JP4391843B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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この発明は、一括シャッタ動作モードを使用することの可能な固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device capable of using a collective shutter operation mode.
MOS型固体撮像素子における画素信号の一般的な読み出し方法としては、XYアドレス読み出し方式がある。このMOS型固体撮像素子のXYアドレス読み出し方式を図11〜図13を用いて説明する。 図11は、MOS型の固体撮像素子に用いられる一般的な画素構成を示している。1100は単一画素を示し、1106は光電変換を行うフォトダイオード、1102はフォトダイオード1106で発生した信号電荷をメモリ1105に転送するための転送トランジスタ、1101はメモリ1105及びフォトダイオード1106をリセットするためのリセットトランジスタ、1104はメモリ1105の電圧レベルを増幅し読み出すためのアンプ、1103は画素を選択し、垂直信号線1114にアンプ1104の出力を伝えるための選択トランジスタを、それぞれ示している。ここで、フォトダイオード1106以外は遮光されている。
As a general readout method of pixel signals in the MOS type solid-state imaging device, there is an XY address readout method. An XY address reading method of the MOS type solid-state image pickup device will be described with reference to FIGS. FIG. 11 shows a general pixel configuration used for a MOS type solid-state imaging device. 1100 indicates a single pixel, 1106 is a photodiode that performs photoelectric conversion, 1102 is a transfer transistor that transfers signal charges generated by the
1110は画素電源線であり、アンプ1104のドレイン側及びリセットトランジスタ1101のドレイン側に電気的に接続されている。1111は1行分の画素をリセットをするためのリセット線であり、1行分の画素のリセットトランジスタ1101のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。1112は1行分の画素の信号電荷をそれぞれの画素のメモリ1105に転送するための転送線であり、1行分の転送トランジスタ1102のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。1113は1行分の画素を選択するための選択線であり、1行分の選択トランジスタ1103のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。このように4個のトランジスタを用いた画素構成(以下4Tr 画素と称する)により、光電変換機能、リセット機能、増幅読出し機能、一時メモリ機能、選択機能を実現している。
図12は、XYアドレス読み出し方式の固体撮像装置の一般的な基本構成を示している。 受光部は、画素1100をm行×n列に配列した画素アレイ1200によって構成されている。 垂直走査回路1204は、行選択信号φSELi (i=1,2,3,・・・m)と行リセット信号φRSi ,及び行転送信号φTxiを画素アレイ1200に出力しながら走査する。 このとき、行選択信号φSELi は選択線1113を介してi行目の画素の選択トランジスタ1103のゲートに伝達され、行リセット信号φRSi はリセット線1111を介してi行目の画素のリセットトランジスタ1101のゲートに伝達され、行転送信号φTxiは転送線1112を介してi行目の画素の転送トランジスタ1102のゲートに伝達される。第i行の画素の信号を読み出す場合には、垂直走査回路1204から第i行目の行選択信号φSELi が画素アレイ1200に入力され、第i行の画素のフォトダイオード1106をリセットする場合には、垂直走査回路1204から第i行目の行リセット信号φRSi 及び行転送信号φTxiが画素アレイ1200に入力される。第i行の画素のメモリ1105をリセットする場合には、垂直走査回路1204から第i行目の行リセット信号φRSi が画素アレイ1200に入力される。第i行の画素の信号電荷をメモリ1105に転送する場合には、垂直走査回路1204から第i行目の行転送信号φTxiが画素アレイ1200に入力される。
FIG. 12 shows a general basic configuration of an XY address reading type solid-state imaging device. The light receiving unit is configured by a
選択されたi行目の画素の信号は、行並列処理回路1201でFPN(固定パターンノイズ)キャンセル等の処理が行われた後、ラインメモリ1202に処理結果が記憶される。 その後、 水平走査回路1203が水平選択信号φHj(j=1,2,3,・・・n)を出力することにより、ラインメモリ1202に記憶された1行分の画素信号を順次選択しながら走査し、読み出す。この処理を第1行から第m行まで順次行うことにより、画素アレイ1200の全画素の信号を走査し、読み出すことができる。
The signal of the pixel in the selected i-th row is subjected to processing such as FPN (fixed pattern noise) cancellation in the row
図13は、このようなXYアドレス読み出し方式の固体撮像装置の駆動タイミングを示したものである。 次に、読み出し期間T1に注目して動作を説明する。垂直走査回路1204から行選択信号φSEL1 が出力され、次いで行リセット信号φRS1 が出力されることで、第1行目の画素が選択され、 画素のリセットレベルが読み出される。 更に、垂直走査回路1204から行転送信号φTx1が出力されることで、第1行目のフォトダイオード1106で発生した信号電荷がメモリ1105に転送され、画素の信号レベルが読み出される。その後、行リセット信号φRS1 及び行転送信号φTx1が出力され、フォトダイオード1106及びメモリ1105のリセットが行われる。ここで、読み出される信号の蓄積期間は、前フレームでフォトダイオード1106をリセットした直後から転送するまでの図中Taで示す期間となる。また、T1期間中信号レベルとリセットレベルの差分処理を行い、ラインメモリ1202にその信号が記憶される。その後、水平走査回路1203を動作させ、水平選択信号φHj(j=1,2,3,・・・n)を出力することにより、1行目の信号を出力する。以降、同様の動作がm行まで行われる。
FIG. 13 shows the driving timing of such a solid-state imaging device of the XY address reading method. Next, the operation will be described by paying attention to the reading period T1. The row selection signal φSEL1 is output from the
このような通常のXYアドレス読み出し方式においては、信号を蓄積する時刻が行毎に異なるため、より具体的には、最初に読み出す第1行と最後に読み出す第m行とでは最大で1フレーム分時刻が異なるために、高速移動物体を撮影したときに画像が歪むという問題が生じる。 In such a normal XY address reading method, the signal accumulation time differs for each row. More specifically, the first row to be read first and the m-th row to be read last are equivalent to one frame at maximum. Since the times are different, there is a problem that the image is distorted when a high-speed moving object is photographed.
これを解決する方法として、一括シャッタ読み出し方法がある。この読み出し方法について簡単に説明する。図14は、図11及び図12と同じ基本構成の固体撮像装置の一括シャッタ動作時の駆動タイミングを示す。まず、垂直走査回路1204から全行の行リセット信号φRS1 〜φRSm 及び全行の行転送信号φTx1〜φTxmが同時に出力されることで、全行分の画素のフォトダイオード1106がリセットされる。その後、一定の信号蓄積期間をおいて、垂直走査回路1204から全行の行転送信号φTx1〜φTxmが同時に出力されることで全行分の画素のフォトダイオード1106に一定期間内に蓄積された信号電荷が、メモリ1105に全行同時に転送される。このような動作により一括シャッタ動作が行われる。
As a method for solving this, there is a batch shutter reading method. This reading method will be briefly described. FIG. 14 shows the drive timing at the time of the collective shutter operation of the solid-state imaging device having the same basic configuration as FIG. 11 and FIG. First, the row reset signals φRS1 to φRSm of all rows and the row transfer signals φTx1 to φTxm of all rows are simultaneously output from the
次いで、メモリ1105に記憶された信号を1行ずつ読み出しを開始する。まず垂直走査回路1204から行選択信号φSEL1 が出力されることで、第1行目の画素が選択され、画素の信号レベルが読み出される。更に垂直走査回路1204から行リセット信号φRS1 が出力されることで、第1行目のメモリ1105がリセットされ、画素のリセットレベルが読み出される。第1行目の画素の信号読み出しが終了すると、第2行目の画素が選択され、信号レベル及びリセットレベルが読み出される。この走査を第m行まで行うことで、 1フレームの信号読み出しが行われる。
Next, reading of the signals stored in the
ここで、説明を簡単にするため水平走査回路1203の水平走査パルスφHj の図示は省略したが、φHj(j=1,2,3,・・・n)は、第i行の信号読み出しから第i+1行の信号読み出しまでの間に出力されている。
一般にXYアドレス読み出し方式で高輝度の被写体を撮像した場合、フォトダイオードで発生した過剰電荷は、基板もしくは画素のリセットトランジスタを介して画素電源に排出される。図11に示した4Tr 画素では、過剰電荷の一部は転送トランジスタ1102,メモリ1105,リセットトランジスタ1101を介して画素電源線1110に排出される。この4Tr 画素の基本構成で一括リセット動作を行った場合、全行の画素において同時刻の画像情報を取得することができるものの、信号蓄積開始から信号読み出しまでの期間及び読み出し開始時刻が異なるため、信号を読み出すまでに高輝度の被写体が映り込んだ場合、一括してメモリに転送した信号電荷に過剰電荷が混入して、適切な画像が得られないという問題がある。この問題は、特に読み出し時刻の遅い行、すなわち最終読出し行(m行目)に近いほど目立つようになる。
In general, when a high-luminance subject is imaged by the XY address readout method, excess charges generated by the photodiode are discharged to the pixel power supply via the substrate or the reset transistor of the pixel. In the 4Tr pixel shown in FIG. 11, a part of the excess charge is discharged to the pixel
この問題の対策として、CCD(電荷結合素子)型撮像素子で一般に用いられているようなオーバーフロードレイン構造、例えば、横型オーバーフロードレイン(以下LODと称する)や縦型オーバーフロードレイン(以下VODと称する)の採用が考えられるが、過剰電荷のメモリへの混入を防ぐことができるもののフォトダイオードの容量(飽和電荷数)を減少させる原因となり、明時のS/Nの低下により高画質化が難しいという問題がある。 As a countermeasure against this problem, an overflow drain structure generally used in a CCD (charge coupled device) type imaging device, for example, a horizontal overflow drain (hereinafter referred to as LOD) or a vertical overflow drain (hereinafter referred to as VOD) is used. Although it can be used, it is possible to prevent excessive charge from being mixed into the memory, but it causes a reduction in the capacitance (saturation charge) of the photodiode, and it is difficult to achieve high image quality due to a decrease in S / N during the daytime. There is.
本発明は、この点に着目してなされたもので、 一括シャッタ動作時において読み出し期間中に高輝度の被写体が映り込んでも適切な画像を得ることができると共に、明時のS/Nが低下しない固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to this point, and an appropriate image can be obtained even when a high-brightness object is reflected during the readout period during the collective shutter operation, and the S / N at the time of light is reduced. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that does not.
上記問題点を解決するため、請求項1に係る発明は、光電変換を行う光電変換部と、該光電変換部に蓄積された信号電荷を一時的に記憶しておくためのメモリと、前記信号電荷を前記メモリに転送するための転送部と、前記光電変換部及び前記メモリをリセットするためのリセット部と、前記メモリに記憶された信号を増幅して読み出すための増幅部と、電位障壁レベルを変更可能に構成され、前記光電変換部に発生した信号電荷を排出するための電荷排出部と、を含む画素が複数、2次元に配置された画素部と、前記画素を順次に走査し読み出す走査回路と、該走査回路による順次読み出し期間中、前記電荷排出部の電位障壁レベルを前記転送部の電位障壁レベルよりも低く制御する電荷排出制御部とを備え、前記光電変換部は、第1導電型の半導体基板上に、前記第1導電型とは反対導電型の半導体で形成された第1の半導体領域に形成され、前記メモリ、前記転送部、前記リセット部、前記増幅部及び前記電荷排出部は、前記半導体基板上に、前記第1の半導体領域の半導体と同じ導電型で且つ不純物濃度の高い半導体で形成された第2の半導体領域に形成されて固体撮像装置を構成するものである。そして、この請求項1に係る固体撮像装置の実施例には、実施例1及び実施例2が対応する。
In order to solve the above problems, the invention according to
請求項2に係る発明は、光電変換を行う光電変換部と、該光電変換部に蓄積された信号電荷を一時的に記憶しておくためのメモリと、前記信号電荷を前記メモリに転送するための転送部と、前記光電変換部及び前記メモリをリセットするためのリセット部と、前記メモリに記憶された信号を増幅して読み出すための増幅部と、電位障壁レベルを変更可能に構成され、前記光電変換部に発生した信号電荷を排出するための電荷排出部と、を含む画素が複数、2次元に配置された画素部と、前記画素を順次に走査し読み出す走査回路と、該走査回路による順次読み出し期間中、前記電荷排出部の電位障壁レベルを前記転送部の電位障壁レベルよりも低く制御する電荷排出制御部とを備え、前記転送部及び前記電荷排出部はMOSトランジスタからなり、前記転送部に係るゲート端子と、前記電荷排出部に係るゲート端子とは、前記光電変換部の略中心に対して互いに対称となる位置に配置されて固体撮像装置を構成するものである。そして、この請求項2に係る固体撮像装置の実施例には、実施例3が対応する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion, a memory for temporarily storing signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit, and for transferring the signal charges to the memory A transfer unit, a reset unit for resetting the photoelectric conversion unit and the memory, an amplification unit for amplifying and reading a signal stored in the memory, and a potential barrier level being changeable, A plurality of pixels including two or more pixels including a charge discharging unit for discharging signal charges generated in the photoelectric conversion unit, a scanning circuit that sequentially scans and reads the pixels, and the scanning circuit during sequential readout period, and a charge discharging control unit for controlling the potential barrier level of the charge discharging portion lower than the potential barrier level of the transfer unit, the transfer unit and the charge discharging part from the MOS transistor Ri, wherein a gate terminal of the transfer unit, and the gate terminal according to the charge discharging section, and constitutes the solid-state imaging device are arranged symmetrically a position to each other with respect to substantially the center of the photoelectric conversion portion . Then, in the embodiment of the solid-state imaging device according to the second aspect, the third embodiment corresponds.
請求項1に係る固体撮像装置によれば、信号読み出し時のみ電荷排出部における電位障壁レベルを、転送部における電位障壁レベルよりも低くすることにより、信号電荷蓄積時には光電変換部の容量を小さくせずに済み、且つ信号読み出し時には高輝度光の入射による過剰電荷がメモリに混入しないように制御できると共に、電位障壁レベルを変化させたときでも周辺回路及び画素内のトランジスタの特性が変化しないようにすることができる。また請求項2に係る固体撮像装置によれば、信号読み出し時のみ電荷排出部における電位障壁レベルを、転送部における電位障壁レベルよりも低くすることにより、信号電荷蓄積時には光電変換部の容量を小さくせずに済み、且つ信号読み出し時には高輝度光の入射による過剰電荷がメモリに混入しないように制御できると共に、電荷排出部と転送部を類似の構成とし、且つ光電変換部の中心に対して対称に配置することにより、光電変換部の光学的な対称性を向上させることができる。 According to the solid-state imaging device of the first aspect, the potential barrier level in the charge discharging unit is set lower than the potential barrier level in the transfer unit only at the time of signal readout, thereby reducing the capacity of the photoelectric conversion unit during signal charge accumulation. It requires not, and at the time of signal readout with an excess charge due to incidence of high-intensity light as possible out control so as not mixed into memory, does not change the characteristics of the transistors of the peripheral circuit and the pixel, even when changing the potential barrier level Can be. In the solid-state imaging device according to the second aspect , the potential barrier level in the charge discharging unit is set lower than the potential barrier level in the transfer unit only at the time of signal readout , thereby reducing the capacity of the photoelectric conversion unit during signal charge accumulation. It is possible to control so that excessive charge due to the incidence of high-intensity light is not mixed into the memory at the time of signal readout, and the charge discharging unit and the transfer unit are configured similarly and symmetrical with respect to the center of the photoelectric conversion unit The optical symmetry of the photoelectric conversion unit can be improved by arranging in the above.
次に、発明を実施するための最良の形態について説明する。 Next, the best mode for carrying out the invention will be described.
まず、本発明に係る固体撮像装置の実施例1を、図1,図2,図3を用いて説明する。この実施例1は、請求項1及び2に係る発明の実施例に対応するものである。図1は、図11に示した4Tr 画素にVOD構造を追加した本実施例における画素の断面を示し、その他の基本構成は図12に示したものと同様である。図1において、N型の半導体基板120 上にP- 型半導体領域122 及び該P- 型半導体領域122 よりも高濃度で且つ、浅く形成されたP型半導体領域121 が形成されている。P- 型半導体領域122 の表面には高濃度のN+ 型不純物領域107 があり、N+ −P- フォトダイオード106 が形成されている。P型半導体領域121 には、フォトダイオード106 で光生成された電子をメモリ105 に転送するための転送トランジスタ102 と、フォトダイオード106 及びメモリ105 をリセットするためのリセットトランジスタ101 と、メモリ105 の電圧レベルを増幅し読み出すための読み出しアンプ104 と、読み出しアンプ104 の出力を図示しない垂直信号線に接続するための選択トランジスタ103 が形成されている。なお、図1では、読み出しアンプ104 と選択トランジスタ103 は、模式的に示している。
First, a first embodiment of a solid-state imaging device according to the present invention will be described with reference to FIGS. The first embodiment corresponds to the first and second embodiments of the present invention. FIG. 1 shows a cross section of a pixel in this embodiment in which a VOD structure is added to the 4Tr pixel shown in FIG. 11, and the other basic configuration is the same as that shown in FIG. In FIG. 1, a P −
そして、N型半導体基板120 は、過剰電子を排出するために高い電圧(例えば5V)に設定された基板電圧V-subが印加され、VOD構造を形成している。なお、基板電圧V-subは、電荷排出制御部130 により、その電圧が制御されている。P型半導体領域121 及びP- 型半導体領域122 には、コンタクト108 を介して接地電圧GNDが印加されている。また、リセットトランジスタ101 のドレイン側は画素電源VDDに接続されている。P- 型半導体領域122 の不純物濃度が低い(例えば、1×1015程度)ため、フォトダイオード106 において、空乏層が深さ方向に伸びるため高感度になる。また、基板電圧V-subを上昇させることにより、VOD構造における電子に対する電位障壁を低くさせることが容易になる。このとき、P型半導体領域121 は浅く形成され、且つ高濃度(例えば、1×1017程度)に設定されているため、P- 型半導体領域122 と比較して、基板電圧V-subの変化による影響を小さく(例えば、1/10程度)することができる。
The N-
図2は、図1に示す画素を用いた固体撮像装置において、一括シャッタ動作させるときの駆動タイミングを示す。基板電圧V-sub以外のパルスタイミングは、図14において説明したものと同じであるので、その説明は省略する。基板電圧V-subは、電荷排出制御部130 により、信号蓄積期間には、VOD構造における電子に対する電位障壁レベルが、転送トランジスタ102 における電位障壁レベルと同程度もしくは高くなるように制御され、順次走査による信号読出し期間中は、VOD構造における電位障壁レベルが、転送トランジスタ102 における電位障壁レベルよりも低くなるように制御されている。このとき、基板電圧V-subは電位障壁レベルを数百mV程度変化させればよく、フォトダイオード106 を完全にリセットするような特に大きな電圧は必要としない。
FIG. 2 shows the drive timing when the collective shutter operation is performed in the solid-state imaging device using the pixels shown in FIG. Since the pulse timing other than the substrate voltage V-sub is the same as that described in FIG. 14, the description thereof is omitted. The substrate voltage V-sub is controlled by the charge
図3〜図6は、図1に示した画素構造において、フォトダイオード106 の深さ方向のポテンシャル分布(図1中のA−A′)、及びフォトダイオード106 から、転送トランジスタ102 ,メモリ105 及びリセットトランジスタ101 を介して画素電源VDDに至るまでの表面におけるポテンシャル分布(図1中のB−B′)を、図2に示した駆動タイミングに対応させて説明した図である。
3 to 6 show the potential distribution (A-A 'in FIG. 1) in the depth direction of the
図3は、一括リセット時のポテンシャル分布を示す。転送トランジスタ102 及びリセットトランジスタ101 のゲートをHレベルにすることにより、フォトダイオード106 で光生成され蓄積されている電子を画素電源VDDを通して排出する。このとき、VOD構造の電位障壁レベルは高いレベルに制御されている。図4は、信号蓄積期間のポテンシャル分布を示す。転送トランジスタ102 及びリセットトランジスタ101 のゲートをLレベルにすることにより、フォトダイオード106 に光生成された電子を蓄積することができる。図5は、一括転送時のポテンシャル分布を示す。転送トランジスタ102 のゲートをHレベルにすることにより、フォトダイオード106 に蓄積された電子がメモリ105 に転送される。図6は、順次読み出し期間におけるポテンシャル分布を示す。順次読み出し期間中に光生成された電子は、VOD構造の電位障壁レベルを低くすることでメモリ105 に混入せずに、基板へ排出される。
FIG. 3 shows the potential distribution at the time of batch reset. By setting the gates of the
CCD(電荷結合素子)型撮像素子で一般に用いられているようなVOD構造をMOS型撮像素子にそのまま適用すると、基板電圧を変化させてフォトダイオードから基板への過剰電荷排出経路の電位障壁レベルを制御しようとする場合に、周辺回路及び画素内のトランジスタ特性が変化してしまうという問題があったが、図1の画素構成及び図2の駆動タイミングにより、基板電圧V-subを変化させても回路特性を変化させずに電位障壁レベルを制御することができ、且つ一括シャッタ動作時において読み出し期間中に高輝度の被写体が映り込んでも、適切な画像を得ることができると共に、明時のS/Nが低下しない固体撮像装置が得られる。 When a VOD structure generally used in a CCD (charge coupled device) type image pickup device is applied to a MOS type image pickup device as it is, the potential barrier level of the excess charge discharging path from the photodiode to the substrate is changed by changing the substrate voltage. When trying to control, there is a problem that the transistor characteristics in the peripheral circuit and the pixel change, but even if the substrate voltage V-sub is changed by the pixel configuration in FIG. 1 and the drive timing in FIG. The potential barrier level can be controlled without changing the circuit characteristics, and an appropriate image can be obtained even when a high-luminance subject is reflected during the readout period during the collective shutter operation, and at the time of S A solid-state imaging device in which / N does not decrease is obtained.
本実施例においては、種々の変更が可能である。例えば、フォトダイオード106 は埋め込みフォトダイオードとしてもよく、特に限定されない。また、本実施例ではkTCノイズ(リセットトランジスタのスイッチングに伴う熱雑音)のキャンセルについては特に説明していないが、特開2002−64751号公報に開示されているように、電荷−電圧変換を行うための容量、及びこの容量への電荷転送を制御するための第2の転送トランジスタを設けたり、特開2003−17677号公報に開示されているように、メモリ105 を完全空乏リセット可能な構成を用いることで、kTCノイズ及びオフセットを伴う固定パターンノイズを、CDS回路(相関2重サンプリング回路)で信号処理することによりキャンセルすることができる。また、本実施例では信号電荷として電子を用いたが、勿論画素構造を反対導電型とし、電源及びパルスの電圧レベルをH,L入れ替えることにより、正孔を信号電荷として扱うこともできる。
Various modifications can be made in this embodiment. For example, the
次に、本発明の実施例2について図7及び図8を用いて説明する。図7は、図11に示した4Tr 画素にLOD構造を追加した本実施例における画素の断面を示す。図7において、P型の半導体基板720 上にP- 型半導体領域722 ,及び該P- 型半導体領域722 よりも高濃度で且つ、浅く形成されたP型半導体領域721 が形成されている。P- 型半導体領域722 の表面には高濃度のN+ 型不純物領域707 があり、N+ −P- フォトダイオード706 が形成されている。P型半導体領域721 には、フォトダイオード706 で光生成された電子をメモリ705 に転送するための転送トランジスタ702 と、フォトダイオード706 及びメモリ705 をリセットするためのリセットトランジスタ701 と、メモリ705 の電圧レベルを増幅し読み出すための読み出しアンプ704 と、読み出しアンプ704 の出力を垂直信号線に接続するための選択トランジスタ703 が形成され、更にドレイン730 及びオーバーフローゲート731 によりLOD構造が形成されている。なお、図7においても、アンプ704 と選択トランジスタ703 は模式的に示している。また、オーバーフローゲート731 に印加される電圧は、電荷排出制御部710 により制御されるようになっている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows a cross section of a pixel in this embodiment in which an LOD structure is added to the 4Tr pixel shown in FIG. In FIG. 7, a P −
そして、P型半導体領域721 及びP- 型半導体領域722 はコンタクト708 を介して接地電圧GNDが印加されている。また、リセットトランジスタ701 のドレイン側及びLOD構造のドレイン730 は画素電源VDDに接続されている。P- 型半導体領域722 の不純物濃度が低い(例えば、1×1015程度)ため、フォトダイオード706 において、空乏層が深さ方向に伸びるため高感度になる。
A ground voltage GND is applied to the P-
この画素を用いた固体撮像装置において、一括シャッタ動作させるときの駆動タイミングは、図2に示した実施例1の駆動タイミングにおいて、基板電圧V-subを制御するタイミングの代わりに、オーバーフローゲート731 を制御するタイミングが異なるだけなので、詳細な説明は省略する。オーバーフローゲート731 は、電荷排出制御部710 により、信号蓄積期間には、LOD構造における電子に対する電位障壁レベルが転送トランジスタ702 における電位障壁レベルと同程度もしくは高くなるように制御され、順次走査による信号読出し期間中は、LOD構造における電位障壁レベルが転送トランジスタ702 における電位障壁レベルよりも低くなるように制御されている。
In the solid-state imaging device using this pixel, the driving timing when performing the collective shutter operation is the same as the driving timing of the first embodiment shown in FIG. 2 except that the
図8の(A)は、図7に示したLOD構造を用いたときの画素のフォトダイオード706 付近のレイアウト図であり、図7と同じ符号を用いて示している。このようにオーバーフローゲート731 及び転送トランジスタ702 のゲートは同一材料(例えばポリシリコン)により構成され、フォトダイオード706 の中心に対して対称位置に配置されている。図8の(B)は、図8の(A)に示した画素部分の断面を表しており、図7の(A)及び図8の(B)におけるX−X′のポテンシャル分布(信号蓄積期間)が図8の(C)に示される。
FIG. 8A is a layout diagram in the vicinity of the
固体撮像装置の特性向上には光学特性も考慮する必要がある。例えば、光線斜入射依存性が非対称になっていると、撮影した画像の周辺部において光量落ち(輝度シェーディング)の非対称性となって現れ、不自然な画像となってしまう問題があったが、上記のように、オーバーフローゲート731 及び転送トランジスタ702 のゲートを配置することにより、画素のフォトダイオード706 に入射する光に対して光学的な対称性が向上し、且つポテンシャル分布がフォトダイオード706 の略中心に対して対称になるため、フォトダイオード706 に入射する光線の入射角依存性が改善され、結果として、撮影した画像の輝度シェーディングの非対称性が改善されて、より自然な画像を取得することが可能になる。
In order to improve the characteristics of the solid-state imaging device, it is necessary to consider optical characteristics. For example, if the oblique incidence dependency is asymmetric, there is a problem that an unnatural image appears as an asymmetry of a light amount drop (brightness shading) in the peripheral part of the captured image. As described above, by arranging the
また、本実施例においても種々の変更が可能である。例えば、図1に示した実施例1のようにP型半導体基板をN型半導体基板に変更することも可能である。また、オーバーフローゲート731 及び転送トランジスタ702 の配置は、フォトダイオード706 の略中心に対して対称に配置していればよく、特に配置方法は限定されるものではない。
Various modifications can be made in this embodiment. For example, the P-type semiconductor substrate can be changed to an N-type semiconductor substrate as in the first embodiment shown in FIG. The
次に、本発明の実施例3について図9及び図10を用いて説明する。図9は、図7に示した実施例2における画素と基本構成は同じであるが、オーバーフローゲート931 とコンタクト908 とを図示しないGND配線に電気的に接続する点が異なる、本実施例の画素の断面図を示す。図9において、P型の半導体基板920 上にP- 型半導体領域922 ,及び該P- 型半導体領域922 よりも高濃度で且つ、浅く形成されたP型半導体領域921 が形成されている。P- 型半導体領域922 の表面には高濃度のN+ 型不純物領域907 があり、N+ −P- フォトダイオード906 が形成されている。P型半導体領域921 には、フォトダイオード906 で光生成された電子をメモリ905 に転送するための転送トランジスタ902 と、フォトダイオード906 及びメモリ905 をリセットするためのリセットトランジスタ901 と、メモリ905 の電圧レベルを増幅し読み出すための読み出しアンプ904 と、読み出しアンプ904 の出力を垂直信号線に接続するための選択トランジスタ903 が形成され、更にドレイン930 及びオーバーフローゲート931 によりLOD構造が形成されている。なお、図9においても、読み出しアンプ904 と選択トランジスタ903 は模式的に示している。
Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 has the same basic configuration as that of the pixel in the second embodiment shown in FIG. 7, but differs in that the
そして、P型半導体領域921 及びP- 型半導体領域922 にはコンタクト908 を介して接地電圧GNDが印加されている。また、リセットトランジスタ901 のドレイン側及びLOD構造のドレイン930 は、画素電源VDDに接続されている。
A ground voltage GND is applied to the P-
この画素を用いた固体撮像装置において、一括シャッタ動作させるときの駆動タイミングは、オーバーフローゲート931 を駆動しないため、図14において説明したものと同じになるので説明は省略する。図10は、図9の構成の画素を用いた固体撮像装置において、一括シャッタ動作をさせ、次いで順次読み出しを行うときの図9中のY−Y′間のポテンシャル分布を示したものである。オーバーフローゲート931 の電位障壁レベルは、例えばN型不純物がオーバーフローゲート下に注入されることにより、転送トランジスタ902 のゲート下の電位障壁レベルよりも低くなっている。そのため、順次読み出し期間中にフォトダイオード906 で発生した信号電荷が、メモリ905 へ混入しないようなポテンシャル分布が得られる。
In the solid-state imaging device using this pixel, the drive timing when performing the collective shutter operation is the same as that described with reference to FIG. FIG. 10 shows the potential distribution between Y and Y ′ in FIG. 9 when the collective shutter operation is performed in the solid-state imaging device using the pixel having the configuration of FIG. The potential barrier level of the
一眼レフカメラに用いられるような大きな光学サイズの固体撮像装置においては、画素読み出し動作中に混入するノイズ、例えばリセット線や転送線、垂直信号線の電圧が変化するときに、配線基板間の容量結合によるノイズが発生すると、画素信号電圧レベルが安定するのに時間を要する場合があり、したがって信号読み出し時間が長くなり高速読み出しが難しいという問題があったが、上記構成により、画素部の電圧レベルを安定させることができると共に、オーバーフロー制御のための配線を必要とせずにLOD構造として機能させることが可能となる。 In a solid-state imaging device having a large optical size such as that used in a single-lens reflex camera, when the noise mixed during pixel readout operation, for example, the voltage of a reset line, transfer line, or vertical signal line changes, the capacitance between wiring boards When noise due to coupling occurs, it may take time for the pixel signal voltage level to stabilize. Therefore, there is a problem that the signal readout time becomes long and high-speed readout is difficult. Can be stabilized, and it is possible to function as an LOD structure without requiring wiring for overflow control.
101 リセットトランジスタ
102 転送トランジスタ
103 選択トランジスタ
104 読み出しアンプ
105 メモリ
106 フォトダイオード
107 N+ 型不純物領域
108 コンタクト
120 N型半導体基板
121 P型半導体領域
122 P- 型半導体領域
130 電荷排出制御部
701 リセットトランジスタ
702 転送トランジスタ
703 選択トランジスタ
704 読み出しアンプ
705 メモリ
706 フォトダイオード
707 N+ 型不純物領域
708 コンタクト
710 電荷排出制御部
720 P型半導体基板
721 P型半導体領域
722 P- 型半導体領域
730 ドレイン
731 オーバーフローゲート
901 リセットトランジスタ
902 転送トランジスタ
903 選択トランジスタ
904 読み出しアンプ
905 メモリ
906 フォトダイオード
907 N+ 型不純物領域
908 コンタクト
920 P型半導体基板
921 P型半導体領域
922 P- 型半導体領域
930 ドレイン
931 オーバーフローゲート
101 Reset transistor
102 Transfer transistor
103 selection transistor
104 Read amplifier
105 memory
106 photodiode
107 N + type impurity region
108 contacts
120 N-type semiconductor substrate
121 P-type semiconductor region
122 P - type semiconductor region
130 Charge discharge control unit
701 Reset transistor
702 Transfer transistor
703 Select transistor
704 Read amplifier
705 memory
706 photodiode
707 N + type impurity region
708 contacts
710 Charge discharge controller
720 P type semiconductor substrate
721 P-type semiconductor region
722 P - type semiconductor region
730 drain
731 Overflow gate
901 Reset transistor
902 Transfer transistor
903 selection transistor
904 readout amplifier
905 memory
906 Photodiode
907 N + type impurity region
908 contacts
920 P-type semiconductor substrate
921 P-type semiconductor region
922 P - type semiconductor region
930 drain
931 overflow gate
Claims (2)
前記画素を順次に走査し読み出す走査回路と、
該走査回路による順次読み出し期間中、前記電荷排出部の電位障壁レベルを前記転送部の電位障壁レベルよりも低く制御する電荷排出制御部とを有し、
前記光電変換部は、第1導電型の半導体基板上に、前記第1導電型とは反対導電型の半導体で形成された第1の半導体領域に形成され、前記メモリ、前記転送部、前記リセット部、前記増幅部及び前記電荷排出部は、前記半導体基板上に、前記第1の半導体領域の半導体と同じ導電型で且つ不純物濃度の高い半導体で形成された第2の半導体領域に形成されていることを特徴とする固体撮像装置。 A photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion, a memory for temporarily storing signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit, a transfer unit for transferring the signal charges to the memory, and the photoelectric conversion And a reset unit for resetting the memory, an amplifying unit for amplifying and reading a signal stored in the memory, and a signal charge generated in the photoelectric conversion unit, the potential barrier level being changeable A plurality of pixels including two or more pixels including a charge discharging unit for discharging
A scanning circuit that sequentially scans and reads the pixels;
During sequentially read period by the scanning circuit, the potential barrier level of the charge discharging unit have a charge discharge control unit for controlling lower than the potential barrier level of the transfer unit,
The photoelectric conversion unit is formed in a first semiconductor region formed of a semiconductor of a conductivity type opposite to the first conductivity type on a first conductivity type semiconductor substrate, and the memory, the transfer unit, and the reset The amplifying unit and the charge discharging unit are formed on the semiconductor substrate in a second semiconductor region formed of a semiconductor having the same conductivity type and high impurity concentration as the semiconductor of the first semiconductor region. a solid-state imaging apparatus characterized by there.
前記画素を順次に走査し読み出す走査回路と、
該走査回路による順次読み出し期間中、前記電荷排出部の電位障壁レベルを前記転送部の電位障壁レベルよりも低く制御する電荷排出制御部とを有し、
前記転送部及び前記電荷排出部はMOSトランジスタからなり、前記転送部に係るゲート端子と、前記電荷排出部に係るゲート端子とは、前記光電変換部の略中心に対して互いに対称となる位置に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。 A photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion, a memory for temporarily storing signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit, a transfer unit for transferring the signal charges to the memory, and the photoelectric conversion And a reset unit for resetting the memory, an amplifying unit for amplifying and reading a signal stored in the memory, and a signal charge generated in the photoelectric conversion unit, the potential barrier level being changeable A plurality of pixels including two or more pixels including a charge discharging unit for discharging
A scanning circuit that sequentially scans and reads the pixels;
A charge discharge control unit that controls a potential barrier level of the charge discharge unit to be lower than a potential barrier level of the transfer unit during a sequential readout period by the scanning circuit;
The transfer unit and the charge discharge unit are formed of MOS transistors, and the gate terminal related to the transfer unit and the gate terminal related to the charge discharge unit are symmetrical to each other with respect to the approximate center of the photoelectric conversion unit. solid-state image sensor characterized in that it is arranged.
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