JP3829830B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
基板と、
前記基板内に設けられ、入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、
前記蓄積ウェルから転送された前記光発生電荷を保持する変調用ウェルと、
前記変調用ウェルに保持された前記光発生電荷によってチャネルの閾値電圧が制御され、前記光発生電荷に応じた画素信号を出力する変調トランジスタと、
前記蓄積ウェルと前記変調用ウェルとの間の光発生電荷転送経路の電位障壁を変化させ、前記光発生電荷の転送を制御する転送制御素子と、
前記蓄積ウェルに接続された不要電荷排出経路の電位障壁を制御する不要電荷排出制御素子であって、前記転送制御素子による前記蓄積ウェルから前記変調用ウェルへの前記光発生電荷の転送期間を除く期間に、前記蓄積ウェルからオーバーフローした前記光発生電荷を前記不要電荷排出経路を介して排出させる前記不要電荷排出制御素子と、
前記変調用ウェルに接続された残留電荷排出経路の電位障壁を制御する残留電荷排出制御素子であって、前記変調用ウェル内の残留電荷を前記残留電荷排出経路を介して排出させる残留電荷排出制御素子と、
を含み、
前記残留電荷排出制御素子は、前記基板上に形成されたゲートと前記ゲート下にチャネルを構成する拡散層とが形成されて構成され、前記ゲートの一部は、前記変調用ウェルの形成領域の上方に形成される。
入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷を保持することで変調トランジスタのチャネルの閾値電圧を制御する変調用ウェルと、前記蓄積ウェルと前記変調用ウェルとの間の転送経路の電位障壁を制御する転送制御素子と、前記蓄積ウェルに接続された不要電荷排出経路の電位障壁を制御する不要電荷排出制御素子と、前記変調用ウェルに接続された残留電荷排出経路の電位障壁を制御する残留電荷排出制御素子と、を含み、前記残留電荷排出制御素子は、前記基板上に形成されたゲートと前記ゲート下にチャネルを構成する拡散層とが形成されて構成され、前記ゲートの一部は、前記変調用ウェルの形成領域の上方に形成される固体撮像装置の駆動方法であって、
前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子によって前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による光発生電荷を少なくとも前記転送経路を介して前記変調用ウェルには流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる単独蓄積手順と、
前記残留電荷排出制御素子及び転送制御素子によって前記残留電荷排出経路及び転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記変調トランジスタから前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分変調手順、前記残留電荷排出制御素子によって前記残留電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記変調用ウェルの残留電荷を前記残留電荷排出経路を介して排出させる排出手順及び前記残留電荷排出制御素子及び転送制御素子によって前記残留電荷排出経路及び転送経路の電位障壁を制御して、前記排出手順後に前記変調トランジスタから雑音成分を読み出す雑音成分変調手順からなる読み出し手順と、
前記信号成分変調手順、排出手順及び雑音成分変調手順と同一の期間において前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子により前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による光発生電荷を少なくとも前記転送経路を介して前記変調用ウェルには流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる並行蓄積手順と、
前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積されている前記光発生電荷を前記変調用ウェルに転送して保持させる転送手順と、
を含む。
本実施の形態における固体撮像装置は、後述するように、単位画素であるセンサセルがマトリクス状に配列されて構成されたセンサセルアレイを有している。各センサセルは、入射光に応じて発生させた光発生電荷を蓄積し、蓄積した光発生電荷に基づくレベルの画素信号を出力する。センサセルをマトリクス状に配列することで1画面の画像信号が得られる。
更に、図3を参照して、センサセル3の断面構造を詳細に説明する。なお、図3中、N,Pの添え字の−,+はその数によって不純物濃度のより薄い部分(添え字−−−)からより濃い部分(添え字+++)の状態を示している。
このように構成されたセンサセルを用いることで、蓄積期間とブランキング期間とを同一の期間に実施することが可能である。
上述した特許文献1の装置においては、フォトダイオードの形成領域及び変調トランジスタのリングゲートの下方にフォトダイオードの開口領域及びリングゲートに略一致した平面形状で、P型の第1及び第2のウェル領域が一体的に形成される。そして、フォトダイオードの開口領域から入射した光によって発生した光発生電荷は、第1のウェル領域からリングゲート下方の第2のウェル領域に転送され、この部分に形成された低いポテンシャル(正孔を基準)のキャリアポケットに蓄積される。
次に、図4を参照して本実施の形態に係る固体撮像装置全体の回路構成について説明する。
図5は図4中の各センサセルの具体的な回路構成を示している。図5(A)はセンサセルの等価回路を示し、図5(B)はセンサセルと各信号線との接続を示している。
図6は本実施の形態における各駆動期間を説明するためのタイミングチャートである。なお、図6は後述するノーマルモード時の駆動シーケンスを示している。図6において、L1 ,L2 ,…は、センサセルアレイ62の各ラインに対応している。
本実施の形態においては、読み出し期間(ブランキング期間)は、S(シグナル)変調期間、クリア期間及びN(ノイズ)変調期間によって構成される。セル3同士のばらつきや、各種ノイズの除去のために、同一セルから信号成分とノイズ成分とを読み出して比較する。S変調期間には、変調用ウェル5に蓄積された光発生電荷に基づく画素信号を読み出すS変調動作が行われる。クリア期間には、ノイズ成分を読み出すために、変調用ウェル5に残留する光発生電荷を残留電荷排出経路RCを介して排出するクリア動作が行われる。N変調期間には、変調用ウェル5からノイズ成分を読み出すために、クリア後の画素信号を読み出すN変調動作を行う。
本実施の形態においては、ブランキング期間においても、蓄積ウェル4に対しては蓄積動作(並行蓄積動作)を行うようになっている。即ち、ブランキング期間のS変調期間、クリア期間及びN変調期間は、夫々、蓄積の点から言えば、S変調時の並行蓄積期間Ss、クリア時の並行蓄積期間Sc及びN変調時の並行蓄積期間Snとなる。
本実施の形態においては、例えば図6に示すように、1フレーム期間は、後述する転送期間及びPDクリア期間の後に、単独蓄積期間Saと並行蓄積期間Ss,Sc,Snとが巡回的に繰り返されて構成される。センサセルアレイ62の全てのセル3は、単独蓄積期間Sa及び並行蓄積期間Ss,Sc,Snの動作を巡回的に繰り返し、並行蓄積期間Ss,Sc,Snのうち図6のパルス形状で示す期間だけ、ライン毎にブランキング期間に設定されて(読み出しセルとなって)読み出し動作が行われる。単独蓄積期間Saとブランキング期間とは、1フレーム期間において、ライン数分だけ繰り返えされる。
次に、図7及び図8を参照して単独蓄積期間Sa、転送期間、S変調期間(並行蓄積期間Ss)、クリア期間(並行蓄積期間Sc)、N変調期間(並行蓄積期間Sn)及びPDクリア期間における動作について、ポテンシャルの関係に基づいて説明する。図7は各期間におけるポテンシャルの関係を正孔のポテンシャルが高くなる向きを正側にとって示す説明図である。図7(A)は単独蓄積時の状態を示し、図7(B)は転送時の状態を示し、図7(C)はS変調又はN変調(S/N変調)時の状態を示し、図7(D)はクリア時の状態を示し、図7(E)は高速シャッターモードにおける蓄積ウェル4のクリア(PDクリア)時の状態を示している。図7の左側の欄は読み出しセルの状態を示し、右側の欄は非読み出しセルの状態を示している。なお、図7は梨地模様によって電荷によるポテンシャルの変化を示している。また、上述したように、各セルが読み出しセル又は非読み出しセルのいずれになるかは、図6のパルスによって示される。
次に、ノーマルモード、高速シャッターモード及び低速シャッターモードの各モードについて動作シーケンスを説明する。
次に、素子の製造方法について図11乃至図13の工程図を参照して説明する。図11乃至図13は図2のA−A’切断線の位置における断面を示している。図11乃至図13において、基板上の矢印はイオン打ち込みを行うことを示し、黒丸は打ち込み材料を示し、枠はマスクを示している。また、図中、LOD Tr、Clr Tr、R.G Tr、Tx Trは、夫々LODトランジスタTL形成領域、クリアトランジスタTC形成領域、変調トランジスタTM形成領域及び転送トランジスタTT形成領域を示している。
このように本実施の形態においては、光電変換素子形成領域に光発生電荷を蓄積する蓄積ウェル4を形成し、変調トランジスタTM形成領域に、蓄積ウェル4とはポテンシャル上分離独立した変調用ウェル5を形成する。そして、蓄積ウェル4と変調用ウェル5との間の電位障壁を制御する転送トランジスタTTを設けると共に、蓄積期間とブランキング期間とを同一の時間に実行可能にして、フレームレートの高速化を実現している。
Claims (10)
- 基板と、
前記基板内に設けられ、入射した光に応じた光発生電荷を発生させる光電変換素子と、
前記光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、
前記蓄積ウェルから転送された前記光発生電荷を保持する変調用ウェルと、
前記変調用ウェルに保持された前記光発生電荷によってチャネルの閾値電圧が制御され、前記光発生電荷に応じた画素信号を出力する変調トランジスタと、
前記蓄積ウェルと前記変調用ウェルとの間の光発生電荷転送経路の電位障壁を変化させ、前記光発生電荷の転送を制御する転送制御素子と、
前記蓄積ウェルに接続された不要電荷排出経路の電位障壁を制御する不要電荷排出制御素子であって、前記転送制御素子による前記蓄積ウェルから前記変調用ウェルへの前記光発生電荷の転送期間を除く期間に、前記蓄積ウェルからオーバーフローした前記光発生電荷を前記不要電荷排出経路を介して排出させる前記不要電荷排出制御素子と、
前記変調用ウェルに接続された残留電荷排出経路の電位障壁を制御する残留電荷排出制御素子であって、前記変調用ウェル内の残留電荷を前記残留電荷排出経路を介して排出させる前記残留電荷排出制御素子と、
を含み、
前記残留電荷排出制御素子は、前記基板上に形成されたゲートと前記ゲート下にチャネルを構成する拡散層とが形成されて構成され、
前記ゲートの一部は、前記変調用ウェルの形成領域の上方に形成される
固体撮像装置。 - 前記残留電荷排出制御素子は、前記転送制御素子による前記蓄積ウェルから前記変調用ウェルへの前記光発生電荷の転送期間を除く期間に、前記残留電荷排出経路の電位障壁を制御し、前記変調用ウェルからオーバーフローした電荷を前記残留電荷排出経路を介して排出させる、請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記不要電荷排出制御素子は、前記蓄積ウェルに蓄積されている光発生電荷を所定のタイミングで排出することで、前記蓄積ウェルにおける前記光発生電荷の蓄積期間を決定する、請求項1又は2のいずれか一方に記載の固体撮像装置。
- 前記残留電荷排出経路は、前記基板の表面にほぼ水平に形成される、請求項1又は2のいずれか一方に記載の固体撮像装置。
- 前記残留電荷排出経路及び不要電荷排出経路は、前記基板上に形成された配線層に電気的に接続される、請求項1又は2のいずれか一方に記載の固体撮像装置。
- 入射した光に応じて光電変換素子が発生した光発生電荷を蓄積する蓄積ウェルと、前記光発生電荷を保持することで変調トランジスタのチャネルの閾値電圧を制御する変調用ウェルと、前記蓄積ウェルと前記変調用ウェルとの間の転送経路の電位障壁を制御する転送制御素子と、前記蓄積ウェルに接続された不要電荷排出経路の電位障壁を制御する不要電荷排出制御素子と、前記変調用ウェルに接続された残留電荷排出経路の電位障壁を制御する残留電荷排出制御素子と、を含み、前記残留電荷排出制御素子は、前記基板上に形成されたゲートと前記ゲート下にチャネルを構成する拡散層とが形成されて構成され、前記ゲートの一部は、前記変調用ウェルの形成領域の上方に形成される固体撮像装置の駆動方法であって、
前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子によって前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による光発生電荷を少なくとも前記転送経路を介して前記変調用ウェルには流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる単独蓄積手順と、
前記残留電荷排出制御素子及び転送制御素子によって前記残留電荷排出経路及び転送経路の電位障壁を制御して前記光発生電荷を前記変調用ウェルに保持させた状態で前記変調トランジスタから前記光発生電荷に応じた画素信号を出力させる信号成分変調手順、前記残留電荷排出制御素子によって前記残留電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記変調用ウェルの残留電荷を前記残留電荷排出経路を介して排出させる排出手順及び前記残留電荷排出制御素子及び転送制御素子によって前記残留電荷排出経路及び転送経路の電位障壁を制御して、前記排出手順後に前記変調トランジスタから雑音成分を読み出す雑音成分変調手順からなる読み出し手順と、
前記信号成分変調手順、排出手順及び雑音成分変調手順と同一の期間において前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子により前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記光電変換素子による光発生電荷を少なくとも前記転送経路を介して前記変調用ウェルには流さないようにしながら前記蓄積ウェルに蓄積させる並行蓄積手順と、
前記転送制御素子によって前記転送経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積されている前記光発生電荷を前記変調用ウェルに転送して保持させる転送手順と、
を含む固体撮像装置の駆動方法。 - 前記転送手順は、前記単独蓄積手順と読み出し手順と同一期間に実行される並行蓄積手順とを1画面のライン数に基づく回数だけ繰り返した後に実行される、請求項6に記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 1画面期間内の任意の期間に前記転送制御素子及び不要電荷排出制御素子によって前記転送経路及び不要電荷排出経路の電位障壁を制御して、前記蓄積ウェルに蓄積されている前記光発生電荷を前記不要電荷排出経路を介して排出させる初期化手順を更に含み、
前記転送手順は、前記単独蓄積手順と読み出し手順と同一期間に実行される並行蓄積手順とを1画面のライン数及び前記初期化手順の前記1画面期間内のタイミングに基づく回数だけ繰り返した後に実行される、請求項6に記載の固体撮像装置の駆動方法。 - 前記初期化手順から前記転送手順までの期間が1画面期間よりも短い高速シャッターモードを有する、請求項8に記載の固体撮像装置の駆動方法。
- 前記初期化手順から前記転送手順までの期間が1画面期間よりも長い低速シャッターモードを有する、請求項8に記載の固体撮像装置の駆動方法。
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