JP3322078B2 - Solid-state imaging device and driving method thereof - Google Patents

Solid-state imaging device and driving method thereof

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JP3322078B2
JP3322078B2 JP14598295A JP14598295A JP3322078B2 JP 3322078 B2 JP3322078 B2 JP 3322078B2 JP 14598295 A JP14598295 A JP 14598295A JP 14598295 A JP14598295 A JP 14598295A JP 3322078 B2 JP3322078 B2 JP 3322078B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、CCDイメージセンサ
などの固体撮像装置に関し、特に不揮発性メモリを内蔵
した固体撮像装置およびその駆動方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CCD image sensor, and more particularly to a solid-state imaging device having a built-in nonvolatile memory and a driving method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】CCDイメージセンサなどの固体撮像装
置においては、メモリ機能を持たないことから、ダイナ
ミック動作で画素(絵素)情報を順次読み出さないとそ
の情報が消えてしまう。そのため、従来は、CCDイメ
ージセンサから画素情報を一旦外部に読み出し、A/D
変換器でディジタル画像情報に変換し、外部メモリに記
憶して保持せざるを得なかった。
2. Description of the Related Art A solid-state imaging device such as a CCD image sensor does not have a memory function, and therefore, if pixel (picture element) information is not sequentially read out by dynamic operation, the information disappears. For this reason, conventionally, pixel information is once read out from the CCD image sensor to the outside, and the A / D
It had to be converted into digital image information by a converter and stored and stored in an external memory.

【0003】これに対し、固体撮像装置の各画素ごとに
不揮発性メモリを内蔵した半導体画像記憶装置が、例え
ば特開昭61−48972号公報や特開平2−2607
6号公報などに開示されている。特開昭61−4897
2号公報に開示の半導体画像記憶装置(以下、従来例1
と称する)は、X‐Yマトリクス型固体撮像装置の各画
素部に、酸化膜と電荷捕獲準位を有する窒化膜からなる
ゲート絶縁膜を用いたMNOS(Metal Nitride Oxide S
emiconductor) 型不揮発性アナログメモリを設け、この
MNOS型不揮発性アナログメモリのソースを光電変換
素子を介して接地した構成となっている。
On the other hand, a semiconductor image storage device having a built-in nonvolatile memory for each pixel of a solid-state imaging device is disclosed in, for example, JP-A-61-48972 and JP-A-2-2607.
No. 6, for example. JP-A-61-4897
2 (hereinafter referred to as Conventional Example 1).
Is an MNOS (Metal Nitride Oxide S / M) using a gate insulating film made of an oxide film and a nitride film having a charge trapping level in each pixel portion of an XY matrix solid-state imaging device.
An MNOS type nonvolatile analog memory is provided, and the source of the MNOS type nonvolatile analog memory is grounded via a photoelectric conversion element.

【0004】一方、特開平2−26076号公報に開示
の半導体装置(以下、従来例2と称する)は、揮発性半
導体記憶装置と不揮発性半導体記憶装置とフォトダイオ
ードとを組み合わせ、フォトダイオードに照射された光
信号を電気信号に変換するとともに、そのデータを不揮
発性半導体記憶装置に転送、記憶させる構成となってい
る。
On the other hand, a semiconductor device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-26076 (hereinafter referred to as Conventional Example 2) combines a volatile semiconductor memory device, a nonvolatile semiconductor memory device, and a photodiode to irradiate the photodiode. The converted optical signal is converted into an electric signal, and the data is transferred and stored in a nonvolatile semiconductor memory device.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の従来例1および従来例2では共に、各画素の情報を
破壊することなく読み出す非破壊読み出しとなってお
り、不揮発性アナログメモリ(不揮発性半導体記憶装
置)に電流を流してその記憶情報を読み出すことになる
ので、消費電力が大きく、特に従来例2の場合には定常
電流が流れるため消費電力が極めて大きいという問題が
あった。
However, both of the prior arts 1 and 2 having the above-described configuration are of a non-destructive read-out type, in which information of each pixel is read out without being destroyed. Since the stored information is read out by passing a current through the storage device, the power consumption is large. In particular, in the case of the second conventional example, there is a problem that the power consumption is extremely large because a steady current flows.

【0006】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、各画素の情報の記憶
保持およびその読み出しを低消費電力にて実現可能な固
体撮像装置およびその駆動方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of storing and reading information of each pixel and reading the information with low power consumption and a driving method thereof. It is to provide a method.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の固体撮像
装置は、インターライン転送方式の固体撮像装置であっ
て、フローティングゲートを下層に持つ2層ゲート構造
を有して複数個の受光部の各々と垂直電荷転送部との間
に設けられ、各受光部の信号電荷をファウラー‐ノルド
ハイム(以下、F‐N(Fowler-Nordheim) と記す)トン
ネル電流としてフローティングゲートに吸い上げること
によって蓄積し、その信号電荷をF‐Nトンネル動作に
よって垂直電荷転送部に読み出す不揮発性メモリを備え
た構成となっている。
A solid-state imaging device according to claim 1 is a solid-state imaging device of an interline transfer system, wherein the solid-state imaging device has a two-layer gate structure having a floating gate as a lower layer and includes a plurality of light receiving units. , And a vertical charge transfer section, and accumulates the signal charge of each light receiving section by sucking it into a floating gate as a Fowler-Nordheim (hereinafter referred to as Fowler-Nordheim) tunnel current, A non-volatile memory for reading out the signal charges to the vertical charge transfer unit by the FN tunnel operation is provided.

【0008】請求項2記載の固体撮像装置の駆動方法
は、フローティングゲートを下層に持つ2層ゲート構造
を有して複数個の受光部の各々と垂直電荷転送部との間
に設けられ不揮発性メモリを有するインターライン転送
方式の固体撮像装置において、各受光部で光電変換され
た信号電荷をF‐Nトンネル電流としてフローティング
ゲートに吸い上げることによって蓄積し、このフローテ
ィングゲートに蓄積された信号電荷をF‐Nトンネル動
作によって垂直電荷転送部に読み出すようにしている。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for driving a solid-state image pickup device, comprising a two-layer gate structure having a floating gate as a lower layer, provided between each of a plurality of light receiving sections and a vertical charge transfer section. In an interline transfer type solid-state imaging device having a memory, signal charges photoelectrically converted by each light receiving unit are stored by being taken up as a FN tunnel current into a floating gate, and the signal charges stored in the floating gate are stored in a floating gate. -Read out to the vertical charge transfer section by the N tunnel operation.

【0009】請求項3記載の固体撮像装置は、フレーム
転送方式の固体撮像装置であって、フローティングゲー
トを下層に持つ2層ゲート構造を有して複数個の受光部
の各々に対応して設けられ、各受光部の信号電荷をF‐
Nトンネル電流としてフローティングゲートに吸い上げ
ることによって蓄積し、その信号電荷をF‐Nトンネル
動作によって受光部に読み出す不揮発性メモリを備えた
構成となっている。
According to a third aspect of the present invention, the solid-state imaging device is a solid-state imaging device of a frame transfer system, which has a two-layer gate structure having a floating gate as a lower layer and is provided corresponding to each of the plurality of light receiving sections. And the signal charge of each light receiving section is
A non-volatile memory is provided which stores the signal charge by absorbing it as an N tunnel current to a floating gate and reads out the signal charge to a light receiving unit by an FN tunnel operation.

【0010】請求項4記載の固体撮像装置の駆動方法
は、フローティングゲートを下層に持つ2層ゲート構造
を有して複数個の受光部の各々に対応して設けられた不
揮発性メモリを感光部に持つフレーム転送方式の固体撮
像装置において、各受光部で光電変換された信号電荷を
F‐Nトンネル電流としてフローティングゲートに吸い
上げることによって蓄積し、このフローティングゲート
に蓄積された信号電荷をF‐Nトンネル動作で受光部に
読み出すようにしている。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for driving a solid-state image pickup device, comprising: a non-volatile memory having a two-layer gate structure having a floating gate as a lower layer and provided for each of a plurality of light receiving units; In the solid-state imaging device of the frame transfer method, the signal charges photoelectrically converted in each light receiving unit are stored by being absorbed into a floating gate as an FN tunnel current, and the signal charges accumulated in the floating gate are stored in the FN. The data is read out to the light receiving unit by the tunnel operation.

【0011】[0011]

【作用】インターライン転送方式の固体撮像装置および
その駆動方法において、2層ゲート構造の上層ゲートに
相当するコントロールゲートにゲート電圧を印加するこ
とで、フローティングゲートの下面側のゲート絶縁膜に
よる障壁エネルギーを電子がトンネル現象、即ちF‐N
トンネリングによって通り抜ける。これにより、受光部
からフローティングゲートに電子が注入される。その結
果、各受光部で光電変換された信号電荷に基づく画素情
報がフローティングゲートに書き込まれ、ここに記憶保
持される。一方、垂直電荷転送部の転送電極に読み出し
電圧を印加することで、フローティングゲートに記憶保
持された画素情報は、F‐Nトンネル動作にて垂直電荷
転送部に読み出される。すなわち、画素情報は、破壊読
み出しにて読み出される。
In an interline transfer type solid-state imaging device and a method of driving the same, a gate voltage is applied to a control gate corresponding to an upper layer gate of a two-layer gate structure, whereby barrier energy due to a gate insulating film on the lower surface side of the floating gate is reduced. Is the electron tunneling phenomenon, that is, FN
Pass through by tunneling. Thereby, electrons are injected from the light receiving portion into the floating gate. As a result, pixel information based on the signal charge photoelectrically converted by each light receiving unit is written to the floating gate and stored and held here. On the other hand, by applying a read voltage to the transfer electrode of the vertical charge transfer unit, the pixel information stored and held in the floating gate is read out to the vertical charge transfer unit by the FN tunnel operation. That is, the pixel information is read by destructive reading.

【0012】フレーム転送方式の固体撮像装置およびそ
の駆動方法において、2層ゲート構造の上層ゲートに相
当するコントロールゲートにゲート電圧を印加すること
で、フローティングゲートの下面側のゲート絶縁膜によ
る障壁エネルギーを電子がF‐Nトンネリングによって
通り抜ける。これにより、受光部からフローティングゲ
ートに電子が注入される。その結果、各受光部で光電変
換された信号電荷に基づく画素情報がフローティングゲ
ートに書き込まれ、ここに記憶保持される。一方、各受
光部の透明な転送電極に読み出し電圧を印加すること
で、フローティングゲートに記憶保持された画素情報
は、F‐Nトンネル動作にて再び受光部に読み出され
る。すなわち、画素情報は、破壊読み出しにて読み出さ
れる。
In the frame transfer type solid-state imaging device and the method of driving the same, a gate voltage is applied to a control gate corresponding to an upper layer gate of a two-layer gate structure to reduce barrier energy by a gate insulating film on the lower surface side of the floating gate. The electrons pass through by FN tunneling. Thereby, electrons are injected from the light receiving portion into the floating gate. As a result, pixel information based on the signal charge photoelectrically converted by each light receiving unit is written to the floating gate and stored and held here. On the other hand, by applying a read voltage to the transparent transfer electrode of each light receiving unit, the pixel information stored and held in the floating gate is read out to the light receiving unit again by the FN tunnel operation. That is, the pixel information is read by destructive reading.

【0013】[0013]

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。図1は、インターライン転送(I
T)方式の固体撮像装置に適用された本発明の一実施例
を示す構成図である。図1において、フォトダイオード
などからなる複数個の受光部11は、水平および垂直方
向にて2次元配列され、画素単位で入射光をその光量に
応じた電荷量の信号電荷に変換する。これら受光部11
の垂直列ごとに、電荷結合デバイス(CCD;Charge C
oupled Device)からなり、信号電荷を垂直転送する複数
本の垂直電荷転送部12が設けられている。これら垂直
電荷転送部12は、例えば4相の転送クロックVφ1〜
Vφ4によって転送駆動される。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an interline transfer (I
1 is a configuration diagram illustrating an embodiment of the present invention applied to a T) type solid-state imaging device. In FIG. 1, a plurality of light receiving sections 11 including photodiodes and the like are two-dimensionally arranged in the horizontal and vertical directions, and convert incident light into signal charges having a charge amount corresponding to the light amount in pixel units. These light receiving units 11
Charge-coupled device (CCD; Charge C
and a plurality of vertical charge transfer units 12 for vertically transferring signal charges. These vertical charge transfer units 12 are, for example, four-phase transfer clocks Vφ1 to Vφ1.
The transfer is driven by Vφ4.

【0014】また、受光部11の各々と垂直電荷転送部
12の間には、下層にフローティングゲート13を持
ち、上層にコントロールゲート14を持つ2層ゲート構
造の不揮発性メモリ15が設けられている。垂直電荷転
送部12の図面上の下側には、垂直電荷転送部12から
移送される信号電荷を水平転送する水平電荷転送部16
が設けられている。この水平電荷転送部16は、例えば
2相の転送クロックHφ1,Hφ2によって転送駆動さ
れる。水平電荷転送部16の転送先の端部には、信号電
荷を検出して信号電圧に変換する例えばフローティング
・ディフュージョン(FD)構成の電荷検出部17が設
けられている。
A non-volatile memory 15 having a two-layer gate structure having a floating gate 13 in a lower layer and a control gate 14 in an upper layer is provided between each of the light receiving sections 11 and the vertical charge transfer section 12. . A horizontal charge transfer unit 16 for horizontally transferring signal charges transferred from the vertical charge transfer unit 12 is provided below the vertical charge transfer unit 12 in the drawing.
Is provided. The horizontal charge transfer unit 16 is driven by, for example, two-phase transfer clocks Hφ1 and Hφ2. At the end of the transfer destination of the horizontal charge transfer section 16, a charge detection section 17 having, for example, a floating diffusion (FD) configuration for detecting a signal charge and converting the signal charge into a signal voltage is provided.

【0015】図2に、単位画素の受光部周辺の断面構造
を示す。図2において、n型半導体基板21の上層には
pウェル22が形成されており、受光部11はpウェル
22の表面側に形成されたn型拡散層23からなるnp
接合のフォトダイオード構成となっている。n型拡散層
23の垂直電荷転送部12側を除く周囲には、チャネル
ストップ部となるp+ 型拡散層24が形成されている。
一方、垂直電荷転送部12は、pウェル22の表面側に
形成されたn- 型拡散層25と、その上方に絶縁膜26
を介して転送方向(紙面に垂直な方向)に一定のピッチ
で配列された転送電極27とによって構成されている。
FIG. 2 shows a sectional structure around a light receiving section of a unit pixel. In FIG. 2, a p-well 22 is formed in an upper layer of an n-type semiconductor substrate 21, and the light receiving portion 11 is formed of an n-type diffusion layer 23 formed on the surface side of the p-well 22.
It has a junction photodiode configuration. Around the n-type diffusion layer 23 except for the vertical charge transfer section 12 side, ap + -type diffusion layer 24 serving as a channel stop section is formed.
On the other hand, the vertical charge transfer section 12 includes an n -type diffusion layer 25 formed on the surface side of the p-well 22 and an insulating film 26 thereon.
, And transfer electrodes 27 arranged at a constant pitch in the transfer direction (direction perpendicular to the paper surface).

【0016】受光部11と垂直電荷転送部12との間の
基板表面上には、第1ゲート絶縁膜28が形成され、さ
らにその上にはフローティングゲート電極13が形成さ
れている。また、このフローティングゲート電極13の
上には第2ゲート絶縁膜29が形成され、さらにその上
にはコントロールゲート電極14が形成されている。こ
のように、フローティングゲート電極13を下層に、コ
ントロールゲート電極14を上層にそれぞれ持つ2層ゲ
ート構造により、不揮発性メモリ15が構成されてい
る。
A first gate insulating film 28 is formed on the substrate surface between the light receiving section 11 and the vertical charge transfer section 12, and a floating gate electrode 13 is formed thereon. A second gate insulating film 29 is formed on the floating gate electrode 13, and a control gate electrode 14 is further formed thereon. As described above, the nonvolatile memory 15 has a two-layer gate structure having the floating gate electrode 13 as a lower layer and the control gate electrode 14 as an upper layer.

【0017】次に、上記構成のインターライン転送方式
のCCD固体撮像装置における撮像動作について説明す
る。先ず、ある露光期間で露光すると、各受光部11で
は入射光をその光量に応じた電荷量の信号電荷への光電
変換が行われる。その露光期間の終了後、不揮発性メモ
リ15のコントロールゲート電極14に正のゲート電圧
Vcgを印加すると、第1ゲート絶縁膜28による障壁エ
ネルギーを電子eがトンネル現象、即ちF‐Nトンネリ
ングによって通り抜けることにより、受光部11のn型
拡散層23から不揮発性メモリ15のフローティングゲ
ート電極13に電子eが注入される。
Next, an image pickup operation in the CCD solid-state image pickup device of the interline transfer system having the above configuration will be described. First, when light is exposed during a certain exposure period, each light receiving unit 11 performs photoelectric conversion of incident light into a signal charge having a charge amount corresponding to the light amount. When a positive gate voltage Vcg is applied to the control gate electrode 14 of the non-volatile memory 15 after the end of the exposure period, electrons e pass through the barrier energy of the first gate insulating film 28 by a tunnel phenomenon, that is, FN tunneling. Thereby, electrons e are injected from the n-type diffusion layer 23 of the light receiving section 11 to the floating gate electrode 13 of the nonvolatile memory 15.

【0018】このとき、図3のポテンシャル図に示すよ
うに、受光部11で光電変換された信号電荷の電荷量だ
けF‐Nトンネル電流としてフローティングゲート電極
13に吸い上げられる。これにより、各受光部11で光
電変換された信号電荷に基づく画素情報は、不揮発性メ
モリ15のフローティングゲート電極13に書き込ま
れ、ここに記憶保持される。
At this time, as shown in the potential diagram of FIG. 3, the amount of the signal charge photoelectrically converted by the light receiving unit 11 is absorbed by the floating gate electrode 13 as an FN tunnel current. As a result, pixel information based on the signal charges photoelectrically converted by each light receiving unit 11 is written to the floating gate electrode 13 of the nonvolatile memory 15 and stored and held here.

【0019】一方、フローティングゲート電極13に記
憶保持された情報は、垂直電荷転送部12の転送電極1
2に正の読み出し電圧Vroを印加することにより、図4
のポテンシャル図に示すように、F‐Nトンネル動作に
よって垂直電荷転送部12に読み出される。すなわち、
不揮発性メモリ15の記憶情報は、破壊読み出しによっ
て垂直電荷転送部12に読み出されることになる。垂直
電荷転送部12に読み出された信号電荷は、垂直電荷転
送部12によって垂直転送され、さらに水平電荷転送部
16によって水平転送された後、電荷検出部17で信号
電圧に変換されて出力される。
On the other hand, information stored in the floating gate electrode 13 is transferred to the transfer electrode 1 of the vertical charge transfer section 12.
4 by applying a positive read voltage Vro to FIG.
As shown in the potential diagram of FIG. That is,
Information stored in the nonvolatile memory 15 is read out to the vertical charge transfer unit 12 by destructive reading. The signal charge read out to the vertical charge transfer unit 12 is vertically transferred by the vertical charge transfer unit 12, further horizontally transferred by the horizontal charge transfer unit 16, converted to a signal voltage by the charge detection unit 17, and output. You.

【0020】上述したように、インターライン転送方式
のCCD固体撮像装置に対し、各受光部11と垂直電荷
転送部12との間に不揮発性メモリ15を設け、メモリ
機能を持たせたことにより、各受光部11の画素情報を
不揮発性メモリ15に記憶保持できるため、その画像情
報を時間的に任意に取り出すことができる。このときの
画像情報は、1枚の写真に相当するものである。したが
って、このメモリ機能を持つCCD固体撮像装置は、ス
チール(静止画)カメラに用いて有用なものとなる。特
に、不揮発性メモリ15の記憶情報を破壊読み出しによ
って電荷結合デバイスからなる垂直電荷転送部12に読
み出すようにしたことにより、その読み出しの際に直流
電流が流れることはないため、低消費電力化が図れ、携
帯用製品に用いることで利便性の高いものとなる。
As described above, the nonvolatile memory 15 is provided between each light receiving section 11 and the vertical charge transfer section 12 in the CCD solid-state imaging device of the interline transfer system, and has a memory function. Since the pixel information of each light receiving unit 11 can be stored and held in the non-volatile memory 15, the image information can be arbitrarily extracted in time. The image information at this time is equivalent to one photograph. Therefore, the CCD solid-state imaging device having the memory function is useful for a still (still image) camera. In particular, since the stored information in the non-volatile memory 15 is read out to the vertical charge transfer unit 12 composed of the charge-coupled device by destructive readout, no DC current flows at the time of the readout. It is highly convenient when used for portable products.

【0021】図5に、不揮発性メモリ15の構造の変形
例を示す。この変形例では、図5に示すように、不揮発
性メモリ15の第1ゲート絶縁膜28を厚く形成し、そ
の上にフローティングゲート電極13を形成し、さらに
第2ゲート絶縁膜29を介してコントロールゲート電極
14を形成した構造を採る。この構造によれば、平面視
での不揮発性メモリ15の面積を図2の構造の場合のそ
れと同じと仮定した場合、フローティングゲート電極1
3およびコントロールゲート電極14の中央部が盛り上
がっていることで、実質的な電極面積を大きくとること
ができ、それに伴って容量も大きくなる。換言すれば、
より少ない専有面積にて同じ容量の不揮発性メモリ15
を形成できることになる。
FIG. 5 shows a modification of the structure of the nonvolatile memory 15. In this modification, as shown in FIG. 5, the first gate insulating film 28 of the nonvolatile memory 15 is formed thick, the floating gate electrode 13 is formed thereon, and the control is performed via the second gate insulating film 29. A structure in which the gate electrode 14 is formed is employed. According to this structure, assuming that the area of nonvolatile memory 15 in plan view is the same as that of the structure of FIG.
3 and the central portion of the control gate electrode 14 are raised, so that the substantial electrode area can be increased, and the capacitance also increases accordingly. In other words,
Non-volatile memory 15 of the same capacity with less exclusive area
Can be formed.

【0022】図6は、フレーム転送(FT)方式のCC
D固体撮像装置に適用された本発明の他の実施例を示す
構成図である。このフレーム転送方式のCCD固体撮像
装置は、画素単位で光電変換を行う感光部61と、この
感光部61で光電変換された1フィールド分の信号電荷
を蓄積する蓄積部62と、この蓄積部62から1ライン
分ずつ移される信号電荷を転送するライン転送部63
と、このライン転送部63の転送先の端部に設けられて
信号電荷を信号電圧に変換する電荷検出部64とを備え
た構成となっている。蓄積部62は、外部光が混入しな
いように遮光された構造となっている。
FIG. 6 shows a frame transfer (FT) type CC.
FIG. 13 is a configuration diagram showing another embodiment of the present invention applied to a D solid-state imaging device. The CCD solid-state imaging device of the frame transfer system includes a photosensitive unit 61 that performs photoelectric conversion on a pixel basis, a storage unit 62 that stores one field of signal charges photoelectrically converted by the photosensitive unit 61, and a storage unit 62. Line transfer unit 63 for transferring signal charges transferred one line at a time from
And a charge detection unit 64 provided at the transfer destination end of the line transfer unit 63 for converting signal charges into signal voltages. The storage unit 62 has a structure in which light is shielded so that external light is not mixed.

【0023】感光部61には、複数個の受光部65が2
次元配列されて設けられている。そして、垂直列の各受
光部65は互いに連続して設けられており、その上部に
透明な転送電極(図示せず)が配されることにより、各
受光部65で光電変換した信号電荷を蓄積部62へ転送
する転送部の機能をも有している。また、各受光部65
の横には、下層にフローティングゲート66を持ち、上
層にコントロールゲート67を持つ2層ゲート構造の不
揮発性メモリ68が設けられている。
The photosensitive section 61 includes a plurality of light receiving sections 65.
They are provided in a dimensional array. Each of the light receiving units 65 in the vertical column is provided continuously with each other, and a transparent transfer electrode (not shown) is disposed on the upper part thereof, so that the signal charges photoelectrically converted by each of the light receiving units 65 are accumulated. It also has a function of a transfer unit for transferring to the unit 62. In addition, each light receiving section 65
A non-volatile memory 68 having a two-layer gate structure having a floating gate 66 in a lower layer and a control gate 67 in an upper layer is provided beside.

【0024】次に、上記構成のフレーム転送方式のCC
D固体撮像装置における撮像動作について説明する。先
ず、ある露光期間で露光すると、各受光部65では入射
光をその光量に応じた電荷量の信号電荷への光電変換が
行われる。その露光期間の終了後、不揮発性メモリ68
のコントロールゲート67に正のゲート電圧を印加する
と、先の実施例の場合と同じ動作原理により、各受光部
65の信号電荷がF‐Nトンネル電流としてフローティ
ングゲート66に吸い上げられることによって書き込ま
れ、ここに記憶保持される。
Next, the CC of the frame transfer system having the above configuration is described.
An imaging operation in the D solid-state imaging device will be described. First, when light is exposed during a certain exposure period, each light receiving unit 65 performs photoelectric conversion of incident light into a signal charge having a charge amount corresponding to the light amount. After the end of the exposure period, the nonvolatile memory 68
When a positive gate voltage is applied to the control gate 67, the signal charge of each light receiving section 65 is drawn by the floating gate 66 as an FN tunnel current and written by the same operation principle as in the previous embodiment, It is stored here.

【0025】一方、フローティングゲート66に記憶保
持された情報を読み出す際には、先ず、各受光部65に
それまで蓄積されている信号電荷を蓄積部62およびラ
イン転送部63を介して掃き捨てる処理を行う。このよ
うにして、各受光部65に不要な電荷が無い状態にした
後、各受光部65の透明な転送電極(図示せず)に正の
読み出し電圧を印加することにより、フローティングゲ
ート66に記憶保持されていた情報がF‐Nトンネル動
作によって各受光部65に読み出される。そして、各受
光部65に読み出された信号電荷は蓄積部62に移さ
れ、さらにライン転送部63を介して1ライン分ずつ転
送された後、電荷検出部64で信号電圧に変換されて出
力される。
On the other hand, when reading out the information stored and held in the floating gate 66, first, a process of sweeping out the signal charges accumulated so far in each light receiving unit 65 through the accumulation unit 62 and the line transfer unit 63. I do. In this manner, after each light receiving portion 65 is in a state where there is no unnecessary electric charge, a positive read voltage is applied to a transparent transfer electrode (not shown) of each light receiving portion 65, so that the data is stored in the floating gate 66. The held information is read out to each light receiving unit 65 by the FN tunnel operation. Then, the signal charges read out to the respective light receiving units 65 are transferred to the storage unit 62, and further transferred one line at a time via the line transfer unit 63. The signal charges are converted into signal voltages by the charge detection unit 64 and output. Is done.

【0026】なお、上記各実施例では、インターライン
転送方式のCCD固体撮像装置およびフレーム転送方式
のCCD固体撮像装置に適用した場合について説明した
が、フレームインターライン転送(FIT)方式のCC
D固体撮像装置にも同様に適用することが可能である。
In each of the above embodiments, a case has been described in which the present invention is applied to an interline transfer CCD solid-state imaging device and a frame transfer CCD solid-state imaging device.
The same can be applied to a D solid-state imaging device.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各受光部に対応して不揮発性メモリを設け、この不揮発
性メモリに各画素情報を記憶するとともに、その情報を
破壊読み出しにて読み出すようにしたことにより、その
読み出しの際に直流電流が流れることはないため、各画
素の情報の記憶保持およびその読み出しを低消費電力に
て実現できることになる。
As described above, according to the present invention,
A non-volatile memory is provided for each light receiving unit, and each pixel information is stored in the non-volatile memory and the information is read out by destructive readout, so that a DC current flows at the time of the readout. Therefore, storage and reading of information of each pixel and reading thereof can be realized with low power consumption.

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

【図1】インターライン転送方式のCCD固体撮像装置
に適用された本発明の一実施例を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention applied to an interline transfer type CCD solid-state imaging device.

【図2】単位画素の受光部周辺の断面構造を示す断面図
である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure around a light receiving unit of a unit pixel.

【図3】F‐Nトンネリングによる書き込み時のポテン
シャル図である。
FIG. 3 is a potential diagram at the time of writing by FN tunneling.

【図4】F‐Nトンネリングによる読み出し時のポテン
シャル図である。
FIG. 4 is a potential diagram at the time of reading by FN tunneling.

【図5】不揮発性メモリの構造の変形例を示す断面図で
ある。
FIG. 5 is a sectional view showing a modification of the structure of the nonvolatile memory.

【図6】フレーム転送方式のCCD固体撮像装置に適用
された本発明の一実施例を示す構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram showing one embodiment of the present invention applied to a frame transfer type CCD solid-state imaging device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,65 受光部 12 垂直電荷転送部 13,66 フローティングゲート 14,67 コントロールゲート 15,68 不揮発性メモリ 61 感光部 62 蓄積部 11, 65 light receiving section 12 vertical charge transfer section 13, 66 floating gate 14, 67 control gate 15, 68 non-volatile memory 61 photosensitive section 62 storage section

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/148 H01L 21/8247 H01L 29/788 H01L 29/792 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 27/148 H01L 21/8247 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 入射光をその光量に応じた電荷量の信号
電荷に変換する2次元配列された複数個の受光部と、前
記複数個の受光部の垂直列ごとに配された電荷結合デバ
イスからなる複数本の垂直電荷転送部とを有するインタ
ーライン転送方式の固体撮像装置であって、 フローティングゲートを下層に持つ2層ゲート構造を有
して前記複数個の受光部の各々と前記垂直電荷転送部と
の間に設けられ、各受光部の信号電荷をファウラー‐ノ
ルドハイムトンネル電流として前記フローティングゲー
トに吸い上げることによって蓄積し、その信号電荷をフ
ァウラー‐ノルドハイムトンネル動作によって前記垂直
電荷転送部に読み出す不揮発性メモリを備えたことを特
徴とする固体撮像装置。
1. A plurality of two-dimensionally arranged light receiving portions for converting incident light into signal charges having a charge amount corresponding to the amount of light, and a charge-coupled device arranged for each vertical column of the plurality of light receiving portions. An interline transfer type solid-state imaging device having a plurality of vertical charge transfer portions comprising: a two-layer gate structure having a floating gate in a lower layer, wherein each of the plurality of light receiving portions and the vertical charge A signal charge of each light receiving unit is provided as a Fowler-Nordheim tunnel current and is accumulated by sucking the signal charge into the floating gate, and the signal charge is transferred to the vertical charge transfer unit by a Fowler-Nordheim tunnel operation. A solid-state imaging device comprising a nonvolatile memory for reading.
【請求項2】 入射光をその光量に応じた電荷量の信号
電荷に変換する2次元配列された複数個の受光部と、前
記複数個の受光部の垂直列ごとに配された電荷結合デバ
イスからなる複数本の垂直電荷転送部と、フローティン
グゲートを下層に持つ2層ゲート構造を有して前記複数
個の受光部の各々と前記垂直電荷転送部との間に設けら
れ不揮発性メモリとを有するインターライン転送方式の
固体撮像装置において、 前記受光部で光電変換された信号電荷をファウラー‐ノ
ルドハイムトンネル電流として前記フローティングゲー
トに吸い上げることによって蓄積し、 前記フローティングゲートに蓄積された信号電荷をファ
ウラー‐ノルドハイムトンネル動作で前記垂直電荷転送
部に読み出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動方
法。
2. A plurality of two-dimensionally arranged light receiving portions for converting incident light into signal charges having a charge amount corresponding to the light amount, and a charge-coupled device arranged for each vertical column of the plurality of light receiving portions. And a nonvolatile memory provided between each of the plurality of light receiving units and the vertical charge transfer unit, having a two-layer gate structure having a floating gate as a lower layer. In the solid-state imaging device of the interline transfer method, the signal charge photoelectrically converted by the light receiving unit is accumulated by sucking the signal charge as the Fowler-Nordheim tunnel current to the floating gate, and the signal charge accumulated in the floating gate is Fowler -A method for driving a solid-state imaging device, wherein reading is performed to the vertical charge transfer unit by a Nordheim tunnel operation.
【請求項3】 入射光をその光量に応じた電荷量の信号
電荷に変換する2次元配列された複数個の受光部からな
る感光部と、前記感光部で光電変換された信号電荷を一
時的に蓄積する蓄積部とを有するフレーム転送方式の固
体撮像装置であって、 フローティングゲートを下層に持つ2層ゲート構造を有
して前記複数個の受光部の各々に対応して設けられ、各
受光部の信号電荷をファウラー‐ノルドハイムトンネル
電流として前記フローティングゲートに吸い上げること
によって蓄積し、その信号電荷をファウラー‐ノルドハ
イムトンネル動作によって前記受光部に読み出す不揮発
性メモリを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
3. A photosensitive section comprising a plurality of two-dimensionally arranged light receiving sections for converting incident light into signal charges having a charge amount corresponding to the amount of light, and temporarily converting the signal charges photoelectrically converted by said photosensitive section. A solid-state imaging device of a frame transfer system having a storage unit for storing data in a plurality of light receiving units, each of the plurality of light receiving units having a two-layer gate structure having a floating gate as a lower layer, A solid-state memory comprising: a non-volatile memory that accumulates a signal charge of a portion as a Fowler-Nordheim tunnel current by sucking the signal charge into the floating gate and reads out the signal charge to the light receiving portion by a Fowler-Nordheim tunnel operation. Imaging device.
【請求項4】 入射光をその光量に応じた電荷量の信号
電荷に変換する2次元配列された複数個の受光部および
フローティングゲートを下層に持つ2層ゲート構造を有
して前記複数個の受光部の各々に対応して設けられた不
揮発性メモリからなる感光部と、前記感光部で光電変換
された信号電荷を一時的に蓄積する蓄積部とを有するフ
レーム転送方式の固体撮像装置において、 前記受光部で光電変換された信号電荷をファウラー‐ノ
ルドハイムトンネル電流として前記フローティングゲー
トに吸い上げることによって蓄積し、 前記フローティングゲートに蓄積された信号電荷をファ
ウラー‐ノルドハイムトンネル動作で前記受光部に読み
出すことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
4. A two-layer gate structure having a plurality of two-dimensionally arranged light receiving portions for converting incident light into signal charges having a charge amount corresponding to the amount of light and a floating gate as a lower layer, and In a solid-state imaging device of a frame transfer system having a photosensitive unit including a non-volatile memory provided corresponding to each of the light receiving units and a storage unit for temporarily storing signal charges photoelectrically converted by the photosensitive unit, The signal charge photoelectrically converted by the light receiving unit is accumulated by sucking it into the floating gate as a Fowler-Nordheim tunnel current, and the signal charge accumulated in the floating gate is read out to the light receiving unit by a Fowler-Nordheim tunnel operation. A method for driving a solid-state imaging device, comprising:
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