JPH05275670A - 固体撮像素子 - Google Patents

固体撮像素子

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JPH05275670A
JPH05275670A JP4067343A JP6734392A JPH05275670A JP H05275670 A JPH05275670 A JP H05275670A JP 4067343 A JP4067343 A JP 4067343A JP 6734392 A JP6734392 A JP 6734392A JP H05275670 A JPH05275670 A JP H05275670A
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solid
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photodiode
signal charge
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Tadao Isogai
忠男 磯貝
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Abstract

(57)【要約】 【目的】増幅用トランジスタ自身の暗電流を小さくし、
非破壊読み出しをある時間間隔で繰り返し行っても、固
定パタ−ンノイズの小さい固体撮像素子を提供する。 【構成】光電変換部20により入射光を受光して信号電
荷を発生し、その信号電荷を信号読み出し部30るより
読み出す。光電変換部20はフォトダイオ−ド6を有す
るとともに、信号読み出し部30は信号電荷を増幅する
ための増幅用トランジスタ3,4,9,15を有する。
この増幅用トランジスタは接合型電界効果トランジスタ
である。フォトダイオ−ド6で発生した信号電荷は転送
手段10により増幅用トランジスタに転送される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、増幅型の固体撮像素子
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の固体撮像素子は、CCD型撮像素
子と増幅型撮像素子とに大別される。CCD型撮像素子
の単位画素は、入射光を信号電荷に変換するための光電
変換部としての埋込フォトダイオ−ド(以下、BPDと
略称する)と、信号電荷を転送して読み出すための転送
部とから構成されている。BPDは、PN接合領域上に
反対導電型(P型フォトダイオ−ドであればN型、N型
フォトダイオ−ドであればP型)の浅い拡散領域が設け
られた構造をなしている。
【0003】一方、増幅型固体撮像素子の単位画素は、
MOS型静電誘導トランジスタ(以下、MOS・SIT
と略称する)、接合型電界効果トランジスタ(以下、J
・FETと略称する)、バイポ−ラトランジスタなどの
トランジスタからなり、光電変換部は各トランジスタの
構成要素の一部であるMOSダイオ−ド、PN接合ダイ
オ−ドで構成されていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の固体撮像素子においては次のような問題点があっ
た。まず、CCD型撮像素子は、光電変換部に埋込フォ
トダイオ−ドを備えているので、量子効率が高い、残像
が少ない、暗電流が小さく、暗電流のばらつきによる固
定パタ−ンノイズ(以下、FPNという)が小さい、と
いう長所を持つが、個々の画素単位で信号電荷が増幅さ
れずに転送されるため、増幅型撮像素子に比べて感度が
低いという問題がある。
【0005】一方、増幅型撮像素子においては、増幅型
トランジスタの構成要素の一部であるダイオ−ドで光電
変換が行われるため、光電変換用の埋込フォトダイオ−
ドを備えるCCD撮像素子のような優れた光電変換特性
が得られない。たとえば、MOSダイオ−ドでは、ゲ−
ト電極となるポリシリコン層の透過率が低いことから量
子効率が小さくなってしまう上、表面リ−ク電流が大き
いという欠点があり、FPNが大きくなってしまうとい
う問題がある。また、PN接合ダイオ−ドでは、そのリ
セット動作が不完全であるために残像が発生してしま
う。この残像を減らそうとして、フォトダイオ−ド領域
を低濃度化し、完全なリセット動作を実現しようとする
と、今度は表面リ−ク電流が大きくなってしまうという
不都合が生じる。
【0006】本出願人は、すでに特願平3−69405
において、上記問題点を解決するための固体撮像素子を
提案した。図2は、特願平3−69405において提案
した固体撮像素子の構成を示す平面図(図2(a))、
断面図(図2(b))である。図2(a)において、2
0は光電変換部となる埋込フォトダイオ−ド(BP
D)、10は転送ゲ−ト、30は信号電荷増幅用のMO
S型静電誘導トランジスタ(MOS・SIT)である。
【0007】図2に示した固体撮像素子は、光電変換部
がBPDであるため、MOSダイオ−ドに比べて、量子
効率が高い、暗電流が小さいため、そのばらつきによる
固定パタ−ンノイズが小さい、通常のPN接合にみられ
るような残像がない、さらに、発生した信号電荷をMO
S・SITで増幅してから読み出すため感度が高い、と
いう長所を持っている。
【0008】さらに、MOS・SITでは信号の読み出
しは非破壊で行われるため、リセット動作を行わない限
り何度でも読み出し動作を行うことができる。この特性
を積極的に利用する技術として、本出願人は、特願平3
−13705において、高ダイナミックレンジ撮像装置
を提案した。これは、非破壊読み出しを利用して、実効
的な蓄積時間を画素ごとに最適化し、高ダイナミックレ
ンジを得るものである。図2に示した固体撮像素子を、
上記のような高ダイナミックレンジを得る技術に適用し
ようとすると、光電変換部のBPDの特性が良好である
にもかかわらず、信号電荷増幅用MOS・SITの暗電
流が大きいために固定パタ−ンノイズが大きくなってし
まうという問題点がある。
【0009】これは、ある時間間隔で非破壊読み出しを
繰り返し行うためには、BPDに蓄積された電荷をその
都度、順次MOS・SITに転送して読み出し動作を行
い、最終的にリセットされるまで信号電荷を保持するこ
とになるため、MOS・SIT自身の暗電流も信号電荷
に加算されてしまうためである。本発明は、上記問題点
を解決するためのものであり、増幅用トランジスタ自身
の暗電流を小さくし、非破壊読み出しをある時間間隔で
繰り返し行っても、固定パタ−ンノイズの小さい固体撮
像素子を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決のため本
発明は、入射光を受光して信号電荷を発生する光電変換
部と、該光電変換部で発生した信号電荷を読み出す信号
読み出し部とを有する固体撮像素子において、前記光電
変換部はフォトダイオ−ドを有するとともに、前記信号
読み出し部は前記信号電荷を増幅するための増幅用トラ
ンジスタを有し、かつ、前記フォトダイオ−ドで発生し
た信号電荷を前記増幅用トランジスタに転送する転送手
段を備え、前記増幅用トランジスタは接合型電界効果ト
ランジスタである構成とした。
【0011】
【作用】本発明の固体撮像素子においては、信号電荷を
増幅するための増幅用トランジスタに接合型電界効果ト
ランジスタを使用しているので、ゲ−ト電極下部のSi
表面の空乏化を防ぐことができ、暗電流が小さくなる。
これは、JFETにおいては、ゲ−ト電極下部のSi表
面にチャネル領域と反対導電型の高濃度拡散層(ゲ−ト
領域となる)を形成するため、このゲ−ト領域とチャネ
ル領域とで構成されるPN接合を逆バイアス状態として
も、ゲ−ト領域の表面まで空乏層が延びるのを防ぐこと
ができるためである。
【0012】
【実施例】図1(a) は本発明の実施例による固体撮像素
子の模式的な平面図、図1(b) は、図1(a) の固体撮像
素子のAA’断面図である。図1(a) では、便宜上、A
l膜13を除去してソ−ス電極より下方を示し、各領域
とも実線で示す。まず、図1(a) において、固体撮像素
子の単位画素は、埋込フォトダイオ−ドを備えた光電変
換部20、転送ゲ−ト10、接合型電界効果トランジス
タ(以下、J・FETと略称する)を備えた信号読み出
し部30から構成されており、L字形に設けられた光電
変換部20と正方形状の信号読み出し部30は、転送ゲ
−ト10で接続されている。
【0013】次に、図1(b) において、単位画素の断面
構造を説明する。図において、P型基板1上にはN型半
導体層2が積層されており、N型半導体層2の表面近傍
にはN型ソ−ス領域3とN型ドレイン領域4が形成され
ている。N型ドレイン領域4は、図1(a) に示されるよ
うに、N型ソ−ス領域3の外側に、単位画素を取り囲む
ように形成されており、後述するフォトダイオ−ドのN
型拡散領域7と連続している。また、N型ソ−ス領域3
にはポリシリコンからなるソ−ス電極8が設けられてい
る。
【0014】N型ソ−ス領域3とN型ドレイン領域4の
間の領域上には、絶縁層14を介してゲ−ト電極9がN
型ソ−ス領域3を囲むように設けられ、ゲ−トライン1
2および転送ゲ−トライン11は、絶縁層14を介して
N型ドレイン領域4上に重なるように設けられている。
以上は、図2に示した固体撮像素子の構成と同様であ
る。本実施例においては、ゲ−ト電極9の下部にP型ゲ
−ト領域15が設けられている。ゲ−ト電極9とP型ゲ
−ト領域15の間には、絶縁層14が介されている。
【0015】上述したN型ソ−ス領域3、ゲ−ト電極
9、N型ドレイン領域4、P型ゲ−ト領域15でJ・F
ETが構成されている。このJ・FETは信号電荷の増
幅専用に設けられているので、J・FETに光が入射し
て電荷が発生しないように信号読み出し部30の最上層
は、遮光用のAl膜13で覆われている。一方、光電変
換部20のN型半導体層2には、下からN型ウエル領域
5、P型フォトダイオ−ド領域6、浅いN型拡散領域7
が形成されており、N型拡散領域7、P型フォトダイオ
−ド領域6、N型ウエル領域5、P型半導体基板1とい
う縦構造でNPNNP型埋込フォトダイオ−ドが構成さ
れている。
【0016】光電変換部20と信号読み出し部30を接
続する転送ゲ−ト10は、埋込フォトダイオ−ドのP型
フォトダイオ−ド領域6とJ・FETのゲ−ト電極9の
間に、絶縁層14を介して跨がるように設けられてお
り、フォトダイオ−ドに蓄積された電荷をJ・FETの
ゲ−ト電極9下部に転送する働きをする。上述の図1の
固体撮像素子の動作は次のようになる。
【0017】まず、光電変換部で一定時間受光された入
射光は、埋込みフォトダイオ−ドで光電変換され、発生
した電荷はフォトダイオ−ド領域6に蓄積される。その
後、転送ゲ−ト電極10にパルス電圧を加えることによ
り、蓄積されていた電荷はJ・FETのゲ−ト電極9の
下部に転送される。電荷が転送された後は、フォトダイ
オ−ド領域6には全く電荷が残らないので、残像が発生
することがない。
【0018】次に、ゲ−ト電極9にパルス電圧を加え
て、J・FETを動作状態とすることで、転送された電
荷に応じて、増幅された信号がソ−ス電極8から得られ
る。この際、信号の読み出しは非破壊で行われるため
(ソ−ス電極8から信号を読み出しても、ゲ−ト電極9
の下部に転送された電荷はそのまま残る)、ゲ−ト電極
9にリセット用のパルス電圧を加えて、電荷を吐き出し
てから、次の電荷転送動作に入る。この際、電荷がフォ
トダイオ−ド領域6からゲ−ト電極9の下部に転送され
た後は、フォトダイオ−ド領域6には全く電荷が残らな
いので、残像が発生がない。
【0019】また、光電変換領域に備えるフォトダイオ
−ドは、FPNの低減等の観点からは埋込フォトダイオ
−ドとすることが好ましいものであるが、必ずしも埋込
型に限定されるものではなく、図1(b) のN型拡散領域
7のないフォトダイオ−ドであってもよい。
【0020】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、光電変換
部にフォトダイオ−ドを備えており、発生した電荷を信
号読み出し部の増幅用トランジスタに転送する構成をと
っているので、量子効率が高く、暗電流に起因するFP
Nが小さいというすぐれた特性を有する。また、フォト
ダイオ−ドから増幅用トランジスタへ電荷が転送された
後は、フォトダイオ−ドには電荷が残らず、完全転送が
可能になるので残像がきわめて少ない。さらに、転送さ
れた電荷は、個々の画素単位の増幅用トランジスタで増
幅されてから読み出されるので、高い感度が確保され
る。
【0021】さらに、本発明においては、増幅用トラン
ジスタに接合型電界効果トランジスタを用いているの
で、ゲ−ト電極下部のSi表面の空乏化を防ぐことがで
き、暗電流が小さくなるので、非破壊読み出しをある時
間間隔で繰り返し行ってもFPNが小さいという効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a) は本発明の実施例による固体撮像素子
の模式的な平面図、図1(b) は、図1(a) の固体撮像素
子のAA’断面図である。
【図2】図2(a)は特願平3−69405において提
案した固体撮像素子の模式的な平面図、図2(b) は、図
2(a) の固体撮像素子のAA’断面図である。
【符号の説明】
1 P型半導体基板 2 N型半導体層 3 N型ソ−ス領域 4 N型ドレイン領域 5 N型ウエル領域 6 P型フォトダイオ−ド領域 7 N型拡散領域 8 ソ−ス電極 9 ゲ−ト電極 10 転送ゲ−ト電極 11 転送ゲ−トライン 12 ゲ−トライン 13 遮光用Al膜 15 P型ゲ−ト領域

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入射光を受光して信号電荷を発生する光電
    変換部と、該光電変換部で発生した信号電荷を読み出す
    信号読み出し部とを有する固体撮像素子において、 前記光電変換部はフォトダイオ−ドを有するとともに、
    前記信号読み出し部は前記信号電荷を増幅するための増
    幅用トランジスタを有し、かつ、前記フォトダイオ−ド
    で発生した信号電荷を前記増幅用トランジスタに転送す
    る転送手段を備え、前記増幅用トランジスタは接合型電
    界効果トランジスタであることを特徴とする固体撮像素
    子。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5563429A (en) * 1994-06-14 1996-10-08 Nikon Corp. Solid state imaging device
US5847381A (en) * 1996-03-18 1998-12-08 Nikon Corporation Photoelectric conversion apparatus having a light-shielding shunt line and a light-shielding dummy line
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CN100377362C (zh) * 1998-02-28 2008-03-26 美格纳半导体有限会社 图像传感器件及制造方法

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