JP4069918B2

JP4069918B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP4069918B2
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Inventors: 和伸桑沢
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Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2008-04-02
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Description

本発明は、高画質特性及び低消費電力特性を有する固体撮像装置に関する。

携帯電話、デジタルカメラ等に搭載される固体撮像装置として、ＣＣＤ（電荷結合素子）型のイメージセンサ（以下、ＣＣＤセンサという）と、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ（以下、ＣＭＯＳセンサという）と、がある。

ＣＣＤセンサは、ノイズ除去のための相関二重サンプリング（ＣＤＳ）機能と、高速に動く被写体の像に歪みがないように撮像するためのいわゆる一括電子シャッター機能とを実現している。この一括電子シャッター機能は、２次元的に配列された多数の受光素子について、同時に光発生電荷を蓄積することによって、画像に動きがある場合の被写体の像の歪みをなくすものである。よって、ＣＣＤセンサは、一般に、画質に優れているという利点がある。しかしながら、ＣＣＤセンサにおいては、駆動電圧が高く、消費電力が大きいという欠点を有する。

一方、ＣＭＯＳセンサは、一般に、駆動電圧が低いことから、消費電力が少なく、プロセスコストが低いという利点がある。しかし、一般的なＣＭＯＳセンサにおいては、一括電子シャッター機能及びＣＤＳ機能の双方を同時に実現することはできない。

例えば、４トランジスタ構成のＣＭＯＳ−ＡＰＳ（Active Pixel Sensor）タイプのＣＭＯＳセンサにおいては、読み出しライン毎に、電荷保持領域であるフローティングディフュージョンをリセットし、まずノイズ成分を読み出し、その後信号成分を読み出すＣＤＳ機能を実現している。即ち、ＣＤＳにおいては、ノイズの読出し直後に信号読出しを行うために、フォトダイオードによって発生した光発生電荷は、ノイズの読出し直後に転送トランジスタを介してフローティングディフュージョンに転送される。読出しはライン毎に行われるので、光発生電荷もライン毎にフローティングディフュージョンに転送されることになり、ライン毎に光発生電荷の蓄積期間が異なる。

なお、フォトダイオードによって全画素の光発生電荷を同時に蓄積し、転送トランジスタを介して一括してフローティングディフュージョンに転送する一括電子シャッターを採用する駆動方法も考えられる。この場合には、全ラインのフローティングディフュージョンに光発生電荷が蓄積されてしまうので、ノイズ読み出しの前に信号読出しを行う必要がある。即ち、各ラインを信号読出し、リセット、ノイズ読出しの順で駆動する必要があり、読出した信号に含まれるノイズとノイズ読出し時のノイズとに相関がなく、画質が若干劣化する可能性がある。なお、この場合でも、転送前に全画素についてノイズを先読みしておく方法もあるが、この場合には、読出したノイズを保持するフレームメモリが必要となってしまう。

このような欠点に対し、特許文献１においては、信号蓄積動作の開始、終了タイミングを全画素で一致させる技術を開示している。特許文献１においては、転送ゲートの直下に電荷保持領域を設け、一旦フォトダイオードからの信号電荷を電荷保持領域に蓄積した後、フローティングディフュージョンに転送するようになっており、一括電子シャッター機能を実現している。
特開２００２−３６８２０１号公報

ところで、フォトダイオードに極めて強い光が入射した場合には、光発生電荷の発生量が増大してフォトダイオードからオーバーフローすることがある。このようなオーバーフロー電荷（以下、余剰電荷ともいう）は、フォトダイオードの形成領域から転送トランジスタを介してフローティングディフュージョンに流れ、リセット時に排出されるようになっている。

ところが、特許文献１の提案では、フォトダイオードからの余剰電荷は転送ゲート直下の電荷保持領域に蓄積されてしまう。即ち、電荷保持領域に次フレームの光発生電荷が流入してしまうことになり、画質劣化を招来する。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、余剰電荷を排出して画質を向上させることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、
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、
前記光電変換素子からの光発生電荷を保持するフローティングディフュージョンと、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとの間に配置されて前記光発生電荷の転送を制御するために、前記基板上に形成される転送ゲートと、前記転送ゲートの下方の前記基板表面に形成されて前記光電変換素子から転送される光発生電荷を保持可能な電荷保持領域と、前記電荷保持領域と前記フローティングディフュージョンとに接して前記基板表面に形成される第３の不純物領域とを有する転送・保持手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位を初期化するリセット手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位に基づく出力を発生する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力を選択的に出力する選択トランジスタと、
前記光電変換素子で発生した余剰電荷を前記フローティングディフュージョンに流す余剰電荷排出経路と、を含み、
前記余剰電荷排出経路は、前記光電変換素子を構成する第２の不純物領域と前記フローティングディフュージョンを構成する第４の不純物領域とに接して前記基板表面に形成される第５の不純物領域によって構成される。

本発明の実施の形態によれば、光電変換素子は、入射した光に応じた光発生電荷を発生する。光電変換素子からの光発生電荷は、一旦、転送・保持手段に保持された後、フローティングディフュージョンに転送されて保持される。フローティングディフュージョンの電位変化に応じた出力が増幅トランジスタから得られる。全画素の光発生電荷を一括して転送・保持手段に転送すると共に、各ライン毎の読み出しに際して、リセットを行い雑音成分を読出した後に、光発生電荷をフローティングディフュージョンに転送しており、高画質化を図ることができる。また、光電変換素子に発生した余剰電荷は余剰電荷排出手段によって排出され、転送期間以外の期間に、光電変換素子からの余剰電荷が転送・保持手段に流入することはない。これにより、極めて強い光が入射した場合でも、画質が損なわれることを防止することができる。

また、前記余剰電荷排出手段は、
前記基板表面に形成され固定電位点に接続される第１の不純物領域と、
前記光電変換素子を構成する第２の不純物領域と前記第１の不純物領域とに接して前記基板表面に形成される第３の不純物領域と、を含む。

発明の実施の形態によれば、光電変換素子に発生した光発生電荷は、第２の不純物領域に収集される。第２の不純物領域からオーバーフローした余剰電荷は、第３の不純物領域を介して第１の不純物領域に流れて排出される。

また、本発明に係る固体撮像装置は、
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、
前記光電変換素子からの光発生電荷を保持するフローティングディフュージョンと、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとの間に配置されて前記光発生電荷の転送を制御すると共に、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持可能な電荷保持領域を有する転送・保持手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位を初期化するリセット手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位に基づく出力を発生する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力を選択的に出力する選択トランジスタと、
前記光電変換素子で発生した余剰電荷を前記フローティングディフュージョンに流す余剰電荷排出経路とを具備する。

本発明の実施の形態によれば、光電変換素子は、入射した光に応じた光発生電荷を発生する。光電変換素子からの光発生電荷は、一旦、転送・保持手段に保持された後、フローティングディフュージョンに転送されて保持される。これにより、全画素の一括転送及び雑音成分の先読みが可能であり、高画質化を図ることができる。また、光電変換素子に発生した余剰電荷は余剰電荷排出経路を介してフローティングディフュージョンに流され、リセット時にフローティングディフュージョンから排出される。余剰電荷排出経路によって、光電変換素子からの余剰電荷が転送・保持手段に流入することが防止される。これにより、極めて強い光が入射した場合でも、画質が損なわれることを防止することができる。

また、前記余剰電荷排出経路は、前記光電変換素子を構成する第２の不純物領域と前記フローティングディフュージョンを構成する第４の不純物領域とに接して前記基板表面に形成される第５の不純物領域によって構成される。

発明の実施の形態によれば、光電変換素子に発生した光発生電荷は、第２の不純物領域に収集される。第２の不純物領域からオーバーフローした余剰電荷は、第５の不純物領域を介してフローティングディフュージョンである第４の不純物領域に排出される。フローティングディフュージョンの電位は、リセット時に初期化される。

また、本発明に係る固体撮像装置は、
センサセルがマトリクス状に配置されたセンサセルアレイを含む固体撮像装置であって、
前記センサセルは、
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、
前記光電変換素子からの光発生電荷を保持するフローティングディフュージョンと、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとの間に配置されて前記光発生電荷の転送を制御すると共に、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持可能な電荷保持領域を有する転送・保持手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位を初期化するリセット手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位に基づく出力を発生する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力を選択的に出力する選択トランジスタと、
前記光電変換素子で発生した余剰電荷を前記フローティングディフュージョンに流す余剰電荷排出経路と、を含み、
前記余剰電荷排出経路は、同一センサセル内の前記フローティングディフュージョンに前記光電変換素子で発生した余剰電荷を流すものである。

発明の実施の形態によれば、センサセルアレイ中の各センサセルに発生した余剰電荷は、余剰電荷排出経路によって、同一センサセル内のフローティングディフュージョンに転送される。フローティングディフュージョンの電位は、ライン毎のリセット時に初期化される。

また、本発明に係る固体撮像装置は、
センサセルがマトリクス状に配置されたセンサセルアレイを含む固体撮像装置であって、
前記センサセルは、
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、
前記光電変換素子からの光発生電荷を保持するフローティングディフュージョンと、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとの間に配置されて前記光発生電荷の転送を制御すると共に、前記光電変換素子からの光発生電荷を保持可能な電荷保持領域を有する転送・保持手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位を初期化するリセット手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位に基づく出力を発生する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力を選択的に出力する選択トランジスタと、
前記光電変換素子で発生した余剰電荷を前記フローティングディフュージョンに流す余剰電荷排出経路と、を含み、
前記余剰電荷排出経路は、隣り合うセンサセル内の前記フローティングディフュージョンに前記光電変換素子で発生した余剰電荷を流すものである。

発明の実施の形態によれば、センサセルアレイ中の各センサセルに発生した余剰電荷は、余剰電荷排出経路によって、隣り合うセンサセル内のフローティングディフュージョンに転送される。フローティングディフュージョンの電位は、ライン毎のリセット時に初期化される。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図である。図２は図１のＡ−Ａ'線に沿った断面を示す説明図である。ただし、配線及びその上層構造の断面は図示せず。

本実施の形態の固体撮像装置は、図１に示すように、複数のセンサセルが基板平面上に２次元マトリックス状に配置されたセンサセルアレイを有している。図１において破線で示した範囲が、単位画素である１つのセンサセルＣである。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画面の画素信号が得られる。

本実施の形態に係る固体撮像装置は、一括電子シャッタ機能とＣＤＳ機能との双方を達成するものである。図１は６つのセンサセルのみを示している。６つのセンサセルが、それぞれフォトダイオード形成領域ＰＤを有している。各センサセルの構造は相互に同一である。なお、本実施の形態は光発生電荷として電子を用いる例を示している。光発生電荷として正孔を用いる場合でも同様に構成可能である。

図１及び図２に示す固体撮像装置は、フォトダイオード形成領域ＰＤ、転送トランジスタ形成領域ＴＴ、リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ、増幅トランジスタＴＡ形成領域及び選択トランジスタＴＳ形成領域を有すると共に、余剰電荷の排出のためのオーバーフロードレイン領域ＯＦＤを有している。

リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴには、フローティングディフュージョン８が形成され、転送トランジスタ形成領域ＴＴ内には電荷保持領域ＴＣＰが形成されている。電荷保持領域ＴＣＰには、転送された光発生電荷を一時保持するための不純物領域６が形成されている。

本実施の形態において、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域ＰＤに蓄積された光発生電荷を、各センサセルの電荷保持領域ＴＣＰに転送して不純物領域６に一旦保持し、選択ライン毎に電荷保持領域ＴＣＰからリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ内のフローティングディフュージョン８に転送する。

図１と図２を用いて、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を、より詳細に説明する。なお、図２及びその説明中、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。

図２に示すように、センサセルは、Ｐ型基板１ａ上に形成される。フォトダイオード形成領域ＰＤのＰ型基板１ａ上には、フォトダイオード形成領域ＰＤの略全面に渡ってＮ型不純物層が形成され、このＮ型不純物層は第２の不純物領域としての蓄積ウェル２として機能する。フォトダイオード形成領域ＰＤの基板表面側には、ドレインに電気的に接続されたＰ型拡散層３が形成されている。この拡散層３は、ピニング層としての機能も有する。フォトダイオード形成領域ＰＤにおいては、基板１の表面に開口領域が形成され、蓄積ウェル２はこの開口領域の下方に形成されている。なお、図１に示すように、フォトダイオード形成領域ＰＤは、略矩形状に形成される。

一方、リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴのＰ型基板１ａ上には、基板表面に一対のＮ型の拡散層が形成されている。これらの一対の拡散層のうちフォトダイオード形成領域ＰＤ側の拡散層が第４の不純物領域としてのフローティングディフュージョン８を構成し、他方の拡散層１０は固定電位点（図２の白丸）に接続される。

リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴの基板表面には、ゲート絶縁膜（図示省略）を介してリセットゲート（単にゲートともいう）９が形成されている。リセットゲート９下の基板表面にはチャネルが形成されるようになっている。リセットゲート９に端子を介して所定の電圧を印加することによって、チャネルを導通させ、フローティングディフュージョン８内の電荷を拡散層１０を介して排出して、フローティングディフュージョン８の電位を初期化することができるようになっている。

フォトダイオードの開口領域下方においては、拡散層３と蓄積ウェル２との境界面から空乏層が蓄積ウェル２の全体及びその周囲に広がる。空乏領域において、開口領域を介して入射した光による光発生電荷が生じる。そして、発生した光発生電荷は蓄積ウェル２に収集される。

蓄積ウェル２に蓄積された電荷は、次に説明する転送トランジスタ形成領域ＴＴを介してフローティングディフュージョン８に転送されて保持される。フローティングディフュージョン８は増幅トランジスタＴＡのゲートに接続されている。増幅トランジスタＴＡのソースは電源端子（図２の丸印）に接続されており、増幅トランジスタＴＡの出力は、フローティングディフュージョン８の電位、即ち、フォトダイオードとして機能するフォトダイオード形成領域ＰＤへの入射光に応じたものとなる。

転送トランジスタ形成領域ＴＴについて説明する。転送トランジスタ形成領域ＴＴは、図２に示すように、光発生電荷を一時保持するための電荷保持領域ＴＣＰを、基板内に有する。

具体的には、１つのセンサセル内のフォトダイオード形成領域ＰＤとリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴとの間に、基板表面側において、転送トランジスタ領域ＴＴが形成される。転送トランジスタ領域ＴＴは、基板表面にチャネルが形成されるように、基板表面にゲート絶縁膜５を介して転送ゲート４を有する。転送ゲート４の下には、電荷保持領域ＴＣＰが設けられる。電荷保持領域ＴＣＰは、基板表面に不純物領域６が形成されている。転送ゲート４には端子を介して転送パルスが供給される。

不純物領域６とリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴのフローティングディフュージョン８との間には、第５の不純物領域としてのＮ^-拡散層７が形成されている。転送トランジスタ領域ＴＴのチャネル、すなわち転送経路は、転送ゲート４の印加電圧によって制御される。これにより、転送ゲート４下の不純物領域６とリセットトランジスタ下のフローティングディフュージョン８との間に形成される拡散層７の電位障壁を効果的に制御できるようになる。

図１に示すように、転送トランジスタ領域ＴＴの転送ゲート４は、矩形のフォトダイオード形成領域ＰＤの一辺の端部に隣り合って略矩形形状に形成される。

本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域ＰＤに隣り合って、フォトダイオード形成領域ＰＤからオーバーフローした電荷（余剰電荷）を排出するためのオーバーフロードレイン領域ＯＦＤが形成される。オーバーフロードレイン領域ＯＦＤには、基板表面に第１の不純物領域としてのＮ型の拡散層１２が形成され、拡散層１２はリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴの拡散層１０と共に、所定の固定電位点（図２の丸印）に接続される。

フォトダイオード形成領域ＰＤ内の蓄積ウェル２と拡散層１２との間には、第３の不純物領域としてのＮ^-拡散層１１が形成されている。転送トランジスタ形成領域ＴＴにおける電位障壁を高く設定した期間においては、Ｎ^-拡散層１１による電位障壁は転送トランジスタ形成領域ＴＴにおける電位障壁よりも低くなっている。これにより、Ｎ^-拡散層１１は、フォトダイオード形成領域ＰＤからの余剰電荷を転送するための余剰電荷排出経路（以下、ＯＦＤ経路ともいう）を構成し、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生した余剰電荷をオーバーフロードレイン領域ＯＦＤに排出するようになっている。

即ち、転送トランジスタ形成領域ＴＴに接していない蓄積ウェル２の縁辺の一部に隣り合って、Ｎ^-拡散層１１が形成されている。Ｎ^-拡散層１１は、蓄積ウェル２の他の縁辺部よりもポテンシャルが低く、フォトダイオード形成領域ＰＤからの余剰電荷は、転送トランジスタ領域ＴＴに流出することなく、オーバーフロードレイン領域ＯＦＤに流れるようになっている。

図３は本実施の形態に係る固体撮像装置のセンサセルの等価回路を示す回路図である。センサセルＣは、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて実現されるフォトダイオードＰｄと、リセットトランジスタ形成領域ＲＳＴにおいて実現され、容量を構成するフローティングディフュージョンＣ２及びリセットトランジスタＲＳＴと、電荷保持領域ＴＣＰを含む転送トランジスタ形成領域ＴＴにおいて実現される転送蓄積部Ｔｓと、増幅トランジスタＴＡと選択トランジスタＴＳとを有している。転送蓄積部Ｔｓは、領域ＴＴに形成される転送制御素子であるトランジスタＴｒと、トランジスタＴｒの下に設けられた容量Ｃ１とを有している。容量Ｃ１は、上述した不純物領域６における蓄積容量に相当する。

光電変換を行うフォトダイオードＰｄで発生した電荷（光発生電荷）は、トランジスタＴｒの転送ゲート４を所定の第１の電圧になるように制御することで、容量Ｃ１に一時保持される。その後、トランジスタＴｒの転送ゲート４を所定の第２の電圧になるように制御することによって、容量Ｃ１に保持された電荷が、リセットトランジスタＲＳＴのフローティングディフュージョン８に転送される。

リセットトランジスタＲＳＴは、フローティングディフュージョン８に電荷が保持されることで、増幅トランジスタＴＡのゲート電位を変化させ、フローティングディフュージョン８内の電荷量に基づくゲート電位に応じた出力を増幅トランジスタＴＡから出力させる。こうして、増幅トランジスタＴＡの出力電圧ＶＯは、フローティングディフュージョン８の電位に応じたもの、即ち、フォトダイオードＰｄへの入射光の明るさに対応したものとなる。増幅トランジスタＴＡの出力は選択トランジスタＴＳを介して信号線１５に出力される。

リセットトランジスタＲＳＴのゲートに所定の電圧が印加されると、リセットトランジスタＲＳＴが導通し、フローティングディフュージョン８に蓄積された電荷は固定電位点に流れる。これにより、フローティングディフュージョン８内の光発生電荷の排出（初期化）が行われて、フローティングディフュージョン８の電位は所定の初期値となる。

更に、本実施の形態においては、図３に示すように、フォトダイオードＰｄの一端に抵抗ＯＦＤが接続されている。この抵抗はＯＦＤ経路を構成するＮ^-拡散層１１に相当する。抵抗ＯＦＤの他端は、固定電位点に接続されている。これにより、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生した余剰電荷を、抵抗ＯＦＤを介して排出することができる。

次に、以上の構成に係る固体撮像装置において、ＣＤＳ機能と一括電子シャッター機能を実現させる駆動方法を動作シーケンスに従って説明する。

図４は本実施の形態の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。図４に示すように、１フレーム期間は、リセット期間、蓄積期間、一括転送期間及び画素信号の読み出し期間の４つの期間を含む。

リセット期間は、１フレームの開始時に全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時にリセットするための全セル同時リセット期間である。また、このリセット期間において行われるリセット動作は、全画素について、蓄積ウェル２、不純物領域６及びフローティングディフュージョン８から、残存する電荷を排出させるための動作である。リセット動作後、各センサセルの蓄積ウェル２に対する電荷の蓄積が開始される。

リセット期間に続く蓄積期間は、各センサセルが蓄積モードとなり、光を受けてフォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生した光発生電荷を蓄積ウェル２に蓄積するための期間である。

蓄積期間に続く一括転送期間は、各センサセルが一括転送モードとなり、全画素一括して、すなわち全センサセルについて同時に、各フォトダイオード形成領域ＰＤに蓄積された電荷を、各センサセルの電荷保持領域ＴＣＰに転送する一括転送が行われる期間である。この一括転送期間における一括転送動作は、上述した転送トランジスタＴｒの転送ゲート４に所定の第１の電圧を同時に印加することによって行われる。

極めて強い光がフォトダイオード形成領域ＰＤに入射することによって、蓄積期間及び一括転送期間においてオーバーフロー電荷が発生することがある。フォトダイオード形成領域ＰＤからの余剰電荷は、ＯＦＤ経路を構成するＮ^-拡散層１１を介してオーバーフロードレイン領域ＯＦＤに転送されて排出される。即ち、信号電荷（光発生電荷）が電荷保持領域ＴＣＰ内に保持されると同時に、余剰電荷はオーバーフロードレイン領域ＯＦＤを介して排出される。

一括転送モードの後には、電荷保持領域ＴＣＰに電荷を保持する状態、すなわち上述した保持・ノイズ出力モードとなる。

図４に示すように、一括転送期間後の画素信号読み出し期間は、電荷保持領域ＴＣＰに保持された電荷を、選択ライン毎にリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴのフローティングディフュージョンへ転送する水平ブランキング期間を有する。すなわち、図４に示すように、画素信号読み出し期間においては、第１行目Ｌ１から最終行目Ｌｎまでのｎラインについて、水平ブランキング期間が順次すなわち時間的にずれて連続的に発生する。水平ブランキング期間は、図５に示すように、リセット期間とノイズ成分・信号成分読み出し期間を含む。

図５は一括転送期間と水平ブランキング期間を説明するためのタイミングチャートである。水平ブランキング期間は、選択ライン毎に発生する。図５は一括転送期間と水平ブランキング期間における、トランジスタＴｒの転送ゲート４、フローティングディフュージョン８、リセットトランジスタＲＳＴのリセットゲート９、選択トランジスタＴＳのゲートの電圧波形及び出力を示している。

一括転送期間においては、転送ゲート４は、１．５Ｖから０Ｖになり、リセットゲート９は０．０Ｖ、選択ゲートは１．０Ｖである。フローティングディフュージョン８には光発生電荷は転送されておらず、フローティングディフュージョン８の電位は３．３Ｖである。この場合には、出力は現れない。

リセット期間においては、転送ゲート４は１．５Ｖ、リセットゲート９は０．０Ｖから３．３Ｖになり、選択ゲートは０．０Ｖである。この時点でもフローティングディフュージョン８の電位は３．３Ｖのままである。リセット期間におけるリセット動作によって、フローティングディフュージョン８内の電荷が排出されて、フローティングディフュージョン８の電位は初期値となっている。

一括転送期間及びリセット期間において、ＯＦＤ経路を構成するＮ^-拡散層１１のポテンシャルは、転送ゲート４の領域のポテンシャルよりも低い。極めて強い光が入射してオーバーフロー電荷が生じた場合には、蓄積ウェル２から溢れた余剰電荷は、転送トランジスタ形成領域ＴＴに流れることなくＮ^-拡散層１１を介してオーバーフロードレイン領域ＯＦＤに流れて排出される。

ノイズ成分・信号成分読み出し期間においては、まず、ノイズ成分を読み出すために、転送ゲート４は１．５Ｖで、リセットゲート９は０．０Ｖで、選択トランジスタＴＳの選択ゲートに３．３Ｖを印加して、増幅トランジスタＴＡの出力を出力させる。

次に、転送ゲート４は１．５Ｖから３．３Ｖになり、リセットゲート９は３．３Ｖから１．０Ｖとなり、選択ゲートは０．０Ｖにする。これにより、不純物領域６からフローティングディフュージョン８への電荷転送が行われ、フローティングディフュージョン８の電位は、３．３Ｖよりも小さい値となる。

次に、信号成分を読み出すために、転送ゲート４は１．５Ｖで、リセットゲート９は０．０Ｖで、選択ゲートに３．３Ｖを印加する。これにより、フローティングディフュージョン８の電位に基く出力が増幅トランジスタＴＡから出力される。この出力は選択トランジスタＴＳを介して出力される。

その後は、転送ゲート４は１．５Ｖに、リセットゲート９及び選択ゲートは０．０Ｖになる。フローティングディフュージョン８は、リセットゲートに３．３Ｖが印加されるとリセットされる。

このように本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルに隣り合ったＯＦＤ経路及びオーバーフロードレイン領域ＯＦＤを設けて、余剰電荷を排出している。これにより、フォトダイオード形成領域とリセットトランジスタ形成領域との間に転送ゲートを設けて、全画素同時に受光して電荷を蓄積し一括転送する一括電子シャッター機能と、ノイズ先行読み出しによるＣＤＳ機能の両方を実現する場合でも、余剰電荷の排出を可能にすることができる。従って、結果として、上述した実施の形態に係る固体撮像装置によれば、高画質の画像信号を得ることができる。

図６は本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図である。また、図７は図６のＡ−Ａ'線に沿った断面を示す説明図である。

本実施の形態は図１のオーバーフロードレイン領域ＯＦＤを削除し、Ｎ^-拡散層１１に代えてＯＦＤ経路１４を形成したものである。
本実施の形態においては、リセットトランジスタを構成するフローティングディフュージョン８は、フォトダイオード形成領域ＰＤにおいて発生する光発生電荷のうちオーバーフローした電荷（余剰電荷）を排出するためのオーバーフロードレインとしても機能するようになっている。本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域ＰＤとリセットトランジスタ形成領域ＲＳＴ内のフローティングディフュージョン８との間に、余剰電荷を転送するためのＯＦＤ経路１４が形成されている。

即ち、図１に示すように、蓄積ウェル２はフローティングディフュージョン８に対向する縁辺の一部を有する。この部分において、図７に示すように、蓄積ウェル２とフローティングディフュージョン８との間の基板表面に、Ｎ^-拡散によるＯＦＤ経路１４が形成されている。ＯＦＤ経路１４は、転送モード時以外においては、蓄積ウェル２の他の縁辺部よりもポテンシャルが低く、フォトダイオード形成領域ＰＤからの余剰電荷は、転送トランジスタ領域ＴＴに流出することなく、フローティングディフュージョン８に流れるようになっている。

リセット期間におけるリセット動作によって、フローティングディフュージョン８内の電荷が排出される。本実施の形態においては、ＯＦＤ経路１４を介してフローティングディフュージョン８に流入した余剰電荷についても、このリセット期間において排出される。

他の構成は第１の実施の形態と同様である。また、本実施の形態における駆動シーケンス、各モード時のポテンシャルの変化等も第１の実施の形態と同様である。即ち、蓄積モード時又は一括転送モード時において、フォトダイオードに極めて強い光が入射し、フォトダイオード形成領域ＰＤの容量を超えた多数の光発生電荷が発生した場合には、フォトダイオード形成領域ＰＤからのオーバーフロー電荷（余剰電荷）はＯＦＤ経路１４を介してフローティングディフュージョン８に転送されて蓄積される。

水平ブランキング期間には、先ずノイズ読み出しのためのリセットが行われる。リセット期間において、各画素のフローティングディフュージョン８に流入した余剰電荷は、排出される。

他の作用第１の実施の形態と同様である。
このように本実施の形態においては、フォトダイオード形成領域の蓄積ウェルとリセットトランジスタ形成領域のフローティングディフュージョンとの間に、余剰電荷排出経路を形成することで、フォトダイオード形成領域とリセットトランジスタ形成領域との間に転送ゲートを設けて、全画素同時に受光して電荷を蓄積し一括転送する一括電子シャッター機能と、ノイズ先行読み出しによるＣＤＳ機能の両方を実現する場合でも、余剰電荷の排出を可能にすることができる。しかも、本実施の形態においては、リセットトランジスタ形成領域のフローティングディフュージョンにオーバーフロードレイン機能を付加して余剰電荷の排出を行っており、余剰電荷排出経路を構成する拡散層を形成するのみで、オーバーフロードレインの領域を新たに設ける必要がなく、占有面積を低減することができる。また、フォトダイオード形成領域に近接させてオーバーフロードレインの領域を設ける必要がないので、フォトダイオード形成領域を含む各部のプロファイル設計の自由度を向上させることができる。

従って、結果として、上述した実施の形態に係る固体撮像装置によれば、高画質の画像信号を得ることができる。

図８は本発明の第３の実施の形態に係る固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図である。また、図９は図８のＡ−Ａ'線に沿った断面を示す説明図である。

フォトダイオード形成領域ＰＤを構成する蓄積ウェル２は、同一ラインの隣り合う画素のリセットトランジスタ形成領域に含まれるフローティングディフュージョン８’にも隣り合っている。本実施の形態においては、この隣り合う部分において蓄積ウェル２とフローティングディフュージョン８’との間の基板表面に、Ｎ^-拡散によるＯＦＤ経路１４’が形成されている。余剰電荷排出経路１４’は、転送モード時以外においては、蓄積ウェル２の他の縁辺部よりもポテンシャルが低く、フォトダイオード形成領域ＰＤからの余剰電荷は、転送トランジスタ領域ＴＴに流出することなく、隣り合う画素のフローティングディフュージョン８’に流れるようになっている。

他の構成は第２の実施の形態と同様である。また、本実施の形態における駆動シーケンス、各モード時のポテンシャルの変化等も第２の実施の形態と同様である。即ち、蓄積モード時又は一括転送モード時において、フォトダイオードに極めて強い光が入射し、フォトダイオード形成領域ＰＤの容量を超えた多数の光発生電荷が発生した場合には、フォトダイオード形成領域ＰＤからのオーバーフロー電荷（余剰電荷）はＯＦＤ経路１４’を介して隣り合う画素のフローティングディフュージョン８’に転送されて蓄積される。

同一ラインの画素は同時に水平ブランキング期間に設定されて、同時にリセット、ノイズ読み出し、信号読み出しが行われる。従って、各画素のフローティングディフュージョン８’に流入した余剰電荷は、水平ブランキング期間内のリセット期間において、同時に排出される。

他の作用及び効果は第２の実施の形態と同様である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図。図１のＡ−Ａ'線に沿った断面を示す説明図。本実施の形態に係る固体撮像装置のセンサセルの等価回路を示す回路図。本実施の形態の固体撮像装置の駆動シーケンスを示すタイミングチャート。一括転送期間と水平ブランキング期間を説明するためのタイミングチャート。本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図。図６のＡ−Ａ'線に沿った断面を示す説明図。本発明の第３の実施の形態に係る固体撮像素子装置の平面形状を示す平面図。図８のＡ−Ａ'線に沿った断面を示す説明図。

符号の説明

２…蓄積ウェル、４…転送ゲート、８…フローティングディフュージョン、９…リセットゲート、ＰＤ…フォトダイオード形成領域、ＴＴ…転送トランジスタ形成領域。

Claims

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、
前記光電変換素子からの光発生電荷を保持するフローティングディフュージョンと、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとの間に配置されて前記光発生電荷の転送を制御するために、前記基板上に形成される転送ゲートと、前記転送ゲートの下方の前記基板表面に形成されて前記光電変換素子から転送される光発生電荷を保持可能な電荷保持領域と、前記電荷保持領域と前記フローティングディフュージョンとに接して前記基板表面に形成される第３の不純物領域とを有する転送・保持手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位を初期化するリセット手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位に基づく出力を発生する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力を選択的に出力する選択トランジスタと、
前記光電変換素子で発生した余剰電荷を前記フローティングディフュージョンに流す余剰電荷排出経路と、を含み、
前記余剰電荷排出経路は、前記光電変換素子を構成する第２の不純物領域と前記フローティングディフュージョンを構成する第４の不純物領域とに接して前記基板表面に形成される第５の不純物領域によって構成される固体撮像装置。
センサセルがマトリクス状に配置されたセンサセルアレイを含む固体撮像装置であって、
前記センサセルは、
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、
前記光電変換素子からの光発生電荷を保持するフローティングディフュージョンと、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとの間に配置されて前記光発生電荷の転送を制御するために、前記基板上に形成される転送ゲートと、前記転送ゲートの下方の前記基板表面に形成されて前記光電変換素子から転送される光発生電荷を保持可能な電荷保持領域と、前記電荷保持領域と前記フローティングディフュージョンとに接して前記基板表面に形成される第３の不純物領域とを有する転送・保持手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位を初期化するリセット手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位に基づく出力を発生する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力を選択的に出力する選択トランジスタと、
前記光電変換素子で発生した余剰電荷を前記フローティングディフュージョンに流す余剰電荷排出経路と、を含み、
前記余剰電荷排出経路は、前記光電変換素子を構成する第２の不純物領域と前記フローティングディフュージョンを構成する第４の不純物領域とに接して前記基板表面に形成される第５の不純物領域によって構成されて、同一センサセル内の前記フローティングディフュージョンに前記光電変換素子で発生した余剰電荷を流す固体撮像装置。
センサセルがマトリクス状に配置されたセンサセルアレイを含む固体撮像装置であって、
前記センサセルは、
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、
前記光電変換素子からの光発生電荷を保持するフローティングディフュージョンと、
前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとの間に配置されて前記光発生電荷の転送を制御するために、前記基板上に形成される転送ゲートと、前記転送ゲートの下方の前記基板表面に形成されて前記光電変換素子から転送される光発生電荷を保持可能な電荷保持領域と、前記電荷保持領域と前記フローティングディフュージョンとに接して前記基板表面に形成される第３の不純物領域とを有する転送・保持手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位を初期化するリセット手段と、
前記フローティングディフュージョンの電位に基づく出力を発生する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力を選択的に出力する選択トランジスタと、
前記光電変換素子で発生した余剰電荷を前記フローティングディフュージョンに流す余剰電荷排出経路と、を含み、
前記余剰電荷排出経路は、前記光電変換素子を構成する第２の不純物領域と隣り合うセンサセル内の前記フローティングディフュージョンを構成する第４の不純物領域とに接して前記基板表面に形成される第５の不純物領域によって構成されて、隣り合うセンサセル内の前記フローティングディフュージョンに前記光電変換素子で発生した余剰電荷を流す固体撮像装置。