JPH03262158A - Solid-state image sensing device - Google Patents

Solid-state image sensing device

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Publication number
JPH03262158A
JPH03262158A JP2061578A JP6157890A JPH03262158A JP H03262158 A JPH03262158 A JP H03262158A JP 2061578 A JP2061578 A JP 2061578A JP 6157890 A JP6157890 A JP 6157890A JP H03262158 A JPH03262158 A JP H03262158A
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JP
Japan
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region
pixels
gate
drain
selection transistor
Prior art date
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Pending
Application number
JP2061578A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Yamazaki
山崎 宏之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2061578A priority Critical patent/JPH03262158A/en
Publication of JPH03262158A publication Critical patent/JPH03262158A/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144Devices controlled by radiation
    • H01L27/146Imager structures
    • H01L27/14643Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14654Blooming suppression
    • H01L27/14656Overflow drain structures

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enable pixels to be scanned at a high speed by a method wherein a selection transistor is constituted in such as state that a prescribed voltage is given to its gate electrode to enable it to be turned ON or OFF depending on whether an interband tunneling phenomenon occurs on the surface of a drain region just under a gate or not. CONSTITUTION:A reset pulse is given to the overflow gate 56 of a transistor T1 through the intermediary of an overflow gate line l1 from an overflow gate terminal POG, the potential of an N<+> source region 22 which forms the photodiodes PD of all pixels 46 is set to a preset potential, and then a preset charge is determined in quantity. In this state, when light is made to impinge on a PD for a certain integral time, an optical signal charge is stored in the N<+> source region 22. The charge stored in the pixels 46 are read out through such a way that a horizontal scanning circuit 41 and a vertical scanning circuit 42 are made to output scanning pulses respectively, a vertical signal line l<3> is selected, and the erased selection transistors T2 whose threshold voltages are set to Vth2 are selectively turned ON or OFF in the pixels 46 through a horizontal selection line L2 so as not to enable a write to take place. By this setup, the high speed scanning of pixels can be realized.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、画素の高速走査を行うことがてきる固体撮
像装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a solid-state imaging device capable of high-speed scanning of pixels.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第3図及び第4図は従来のMO8型固体撮像装置の基本
構成を示す回路構成図及び1画素の断面構造を示す断面
図である。
3 and 4 are a circuit configuration diagram showing the basic configuration of a conventional MO8 type solid-state imaging device, and a cross-sectional view showing the cross-sectional structure of one pixel.

第3図において、41は水平走査回路、42は垂直走査
回路、44は水平スイッチMO3)ランジスタ、45は
読出し信号検出用の積分回路、VSは映像信号出力線、
■  は映像出力、PODはUT オーバーフロートレイン端子、PoGはオーバーフロー
ゲート端子、Jl!1はオーバーフローケ−1・線、p
2はAρ水平選択線、p3はAp垂直信号線、ρ4はオ
ーバーフロードレイン線である。また、46は1画素分
の構成部を示し、フオトダイオドPD並びにオーバーフ
ローゲート及びMO8転送ゲートをそれぞれ有するトラ
ンジスタT]、、T2より構成されている。
In FIG. 3, 41 is a horizontal scanning circuit, 42 is a vertical scanning circuit, 44 is a horizontal switch MO3) transistor, 45 is an integrating circuit for detecting a read signal, VS is a video signal output line,
■ is the video output, POD is the UT overflow train terminal, PoG is the overflow gate terminal, Jl! 1 is the overflow K-1 line, p
2 is an Ap horizontal selection line, p3 is an Ap vertical signal line, and ρ4 is an overflow drain line. Further, 46 indicates a component for one pixel, and is composed of a photodiode PD and transistors T], , and T2 each having an overflow gate and an MO8 transfer gate.

第4図に示すように各画素46は、P型Si基板50上
層部に3つのN+拡散領域51〜53を形成している。
As shown in FIG. 4, each pixel 46 has three N+ diffusion regions 51 to 53 formed in the upper layer of a P-type Si substrate 50. As shown in FIG.

N+拡散領域5]、、52間のP型St基板50上に5
102膜54を介してポリシリコンからなるオーバーフ
ローゲート56が形成されている。また、N+拡散領域
52.53間のP型St基板50上にポリシリコンから
なる転送ゲート57がS 102膜55を介して形成さ
れている。そして、N+拡散領域51.52とオーバー
フローゲート56によりトランジスタT1を、N+拡散
領域52.53と転送ゲート57によりトランジスタT
2を、N+拡散領域52とP型Si基板50とのpn接
合によりフォトダイオードPDを形成している。また、
N+拡散領域51オーバーフローゲート56.転送ゲー
ト57及びN+拡散領域53はそれぞれオーバーフロー
ドレイン線114、オーバーフローゲー111、Aρ水
平選択線p2及びAN垂直信号線g3に接続されている
5 on the P-type St substrate 50 between the N+ diffusion regions 5], , 52.
An overflow gate 56 made of polysilicon is formed through the 102 film 54. Further, a transfer gate 57 made of polysilicon is formed on the P-type St substrate 50 between the N+ diffusion regions 52 and 53 with an S102 film 55 interposed therebetween. The transistor T1 is formed by the N+ diffusion region 51.52 and the overflow gate 56, and the transistor T1 is formed by the N+ diffusion region 52.53 and the transfer gate 57.
2, a photodiode PD is formed by a pn junction between an N+ diffusion region 52 and a P-type Si substrate 50. Also,
N+ diffusion region 51 overflow gate 56. The transfer gate 57 and the N+ diffusion region 53 are connected to the overflow drain line 114, the overflow gate 111, the Aρ horizontal selection line p2, and the AN vertical signal line g3, respectively.

また、転送ゲート57を有するトランジスタT2は、オ
フ状態となることでフォトダイオードPDで光電変換さ
れた電荷がAIl垂直信号線ρ3に流出するのを防ぐ働
きをする。トランジスタT]のオーバーフローゲート5
6.N+拡散領域51はそれぞれオーバーフローゲート
端子POG’ オーバーフロードレイン端子PoDに接
続されることにより、後述するようにフォトダイオード
PDのプリセット動作を行う。さらに撮像時に、強い光
がフォトダイオードPDに照射した場合にフォトダイオ
ードPDよりあふれる電荷を掃きだしブルーミングを抑
制するオーバーフロードレインとしての役目も果たす。
Further, the transistor T2 having the transfer gate 57 functions to prevent the charge photoelectrically converted by the photodiode PD from flowing to the AI1 vertical signal line ρ3 by being turned off. Transistor T] overflow gate 5
6. The N+ diffusion regions 51 are respectively connected to an overflow gate terminal POG' and an overflow drain terminal PoD, thereby performing a presetting operation of the photodiode PD as described later. Furthermore, when the photodiode PD is irradiated with strong light during imaging, it also serves as an overflow drain that sweeps out the charge overflowing from the photodiode PD and suppresses blooming.

このような構成において、オーバーフローゲート端子P
。0よりオーバーフローゲート線p1を介してトランジ
スタT1のオーバーフローゲート56にリセットパルス
を与え、全画素46のフォトダイオードPDを形成する
N+拡散領域52の電位をプリセット電位に設定し、プ
リセット状態の電荷量を決定する。
In such a configuration, the overflow gate terminal P
. 0 to the overflow gate 56 of the transistor T1 via the overflow gate line p1, the potential of the N+ diffusion region 52 forming the photodiode PD of all pixels 46 is set to a preset potential, and the amount of charge in the preset state is set. decide.

この状態で光を一定の積分期間Tiの間フォトダイオー
ドPDに入射すると、光励起した光信号電荷がN+拡散
領域52中に蓄積され、N+拡散領域52の電位が下降
する。この動作は”IEEE J。
In this state, when light is incident on the photodiode PD for a certain integration period Ti, the photo-excited optical signal charges are accumulated in the N+ diffusion region 52, and the potential of the N+ diffusion region 52 decreases. This operation is based on "IEEE J.

5o11d−3tate C1rcuits、Vol 
5C−2,no、12 p、65−73Sept 19
67”におけるG、P、Weckler氏の論文「0p
eration of p−n juncHon ph
otodetectors in a photon 
flux integration mode」に開示
された、通常のMO8型固体撮像素子におけるP F 
I (Phot。
5o11d-3tate C1rcuits, Vol.
5C-2, no, 12 p, 65-73Sept 19
G. P. Weckler's paper “0p
eration of p-n juncHon ph
otodetectors in a photon
P
I (Photo.

n−Flux Integration)モードと等価
である。
n-Flux Integration) mode.

このようにして、N+拡散領域52中に蓄積された各画
素46の電荷の読出し、つまり撮像は、水平走査回路4
1及び垂直走査回路42よりそれぞれ走査パルスを出力
させ、All垂直信号線ρ3を選択するとともにAN水
平選択線ρ2を介して各画素46の選択トランジスタT
2を選択的にオン/オフさせることにより、各画素46
を走査し、最終的に映像信号V。Uoとして情報を読出
すことで行っている。
In this way, the readout of the charge of each pixel 46 accumulated in the N+ diffusion region 52, that is, the imaging is carried out by the horizontal scanning circuit 4.
1 and the vertical scanning circuit 42 respectively to select the All vertical signal line ρ3 and to select the selection transistor T of each pixel 46 via the AN horizontal selection line ρ2.
2 by selectively turning on/off each pixel 46.
and finally the video signal V. This is done by reading out the information as Uo.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

従来の固体撮像装置は以上のように構成されており、選
択トランジスタT2はMO8FET構造であるため、微
細化する際に、ホットエレクトロンの発生、バンチスル
ー現象の誘発等の短チヤネル効果が生じるという問題点
があった。
The conventional solid-state imaging device is configured as described above, and the selection transistor T2 has a MO8FET structure, so when miniaturizing it, there is a problem that short channel effects such as generation of hot electrons and induction of bunch-through phenomenon occur. There was a point.

また、選択トランジスタT2のスイッチング動作は、さ
程高速でないため、画素46の走査速度に限界があった
。このため、高速に動く物体等の空間周波数の高い被写
体の撮像には、画素数を増やすことができないため、十
分な解像度で撮像することはできないという問題点があ
った。
Further, since the switching operation of the selection transistor T2 is not very fast, there is a limit to the scanning speed of the pixel 46. Therefore, when capturing an image of a subject with a high spatial frequency, such as a fast-moving object, there is a problem in that the number of pixels cannot be increased, and therefore the image cannot be captured with sufficient resolution.

一方、スイッチング動作が高速で、短チヤネル効果が生
じないMOSFETとして、”IEEE Intern
ational Electron Devices 
Meeting、 Digest 。
On the other hand, as a MOSFET with high-speed switching operation and no short channel effect, "IEEE International
ational Electron Devices
Meeting, Digest.

f Technical Papers、 pp402
−405°゛のE、TAKEDA氏他の論文「^ban
d to band tunneling MOS d
evice Jに記載されたバンド間トンネリングMO
3FET(以下、rB” ’1−M03FETjという
。)がある。
f Technical Papers, pp402
E of -405°゛, Mr. TAKEDA et al.'s paper "^ban
d to band tunneling MOS d
Interband tunneling MO described in evice J
There is a 3FET (hereinafter referred to as rB''1-M03FETj).

第5図はB11−MOSFETの断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the B11-MOSFET.

同図に示すようにP 基板10表面にP+ドレイン領域
11とN+ソース領域12とがそれぞれ形成されている
。このP+ドレイン領域11の中心部上からN+ソース
領域12の端部上にかけてトンネリングが可能な膜厚が
10〜15nmの酸化膜13が形成され、この酸化膜1
3上にゲート電極14が形成されている。また、P+ド
レイン領域11、ゲート電極14及びN+ソース領域1
2はそれぞれドレイン端子15.ゲート端子16及びソ
ース端子17に接続されている。
As shown in the figure, a P+ drain region 11 and an N+ source region 12 are formed on the surface of a P substrate 10, respectively. An oxide film 13 with a thickness of 10 to 15 nm that allows tunneling is formed from the center of the P+ drain region 11 to the end of the N+ source region 12.
A gate electrode 14 is formed on 3. Also, a P+ drain region 11, a gate electrode 14 and an N+ source region 1
2 are drain terminals 15. It is connected to the gate terminal 16 and the source terminal 17.

なお、第5図において、Lo■はゲート電極14とP+
ドレイン領域11との重複した領域(以下、「ゲート、
ドレインオーバラップ領域」という。)の長さ(以下。
In addition, in FIG. 5, Lo■ is between the gate electrode 14 and P+
A region overlapping with the drain region 11 (hereinafter referred to as "gate")
This is called the "drain overlap region." ) length (less than or equal to).

「ゲート、ドレインオーバラップ長」という。)であり
、L8.はP+ ドレイン領域11とN+ソース領域1
2との間の長さ(以下、[ドレイン、ソース間長」とい
う。)である。
It is called "gate and drain overlap length." ), and L8. is P+ drain region 11 and N+ source region 1
2 (hereinafter referred to as "drain-source length").

このような構成において、ドレイン端子15゜ソース端
子17にソース側が高電圧になるようにそれぞれ電圧を
印加し、ゲート端子16を介してゲート電極14に正の
電圧を印加すると、P+ドレイン領域11とN+ソース
領域]2との間のP−基板10表面に深い空乏領域10
aが形成されるとともに、ゲート、ドレインオーバラッ
プ領域にあるP+ドレイン領域11表面領域11 aに
おいて、第6図のバンド図に示すように、バンド間トン
ネリングが生じ、電子(electron)、正孔(h
ole)対がそれぞれ伝導帯1価電子帯に発生する。
In such a configuration, when voltages are applied to the drain terminal 15 and the source terminal 17 so that the source side becomes a high voltage, and a positive voltage is applied to the gate electrode 14 via the gate terminal 16, the P+ drain region 11 and A deep depletion region 10 on the surface of the P− substrate 10 between the N+ source region] 2
As shown in the band diagram of FIG. 6, interband tunneling occurs in the surface region 11a of the P+ drain region 11 in the gate and drain overlap region, and electrons and holes ( h
ole) pairs are generated in the conduction band and single valence band, respectively.

そして、電子が空間電荷伝導により、空乏領域10aを
介してN+ソース領域12に流入し、正孔がP+ドレイ
ン領域11に流入することにより、次の (1)式に示
す電流■1が流れる。
Then, due to space charge conduction, electrons flow into the N+ source region 12 via the depletion region 10a, and holes flow into the P+ drain region 11, so that a current 1 shown in the following equation (1) flows.

I  −q−N、・μ。ff −E   ・・(1)な
お、(1)式において、Ntは正孔−電子対の数、qは
電荷素置、μ。4.は空乏領域10aのドレイン、ソー
ス間長L8.により決定される実効的な移動度、Eはゲ
ート ドレインオーパラ・ツブ領域における酸化膜13
にかかる電界強度である。
I −q−N, ·μ. ff −E (1) In equation (1), Nt is the number of hole-electron pairs, q is the charge element, and μ. 4. is the drain-source length L8. of the depletion region 10a. The effective mobility determined by E is the oxide film 13 in the gate-drain opal-tube region.
is the electric field strength applied to

上記したようにB11−MOSFETは2つのキャリア
の移動により電流が流れるため、高速スイッチング動作
が可能となる。また、ドレインソースの導電形式が異な
っており、ドレイン1 ラス間にP+N+ポテンシャル
障壁が生じるため、ドレイン、ソース間長LsPを0.
1 μm以下にする等の微細化しても短チヤネル効果は
生じない。しかしながら、上記B2T−MO8FETが
固体撮像装置のスイッチングトランジスタとして用いら
れたことはなかった。
As described above, current flows through the B11-MOSFET due to the movement of two carriers, so high-speed switching operation is possible. In addition, since the conductivity types of the drain and source are different, and a P+N+ potential barrier is generated between the drain and the first lath, the length LsP between the drain and source is set to 0.
Even if the thickness is reduced to 1 μm or less, the short channel effect does not occur. However, the B2T-MO8FET has never been used as a switching transistor in a solid-state imaging device.

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、微細化しても短チヤネル効果が生じない選択
トランジスタから構成され、画素の高速走査が可能な固
体撮像装置を得ることを目的とする。
This invention was made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a solid-state imaging device that is composed of selection transistors that do not cause short channel effects even when miniaturized, and that is capable of high-speed pixel scanning. shall be.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

この発明にかかる固体撮像装置は、第1の導電型の半導
体基板と、前記半導体基板中に形成された光電変換部と
、前記半導体基板上に形成され、前記光電変換部の一部
を含み、前記光電変換部により光電変換された電気信号
のスイッチングを行なう選択トランジスタとを備えてお
り、前記選択トランジスタは、前記半導体基板表面に選
択的に形成された第1の導電型のドレイン領域と、前記
半導体基板表面に選択的に形成された第2の導電型のソ
ース領域と、前記ドレイン領域上から前記ソース領域の
端部上にかけて形成され、トンネリングが可能な膜厚の
絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、キャリアをトラッ
プすることにより、不揮発な情報記憶を行う不揮発情報
記憶層と、前記不揮発情報記憶層上に形成されたゲート
電極とを備えて構成されている。
A solid-state imaging device according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate, a photoelectric conversion section formed in the semiconductor substrate, and a part of the photoelectric conversion section formed on the semiconductor substrate, a selection transistor that performs switching of the electrical signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion section, and the selection transistor includes a drain region of a first conductivity type selectively formed on the surface of the semiconductor substrate; a second conductivity type source region selectively formed on a surface of a semiconductor substrate; an insulating film formed from above the drain region to an end of the source region and having a thickness that allows tunneling; and the insulating film. It is configured to include a nonvolatile information storage layer that is formed above and performs nonvolatile information storage by trapping carriers, and a gate electrode that is formed on the nonvolatile information storage layer.

〔作用〕[Effect]

この発明においては、光電変換部により光電変換された
電気信号のスイッチングを行なう選択トランジスタは、
ゲート電極に所定の走査パルスを与え、ゲート直下のト
レイン領域の表面部にバンド間トンネリングが生じるか
とうかによってオン/オフ動作する。
In this invention, the selection transistor that performs switching of the electrical signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion section is
A predetermined scanning pulse is applied to the gate electrode, and the device is turned on/off depending on whether interband tunneling occurs on the surface of the train region directly under the gate.

〔実施例〕〔Example〕

 0 第1図はこの発明の一実施例であるM N OS JJ
J固体撮像装置の1画素の断面構造を示す断面図である
。なお、固体撮像装置の基本構成は第3図の従来例と同
様である。
0 Figure 1 shows an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the cross-sectional structure of one pixel of the J solid-state imaging device. The basic configuration of the solid-state imaging device is the same as the conventional example shown in FIG.

第1図に示すように各画素では、P  Si基板20上
層部にN+拡散領域51.P+ドレイン領域21.N+
ソース領域22がそれぞれ形成されている。N+拡散領
域51.N+ソース領域22間のP  St基板20上
に5102膜54を介してポリシリコンからなるオーバ
ーフローゲート56が形成されている。
As shown in FIG. 1, in each pixel, an N+ diffusion region 51. P+ drain region 21. N+
Source regions 22 are respectively formed. N+ diffusion region 51. An overflow gate 56 made of polysilicon is formed on the P St substrate 20 between the N+ source regions 22 with a 5102 film 54 interposed therebetween.

また、P+ドレイン領域21の中心部上からN+ソース
領域22の端部上にかけてトンネリングが可能な膜厚が
70〜100人のS i O2膜23が形成されている
。このS iO2膜23上にSiN  膜24が形成さ
れ、513N4膜24上4 に転送ゲート25が形成されている。
Further, an SiO2 film 23 having a thickness of 70 to 100 mm is formed from the center of the P+ drain region 21 to the end of the N+ source region 22 to allow tunneling. A SiN film 24 is formed on this SiO2 film 23, and a transfer gate 25 is formed on the 513N4 film 24.

なお、第1図において、Lovは転送ゲート電極25と
P+ ドレイン領域21とのゲート、ドレインオーバラ
ップ長であり、LsPはP+ ドレイン領域21とN+
ソース領域22との間のドレインソース間長である。
In FIG. 1, Lov is the gate and drain overlap length between the transfer gate electrode 25 and the P+ drain region 21, and LsP is the gate and drain overlap length between the transfer gate electrode 25 and the P+ drain region 21 and the N+ drain region 21.
This is the drain-source length between the source region 22 and the source region 22 .

そして、N+拡散領域5]、N+ソース領域22及びオ
ーバーフローゲート56により第3図のトランジスタT
1を、N+ソース領域22.P+ドレイン領域21及び
転送ゲート25により第3図の選択トランジスタT2を
形成している。すなわち、転送ゲート25を有するトラ
ンジスタT2はB2T、−MNO3FETとなり、その
動作は、転送ゲート25に所定の電圧を印加し、ドレイ
ンゲートオーバーラツプ領域にあるP+ドレイン領域2
1の表面領域21Hにバンド間トンネリング(以下、こ
の現象を「水平トンネリング」という。
Then, the transistor T of FIG.
1 to the N+ source region 22. The P+ drain region 21 and the transfer gate 25 form the selection transistor T2 shown in FIG. That is, the transistor T2 having the transfer gate 25 becomes a B2T, -MNO3FET, and its operation is such that a predetermined voltage is applied to the transfer gate 25, and the P+ drain region 2 in the drain gate overlap region is
Band-to-band tunneling (hereinafter, this phenomenon is referred to as "horizontal tunneling") occurs in the surface region 21H of 1.

)を生じさせることによって行われる。加えて、後に詳
述するが、この選択トランジスタT2の閾値電圧は書込
み及び消去動作により、Vth1〜Vth2の間で変更
可能である。なお、20aは深い空乏領域である。また
、N+ソース領域22とPSi基板20とのPN接合に
より第3図のフォトダイオードPDを形成している。そ
して、N+] 1 2 拡散領域51.オーバーフローゲート56.転送ゲート
25及びP+ドレイン領域21はそれぞれオーバーフロ
ードレイン線114.オーバーフロゲート線Fi、AN
水平選択線p2及びAN垂直信号線、Q3に接続されて
いる。
). In addition, as will be described in detail later, the threshold voltage of the selection transistor T2 can be changed between Vth1 and Vth2 by write and erase operations. Note that 20a is a deep depletion region. Further, a photodiode PD shown in FIG. 3 is formed by a PN junction between the N+ source region 22 and the PSi substrate 20. and N+] 1 2 diffusion region 51 . Overflow gate 56. Transfer gate 25 and P+ drain region 21 are connected to overflow drain line 114 . Overflow gate line Fi, AN
It is connected to the horizontal selection line p2 and the AN vertical signal line, Q3.

また、転送ゲート25を有するトランジスタT2は、オ
フ状態となることでフォトダイオードPDで光電変換さ
れた電荷がAN垂直信号線、l!3に流出するのを防ぐ
働きをする。トランジスタT1のオーバーフローゲート
56  N+拡散領域51はそれぞれオーバーフローゲ
ート端子PoG、オバーフロードレイン端子PoDに接
続されることにより、後述するようにフ第1・ダイオー
ドPDのプリセット動作を行う。さらに撮像時に、強い
光がフォトダイオードPDに照射した場合にフォトダイ
オードPDよりあふれる電荷を掃きだしブルミングを抑
制するオーバーフロードレインとしての役目も果たす。
Further, when the transistor T2 having the transfer gate 25 is turned off, the charge photoelectrically converted by the photodiode PD is transferred to the AN vertical signal line l! 3. It works to prevent leakage. The overflow gate 56 and N+ diffusion region 51 of the transistor T1 are connected to an overflow gate terminal PoG and an overflow drain terminal PoD, respectively, thereby performing a presetting operation of the first diode PD as described later. Furthermore, when the photodiode PD is irradiated with strong light during imaging, it also serves as an overflow drain that sweeps out the charge overflowing from the photodiode PD and suppresses blooming.

このような構成の固体撮像装置の撮像動作について説明
する。
The imaging operation of the solid-state imaging device having such a configuration will be described.

まず、オーバーフローゲート端子PoGよりオーバーフ
ローゲート線ρ1を介してトランジスタT1のオーバー
フローゲート56にリセットパルスを与え、全画素46
のフォトダイオードPDを形成するN+ソース領域22
の電位をプリセット電位に設定し、プリセット状態の電
荷量を決定する。
First, a reset pulse is applied from the overflow gate terminal PoG to the overflow gate 56 of the transistor T1 via the overflow gate line ρ1, and all pixels 46
N+ source region 22 forming the photodiode PD of
The potential of is set as a preset potential, and the amount of charge in the preset state is determined.

この状態(以下、「撮像準備状態」という。)で光を一
定の積分期間Tiの間フォトダイオードPDに入射する
と、光励起した光信号電荷がN+ソース領域22中に蓄
積され、N+ソース領域22の電位が下降する。この動
作は従来例で述べたように、通常のMO3型固体撮像素
子におけるPFlモードと等価である。
When light is incident on the photodiode PD for a certain integration period Ti in this state (hereinafter referred to as the "imaging preparation state"), the photoexcited optical signal charge is accumulated in the N+ source region 22, and the N+ source region 22 is Potential decreases. As described in the conventional example, this operation is equivalent to the PFl mode in a normal MO3 type solid-state image sensor.

このようにしてN+ソース領域22中に蓄積された各画
素46の電荷の読出しは、水平走査回路41及び垂直走
査回路42よりそれぞれ走査パルスを出力させ、Aρ垂
直信号線p3を選択するとともに、All水平選択線、
Q2を介して各画素46において、消去され閾値電圧が
Vth2に設定されている選択トランジスタT2を書込
みが生じない 3 4 ように選択的にオン/オフさせることにより行っている
。この時、選択トランジスタT2のオン/オフは水平ト
ンネリングによる2つのキャリアの移動により行われる
ため、高速スイッチング動作が可能となる。従って、こ
の選択トランジスタT2のオン/オフにより画素の走査
を行う本実施例の固体撮像装置では画素の高速走査が可
能となり、高速に動く物体等の空間周波数の高い被写体
でも十分な解像度で撮像することかできる。
To read out the charges of each pixel 46 accumulated in the N+ source region 22 in this way, the horizontal scanning circuit 41 and the vertical scanning circuit 42 output scanning pulses, select the Aρ vertical signal line p3, and select the Aρ vertical signal line p3. horizontal selection line,
This is done by selectively turning on/off the selection transistor T2, which has been erased and whose threshold voltage is set to Vth2, in each pixel 46 via Q2 so that writing does not occur. At this time, since the selection transistor T2 is turned on/off by the movement of two carriers by horizontal tunneling, high-speed switching operation is possible. Therefore, in the solid-state imaging device of this embodiment, which scans pixels by turning on/off the selection transistor T2, it is possible to scan pixels at high speed, and even objects with a high spatial frequency such as fast-moving objects can be imaged with sufficient resolution. I can do it.

上記した撮像動作に加えて、各画素46の画像情報の選
択トランジスタT2への書込みが以Fのようにして行わ
れる。
In addition to the above-described imaging operation, image information of each pixel 46 is written into the selection transistor T2 as described below.

まず、撮像準備状態で、撮像動作同様、光を一定の積分
期間Tiの間フォトダイオードPDに入射すると、光励
起した光信号電荷がN+ソース領域22中に蓄積され、
N+ソース領域22の電位が下降する。
First, in the imaging preparation state, when light is incident on the photodiode PD for a certain integration period Ti, as in the imaging operation, the optically excited optical signal charge is accumulated in the N+ source region 22,
The potential of N+ source region 22 decreases.

その後、選択トランジスタT2のドレイン側をソース側
より十分低電位にして、転送ゲート25に所定の正の高
電圧を印加すると、P+ドレイン領域2]とN+ソース
領域22間のP  St基板20表面に深い空乏領域2
0aが形成される。そして、転送ゲート25直下のP+
ドレイン領域21の表面領域21aにおいて、水平トン
ネリングが生じる。この時、フォトダイオードPDの光
電変換量を決定するN+ソース領域22の電位に応じて
水平トンネリングの発生量も変化する。その後、電子は
空間電荷伝導により空乏領域20aを介してN+ソース
領域22に流入し、正孔はP+ドレイン領域21に向っ
て流れ出す。
After that, when the drain side of the selection transistor T2 is set to a sufficiently lower potential than the source side and a predetermined positive high voltage is applied to the transfer gate 25, the surface of the PSt substrate 20 between the P+ drain region 2 and the N+ source region 22 is deep depletion region 2
0a is formed. Then, P+ directly below the transfer gate 25
Horizontal tunneling occurs in the surface region 21a of the drain region 21. At this time, the amount of horizontal tunneling generated also changes depending on the potential of the N+ source region 22, which determines the amount of photoelectric conversion of the photodiode PD. Thereafter, electrons flow into the N+ source region 22 via the depletion region 20a due to space charge conduction, and holes flow out toward the P+ drain region 21.

さらに、書込み電圧が高電圧であり、SiO2膜23に
かかる電界強度が十分高いため、SiO2膜2Bにトン
ネリングが生じ、水平トンネリングにより発生した電子
の一部は5IO2膜23中をトンネリングし、Si3N
4膜24中に]・ラップされる(以下、この現象を「垂
直トンネリング」という。)。このSi3N4膜24中
のトラップ電荷により選択トランジスタT2の閾値電圧
が消去状態V□h2から上昇する。
Furthermore, since the write voltage is high and the electric field strength applied to the SiO2 film 23 is sufficiently high, tunneling occurs in the SiO2 film 2B, and some of the electrons generated by horizontal tunneling tunnel through the 5IO2 film 23, and the SiO2
4 in the membrane 24 (hereinafter, this phenomenon will be referred to as "vertical tunneling"). The trapped charges in the Si3N4 film 24 raise the threshold voltage of the selection transistor T2 from the erased state V□h2.

閾値電圧の上昇量は電界強度及び水平トンネリ 5 6 ングの発生量に比例し、電荷強度はP  St基板20
の表面電位を決定するN+ソース領域22の電位が低い
程高くなるため、画素46の画像情報であるフォトダイ
オードPDでの光電変換量に比例して、選択トランジス
タT2の閾値電圧は上昇する。このようにして、画素4
6の画像情報が選択トランジスタT2に書込まれる。こ
の書込みによる選択トランジスタT1の最高閾値レベル
がVth■である。
The amount of increase in the threshold voltage is proportional to the electric field strength and the amount of horizontal tunneling, and the charge strength is
The lower the potential of the N+ source region 22, which determines the surface potential of the pixel 46, the higher the potential. Therefore, the threshold voltage of the selection transistor T2 increases in proportion to the amount of photoelectric conversion by the photodiode PD, which is image information of the pixel 46. In this way, pixel 4
6 image information is written into the selection transistor T2. The highest threshold level of the selection transistor T1 due to this writing is Vth■.

第2図は、上記した水平トンネリングと垂直トンネリン
グを示したバンド図である。同図(a)は垂直トンネリ
ングが修正F−N)ンネリングの場合、同図(b)は垂
直トンネリングが直接トンネリングの場合を示している
。第2図において、TNlが水平トンネリングを、TN
2が垂直トンネリングを示している。また、φ 、φ 
はそれぞれ112 P+ドレイン領域21,5t3N4膜24により決定す
る固有の値であり、Vox′ はS I O2膜23の
表面から裏面にかけてかかる電位である。
FIG. 2 is a band diagram showing the above-described horizontal tunneling and vertical tunneling. FIG. 4(a) shows a case where the vertical tunneling is modified FN) tunneling, and FIG. 6(b) shows a case where the vertical tunneling is direct tunneling. In Figure 2, TNl represents horizontal tunneling, and TN
2 indicates vertical tunneling. Also, φ, φ
are unique values determined by the 112 P+ drain region 21 and the 5t3N4 film 24, respectively, and Vox' is the potential applied from the front surface to the back surface of the S I O2 film 23.

また、φ ′は φB′ ミ φ −φ −V ′   ・・・(4)1
1    12    0X て定義される指標である。
Also, φ ′ is φB′ mi φ −φ −V ′ ...(4)1
It is an index defined as 1 12 0X.

指標φ ′〉0となる場合に、第2図に示すように、水
平トンネリングとして修正F−N)ンネリングが起こり
、φ′B≦0となる場合に、水平トンネリングとして直
接トンネリングが起こる。
When the index φ'>0, as shown in FIG. 2, modified FN) tunneling occurs as horizontal tunneling, and when φ'B≦0, direct tunneling occurs as horizontal tunneling.

選択トランジスタT2に書込まれた画像情報は以下のよ
うに読出される。
The image information written to the selection transistor T2 is read out as follows.

まず、水平走査の各帰線期間に相当する時間にオーバー
フローゲートPoGより所定の電圧を与えることにより
トランジスタT1をオンさせ、オーバーフロードレイン
端子PoDより所定の電圧を、トランジスタT1のドレ
インであるN+拡散領域51に供給する。すると、トラ
ンジスタT1のソースであり、かつ選択トランジスタT
2のソースてもあるN+ソース領域22に、フォトダイ
オードPDの充電変換量か無視てきるレベルの電荷か供
給される。
First, the transistor T1 is turned on by applying a predetermined voltage from the overflow gate PoG at a time corresponding to each retrace period of horizontal scanning, and a predetermined voltage is applied from the overflow drain terminal PoD to the N+ diffusion region which is the drain of the transistor T1. 51. Then, the source of the transistor T1 and the selection transistor T
The N+ source region 22, which is also the source of the photodiode PD, is supplied with a level of charge that is negligible, which is the charge conversion amount of the photodiode PD.

その後、各画素46の選択i・ランジスタT2の転送ゲ
ート25に、書込み、つまり垂直トンネリ] 7 ] 8 ングが生じない程度の電圧レベル(vtl、1以上)の
走査パルスを順次与え水平トンネリングを生じさせるこ
とにより選択トランジスタT2をオンさせて、選択トラ
ンジスタT2の閾値電圧に応じた電荷量をP+ドレイン
領域21に転送させる。すなわち、選択トランジスタT
2の閾値電圧が高いとP+ドレイン領域21に転送され
る電荷量が少なくなり、トランジスタT2の閾値電圧が
低いとP+ドレイン領域21に転送される電荷量が多く
なる。したがって、書込み時におけるフォトダイオード
PDの光電変換量と負の相関を有した映像出力V。Ul
がAN垂直信号線β3を介して読出される。しかも、選
択トランジスタT2のスイッチングは水平トンネリング
により行われるため、撮像時開様、高速に読出し動作を
行うことかできる。
Thereafter, a scanning pulse of a voltage level (vtl, 1 or more) that does not cause writing, that is, vertical tunneling, is sequentially applied to the transfer gate 25 of the selection transistor T2 of each pixel 46 to cause horizontal tunneling. By doing so, the selection transistor T2 is turned on, and an amount of charge corresponding to the threshold voltage of the selection transistor T2 is transferred to the P+ drain region 21. That is, the selection transistor T
If the threshold voltage of transistor T2 is high, the amount of charge transferred to P+ drain region 21 will be small, and if the threshold voltage of transistor T2 is low, the amount of charge transferred to P+ drain region 21 will be large. Therefore, the video output V has a negative correlation with the photoelectric conversion amount of the photodiode PD during writing. Ul
is read out via the AN vertical signal line β3. Moreover, since the switching of the selection transistor T2 is performed by horizontal tunneling, the readout operation can be performed at high speed during imaging.

一方、選択トランジスタT2に記憶した画像情報の消去
は、負の高電圧を転送ゲート25に印加し、Si3N4
膜24中にトラップされた電子を、P  St基板20
方向にデイトラッピングさせて、閾値電圧をVlhlに
低下させることにより行われる。この消去動作を行うと
、以降、前述した撮像動作を行うことができる。
On the other hand, to erase the image information stored in the selection transistor T2, a negative high voltage is applied to the transfer gate 25, and the Si3N4
The electrons trapped in the film 24 are transferred to the PSt substrate 20.
This is done by daytrapping in the direction and lowering the threshold voltage to Vlhl. After performing this erasing operation, the above-described imaging operation can be performed thereafter.

上記したように、撮像時及び読出し時の選択トランジス
タT2のオン/オフは水平トンネリングにより行われる
ため、高速スイッチング動作が可能となる。
As described above, since the selection transistor T2 is turned on and off during imaging and readout by horizontal tunneling, high-speed switching operation is possible.

また、選択トランジスタT2のドレイン、ソースの導電
形式か異なっており、ドレイン、ソース間にP”N+ポ
テンシャル障壁が生じるため、選択トランジスタT2の
ドレイン、ソース間長しsPを0.1μm以下にする等
の微細化を行っても短チヤネル効果は生じない。従って
、微細化することにより画素数を増加させることができ
る。
In addition, the conductivity types of the drain and source of the selection transistor T2 are different, and a P''N+ potential barrier is generated between the drain and source, so the length sP between the drain and source of the selection transistor T2 should be set to 0.1 μm or less. Even if miniaturization is performed, the short channel effect does not occur. Therefore, the number of pixels can be increased by miniaturization.

なお、本実施例は選択トランジスタT2に不揮発記憶機
能を持たせるため、MNO8構造にしたが、これに限定
されず、フローティングゲート型MO3FET構造、M
 ON OS (Metal 0xide NlLr1
de 0xide Sem1conductor)構造
等の他の構造で実現してもよい。
In this embodiment, in order to provide the selection transistor T2 with a non-volatile memory function, the MNO8 structure is used, but the structure is not limited to this, and floating gate MO3FET structure, M
ON OS (Metal Oxide NlLr1
It may be realized by other structures such as a de Oxide Sem1conductor structure.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

 9 0 以上説明したように、この発明によれば、光電変換部に
より光電変換された電気信号のスイッチングを行なう選
択トランジスタは、そのゲート電極に所定の電圧を与え
、ゲート直下のドレイン領域の表面部にバンド間トンネ
リングが生じるかとうかによってオン/オフ動作する。
90 As explained above, according to the present invention, the selection transistor that performs switching of the electrical signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion section applies a predetermined voltage to its gate electrode, and It turns on/off depending on whether interband tunneling occurs or not.

そのため、選択トランジスタのスイッチング動作が高速
になり、この選択トランジスタを有する固体撮像装置は
画素の高速走査を行なうことができる。また、選択トラ
ンジスタのドレイン領域とソース領域の導電形式が異な
っているため、両領域間に生じるPN障壁により、この
選択トランジスタには短チヤネル効果は生じず、微細化
により画素数を増加させることが可能となる。
Therefore, the switching operation of the selection transistor becomes faster, and a solid-state imaging device having this selection transistor can perform high-speed scanning of pixels. In addition, since the conductivity types of the drain region and source region of the selection transistor are different, the short channel effect does not occur in this selection transistor due to the PN barrier that occurs between the two regions, making it possible to increase the number of pixels through miniaturization. It becomes possible.

さらに、ゲート電極に所定の高電圧を与え、ゲート電極
直下のドレイン領域の表面部にバンド間トンネリングを
生じさせ、さらに、バンド間トンネリングにより発生し
た電子を、絶縁膜中にトンネリングさせ不揮発情報記憶
層中にトラップさせることにより画像情報が書込めるた
め、不揮発な情報記憶が行える。
Furthermore, a predetermined high voltage is applied to the gate electrode to generate band-to-band tunneling on the surface of the drain region directly under the gate electrode, and electrons generated by the band-to-band tunneling are tunneled into the insulating film to form a non-volatile information storage layer. Since image information can be written by trapping it inside, non-volatile information storage can be achieved.

加えて、読出しは、ゲート電極に所定の読出し電圧を与
え、ゲート電極直下のドレイン領域の表面部にバンド間
トンネリングを生じさせることにより行っているため、
スイッチング動作は高速になり、記憶された画像情報の
読出し動作を高速に行うことができる。
In addition, readout is performed by applying a predetermined readout voltage to the gate electrode and causing band-to-band tunneling on the surface of the drain region directly under the gate electrode.
The switching operation becomes faster, and the readout operation of stored image information can be performed at higher speed.

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

第1図はこの発明の一実施例である固体撮像装置の1画
素の断面を示す断面図、第2図は第1図で示した選択ト
ランジスタT2の書込み動作を示すバンド図、第3図は
従来の固体撮像装置の基本構成を示した回路図、第4図
は従来の固体撮像装置の1画素の断面を示す断面図、第
5図はB2T−MOSFETを示す断面図、第6図は第
5図で示したB2T−MOSFETの動作を示したバン
ド図である。 図において、20はP  St基板、21はP+ドレイ
ン領域、22はN+ソース領域、23はSto  膜、
24は513N4膜、25は転送ゲー1 2 トである。 なお、 各図中同一符号は同一または相当部分を示す。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the cross section of one pixel of a solid-state imaging device which is an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a band diagram showing the write operation of the selection transistor T2 shown in FIG. 1, and FIG. A circuit diagram showing the basic configuration of a conventional solid-state imaging device, FIG. 4 is a sectional view showing a cross section of one pixel of a conventional solid-state imaging device, FIG. 5 is a sectional view showing a B2T-MOSFET, and FIG. 5 is a band diagram showing the operation of the B2T-MOSFET shown in FIG. 5. FIG. In the figure, 20 is a PSt substrate, 21 is a P+ drain region, 22 is an N+ source region, 23 is a Sto film,
24 is a 513N4 film, and 25 is a transfer gate 1 2 . Note that the same symbols in each figure indicate the same or equivalent parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)第1の導電型の半導体基板と、 前記半導体基板中に形成された光電変換部と、前記半導
体基板上に形成され、前記光電変換部の一部を含み、前
記光電変換部により光電変換された電気信号のスイッチ
ングを行なう選択トランジスタとを備えた固体撮像装置
において、 前記選択トランジスタは、 前記半導体基板表面に選択的に形成された第1の導電型
のドレイン領域と、 前記半導体基板表面に選択的に形成された第2の導電型
のソース領域と、 前記ドレイン領域上から前記ソース領域の端部上にかけ
て形成された、トンネリングが可能な膜厚の絶縁膜と、 前記絶縁膜上に形成され、キャリアをトラップすること
により不揮発な情報記憶を行う不揮発情報記憶層と、 前記不揮発情報記憶層上に形成されたゲート電極とを備
えたことを特徴とする固体撮像装置。
(1) A semiconductor substrate of a first conductivity type, a photoelectric conversion section formed in the semiconductor substrate, and a photoelectric conversion section formed on the semiconductor substrate, including a part of the photoelectric conversion section, A solid-state imaging device including a selection transistor that performs switching of a converted electrical signal, the selection transistor comprising: a drain region of a first conductivity type selectively formed on the surface of the semiconductor substrate; and a drain region of a first conductivity type selectively formed on the surface of the semiconductor substrate. a second conductivity type source region selectively formed in the drain region; an insulating film formed from above the drain region to an end of the source region and having a thickness that allows tunneling; and on the insulating film. What is claimed is: 1. A solid-state imaging device comprising: a nonvolatile information storage layer that stores nonvolatile information by trapping carriers; and a gate electrode formed on the nonvolatile information storage layer.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040093786A (en) * 2003-04-30 2004-11-09 매그나칩 반도체 유한회사 Method of manufacturing cmos image sensor

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