing the potential distribution in the line section.
【図10】本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の単
位画素内の光信号検出用MOSトランジスタの電流−電
圧特性について示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing a current-voltage characteristic of an optical signal detecting MOS transistor in a unit pixel of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention.
【図11】図11(a)は、固体撮像素子の電荷リセッ
ト後のチャネル層表面の状態を示す図であり、図11
(b)は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子のチ
ャネル層表面の状態を示す図であり、図11(c)は、
従来例に係るフォトゲート構造の固体撮像素子のチャネ
ル層表面の状態を示す図である。FIG. 11A is a diagram showing a state of a channel layer surface after charge reset of the solid-state imaging device;
FIG. 11B is a diagram showing a state of a channel layer surface of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 11 is a diagram illustrating a state of a channel layer surface of a solid-state imaging device having a photogate structure according to a conventional example.
【図12】図12(a)は、本発明の実施の形態に係る
固体撮像素子の動作時の蓄積期間から読出期間にかけて
の電荷の分布状態を示す図である。図12(b)は、図
12(a)を説明するためのキャリアポケット及びその
付近の素子断面図である。FIG. 12A is a diagram illustrating a charge distribution state from an accumulation period to a readout period during operation of the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention; FIG. 12B is a cross-sectional view of the carrier pocket and the vicinity thereof for explaining FIG. 12A.
【図13】図13(a)は、従来例に係るBCMD構造
の固体撮像素子の構造について示す断面図である。図1
3(b)は、従来例に係るBCMD構造の固体撮像素子
の電流−電圧特性について示すグラフである。FIG. 13A is a cross-sectional view showing a structure of a solid-state imaging device having a BCMD structure according to a conventional example. FIG.
FIG. 3B is a graph showing a current-voltage characteristic of a solid-state imaging device having a BCMD structure according to a conventional example.
15 ウエル領域、 15a n型不純物層(反対導電型の不純物層)、 16,16a ソース拡散領域、 17 不純物拡散領域、 17a ドレイン拡散領域、 19 ゲート電極、 20,20a,20b 垂直出力線、 21,21a,21b 垂直走査信号(VSCAN)供
給線、 22,22a,22b ドレイン電圧(VDD)供給
線、 25 キャリアポケット(高濃度埋込層)、 26 水平出力線、 27a,27b 水平走査信号(HSCAN)供給線、 28a,29a 光検出信号入力端子、 28b,29b 水平走査信号入力端子、 28c,29c 光検出信号出力端子、 101 単位画素、 102 垂直走査信号(VSCAN)駆動走査回路、 103 ドレイン電圧(VDD)駆動走査回路、 104 水平走査信号(HSCAN)駆動走査回路、 105a,105b スイッチ、 106 定電流源(負荷回路)、 111 受光ダイオード、 112,112a 光信号検出用MOSトランジスタ。15 well region, 15a n-type impurity layer (opposite conductivity type impurity layer), 16, 16a source diffusion region, 17 impurity diffusion region, 17a drain diffusion region, 19 gate electrode, 20, 20a, 20b vertical output line, 21, 21a, 21b vertical scan signal (VSCAN) supply line, 22, 22a, 22b drain voltage (VDD) supply line, 25 carrier pocket (high concentration buried layer), 26 horizontal output line, 27a, 27b horizontal scan signal (HSCAN) Supply line, 28a, 29a light detection signal input terminal, 28b, 29b horizontal scan signal input terminal, 28c, 29c light detection signal output terminal, 101 unit pixel, 102 vertical scan signal (VSCAN) drive scan circuit, 103 drain voltage (VDD) ) Driving scanning circuit; 104 horizontal scanning signal (HSCAN) driving scanning circuit; 05a, 105b switch, 106 a constant current source (load circuit), 111 photodiode, 112, 112a optical signal detection MOS transistor.
Claims (14)
ート型電界効果トランジスタとを備えた単位画素が複数
配列された固体撮像素子において、 前記受光ダイオードは、一導電型の半導体基板上の反対
導電型の半導体層に形成された一導電型のウエル領域
と、前記ウエル領域の表層に形成された反対導電型の不
純物拡散領域とを有し、 前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記ウエル
領域の表層に前記不純物拡散領域と一体的に形成された
反対導電型のドレイン拡散領域と、前記ウエル領域の表
層に前記ドレイン拡散領域と間隔を置いて形成された反
対導電型のソース拡散領域と、前記ドレイン拡散領域と
前記ソース拡散領域との間のウエル領域上にゲート絶縁
膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極下
のウエル領域の表層の電流担体が移動する、反対導電型
の不純物層を有するチャネル領域と、前記チャネル領域
の下のウエル領域内のソース拡散領域の近辺に前記ウエ
ル領域よりも高い不純物濃度を有する一導電型の高濃度
埋込層とを有することを特徴とする固体撮像素子。1. A solid-state imaging device in which a plurality of unit pixels each including a light-receiving diode and an insulated gate field-effect transistor for detecting an optical signal are arranged, wherein the light-receiving diode is an opposite conductive type on a semiconductor substrate of one conductivity type. A well region of one conductivity type formed in a semiconductor layer of a negative conductivity type, and an impurity diffusion region of an opposite conductivity type formed in a surface layer of the well region. A drain diffusion region of the opposite conductivity type formed integrally with the impurity diffusion region on the surface layer; a source diffusion region of the opposite conductivity type formed at a distance from the drain diffusion region on the surface layer of the well region; A gate electrode formed on a well region between the drain diffusion region and the source diffusion region via a gate insulating film, and a well region below the gate electrode; A channel region having an impurity layer of the opposite conductivity type in which the current carrier of the layer is moved, and one conductivity type having a higher impurity concentration than the well region in the vicinity of the source diffusion region in the well region below the channel region. A solid-state imaging device having a high concentration buried layer.
にわたって形成されていることを特徴とする請求項1に
記載の固体撮像素子。2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the high-concentration buried layer is formed over an entire region in a channel width direction.
イン拡散領域から前記ソース拡散領域に至るチャネル長
方向の一部領域であって、前記ソース拡散領域側である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像素
子。3. The vicinity of the source diffusion region is a partial region in a channel length direction from the drain diffusion region to the source diffusion region, and is near the source diffusion region. Or the solid-state imaging device according to 2.
ソース拡散領域は前記ゲート電極の中央部の前記ウエル
領域の表層に形成されており、前記ドレイン拡散領域は
前記ゲート電極を囲むように前記ウエル領域の表層に形
成されており、前記高濃度埋込層は前記ソース拡散領域
を囲むように前記ウエル領域内に形成されていることを
特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像
素子。4. The gate electrode has a ring shape, the source diffusion region is formed on the surface of the well region at the center of the gate electrode, and the drain diffusion region surrounds the gate electrode. 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the high-concentration buried layer is formed in a surface layer of the well region, and is formed in the well region so as to surround the source diffusion region. 5. Solid-state imaging device.
のゲート電極及びその周辺は遮光されていることを特徴
とする請求項1乃至4のいずれかに記載の固体撮像素
子。5. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a gate electrode of the insulated gate field effect transistor and its periphery are shielded from light.
のソース拡散領域に負荷回路が接続されてソースフォロ
ワ回路を構成していることを特徴とする請求項1乃至5
のいずれかに記載の固体撮像素子。6. A source follower circuit comprising a load circuit connected to a source diffusion region of the insulated gate field effect transistor.
The solid-state imaging device according to any one of the above.
映像信号出力に接続されていることを特徴とする請求項
6に記載の固体撮像素子。7. The solid-state imaging device according to claim 6, wherein a source output of the source follower circuit is connected to a video signal output.
でいることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記
載の固体撮像素子。8. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the unit pixels are arranged in a row direction and a column direction.
ゲート型電界効果トランジスタのドレイン拡散領域がと
もに接続され、前記行毎にドレイン電圧を送るドレイン
電圧供給線と、 前記行方向に並ぶ前記各単位画素の絶縁ゲート型電界効
果トランジスタのゲート電極がともに接続され、前記行
毎に垂直走査信号を伝える垂直走査信号供給線と、 前記列方向に並ぶ前記各単位画素の絶縁ゲート型電界効
果トランジスタのソース拡散領域がともに接続された、
前記列毎に設けられた複数の垂直出力線と、 前記各垂直出力線がそれぞれ接続された光検出信号入力
端子と、光検出信号出力端子と、水平走査信号入力端子
とを有し、前記列毎に設けられたスイッチと、 前記各スイッチの光検出信号出力端子がともに接続され
た共通の水平出力線と、 前記複数の垂直出力線のうちの一つを選択する水平走査
信号を前記スイッチの水平走査信号入力端子に伝える水
平走査信号供給線と、 前記ドレイン電圧供給線が接続され、行毎に選択的にド
レイン電圧を供給するドレイン電圧駆動走査回路と、 前記垂直走査信号供給線が接続され、行毎に選択的に垂
直走査信号を供給する垂直走査信号駆動走査回路と、 前記水平走査信号供給線が接続され、列毎に選択的に水
平走査信号を供給する水平走査信号駆動走査回路と、 前記水平出力線に接続され、前記駆動走査回路により選
択された一つの前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
との間でソースフォロワを形成する負荷回路と、 前記ソースフォロワのソース出力に接続された映像信号
出力とを有することを特徴とする請求項8に記載の固体
撮像素子。9. A drain voltage supply line for connecting a drain diffusion region of the insulated gate field effect transistor of each of the unit pixels arranged in the row direction and transmitting a drain voltage for each row, A gate electrode of an insulated gate field effect transistor of each unit pixel is connected together, and a vertical scanning signal supply line for transmitting a vertical scanning signal for each row, and an insulated gate field effect transistor of each unit pixel arranged in the column direction Source diffusion regions are connected together,
A plurality of vertical output lines provided for each column, a photodetection signal input terminal to which each of the vertical output lines is connected, a photodetection signal output terminal, and a horizontal scanning signal input terminal; A switch provided for each of the switches, a common horizontal output line to which a light detection signal output terminal of each of the switches is connected, and a horizontal scanning signal for selecting one of the plurality of vertical output lines. A horizontal scanning signal supply line for transmitting to a horizontal scanning signal input terminal, the drain voltage supply line is connected, and a drain voltage drive scanning circuit that selectively supplies a drain voltage for each row, and the vertical scanning signal supply line is connected. A vertical scanning signal driving scanning circuit for selectively supplying a vertical scanning signal for each row; and a horizontal scanning signal driving scanning circuit for connecting the horizontal scanning signal supply line and selectively supplying a horizontal scanning signal for each column. A load circuit connected to the horizontal output line and forming a source follower with one of the insulated gate field effect transistors selected by the drive scanning circuit; connected to a source output of the source follower The solid-state imaging device according to claim 8, further comprising a video signal output.
基板に形成されていることを特徴とする請求項1乃至9
のいずれかに記載の固体撮像素子。10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is formed on one semiconductor substrate.
The solid-state imaging device according to any one of the above.
発生した電子及び正孔のうち該光発生正孔を前記ウエル
領域内に形成した絶縁ゲート型電界効果トランジスタの
n型のソース拡散領域の近辺に埋め込まれた、前記ウエ
ル領域よりも高濃度のp型の高濃度埋込層に導いて蓄積
させ、該蓄積した光発生正孔の量により前記絶縁ゲート
型電界効果トランジスタの閾値を変化させ、該閾値の変
化量を受光量として検出することを特徴とする固体撮像
素子による光信号検出方法。11. An n-type source diffusion region of an insulated gate field effect transistor in which, among the electrons and holes generated in a p-type well region by light irradiation, the photo-generated holes are formed in the well region. A p-type high-concentration buried layer having a higher concentration than the well region, which is buried in the vicinity, is guided to accumulate, and the threshold value of the insulated gate field-effect transistor is changed by the amount of the accumulated photogenerated holes. And detecting the amount of change in the threshold value as the amount of received light.
発生した電子及び正孔のうち該光発生電子を前記ウエル
領域内に形成した絶縁ゲート型電界効果トランジスタの
p型のソース拡散領域の近辺に埋め込まれた、前記ウエ
ル領域よりも高濃度のn型の高濃度埋込層に導いて蓄積
させ、該蓄積した光発生電子の量により前記絶縁ゲート
型電界効果トランジスタの閾値を変化させ、該閾値の変
化量を受光量として検出することを特徴とする固体撮像
素子による光信号検出方法。12. The p-type source diffusion region of an insulated gate field effect transistor in which the photo-generated electrons of the electrons and holes generated in the n-type well region by light irradiation are formed in the well region. Embedded in the n-type high-concentration buried layer having a higher concentration than the well region, and accumulates the same; changing the threshold value of the insulated gate field-effect transistor according to the amount of the accumulated photogenerated electrons; An optical signal detection method using a solid-state imaging device, wherein a change amount of a threshold value is detected as an amount of received light.
固体撮像素子による光信号検出方法において、 前記半導体基板、前記ウエル領域及び前記高濃度埋込層
はp型であり、前記半導体層、前記不純物拡散領域、前
記ドレイン拡散領域及び前記ソース拡散領域はn型であ
り、 前記不純物拡散領域、前記ドレイン拡散領域、前記ゲー
ト電極及び前記ソース拡散領域に動作電圧よりも高い電
圧を印加し、前記ウエル領域及び前記高濃度埋込層内の
正孔を前記半導体基板に、電子を前記不純物拡散領域、
前記ドレイン拡散領域及び前記ソース拡散領域にそれぞ
れ排出して空乏化することで画素の初期化を行い、 光照射により前記受光ダイオードのウエル領域内に正孔
及び電子を生じさせ、前記不純物拡散領域及び前記ドレ
イン拡散領域に動作電圧を印加し、かつ前記ゲート電極
に前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート領域
のポテンシャルが前記受光ダイオードのポテンシャルよ
りも低くなるような電圧を印加し、前記光発生正孔を前
記ウエル領域内を移動させて前記高濃度埋込層に前記光
発生正孔を蓄積させ、 前記ドレイン拡散領域及び前記ゲート電極に動作電圧を
印加し、前記光発生正孔が蓄積した前記高濃度埋込層上
にチャネル長方向に低電界の反転領域を形成するととも
に、前記高濃度埋込層上を除くチャネル領域に前記チャ
ネル長方向に高電界領域を形成し、 前記ドレイン拡散領域及び前記ゲート電極に前記絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタが飽和状態で動作するよう
な動作電圧を印加し、前記絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタをソースフォロワに形成して前記光発生正孔が前
記高濃度埋込層に蓄積されたことにより前記絶縁ゲート
型電界効果トランジスタの閾値電圧の変化を、前記絶縁
ゲート型電界効果トランジスタのソース拡散領域の電位
変化に変えることで信号を検出することを特徴とする固
体撮像素子による光信号検出方法。13. The optical signal detection method using the solid-state imaging device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate, the well region, and the high-concentration buried layer are p-type, and the semiconductor layer, The impurity diffusion region, the drain diffusion region and the source diffusion region are n-type, a voltage higher than an operating voltage is applied to the impurity diffusion region, the drain diffusion region, the gate electrode and the source diffusion region, Holes in the well region and the high concentration buried layer to the semiconductor substrate, electrons to the impurity diffusion region,
The pixel is initialized by being discharged to the drain diffusion region and the source diffusion region and depleted, respectively, to initialize the pixels, and to generate holes and electrons in the well region of the light receiving diode by light irradiation. Applying an operating voltage to the drain diffusion region, and applying a voltage to the gate electrode so that the potential of the gate region of the insulated gate field effect transistor is lower than the potential of the light receiving diode; Is moved in the well region to accumulate the photo-generated holes in the high-concentration buried layer, and an operating voltage is applied to the drain diffusion region and the gate electrode, whereby the photo-generated holes are accumulated. A low electric field inversion region is formed in the channel length direction on the concentration buried layer, and the channel is formed in the channel region except on the high concentration buried layer. A high electric field region is formed in the tunnel length direction, an operating voltage is applied to the drain diffusion region and the gate electrode so that the insulated gate field effect transistor operates in a saturated state, and the source of the insulated gate field effect transistor is turned on. The change in the threshold voltage of the insulated gate field effect transistor due to the formation of the follower and the accumulation of the photogenerated holes in the high concentration buried layer changes the potential of the source diffusion region of the insulated gate field effect transistor. An optical signal detection method using a solid-state imaging device, wherein a signal is detected by changing the change.
固体撮像素子による光信号検出方法において、 前記半導体基板、前記ウエル領域及び前記高濃度埋込層
はn型であり、前記半導体層、前記不純物拡散領域、前
記ドレイン拡散領域及び前記ソース拡散領域はp型であ
り、 前記不純物拡散領域、前記ドレイン拡散領域、前記ゲー
ト電極及び前記ソース拡散領域に動作電圧よりも負側に
大きい電圧を印加し、前記ウエル領域及び高濃度埋込層
内の電子を前記半導体層に、正孔を前記不純物拡散領
域、前記ドレイン拡散領域及び前記ソース拡散領域にそ
れぞれ排出して空乏化することで画素の初期化を行い、 光照射により前記受光ダイオードのウエル領域内に正孔
及び電子を生じさせ、 前記不純物拡散領域及び前記ドレイン拡散領域に動作電
圧を印加し、かつ前記ゲート電極に前記絶縁ゲート型電
界効果トランジスタのゲート領域のポテンシャルが前記
受光ダイオードのポテンシャルよりも高くなるような電
圧を印加し、前記光発生電子を前記ウエル領域内を移動
させて前記高濃度埋込層に前記光発生電子を蓄積させ、 前記ドレイン拡散領域及び前記ゲート電極に動作電圧を
印加し、前記光発生電子が蓄積した前記高濃度埋込層上
に低電界の反転領域を形成するとともに、前記高濃度埋
込層上を除くチャネル領域に高電界領域を形成し、 前記ドレイン拡散領域及び前記ゲート電極に前記絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタが飽和状態で動作するよう
な動作電圧を印加し、前記絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタをソースフォロワに形成して前記光発生電子が前
記高濃度埋込層に蓄積されたことによる前記絶縁ゲート
型電界効果トランジスタの閾値電圧の変化を、前記絶縁
ゲート型電界効果トランジスタのソース拡散領域の電位
変化に変えることで信号を検出することを特徴とする固
体撮像素子による光信号検出方法。14. The optical signal detection method according to claim 1, wherein the semiconductor substrate, the well region, and the high-concentration buried layer are n-type. The impurity diffusion region, the drain diffusion region, and the source diffusion region are p-type, and a voltage higher than the operating voltage is applied to the impurity diffusion region, the drain diffusion region, the gate electrode, and the source diffusion region on the negative side. Then, electrons in the well region and the high-concentration buried layer are discharged to the semiconductor layer, and holes are discharged to the impurity diffusion region, the drain diffusion region, and the source diffusion region to deplete the pixel. And irradiates light to generate holes and electrons in the well region of the light-receiving diode, and an operating voltage is applied to the impurity diffusion region and the drain diffusion region. And applying a voltage to the gate electrode so that the potential of the gate region of the insulated gate field-effect transistor is higher than the potential of the light-receiving diode to move the photogenerated electrons in the well region. Storing the photo-generated electrons in the high-concentration buried layer, applying an operating voltage to the drain diffusion region and the gate electrode, and inverting a low electric field on the high-concentration buried layer in which the photo-generated electrons are stored. Forming an area, and forming a high electric field region in a channel region except on the high concentration buried layer, wherein the insulated gate field effect transistor operates in a saturated state in the drain diffusion region and the gate electrode. A voltage is applied to form the insulated gate field effect transistor in a source follower so that the photogenerated electrons accumulate in the high concentration buried layer. A signal is detected by changing a change in a threshold voltage of the insulated gate field effect transistor due to a change in a potential of a source diffusion region of the insulated gate field effect transistor. Signal detection method.
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