JP3624042B2 - 光電変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換装置に関し、特にCMOSプロセスコンパチブルセンサにおける基板バイアス効果の悪影響を減縮した光電変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光電変換素子としては、CCD型とMOS型があり、CCD型では読み取った光電変換の電荷を順次転送して画像信号とする一方、MOS型はMOSトランジスタのゲートに光電変換の電荷を蓄積し、その電位変化を外部へ電荷増幅して走査タイミングに従って出力する。この後者の一つに光電変換部を含めて全てCMOSプロセスで達成するCMOSプロセスコンパチブルセンサ(以下、CMOSセンサと称する。)
このCM0Sセンサは、大きく分ければ、
(1)ソースホロワ読み出し型、
(2)反転アンプ読み出し型、
とがあり、これらのCMOSセンサにおいて、高ゲインでの読み出しと電源電圧やプロセス変動による素子特性のバラツキをおさえることが常に課題とされている。
【0003】
特に、CMOSセンサは、ラインセンサやエリアセンサとして配置された各画素に設けられたMOSトランジスタによって光電変換された電荷を増幅するために、MOSトランジスタの閾値Vthのバラツキ、増幅ゲインの低下、電源電圧VDDの変動等の基板バイアス効果による悪影響を受けることが多い。
【0004】
この基板バイアス効果の悪影響を除去するには、画素毎に基板バイアスをフローティングにすればある程度は救われるが、各画素ピッチ毎にウェルを独立させるのは現実的に困難であり、このような基板バイアス効果をなくすことができなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
以上より、本発明は光電変換装置及びこれを含む半導体集積回路において、光電変換素子に悪影響を与えるMOSトランジスタの閾値Vthのバラツキ、増幅ゲインの低下、電源電圧VDDの変動等の基板バイアス効果を削減することを課題とする。
【0006】
【課題を解決する手段】
本発明は、上記課題を解決するために成されたもので、画素中にソースホロワ回路のMOSアンプが設けられている光電変換装置において、前記MOSアンプのウェル濃度を周辺回路のウェル濃度よりも低くしたことを特徴とする。また、画素中に反転アンプのMOSアンプが設けられている光電変換装置において、負荷MOSのウェル濃度を周辺回路のウェル濃度よりも小さくしたことを特徴とする。
【0007】
即ち、基板バイアス効果を示すパラメータとしては、上述のようにMOSトランジスタの閾値Vth、増幅ゲイン、電源電圧VDD等があり、以下、MOSFETの閾値電圧について考察する。基板バイアスVBSによる閾値電圧の変動電圧ΔVTは不純物濃度のルートに比例し且つ基板バイアスVBSのルートに比例し、MOSFETの伝達コンダクタンスは当該閾値電圧VTの負電圧に比例し、ドレイン電流は当該閾値電圧VTの負電圧の二乗に比例する。従って、不純物濃度NAは閾値電圧VTの変動の二乗に比例し、不純物濃度NAが小さければ、閾値電圧VTの変動が小さく、また伝達コンダクタンスの変動も小さく、さらにドレイン電流の変動も小さくなる。こうして、本発明による基板バイアス効果による悪影響を少なくするために、基板の不純物濃度を小さくすることが適切な手段であることが明らかである。
【0008】
また、光電変換装置又は半導体集積回路において、負荷MOSトランジスタとアンプ用MOSトランジスタとのウェル濃度を1×1015cm−3以下としたことを特徴とする。さらに、負荷MOSトランジスタとアンプ用MOSトランジスタとのウェル濃度を1×1014cm−3から1×1015cm−3の範囲としたことを特徴とする。通常のウェル濃度が1×1016cm−3であるので、濃度を低くすることで基板バイアス効果の悪弊を削減できる。
【0009】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
図1は本発明による2×2画素の光電変換装置の回路図である。図において、1はソースホロワ型のアンプ用MOSトランジスタ、2はアンプ用MOSトランジスタ1の出力を取り出すスイッチ用MOSトランジスタ、3はアンプ用MOSトランジスタ1の負荷となる負荷用MOSトランジスタである。従って、アンプ用MOSトランジスタ1と負荷用MOSトランジスタとでソースホロワ回路を形成し、電子又は正孔によってPN接合部であるフォトゲート6に蓄積された光電荷を増幅する。また、4はアンプ用MOSトランジスタ1のゲートをリセットするリセットMOSトランジスタ、5はフォトゲート6の光電荷を転送する転送MOSトランジスタである。こうして、光電変換素子30は、フォトゲート6と、転送MOSトランジスタ5、リセットMOSトランジスタ4、スイッチ用MOSトランジスタ2、アンプ用MOSトランジスタ1とで1画素を構成する。図においては2×2画素の例を示すが、光電変換素子30を縦横に複数並べ配置してエリアセンサとすることもできるし、1列に複数個並べ配置してラインセンサとすることも可能であり、この配置に限定されることはない。
【0010】
さらに、7は垂直出力線であり、8はノイズ電荷読み出しスイッチMOSトランジスタ、9は光信号読み出しスイッチMOSトランジスタ、10はノイズ電荷蓄積用キャパシタ、11は光信号蓄積用キャパシタ、19は水平走査回路22からのタイミングパルス信号によって時系列的にオンされる光信号読み出しスイッチMOSトランジスタ、21は同様に時系列的にオンされるノイズ成分読み出しスイッチMOSトランジスタである。かかる構成により、各列毎に蓄積されたノイズ成分及び信号成分をキャパシタ10,11に蓄積して、水平走査回路22の走査パルスによって、それぞれ時系列的に画像信号と及びノイズ成分として読み出す。この後、画像信号からノイズ成分の差を取れば、画像信号に含まれるノイズ成分を除去して、光電変換素子の暗電流の影響のない画像信号を得ることができる。
【0011】
次に、当該1つの光電変換素子30の断面図を図2に示す。図において、39はPー層基板(P型ウェル)であって、38はSiO2等の酸化層、33は電源VDDが接続されたMOSトランジスタ4のソースとなるn+層、34はMOSトランジスタ4のドレインであり転送MOSトランジスタ5のドレイン・ソースとなるn+層、35はキャパシタ31の一方の透明電極で制御パルスφPGが印加される。36は転送MOSトランジスタ5のゲートであり制御パルスφTXが印加される。37はリセットMOSトランジスタ4のゲートでありリセットパルスφRが印加される。
【0012】
このような図1及び図2において、まずリセットパルスφRに正のリセットパルスを印加して、MOSトランジスタ4をオンし、アンプMOSトランジスタ1をオンし、スイッチパルスφSを印加してスイッチMOSトランジスタ2をオンして負荷パルスφLに正パルスを加えて、負荷MOSトランジスタ3をオンし、ノイズ転送パルスφTNを印加してノイズ転送MOSトランジスタ8をオンしてキャパシタCTN10にノイズ成分として蓄積する。また同時に垂直出力線7の電荷の残留分を電源ラインにリセットする。
【0013】
次に、透明電極35の下部に光子hνが入力し光子hν量に応じて正孔と電子とが分離し、正孔はpー層基板側に引き寄せられ、残った電子がフォトゲート6として透明電極35下に蓄積される。所定時間の蓄積が終了した時点で制御パルスφPGが加えられ、蓄積された電子が隣接した転送MOSトランジスタ5のゲート下に移行し、転送パルスφTXの印加でアンプMOSトランジスタ1のゲート電圧がアンプMOSトランジスタ1の閾値電圧よりも高ければアンプMOSトランジスタ1がソースホロワとして動作し、スイッチMOSトランジスタ2、負荷MOSトランジスタ3がオンして信号転送パルスφTSの印加によって、キャパシタCTS11に光電変換電荷が蓄積される。その後、キャパシタCTS11の電荷からキャパシタCTN10のノイズ電荷の差を取って、純粋な信号を出力する。
【0014】
図3は本発明の主要部を示すソースホロワ回路用アンプMOSトランジスタ1とスイッチMOSトランジスタ部分の断面図である。図3において、12はp型シリコン基板、13はp+埋め込み層、14はp型エピタキシャル層、15はp型ウェル、16はソースドレインn+層、17はポリシリコンゲート、18はゲート酸化膜である。動作状態では、p型シリコン基板12、p+埋め込み層13、p型エピタキシャル層14、p型ウェル15はGND電位が印加され、アンプMOSトランジスタ1のn+層ドレインには電源電圧VDDが印加される。この図3において、p型エピタキシャル層14の不純物濃度として、1×1015cmー3以下とすることで、より好ましくは1×1014cm−3から1×1015cm−3の範囲とすることで、基板バイアス効果を減少できることが分かった。その際、スイッチMOSトランジスタ2のp型ウェル15は1×1016cmー3以上であれば、ソースドレイン耐圧及びリーク電流が所定以上となり、望ましい。
【0015】
上記のような動作において、p−基板に対して不純物濃度の薄いp−層をエピタキシャル成長させて、即ちウェル濃度を下げたその中にアンプMOSトランジスタ1を形成しているので、各画素毎の閾値バラツキが少なくなり、また伝達コンダクタンスのバラツキも小さくなり、さらに電源電圧の変動があったとしてもドレイン電流の変動が小さくなり、結果として基板バイアス効果が小さくなる。この際、エピタキシャル成長させた不純物濃度の薄いp−層の濃度としては1×1015cmー3以下が、好ましくは1×1014cm−3から1×1015cm−3の範囲が望ましいことがわかった。また、リセットMOSトランジスタ4、スイッチMOSトランジスタ2は1×1016cmー3以上のp型ウェル中に形成させることにより、MOSトランジスタのソース・ドレイン耐圧、リーク電流を抑えることが望ましいことも判明した。ただし、画素のレイアウトの関係で、スイッチMOSトランジスタ2をエピタキシャル層中に形成してもよい。こうして、例えばソースホロワ回路の効率を通常の不純物濃度の中で形成した場合には0.6乃至0.85程度のものが0.85乃至0.9程度に向上する。
【0016】
(第2の実施形態)
図4に第2の実施形態における構成の断面図を示す。図4の構成は図3に示したnMOSに対してpMOSトランジスタの例を示している。図4において、42はn型シリコン基板、43はn+埋め込み層、44はn型エピタキシャル層、45はn型ウェル、46はソースドレインp+層、47はポリシリコンゲート、48はゲート酸化膜である。動作状態では、n型シリコン基板42、n+埋め込み層43、n型エピタキシャル層44、n型ウェル45は電源電位が印加され、アンプMOSトランジスタ51のp+層ドレインには電源電圧VSSが印加され、不純物濃度の低いn型エピタキシャル層に形成されたp型のソースホロワ回路として高い伝達コンダクタンスによって電圧ゲインを向上できる。この図3において、p型エピタキシャル層44の不純物濃度として1×1015cmー3以下であり、またスイッチMOSトランジスタ52のn型ウェル45は1×1016cmー3以上であれば、ソースドレイン耐圧及びリーク電流が所定以上となり、望ましい。
【0017】
(第3の実施形態)
図5は特に画素密度を密集する場合に用いられるn型のAMI(Amplifier MOS Image)センサの回路図を示す。図において、61はソースホロワ回路を構成するn型アンプMOSトランジスタ、62はスイッチMOSトランジスタ、63は光電変換用のフォトゲート、64はアンプMOSトランジスタ61のゲート電荷とフォトゲートの電荷をリセットするリセットMOSトランジスタを示している。ここで、n型アンプMOSトランジスタ61はp型基板及び不純物濃度の低いp型エピタキシャル層上に形成される。これにより、他の画素素子と共にラインセンサやエリアセンサが構成された場合に、各アンプMOSトランジスタの閾値電圧の変動、各アンプMOSトランジスタの伝達コンダクタンスの変動、ドレイン電流の変動を小さくできることから、各画素出力のバラツキが少なく、均一な画素出力を得ることができる。
【0018】
(第4の実施形態)
第4の実施形態としては、上記第3の実施形態に対するp型のAMI(Amplifier MOS Image)センサの回路図を示す。図5に対応して、ソースホロワ回路を構成するp型アンプMOSトランジスタ、スイッチMOSトランジスタ、光電変換用のフォトゲート、アンプMOSトランジスタのゲート電荷とフォトゲートの電荷をリセットするリセットMOSトランジスタが備えられている。ここで、p型アンプMOSトランジスタはn型基板及び不純物濃度の低いn型エピタキシャル層上に形成される。これにより、他の画素素子と共にラインセンサやエリアセンサが構成された場合に、各アンプMOSトランジスタの閾値電圧の変動、各アンプMOSトランジスタの伝達コンダクタンスの変動、ドレイン電流の変動を小さくできることから、各画素出力のバラツキが少なく、均一な画素出力を得ることができる。
【0019】
(第5の実施形態)
図6に第5の実施形態の一例を示す。この光電変換センサはカメラのAFセンサに用いられ、各画素の出力レベルが異なればフォーカスズレとして自動フォーカスサーボが動作せず、カメラの重要な機能を達成する貴重なデバイスである。図6において、71はMOSトランジスタによる反転アンプで行なうp型アンプMOSトランジスタ、72はスイッチMOSトランジスタ、75は光電変換用のフォトゲート、74はアンプMOSトランジスタ71のゲート電荷とフォトゲート75の電荷をリセットするリセットMOSトランジスタを示している。ここで、p型負荷MOSトランジスタ73に基板バイアス効果が発生するため、負荷MOSトランジスタ73のウェル濃度を下げておく。アンプMOSトランジスタ71の反転アンプのゲインは、アンプMOSトランジスタ71と負荷MOSトランジスタ73のW/L(ゲート幅/ゲート長)の比によって決まるため、アンプMOSトランジスタ71と負荷MOSトランジスタ73のペア性を考慮して、アンプMOSトランジスタ71のウェル濃度も負荷MOSトランジスタ73のウェル濃度と同様に低いウェル濃度にしておくことが好ましい。
【0020】
こうして、p型アンプMOSトランジスタ71、p型負荷MOSトランジスタ73はn型基板及び不純物濃度の低いn型エピタキシャル層上に形成される。またスイッチMOSトランジスタ72のウェル濃度を下げておいてもよい。動作的には、n型シリコン基板上の、n+埋め込み層、n型エピタキシャル層、n型ウェルは電源電位が印加され、アンプMOSトランジスタのp+層ドレインには電源電圧VSSが印加される。アンプMOSトランジスタのp+層ソース・ドレインは、不純物濃度の低いn型エピタキシャル層上に形成され、負荷MOSトランジスタ73が閾値電圧以上で導通してその負荷として動作し、p型の反転アンプ回路として、さらに高い伝達コンダクタンスによって、高い電圧ゲインでもって出力される。
【0021】
また、ノイズ除去を必要とする回路の場合は、電圧ゲインをマイナス1とすることで抑制できる。
【0022】
本実施形態の反転アンプを用いたCMOSセンサにおいて、負荷MOSトランジスタ73のウェル濃度を下げ、基板バイアス効果を低減させることにより、電源電圧VDDの変動、ウェル濃度や酸化膜等のプロセスパラメータ変動に対する特性変化を小さくすることができる。
【0023】
(第6の実施形態)
第6の実施形態として、n型の反転アンプの例を示す。この光電変換センサもカメラのAFセンサに用いられる。p型シリコン基板上にp+埋め込み層、p型エピタキシャル層、p型ウェルが形成され、p型エピタキシャル層上にn型反転アンプのMOSトランジスタ、スイッチMOSトランジスタ、光電変換用のフォトゲート、リセットMOSトランジスタ及びn型負荷MOSトランジスタが形成される。動作的には、p型シリコン基板、p+埋め込み層、p型エピタキシャル層、p型ウェルはGND電位が印加され、アンプMOSトランジスタのn+層ソースには電源電圧VDDが印加される。
【0024】
この際、n型負荷MOSトランジスタに基板バイアス効果が発生するため、負荷MOSトランジスタのウェル濃度を下げておく。また、反転アンプのゲインは、アンプMOSトランジスタと負荷MOSトランジスタのW/L(ゲート幅/ゲート長)の比によって決まるため、アンプMOSトランジスタと負荷MOSトランジスタのペア性を考慮して、アンプMOSトランジスタのウェル濃度も負荷MOSトランジスタのウェル濃度と同様に低いウェル濃度にしておくことが好ましい。また、スイッチMOSトランジスタ72のウェル濃度を下げておいてもよい。
【0025】
本実施形態の反転アンプを用いたCMOSセンサにおいて、負荷MOSトランジスタのウェル濃度を下げ、基板バイアス効果を低減させることにより、電源電圧VDDの変動、ウェル濃度や酸化膜等のプロセスパラメータ変動に対する特性変化を小さくすることができる。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による半導体集積回路によれば、光電変換素子の出力に用いるMOSトランジスタのソース・ドレインを形成するウェル部の不純物濃度を他の周辺回路の不純物濃度を薄くしたことにより、光電変換電荷の読み出しに悪影響を与えるMOSトランジスタの閾値Vthのバラツキ、増幅ゲインの低下、電源電圧VDDの変動等の基板バイアス効果を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光電変換装置の回路図である。
【図2】本発明による光電変換装置の主要部の断面図である。
【図3】本発明による他の実施態様の光電変換装置の主要部の断面図である。
【図4】本発明による他の実施態様の光電変換装置の主要部の断面図である。
【図5】本発明による他の実施態様の半導体集積回路の回路図である。
【図6】本発明による他の実施態様の半導体集積回路の回路図である。
【符号の説明】
1,61,71 アンプ用MOSトランジスタ
2,62,72 スイッチ用MOSトランジスタ
3,73 負荷MOSトランジスタ
4 リセットMOSトランジスタ
5 転送MOSトランジスタ
6,63,75 フォトゲート
7 垂直出力線
8,9 転送スイッチMOSトランジスタ
10,11 キャパシタ
Claims (11)
- 光電変換された電荷を増幅するアンプ用MOSトランジスタを画素毎に備えた光電変換装置において、
前記アンプ用MOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度は、前記画素を形成する他のMOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度よりも低いことを特徴とする光電変換装置。 - 光電変換された電荷を増幅するアンプ用MOSトランジスタと、前記アンプ用MOSトランジスタの出力を取り出すスイッチMOSトランジスタとを画素毎に備えた光電変換装置において、
前記アンプ用MOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度は、前記スイッチMOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度よりも低いことを特徴とする光電変換装置。 - 前記光電変換装置は更に、前記アンプ用MOSトランジスタのゲートをリセットするリセットMOSトランジスタを備え、
該リセットMOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度よりも前記アンプ用MOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度の方が低いことを特徴とする請求項2に記載の光電変換装置。 - 光電変換された電荷を増幅するアンプ用MOSトランジスタと、前記アンプ用MOSトランジスタの出力を取り出すスイッチMOSトランジスタとを備えた光電変換装置において、
前記アンプ用MOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度を1×1015cm-3以下とし、
前記スイッチMOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度を1×1016cm-3以上としたことを特徴とする光電変換装置。 - 前記光電変換装置は更に、前記アンプ用MOSトランジスタのゲートをリセットするリセットMOSトランジスタを備え、
前記リセットMOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度を1×1016cm-3以上としたことを特徴とする請求項4に記載の光電変換装置。 - p型基板上に、光電荷蓄積部と、光電荷を転送する転送用n型MOSトランジスタと、ソースホロア型のアンプ用MOSトランジスタのゲートをリセットするリセット用MOSトランジスタと、前記光電荷を増幅するソースホロワ型の前記アンプ用MOSトランジスタと、前記アンプ用MOSトランジスタの出力を取り出すスイッチ用MOSトランジスタを有する画素が複数設けられた光電変換装置において、
前記アンプ用MOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度は、他の上記MOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度よりも低いことを特徴とする光電変換装置。 - 前記光電荷蓄積部は、フォトゲート構造よりなることを特徴とする請求項6に記載の光電変換装置。
- n型基板上に、光電荷蓄積部と、光電荷を転送する転送用p型MOSトランジスタと、ソースホロア型のアンプ用MOSトランジスタのゲートをリセットするリセット用MOSトランジスタと、前記光電荷を増幅するソースホロワ型の前記アンプ用MOSトランジスタと、前記アンプ用MOSトランジスタの出力を取り出すスイッチ用MOSトランジスタを有する画素が複数設けられた光電変換装置において、
前記アンプ用MOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度は、他の上記MOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度よりも低いことを特徴とする光電変換装置。 - 前記光電荷蓄積部は、フォトゲート構造よりなることを特徴とする請求項8に記載の光電変換装置。
- 前記アンプ用MOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度を1×1015cm-3以下としたことを特徴とする請求項6又は8に記載の光電変換装置。
- 前記アンプ用MOSトランジスタが配されるウェルの不純物濃度を1×1014cm-3から1×1015cm-3の範囲内としたことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の光電変換装置。
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